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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ölzustandsüberwachung und insbesondere auf ein System zum Detektieren eines Sättigungsrads von Wasser in Öl oder ähnlichen Substanzen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine mikro-elektro-opto-mechanische Vorrichtung für eine solche Detektion und auf ein Verfahren zum Überwachen eines Sättigungsgrads von Wasser in Öl, welches eine Realisierung mit niedrigen Kosten ermöglicht.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Optische Sensoren wurden zur Ölzustandsüberwachung verwendet, um das Vorhandensein von Schmutz zu bestimmen oder anderweitig die Verschlechterung eines Schmiermittels zu überwachen. Solche Vorrichtungen können arbeiten, indem Licht durch einen kleinen Spalt gestrahlt wird und das übertragene Licht mit einem geeigneten optischen Sensor analysiert wird. Alternative Sensoren können Licht zerstreuen und können über verschiedene Frequenzen, einschließlich außerhalb des sichtbaren Bereichs, arbeiten. Die Ölzustandsüberwachung kann wesentlich beim Bereitstellen einer Rückmeldung vor einem wahrscheinlichen Ausfall eines Schmiermittelsystems sein. Es kann eine Maßnahme ergriffen werden, um eine Wartung durchzuführen oder das Schmiermittel anderweitig zu erneuern.
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Die Druckschrift
US 7,339,657 B2 offenbart ein Sensorsystem, das bei einem Messen von feinstverteiltem Wasser in Schmierölsystemen Anwendung finden kann. Das Sensorsystem weist eine Keilstruktur mit einer Ausnehmung auf, in die eine Flüssigkeit einfließen kann. Ferner umfasst das Sensorsystem eine optische Faser mit einem ersten Ende, welche derart angeordnet ist, dass sie Licht leitet, das sich über die Ausnehmung hinweg ausbreitet. Außerdem umfasst das Sensorsystem ein optisches und elektronisches System, das eine einzige integrierte Leiterplatte sein kann. Das optische und elektronische System weist ferner eine Lichtquelle, Photodetektoren und anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise zur Signalhandhabung, für Berechnungen und zum Datentransfer auf. Die Lichtquelle kann Licht in die optische Faser zur Durchquerung der Ausnehmung emittieren, welches der Detektor in gegebenenfalls modifizierter Form detektieren kann.
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Des Weiteren offenbart die Druckschrift
US 2009/021 6464 A1 verschiedene Ausführungsformen eines Ölüberwachungsapparats.
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Wasser in Öl ist von erheblicher Bedeutung für viele mechanische Systeme. Minimale Mengen an Wasser können durch das Öl während der Verwendung absorbiert werden, entweder von der Atmosphäre oder durch direktes Eindringen von Wasser in das System. Solange dieses Wasser in dem absorbierten Zustand ist und das Öl ungesättigt ist, ist die Besorgnis minimal. Dennoch kann, wenn die Konzentration von Wasser den Sättigungsgrad erreicht, emulgiertes und freies Wasser auftreten, welches sehr schädlich sein kann, insbesondere wenn sich die Belastung ausdehnt. In Lagern kann die Nichtzusammendrückbarkeit von Wasser relativ zu dem Öl in einer Unterbrechung des Ölfilms resultieren, was zu einer übermäßigen Abnutzung führt. Nur ein Prozent Wasser in Öl kann die Lebenserwartung eines Lagers um bis zu 90 Prozent verringern. Für Kugel- oder Wälzlager kann der erzeugte lokal begrenzte Druck eine spontane Verdampfung des Wassers verursachen, was zu einer abtragenden Abnutzung wie Graufleckigkeit führt. Der Sättigungsgrad von Wasser in Öl kann je nach Temperatur und der Art des Öls stark variieren und von 10ppm bis sogar 10000ppm reichen. Existierende Sensoren, die in der Lage sind, das Vorhandensein von Wasser (frei und gelöst) zu messen, enthalten kapazitive Sensoren und Karl-Fischer-Titrationssensoren. Beide dieser Verfahren benötigen eine beträchtliche Zeit, damit der Sensor ein Gleichgewicht erreicht, und sind nicht ideal für sich schnell ändernde Zustände. Spektralanalyse unter Verwendung von Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde verwendet, ist aber ein relativ komplexes und teures Verfahren, das eine Kalibrierung des Sensors relativ zu dem Spektrum erfordert, das mit frischem Öl erzeugt wird. Spektralanalysegeräte sind auch relativ teure, unhandliche und empfindliche Vorrichtungen für eine Installation in vielen Umgebungen, in denen sich mechanische Systeme befinden.
