DE10350716B3

DE10350716B3 - Verfahren zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Hohlraum mit sub-mm breiter Öffnung

Info

Publication number: DE10350716B3
Application number: DE10350716A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Neumann; Stefan Dipl.-Ing. Stöcker (FH)
Original assignee: Fries Res & Technology GmbH; Fries Research & Technology GmbH; Minebea Co Ltd
Current assignee: FRT GmbH; MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005134384A; US7012272B2; JP4494163B2; US20050094148A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erfassung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem eine sub-mm breite Öffnung aufweisenden Hohlraum mithilfe eines auf chromatischer Kodierung basierenden Messsensors, wobei der Messsensor als Ausgangssignal einen Abstandswert und einen Intensitätswert liefert. DOLLAR A Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: DOLLAR A Erfassen eines Abstandsprofils und eines Intensitätsprofils der Flüssigkeitsoberfläche durch Bewegen des Messsensors entlang der Öffnung des die Flüssigkeit aufnehmenden Hohlraums, wobei die Bewegung im Wesentlichen parallel zur Flüssigkeitsoberfläche entlang einer Messstrecke x erfolgt, und Bestimmen des Füllstandes durch kombinierte Auswertung des Abstandsprofils und des Intensitätsprofils.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Hohlraum mit sub-mm breiter Öffnung. Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der berührungslosen optischen Entfernungsmesstechnik.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einem hydrodynamischen Fluidlager, wie es z.B. in Spindelmotoren eingesetzt wird, muss der Lagerspalt vor dem ersten Betrieb mit einer Schmierflüssigkeit, wie z.B. Öl, gefüllt werden. Dabei ist der Füllstand des Schmiermittels im Lagerspalt kritisch und bestimmt unter anderem die Lebensdauer des Lagers. Der Lagerspalt sowie auch die Öffnung zur Befüllung sowie zur Messung des Füllstandes des Schmiermittels sind sehr klein und liegen im sub-mm Bereich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen Lagers weist die Lagerbuchse an ihrer einen Stirnseite einen sich verjüngenden Bereich z.B. in Gestalt einer konischen oder zylindrischen Ansenkung auf, während die entgegengesetzte Stirnseite luftdicht verschlossen ist. Durch die Ansenkung der Lagerbuchse entsteht zwischen der Buchseninnen- und der Wellenaußenfläche ein konzentrischer, sich in Richtung Stirnseite erweiternder Freiraum, der anteilig mit Lageröl gefüllt ist. Das Öl benetzt die Oberflächen von Buchse und Welle, wodurch sich an der Grenzfläche zur Luft ein sogenannter Meniskus mit konkaver Oberfläche ausbildet. Das im Freiraum befindliche Lageröl dient als Schmiermittelreservoir, aus dem abdampfendes Lageröl ersetzt wird. Der Freiraum zwischen Konusinnen- und Wellenaußenmantelfläche oberhalb des Meniskus dient als Ausgleichsvolumen, in welches das Lageröl aufsteigen kann, wenn dessen temperaturabhängiges Volumen mit steigender Temperatur zunimmt und dadurch der Flüssigkeitsspiegel ansteigt. Die in der Flüssigkeit des Schmiermittels wirksamen Kohäsionskräfte, unterstützt durch die Kapillarkräfte im Lagerspalt verhindern, dass flüssiges Lageröl aus dem Lager austritt und in den Reinraumbereich eindringt.
Man erkennt, dass eine Messung des Füllstandes im Schmiermittelreservoir eines Fluidlagers nicht trivial ist und durch die Ausbildung eines Meniskus erschwert wird. Es sind daher spezielle Messverfahren notwendig, um den Füllstand messen zu können. Bisher wird der Füllstand des Schmiermittels durch strahlengeometrische Verfahren gemessen. Ein bekanntes Messverfahren beruht darauf, paralleles Licht auf eine Referenzoberfläche und die Oberfläche des Schmiermittels zu richten. Aus dem Abstand der Reflexionsmaxima lässt sich der Füllstand des Schmiermittels im Reservoir bestimmen. Dieses Messverfahren eignet sich jedoch nur für ausreichend große Hohlraumöffnungen. Bei einem Fluidlager mit sehr kleinen Lagerspalten versagt dieses Verfahren. Darüber hinaus erhält man keinen numerischen Abstandswert.

