DE19634816A1 - Kapazitiver Mehrzwecksensor - Google Patents

Kapazitiver Mehrzwecksensor

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DE19634816A1
DE19634816A1 DE19634816A DE19634816A DE19634816A1 DE 19634816 A1 DE19634816 A1 DE 19634816A1 DE 19634816 A DE19634816 A DE 19634816A DE 19634816 A DE19634816 A DE 19634816A DE 19634816 A1 DE19634816 A1 DE 19634816A1
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DE
Germany
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capacitor
charge
hydraulic
time
pulses
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Withdrawn
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DE19634816A
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English (en)
Inventor
George Codina
Chandrasekar Ramamoorthy
Donna J Murr
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Caterpillar Inc
Original Assignee
Caterpillar Inc
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B19/00Testing; Calibrating; Fault detection or monitoring; Simulation or modelling of fluid-pressure systems or apparatus not otherwise provided for

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Mehr­ zwecksensor, und insbesondere auf einen kapazitiven Sen­ sor, der mehrfache bzw. mehrere Parameter eines Hydrau­ liksystems detektiert.
Technischer Hintergrund
In der Erdbewegungsindustrie werden Hydrauliksysteme ty­ pischerweise verwendet, um Erdbewegungsmaschinen und/oder ihre Werkzeuge mit Leistung zu versorgen. Typischerweise können verschiedene Sensoren für verschiedene Zwecke in Verbindung mit dem Hydrauliksystem verwendet werden. Bei­ spielsweise, um genauer den Betrieb des Werkzeugsystems zu steuern, können Sensoren verwendet werden, um den hy­ draulischen Fluß oder den Druck innerhalb des Systems zu messen. Oder Sensoren können schädliche Metallpartikel innerhalb des hydraulischen Strömungsmittels detektieren.
Erdbewegungsmaschinen arbeiten in einer sehr feindlichen Umgebung. Eines der Probleme, die mit Sensoren in solchen Umgebungen assoziiert sind, ist ihre Zuverlässigkeit. Zu­ sätzlich bringt jeder erforderliche Sensor zusätzliche Kosten und Komplexität bezüglich der Herstellung des Sy­ stems.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme, wie oben dargestellt, zu über­ winden.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abfühlen von zwei Parametern eines Hy­ drauliksystems mit einer Hydraulikleitung vorgesehen. Die Vorrichtung weist ein Paar von Elektroden auf, die inner­ halb der Leitung enthalten sind und gegenüberliegend be­ abstandet sind, wobei sie einen Kondensator bilden. Die Vorrichtung erzeugt abwechselnd erste und zweite Ladungs­ ströme mit ersten bzw. zweiten konstanten Größen und lädt den Kondensator auf erste und zweite vorbestimmte Span­ nungen. Die Vorrichtung detektiert die Zeit, die benötigt wird, um die ersten und zweiten vorbestimmten Spannungen zu laden und erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit einer Serie von wechselnden ersten und zweiten Impul­ sen. Die ersten und zweiten Impulse zeigen die ersten bzw. zweiten Parameter an. Der erste Impuls wird durch die Zeit definiert, die erforderlich ist, um den Konden­ sator auf die erste vorbestimmte Spannung zu laden. Der zweite Impuls wird durch die Zeit definiert, die erfor­ derlich ist, um den Kondensator auf die zweite vorbe­ stimmte Spannung zu laden. Die Vorrichtung bestimmt die zwei Parameter als eine Funktion des pulsbreitenmodulier­ ten Signals.
Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abfühlen des hydraulischen Flus­ ses, des hydraulischen Druckes, der Öllebensdauer, der Kavitation und von Partikeln in einem Hydrauliksystem mit einer Hydraulikleitung vorgesehen. Die Vorrichtung weist ein Paar von Elektroden auf, die innerhalb der Leitung enthalten sind. Die Elektroden sind gegenüberliegend be­ abstandet, wobei sie einen Kondensator bilden. Die Vor­ richtung erzeugt abwechselnd erste, zweite, dritte, vier­ te und fünfte Ladungsströme mit ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften konstanten Größen und laden den Kondensator auf jeweilige erste, zweite, drit­ te, vierte und fünfte vorbestimmte Spannungen. Die Vor­ richtung detektiert die vergangene Zeit, um den Kondensa­ tor auf die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften vorbestimmten Spannungen zu laden und erzeugt ein puls­ breitenmoduliertes Signal mit einer Serie von abwechseln­ den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Impul­ sen. Die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Impulse zeigen den hydraulischen Fluß bzw. den hydrauli­ schen Druck bzw. die Öllebensdauer bzw. die Kavitation bzw. die Anwesenheit von Partikeln an.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Behälters, um Strömungsmittel zu enthalten;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Mehrzwecksensors gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine graphische Veranschaulichung der rele­ vanten Signale innerhalb des Mehrzwecksensors der Fig. 1;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Mehrzwecksensors gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine graphische Veranschaulichung der rele­ vanten Signale innerhalb des Mehrzwecksensors der Fig. 4;
Fig. 6 ist eine graphische Veranschaulichung von rele­ vanten Signalen innerhalb des Mehrzwecksensors der Fig. 4;
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm des ersten Teils des Be­ triebs des Mehrzwecksensors gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des zweiten Teils des Be­ triebs des Mehrzwecksensors gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels; und
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm des dritten Teils des Be­ triebs des Mehrzwecksensors gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Mit Bezug auf Fig. 1 ist die vorliegende Erfindung ge­ eignet, um eine Vielzahl von Parametern und/oder Eigen­ schaften von Hydrauliköl in einem Hydrauliksystem zu de­ tektieren.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 weist die vorliegende Erfindung, eine Vorrichtung oder ein Detektor 202 ein Paar von Elektroden auf, die in einer Hydraulikleitung 102 enthalten sind. Die Elektroden 104, 106 sind in der Hydraulikleitung 102 enthalten und sind gegenüberliegend beabstandet, um einen Kondensator 204 zu bilden. Vorzugs­ weise behindern die Elektroden nicht den Strömungsmittel­ fluß. Das hydraulische Strömungsmittel innerhalb der Lei­ tung 102 ist das Dielektrikum des Kondensators 204. Die Elektroden können flach oder gekrümmt und/oder rechtec­ kig, dreieckig oder anders geformt sein.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung geeignet, um zumindest zwei Parameter oder Ei­ genschaften des hydraulischen Strömungsmittels zu bestim­ men.
Mit Bezug auf Fig. 2 weist das erste Ausführungsbeispiel Ladungsmittel 206 auf, die mit dem Kondensator 204 ver­ bunden sind. Die Ladungsmittel 206 weisen erste und zwei­ te Ladungsschaltungen 208, 210 auf. Die Ladungsmittel 206 weisen auch Schaltmittel 216 auf.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Ladungs­ schaltungen 208, 210 jeweilige Widerstände und eine Quel­ le von konstanter Spannung + Vs auf.
Die ersten und zweiten Ladungsschaltungen 208, 210 erzeu­ gen erste und zweite Ladungsströme (I₁ und I₂). Die er­ sten und zweiten Ladungsströme sind vorzugsweise von kon­ stanter, jedoch unterschiedlicher Größe. Die ersten und zweiten Ladungsschaltungen 208, 210 laden abwechselnd den Kondensator 204 bis eine vorbestimmte Spannung (V) am Kondensator erreicht ist. Vorzugsweise sind die Wider­ stände 212, 214 variabel, um eine Einstellung des Sensors 202 zu gestatten. Die Größen der jeweiligen ersten und zweiten Ladungsströme hängen vom Parameter ab, der abge­ fühlt wird und von anderen Eigenschaften des Hydrauliksy­ stems und werden durch den Widerstand eingestellt. Diese Werte werden experimentell bestimmt.
Die Effekte von Strömungsmitteltemperaturveränderungen werden vorzugsweise durch Erhitzen der Elektroden 104, 106 minimiert.