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Es wäre daher wünschenswert, eine kostengünstige und einfache Sensoranordnung bereitzustellen, die zuverlässig einen Sättigungsgrad von Wasser in Öl in Echtzeit identifizieren könnte.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird ein System zum Detektieren eines Sättigungsgrads von Wasser in Öl bereitgestellt, welches aufweist: einen Detektionskopf mit einem Spalt, in dem zu überwachendes Öl aufgenommen werden kann; zumindest eine erste optische Faser, die ein erstes Ende hat, das optisch gekoppelt ist, um Licht über den Spalt zu übertragen; eine mikro-elektro-opto-mechanische (MEOM) Vorrichtung, wobei die MEOM-Vorrichtung einen Fotoemitter und einen Fotodetektor aufweist, die auf einem Siliziumbasierten Substrat integriert sind, wobei der Fotoemitter optisch gekoppelt ist, um Licht in ein zweites Ende der ersten optischen Faser zu übertragen, und der Fotodetektor dazu angeordnet ist, übertragenes Licht, das über den Spalt übertragen wurde, zu empfangen; und eine elektronische Schnittstelle zu der MEOM-Vorrichtung, um damit zu kommunizieren. In diesem Zusammenhang ist eine MEOM-Vorrichtung gemeint, jede elektro-opto-mechanische Miniaturvorrichtung zu beinhalten, die auf einem einzelnen Halbleiterchip integriert ist. Die vorgeschlagene MEOM-Vorrichtung kann durch Massenproduktionsverfahren preiswert hergestellt werden, was das System relativ preiswert macht. Solche Systeme können dauerhaft in mechanische Systeme zu Zwecken der Zustandsüberwachung integriert sein.
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Verschiedene Implementierungen des Systems können vorgesehen werden. Insbesondere kann der Detektionskopf entweder durchlässig oder reflektierend sein. Im ersteren Fall kann eine zweite optische Faser vorgesehen sein, die ein erstes Ende hat, das optisch gekoppelt ist, um übertragenes Licht, welches über den Spalt von dem ersten Ende der ersten optischen Faser übertragen wurde, zu empfangen, und ein zweites Ende hat, das optisch gekoppelt ist, um Licht zu dem Fotodetektor zu übertragen. In der alternativen reflektierenden Implementierung kann der Spalt eine reflektierende Fläche aufweisen, die dem ersten Ende der ersten optischen Faser gegenüberliegt und dazu angeordnet ist, übertragenes Licht zurück in das erste Ende der ersten optischen Faser zu reflektieren. Das zweite Ende der ersten optischen Faser ist dann auch optisch mit dem Fotodetektor gekoppelt. Die Lichtquelle und das Interferometer können über einen optischen Schalter gekoppelt sein. Der Fotoemitter und der Fotodetektor können mit dem zweiten Ende der ersten optischen Faser über einen optischen Schalter gekoppelt sein, welcher in der Form eines halbreflektierenden Spiegels oder Prismas ein kann. Andere ähnliche Strahlenteiler können auch verwendet werden. Diese durchläs sigen und reflektierenden Anordnungen wurden weiter in den verwandten Anmeldungen
WO 2014/090315 und
WO 2015/090359 A1 beschrieben, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
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Der Fotoemitter kann jede geeignete Lichtquelle sein. In einer bevorzugten Form weist er eine Leuchtdiode (LED) auf, insbesondere eine Breitband-LED. Er kann auch eine Glühlichtquelle sein. Der Fotoemitter ist bevorzugt betreibbar, um Licht über ein breites Spektrum in dem IR-Bereich zu übertragen. Der IR-Bereich in dem Bereich von 850nm bis 1750nm ist besonders vorteilhaft. Nahinfrarotlicht zeigt gute Absorptionseigenschaften für Wasser, während es nur leicht durch andere Verunreinigungen in dem Öl beeinflusst wird.