JP 2001 090733 A offenbart ein Verfahren zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Hohlraum mit sub-mm breiter Öffnung mittels einer abbildenden Optik, vorzugsweise einem Mikroskop.

DE 43 30 412 A1 betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten, bei dem Flüssigkeitstropfen mittels eines Lichtstrahles abgetastet werden, um deren Volumen zu bestimmen.

EP 0 615 607 B1 offenbart einen optischen Abstandssensor nach dem konfokalen Prinzip.

DE 101 41 544 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten mit einer optischen Abtasteinrichtung, mittels der die Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechzahlen ermittelt werden kann. Dabei kann die gesamte Optik längs der optischen Achse verschoben werden, um ein Intensitätsmaximum zu detektieren.

Mit Ausnahme des in JP 2001 090733 A offenbarten Verfahrens, das auf einer abbildenden Optik basiert, sind die bekannten Verfahren nicht zur Füllstandsmessung in einem Hohlraum mit sub-mm breiter Öffnung geeignet.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Hohlraum mit einer sub-mm breiten Öffnung anzugeben, das auch bei kleinsten Abmessungen der Öffnung genaue Füllstandswerte liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung basiert auf einem Verfahren der berührungslosen Entfernungsmesstechnik und auf einem optischen Messverfahren, das auf einer wellenlängenabhängigen, das heißt chromatischen Kodierung des zu vermessenden Raumes beruht. Dieses chromatische Messverfahren ist an sich bekannt.

Praktisch realisiert ist dieses Messverfahren zum Beispiel durch den optischen Mikrometer-Messtaster FRT-CWL der Firma FRT GmbH. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten chromatischen Weißlichtsensor. Der Sensor eignet sich zur Messung von Kontur, Rauheit und Topographie. Um den Abstand zu einer Probenoberfläche zu bestimmen, wird diese mit fokussiertem Weißlicht beleuchtet, das von einer Lichtquelle über ein Glasfaserkabel auf die Probe geführt wird. Eine passive Optik mit großer chromatischer Aberration fächert das Licht vertikal in Fokuspunkte verschiedener Farbe und somit Höhe auf und bildet sie auf der Probe ab. Wegen der chromatischen Aberration ergibt sich eine stark wellenlängenabhängige Fokuslänge für diese Abbildung. Befindet sich nun eine optische Oberfläche in diesem Fokusbereich, so wird nur die Wellenlänge, deren Fokus auf der Oberfläche liegt, scharf abgebildet. Umgekehrt wird auch der Reflex nur dieser Wellenlänge wieder scharf auf das Ende der Glasfaser abgebildet und in die Faser eingekoppelt (konfokales Prinzip). Dabei spielt es keine Rolle, ob die Oberfläche diffus streut oder spiegelnd reflektiert. Das von der Probenoberfläche reflektierte Licht wird durch die gleiche Optik und das Glasfaserkabel einem Spektrometer zugeführt. Aus der dort ermittelten Farbe des Lichtes kann dann anhand einer Kalibriertabelle die Lage des Fokuspunktes und somit die Position der Probenoberfläche bestimmt werden. Da der Sensor ohne aktive Regelung arbeitet, sind sehr schnelle Messungen an strukturierten Oberflächen möglich.

Der chromatische Weißlichtsensor liefert als Ausgangssignal einen Abstandswert und einen Intensitätswert. Erfindungsgemäß wird der Sensor entlang der Öffnung eines die Flüssigkeit aufnehmenden Hohlraums im wesentlichen parallel zur Flüssigkeitsoberfläche bewegt. Während der Bewegung des Sensors werden kontinuierlich Abstandswerte und Intensitätswerte erfasst, wobei sich ein Abstandsprofil und ein Intensitätsprofie von der Flüssigkeitsoberfläche ergibt. Durch eine kombinierte Auswertung des Abstandsprofils und des Intensitätsprofils kann der tatsächliche Füllstand der Flüssigkeit bestimmt werden.

Es wird nun erfindungsgemäß derjenige Abstandswert als Füllstand bestimmt, bei dem das Intensitätsprofil sein Maximum aufweist. Zur Bestimmung eines absoluten Füllstandes kann der gemessene Abstandswert mit dem Abstand einer Referenzfläche verglichen und daraus die Höhe des Flüssigkeitspegels bestimmt werden.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch eine hydrodynamische Lageranordnung, wie sie z.B. in Spindelmotoren eingesetzt wird;
2 zeigt die Messanordnung anhand einer vergrößerten Darstellung der Lageranordnung im Bereich des Schmiermittelsreservoirs;
3 zeigt die vom optischen Sensor gelieferten Ausgangssignale in Form eines Intensitäts- und Abstandsprofils.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine hydrodynamische Lageranordnung, wie sie zum Beispiel in einem Spindelmotor eingesetzt wird.
Gemäß 1 umfasst die Lageranordnung eine in einer Lagerbuchse 2 frei drehbar angeordnete Welle 1. Jeweils eine der einander zugewandten Oberflächen von Welle 1 und/oder Buchse 2, im dargestellten Fall ist es die Oberfläche der Welle 1, weist zylindrische Zonen mit eingearbeiteten Rillenmustern 3 auf.
Die Buchse 2 ist an ihrer unteren Stirnseite mit einer ringförmigen Aussparung zur Aufnahme einer Druckscheibe 4 versehen. Ebenso wie die Welle 1 in der Buchse 2 rotiert die mit der Welle fest verbundene Druckscheibe 4 in der Aussparung. Die untere Öffnung der Buchse 2 ist durch einen Deckel 5 hermetisch verschlossen, der das Eindringen von Luft in die Lageranordnung verhindert.
In den Lagerspalt, der sich zwischen Welle/Druckscheibe und Lagerhülse/Deckel ausbildet, ist ein flüssiges Schmiermittel, wie z.B. Öl, eingebracht. Durch das beschriebene Rillenmuster 3 kommt es bei Drehung der Welle 1. zu einer Art Pumpwirkung, was sowohl zum Druckaufbau als auch zur Verteilung des Schmiermittels führt.
Die Lagerbuchse 2 weist an ihrer Stirnseite einen sich verjüngenden Bereich z.B. in Gestalt einer konischen Ansenkung auf, die zusammen mit dem Außendurchmesser der Welle 1 ein Reservoir 6 zur Aufnahme des Schmiermittels ausbildet. Der größte Durchmesser des Reservoirs 6 liegt im Bereich der Stirnseite der (Lager-) Buchse 2.
Ist die Lageranordnung fertig aufgebaut, kann das Reservoir 6 gemäß 2 mit dem Schmiermittel 7 befüllt werden. Der Füllstand des Schmiermittels 7 im Reservoir 6 kann nun optisch anhand des sich durch die Kapillarwirkung im Reservoir 6 ausbildenden Schmiermittel-Meniskus 8 überprüft werden.
Anhand der 2 und 3 wird das erfindungsgemäße Messverfahren erläutert. Ein chromatischer Weißlichtsensor 9 wird derart angeordnet, dass er senkrecht auf die Öffnung des Schmiermittelreservoirs 6 blickt. Der vom Sensor 9 emittierte Lichtstrahl 10 trifft auf die durch den Meniskus 8 definierte Oberfläche des Schmiermittels. Das von der Oberfläche 8 reflektierte Licht wird einem Spektrometer der Messanordnung (nicht dargestellt) zugeführt. Aus der dort ermittelten Farbe des Lichtes kann dann anhand einer Kalibrierungsstabelle die Lage des Fokuspunktes und somit der Abstand d zwischen Sensor und Schmiermitteloberfläche 8 bestimmt werden. Während des Messvorgangs wird der Sensor 9 in lateraler Richtung entlang einer Messstrecke x parallel zur Öffnung des Reservoirs 6 bewegt. Dabei werden ständig der Abstand zwischen Sensor 9 und Schmiermitteloberfläche 8 und die Intensität des von der Schmiermitteloberfläche reflektierten Lichts erfasst.
Dabei ergeben sich ein Intensitätsprofil 11 und ein Abstandsprofil 12 über die Messstrecke x, wie sie in 3 beispielhaft dargestellt sind.
Es fällt auf, dass das Abstandsprofil 12 nicht wie erwartet dem konkaven Verlauf des Schmiermittelmeniskus 8 folgt, sondern über die Messstrecke x stetig fällt. Der Grund dafür sind überwiegend Fremdreflexionen des vom Sensor 9 abgestrahlten Lichts 10 an der schrägen Fläche 13 der Lagerbuchse 2, welche die linke Seitenwand des Reservoirs 6 ausbildet. Der tatsächliche Flüssigkeitspegel, der dem Minimum des Meniskus 8 entspricht, kann daher aus dem Abstandsprofil alleine nicht bestimmt werden. Es muss derjenige Abstandswert d gefunden werden, bei dem die Oberfläche des Meniskus 8 ihren tiefsten Punkt (Minimum) aufweist.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieses Problems darin, zusätzlich zum Abstandsprofil das Intensitätsprofil 11 auszuwerten. Aus dem Intensitätsprofil ergibt sich, dass die Intensität des reflektierten Lichts reziprok zur Krümmung des Meniskus verläuft und dann am größten ist, wenn der Lichtstrahl 10 von der Meniskusoberfläche genau senkrecht zurück in den Sensor 9 reflektiert wird. Dieser Punkt, hier bezeichnet als Intensitätsmaximum I_max, definiert den tiefsten Punkt des Meniskus. Die laterale Position x_Max, die dem Intensitätsmaximum zugeordnet ist, kann nur auf das Abstandsprofil übertragen werden. Der an der Position x_max, abgenommene Abstandswert d_oel entspricht dem gesuchten Füllstand des Schmiermittels.
Der absoluter Wert des Füllstandes kann durch Vergleich des gemessenen Abstandswertes d mit einem Referenzwert, zum Beispiel dem Abstand zwischen Sensor 9 und der stirnseitigen Oberfläche 14 der Lagerbuchse 2 ermittelt werden.