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Das Licht kann über ein breites Spektrum detektiert werden. Jedoch weist der Fotodetektor einen spektralselektiven Detektor auf, der betreibbar ist, um Licht über ein schmales Band von 100nm oder weniger in den Bereichen um 1250nm und/oder 1400nm zu detektieren. Das Licht wird somit in Bereichen des Spektrums analysiert, in denen Wasserabsorptionsspitzen vorhanden sind. Für die meisten Öle können solche Absorptionsspitzen bei um 1250nm und um 1450nm identifiziert werden und die Analyse ist einem oder beiden dieser spezifischen Bereiche bevorzugt.
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Die MEOM-Vorrichtung weist bevorzugt geeignete mikro-bearbeitete Lichtführungen auf, um das übertragene Licht zu dem Fotodetektor zu führen. Das Licht tritt bevorzugt durch ein Fenster, wie beispielsweise ein Saphir-Fenster, in die MEOM-Vorrichtung ein, und kann durch geeignete Linsen weiter hinwärts zu dem Fotodetektor fokussiert werden. Die Konstruktion der MEOM-Vorrichtung kann ansonsten herkömmlich sein. Die MEOM-Vorrichtung kann des Weiteren ein Beugungsgitter aufweisen, das innerhalb der Lichtführung dazu angeordnet ist, selektiv ausgewählte Wellenlängen des übertragenen Lichts auf den Fotodetektor zu lenken. Das Beugungsgitter ist bevorzugt zusammen mit der MEOM-Vorrichtung als eine integrierte Lösung mikro-bearbeitet, wobei das Beugungsgitter und der Fotodetektor als ein Miniatur-Spektralanalysegerät arbeiten. Vorrichtungen dieses Typs sind verfügbar, wie beispielsweise das NIR 1.7 Mikrospektrometer von Insion™.
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Das System weist des Weiteren bevorzugt einen Prozessor auf, der operativ mit der elektronischen Schnittstelle verbindbar ist, um die MEMS-Vorrichtung anzusteuern und abzufragen. Der Prozessor kann eine alleinstehende Vorrichtung, die der MEOM-Vorrichtung fest zugeordnet ist, sein oder kann Teil eines größeren Systems, wie beispielsweise einem Computer, sein. Bevorzugt ist der Prozessor dazu angeordnet, ein Lichtsignal zu überwachen, das Licht darstellt, das an dem Fotodetektor empfangen wurde, und eine Fluktuationsmenge des Lichtsignals mit der Zeit zu bestimmen. Der Prozessor kann des Weiteren dazu angeordnet sein, die Fluktuationsmenge mit einem vorbestimmten Wert zu vergleichen, der einen Sättigungsgrad des Öls darstellt. Das Prinzip, mit dem dieser Sättigungsgrad bestimmt werden kann, ist ausgiebig in der verwandten Anmeldung
EP 2 932 240 B1 beschrieben. Dementsprechend wurde beobachtet, dass eine signifi- kante Veränderung in der Signalcharakteristik des übertragenen Lichts an dem Punkt zu beobachten ist, an dem freies Wasser in dem Öl erscheint. Unterhalb des Sättigungsgrads ist das übertragene Lichtsignal, wie es durch den Fotodetektor empfangen wird, relativ stabil und verringert sich nur kontinuierlich in der Intensität mit sich erhöhendem absorbierten Wassergehalt. Wenn sich die Menge an Wasser der Sättigung annähert, wird das Lichtsignal äußerst instabil und kann verrauscht erscheinen. Ohne durch die Theorie beschränkt werden zu wollen, wird angenommen, dass Blasen in freiem Wasser innerhalb des Öls in einer Weise ähnlich zu Kavitation oder Kochen einer Flüssigkeit gebildet werden. Da diese Blasen durch den Spalt passen, stören sie das Signal, was effektiv zu einer größeren Absorption des Lichts und einem geringeren Lichtsignal führt. Ein signifikanter Vorteil des obigen Effekts ist, dass das System einfach in situ auf den Sättigungsgrad kalibriert werden kann, ohne dass Wissen über das Öl oder Systemeigenschaften benötigt wird. Zusätzlich kann das System Echtzeit-Ergebnisse mit geringfügiger Verzögerung beim Identifizieren des Vorhandenseins von freiem Wasser in dem Öl bereitstellen.
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Das System, wie es oben beschrieben wurde, kann in jeder Situation implementiert werden, bei der eine Überwachung eines Ölzustands benötigt wird. Am meisten bevorzugt ist der Detektionskopf in einer Ölzuführleitung eines mechanischen Systems angeordnet, wie beispielsweise einem Getriebegehäuse, einer Maschine, einem Lager oder ähnlichem.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Detektieren eines Sättigungsgrads von Wasser in Öl unter Verwendung eines Systems, wie es oben oder im Folgenden beschrieben ist. Das Verfahren weist auf: Durchleiten von Licht durch das Öl von dem Fotoemitter zu dem Fotodetektor, wobei der Fotodetektor einen spektralselektiven Detektor aufweist, der betreibbar ist, um Licht über ein schmales Band von 100nm oder weniger in den Bereichen um 1250nm und/oder 1400nm zu detektieren; Überwachen des Lichtsignals, das an dem Fotodetektor empfangen wird; und Analysieren und Vergleichen des Lichtsignals, um eine Menge an Wasser zu bestimmen, die in dem Öl vorhanden ist. Die Analyse des Lichtsignals, um eine Fluktuationsmenge des Signals zu bestimmen, weist ein Überwachen der Fluktuationsmenge des Lichtsignals, um eine Schrittänderung zu identifizieren, die eine Sättigung des Öls darstellt, und Erzeugen eines Sättigungssignals auf, das indikativ für eine Sättigung ist, wenn das Lichtsignal eine Fluktuation um mehr als einen vorbestimmten Wert anzeigt.
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In einer Ausführungsform kann das Bestimmen einer Fluktuationsmenge ein Messen einer Spitze-zu-Spitze-Variation des Lichtsignals in einer Abtastperiode aufweisen. Die Abtastperiode kann abhängig von verschiedenen Faktoren gewählt werden, einschließlich der Abtastrate, bei der Messungen des Lichtsignals vorgenommen werden und auch basierend auf physikalischen Faktoren, wie beispielsweise der Flussrate des zu überwachenden Öls, der Natur des Öls und anderen physikalischen Faktoren. Im Allgemeinen kann sich die Signalfluktuation mit dem Beginn des freien Wassers verzehnfachen oder mehr und ein vorbestimmter Wert von 5 kann ausreichend sein, um eine zuverlässige Angabe bereitzustellen, während falsche Alarme vermieden werden. In anderen Situationen kann ein vorbestimmter Wert von 2 eine empfindlichere Antwort bereitstellen und vorbestimmte Werte von unter 2 können anwendbar sein, insbesondere wenn vorher eine Signalglättung angewendet wurde. Es wird verstanden werden, dass die Abtastperiode zumindest zwei Abtastwerte beinhalten wird, insbesondere zumindest vier Abtastwerte und besonders bevorzugt 10 Abtastwerte. Die Abtastperiode kann zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden, bevorzugt zwischen 2 Sekunden und 5 Sekunden, sein. Eine Abtastrate von zwischen 1Hz und 10Hz, bevorzugt um 2Hz, kann verwendet werden, wiederum abhängig von der Flussrate. Im Allgemeinen kann für eine höhere Flussrate des Öls durch den Spalt eine höhere Abtastrate für dieselbe Empfindlichkeit benötigt werden.