1: Welle
2: Lagerbuchse
3: Rillenmuster
4: Druckscheibe
5: Deckel
6: Reservoir
7: Schmiermittel
8: Meniskus
9: Optischer Sensor
10: Lichtstrahl
11: Intensitätsprofil
12: Abstandsprofil
13: schräge Fläche
14: Oberfläche

Claims

Verfahren zur optischen Erfassung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem eine sub-mm breite Öffnung aufweisenden Hohlraum mit Hilfe eines auf wellenlängenabhängiger, chromatischer Kodierung nach dem konfokalen Prinzip basierenden Messsensors, wobei der Messsensor als Ausgangssignal einen Abstandswert, der vom Abstand zu der als Meniskus ausgebildeten Flüssigkeitsoberfläche abhängt, und einen Intensitätswert, der sich mit der Intensität des von der Oberfläche empfangenen Lichtes ändert, liefert, aufweisend die folgenden Schritte: • Ausrichten des Messsensors senkrecht auf die Öffnung des Hohlraumes hin, • Erfassen eines Abstandsprofils und eines Intensitätsprofils der Flüssigkeitsoberfläche längs einer Messstrecke x durch Bewegen des Messsensors in lateraler Richtung entlang der Öffnung des die Flüssigkeit aufnehmenden Hohlraums über die Flüssigkeitsoberfläche hinweg, und • Bestimmen des Füllstandes durch kombinierte Auswertung des erfassten Abstandsprofils und des Intensitätsprofils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Abstandswert als Füllstand bestimmt wird, bei dem das Intensitätsprofil sein Maximum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Abstandswert mit dem Abstand einer Referenzfläche verglichen wird und daraus die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche bestimmt wird.