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Gemäß einem Verfahren zur Analyse kann die Sättigung identifiziert werden, wenn ein Verhältnis der Lichtsignalfluktuation in einer zweiten Abtastperiode zu der Lichtsignalfluktuation in einer ersten Abtastperiode einen vorbestimmten Wert übersteigt. Der vorbestimmte Wert kann gemäß der Natur des Öls und anderen physikalischen Faktoren bestimmt werden. Im Allgemeinen kann sich die Signalfluktuation mit dem Beginn des freien Wassers verzehnfachen oder mehr und ein vorbestimmter Wert von 5 kann ausreichend sein, um eine zuverlässige Angabe bereitzustellen, während falsche Alarme vermieden werden. In anderen Situationen kann ein vorbestimmter Wert von 2 eine empfindlichere Antwort bereitstellen und vorbestimmte Werte von unter 2 können anwendbar sein, insbesondere wenn vorher eine Signalglättung angewendet wurde.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren des Weiteren ein Bestimmen der Zeit auf, die das Öl über seinem Sättigungsgrad bleibt. Sobald freies Wasser in dem Öl detektiert wurde, kann ein Timer die Zeit registrieren, die vergeht, bis die Gefahr des freien Wassers zurückgegangen ist. Dieser Punkt kann bestimmt werden, indem eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastperioden evaluiert wird und bestimmt wird, dass Wasser abwesend ist, sobald die Abwesenheit des Sättigungssignals für alle dieser Perioden bestimmt wurde. Alternativ kann, sobald ein absoluter Wert des Lichtsignals, der dem Sättigungsgrad entspricht, bestimmt wurde, die Abwesenheit von freiem Wasser angegeben werden, sobald der absolute Wert von einem oder mehreren der Lichtsignale zu einem Wert zurückkehrt, der entfernt von dem Sättigungsgrad ist.
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Gemäß einem alternativen Verfahren kann das Aussetzen des Systems gegenüber freiem Wasser bestimmt werden, indem das Sättigungssignal in Bezug auf die Zeit integriert wird. Basierend auf einer Flussrate des Öls durch den Sensor kann die Integration des Signals eine angenäherte Bestimmung der Gesamtmenge von freiem Wasser in dem System erlauben. Dies kann verwendet werden, um weitere Alarme bereitzustellen und geeignete Handlungen in dem Fall zu initiieren, dass ein gegebenes Aussetzen überschritten ist.
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Ein signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Sensoren nicht vorkalibriert werden müssen und in situ basierend auf der Erkennung des Sättigungsgrads kalibriert werden können. In dem Fall, dass eine größere Genauigkeit in dem Bereich von absorbiertem Wasser benötigt wird, kann das Verfahren ein Kalibrieren der Sensoren für eine Ölprobe, die einen Wassergehalt unter dem Sättigungsgrad hat, und ein nachfolgendes Bestimmen einer linearen Beziehung zwischen dem Lichtsignal und dem Wassergehalt aufweisen, wenn die Sättigung des Öls detektiert wird. Eine solche einfache Kalibrierung kann in einem Labor erreicht werden, indem die Sensoren gegenüber einem Karl-Fischer-Titrationsergebnis kalibriert werden. Alternativ können die Sensoren im Einsatz kalibriert werden, indem eine Ölprobe für eine Offline-Analyse genommen wird. Sobald sie kalibriert wurden, können die Sensoren genau verwendet werden, um auch emulgiertes Wasser in Öl vor dem Erscheinen von freiem Wasser zu identifizieren.
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Der Prozessor kann jede geeignete Verarbeitungsvorrichtung sein, wie beispielsweise ein Computer oder ein fest zugeordneter Mikroprozessor. Zusätzlich zu anderen Steuerungsaufgaben ist der Prozessor bevorzugt dazu angeordnet, zu bestimmen, wenn die Fluktuation des Lichtsignals den voreingestellten Wert überschreitet. Insbesondere kann der Prozessor eine Signalanalyse, Abtastung und Filterung wie oben beschrieben durchführen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen einer Anzahl von beispielhaften Ausführungsformen anerkannt werden, in denen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Systems gemäß der Erfindung zum Bestimmen des Absorptionsspektrums einer Ölprobe zeigt;
- 2 eine schematische Ansicht eines Teils des Systems von 1 detaillierter zeigt;
- 3 Lichtintensitätsmessungen zum Erhöhen des Wassergehalts, der in dem System von 1 gemessen wird, für die Wellenlänge von 1108nm zeigt;
- 4 eine schematische Ansicht eines alternativen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems 10 zum Bestimmen des Absorptionsspektrums einer Ölprobe. Das System umfasst einen Fotoemitter 12, eine erste optische Faser 14, einen Detektorkopf 16 mit einem Spalt 18, eine zweite optische Faser 22 und eine elektronische Schnittstelle 24. Der Fotoemitter 12, der Fotodetektor 22 und die elektronische Schnittstelle 24 sind zusammen auf eine mikro-elektro-opto-mechanische (MEOM) Vorrichtung 26 integriert. Die erste optische Faser 14 hat ein erstes Ende 14a, das mit dem Detektorkopf 16 gekoppelt ist und geleitet ist, um Licht über den Spalt 18 hinwärts zu einem ersten Ende 20a der zweiten optischen Faser 20 zu übertragen. Ein zweites Ende 14b der ersten optischen Faser 14 ist mit der MEOM-Vorrichtung 26 gekoppelt und optisch gekoppelt, um Licht von dem Fotoemitter zu empfangen. Ein zweites Ende 20b der zweiten optischen Faser 20 ist auch mit der MEOM-Vorrichtung 26 gekoppelt und optisch gekoppelt, um Licht zu dem Fotodetektor 22 zu übertragen.
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2 ist eine detaillierte Ansicht der MEOM-Vorrichtung 26 von 1. Die MEOM-Vorrichtung 26 weist ein Siliziumsubstrat 30 auf, auf dem die verschiedenen Komponenten unter Verwendung von geeigneten mikroelektronischen Fertigungsverfahren gefertigt wurden. Der Fotoemitter 12 ist auf einem Bereich des Substrats 30 angrenzend an das zweite Ende 14b der ersten Faser 14 gefertigt und ist in es durch eine erste Siliziumlinse 28 und ein erstes Saphirfenster 32 gekoppelt. Eine Lichtführung 34 ist über das Substrat 30 von dem zweiten Ende 20b der zweiten Faser 20 zu einem Beugungsgitter 36 gebildet, das an einem entgegengesetzten Ende des Substrats 30 angeordnet ist. Das zweite Ende 20b der zweiten Faser 20 ist in die Lichtführung 34 durch ein zweites Saphirfenster 38 und eine zweite Siliziumlinse 40 gekoppelt. Zu einer Seite der Lichtführung 34 ist der Fotodetektor 22 gelegen, verbunden mit der elektronischen Schnittstelle 24. Auch gezeigt ist ein Prozessor 42, der verbunden ist, um Signale von der MEOM-Vorrichtung 26 über die elektronische Schnittstelle 24 zu empfangen. Es wird verstanden werden, dass der Prozessor 42 ein fest zugeordneter Prozessor oder ein entfernt angeordneter Prozessor sein kann, der z.B. einen Teil eines Computers bildet, und dass die Signale von der MEOM-Vorrichtung 26 durch jede geeignete Weise übertragen werden können.
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3 zeigt eine repräsentative Spur des Signals, das bei der Verwendung des Systems von 1 und 2 erwartet werden kann. Basierend auf einem Testen in einem Prüfaufbau ist das übertragene Signal, das durch einen Spalt von 0,5mm empfangen wird, für eine Ölprobe gezeigt, wie es über eine Anzahl von Stunden aufgenommen wird, während der die Konzentration von Wasser in dem Öl kontinuierlich erhöht wurde, bis der Sättigungsgrad erreicht wurde (100% gesättigt). Danach wurde die Wasserkonzentration weiter bis zu ungefähr 0,4% Wasser erhöht. Die Lichtintensitätsmessungen für den Test sind in 3 für die Wellenlänge von 1108nm gezeigt. Das Ergebnis zeigt eine starke und stabile Antwort für die ständig erhöhten Grade an Wassergehalt. Wenn die Probe die Sättigung erreicht, nimmt der Sensor eine signifikante Fluktuation in dem Signal auf. Die Abtastrate war 2Hz. Der Fachmann wird erkennen, dass eine digitale Filterung, wie beispielsweise ein gleitender Punktmittelwert, verwendet werden könnte, um das Signal weiter zu glätten.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform wird eine einzelne optische Faser 114 verwendet, die mit ihrem ersten Ende 114a mit einem Detektorkopf 116 mit einem Spalt 118 gekoppelt ist. In diesem Fall ist eine Fläche des Detektorkopfs 116, die dem ersten Ende 114a des optischen Faser 114 zugewandt ist, als ein Spiegel 117 gebildet, wobei Licht, das von der optischen Faser 114 emittiert wird, zurück in das erste Ende 114a davon reflektiert wird. Das erste Ende 114a der optischen Faser ist auch mit einer halbreflektierenden Fläche 115 versehen. Das zweite Ende 114b der optischen Faser 114 ist mit einer MEOM-Vorrichtung 126 gekoppelt, die einen Fotoemitter 112, einen Fotodetektor 122, eine elektronische Schnittstelle 124 und ein Beugungsgitter 136 aufweist, die auf einem Substrat 130 integriert sind. Zusätzlich ist ein halb-reflektierender Spiegel 137 vorgesehen, der als ein optischer Schalter zwischen dem Fotoemitter 112 und dem Beugungsgitter 126 wirkt, wie unten weiter detailliert beschrieben ist.
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Im Betrieb ist der Detektorkopf 116 innerhalb eines mechanischen Systems (nicht gezeigt) angeordnet, so dass Öl A in dem Spalt 118 aufgenommen wird. Licht von dem Fotoemitter 112 wird in die optische Faser 114 gekoppelt und durch die optische Faser 114 geführt, um von dem ersten Ende 114a auszutreten. Ein Teil des Lichts wird intern durch die halbreflektierende Fläche der Endfläche 115 reflektiert und kehrt durch die optische Faser als erstes Lichtsignal S1 zurück. Der Rest des Lichts geht in und durch das Öl A in dem Spalt 118 hindurch und trifft auf den Spiegel 117 auf, der es zurück über den Spalt 118 und in das erste Ende 114a der optischen Faser 114 als zweites Lichtsignal S2 reflektiert.
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Das erste und zweite Lichtsignal S1, S2 werden durch die optische Faser 114 und den halbreflektierenden Spiegel 137 zu dem Beugungsgitter 136 übertragen. Das Beugungsgitter 136 lenkt die unterschiedlichen Wellenlängen selektiv auf den Fotodetektor 122 ab, der somit die Frequenz bestimmen kann, bei der die Signale S1, S2 konstruktiv interferieren. Im Allgemeinen wird diese Frequenz, sobald sie bestimmt wurde, relativ stabil für eine gegebene Konfiguration bleiben und kann als ein Maximum der kombinierten Signale S1+S2 identifiziert werden.
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Das erste Lichtsignal S1 kann als ein Referenzsignal verwendet werden. Das zweite Lichtsignal S2 wird zu dem ersten Lichtsignal S1 hinzugefügt, um eine Interferenz sicherzustellen. Alle Amplitudenänderungen, die durch ein Biegen der Faser 114 verursacht werden, werden beide Signale S1 und S2 in einer festen proportionalen Weise beeinflussen. Auf diese Weise werden Amplitudenänderungen, die durch ein Biegen der Faser 114 verursacht werden, ein bekannter Faktor. Die aktuelle Amplitudenänderung, die einen Öl-in-Wasser-Sättigungsgrad dar stellt, kann durch Entfernen des bekannten Faktors berechnet werden.
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Das Messsystem ist daher nicht auf eine feste Geometrie beschränkt und ist robuster in der Verwendung.
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Somit wurde die Erfindung durch Bezugnahme auf die oben diskutierte Ausführungsform beschrieben. Es wird erkannt werden, dass diese Ausführungsform anfällig für verschiedene Modifikationen und alternative Formen ist, die dem Fachmann bekannt sind, ohne von dem Sinn und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere wird verstanden werden, dass viele verschiedene Algorithmen und Signalanalyseverfahren ausgeführt werden können, um den Ölzustand basierend auf den Sensorausgaben zu bestimmen. Dementsprechend sind, obwohl spezifische Ausführungsformen beschrieben wurden, diese nur Beispiele und beschränken nicht den Schutzumfang der Erfindung.