Zeitsteuermittel 218 sind auch mit dem Kondensator 204 verbunden. Die Zeitsteuermittel 218 weisen eine Zeitsteu­ erschaltung 220 auf. Die Zeitsteuerschaltung 220 detek­ tiert die vergangene Zeit, zu der die Ladungsschaltung beginnt, die ersten und zweiten Ladungsströme zu erzeugen und die Zeit, zu der der Kondensator auf die ersten bzw. zweiten vorbestimmten Spannungen geladen worden ist. Die Zeitsteuerschaltung 220 erzeugt auch ein pulsbreitenmodu­ liertes Signal. Die Größe eines jeden Impulses des puls­ breitenmodulierten Signals zeigt die vergangene Zeit zwi­ schen der Zeit an, zu der die ersten und zweiten Ladungs­ schaltungen beginnen, die ersten bzw. zweiten Ladungs­ ströme zu erzeugen, und die Zeit, zu der der Kondensator 204 auf die ersten bzw. zweiten vorbestimmten Spannungen geladen worden ist.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist der Betrieb des Sensors gemäß des ersten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die La­ dungsströme und die vorbestimmten Spannungen veranschau­ licht. Das Laden des Kondensators 204 tritt bei einer voreingestellten Periode T ein, beispielsweise 30 Milli­ sekunden. S₁ ist eine Spannung am Kondensator 204 und S₂ ist die Ausgabe bzw. Ausgangsgröße der Zeitsteuerschal­ tung 220.
In der Kurve der Fig. 3 beginnt die erste Ladungsschal­ tung 208, den Kondensator 204 mit dem ersten Ladungsstrom zu laden. Die Spannung (S₁) am Kondensator steigt. Wenn die Kondensatorspannung V₁ erreicht, wird der erste La­ dungsstrom abgeschaltet und die im Kondensator 204 ge­ speicherte Energie kann dissipieren. Wie in der unteren Hälfte der Kurve gezeigt, erzeugt die Zeitsteuerschaltung 220 einen Impuls, der der Zeitperiode entspricht, für die der Kondensator 204 lädt. Zu Beginn der zweiten Zeitperi­ ode, d. h. t = T, beginnt die zweite Ladungsschaltung 210 das Laden des Kondensators 204 mit dem zweiten Ladungs­ strom I₂. Der Kondensator 204 wird geladen, bis die Span­ nung am Kondensator die vorbestimmte Spannung V erreicht.
In dieser Weise erzeugt die Zeitsteuerschaltung 220 ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit Impulsen, welche die nötige Information enthalten, um die spezifischen Parame­ ter des hydraulischen Strömungsmittels, wie unten bespro­ chen, zu bestimmen.
Steuermittel 222 empfangen das pulsbreitenmodulierte Si­ gnal von den Zeitsteuermitteln 218 und detektie­ ren/bestimmen die ersten und zweiten Parameter oder Ei­ genschaften des hydraulischen Strömungsmittels. Vorzugs­ weise weisen die Steuermittel 222 eine Steuervorrichtung bzw. einen Controller 224 auf, der vorzugsweise mikropro­ zessorgesteuert ist.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung geeignet, zumindest fünf Parameter oder Eigen­ schaften des hydraulischen Strömungsmittels zu bestimmen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um folgendes zu bestimmen: (1) Flußrate, (2) Druck, und (3) restliche Öllebensdauer; und um folgendes zu detektieren: (4) Kavitation und (5) Partikel.
Mit Bezug auf Fig. 4 weist die vorliegende Erfindung ge­ mäß des zweiten Ausführungsbeispiels 402 Ladungsmittel 406 auf, die mit dem Kondensator 404 verbunden sind. Die Ladungsmittel 406 weisen folgendes auf: eine Flußsensor­ ladungsschaltung 408, eine Drucksensorladungsschaltung 410, eine Öllebensdauersensorladungsschaltung 412, eine Kavitationssensorladungsschaltung 414 und eine Partikel­ sensorladungsschaltung 416. Die Ladungsmittel 406 weisen auch Schaltmittel 428 auf.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Ladungsmit­ tel 406 jeweilige erste, zweite, dritte, vierte und fünf­ te Widerstände und eine Quelle konstanter Spannung auf.
Die Flußsensorladungsschaltungen 408, 410, 412, 414, 416 erzeugen jeweilige erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Ladungsströme (I₁, I₂, I₃, I₄, I₅) . Die Ladungs­ ströme sind von konstanter, jedoch nicht notwendigerweise gleicher Größe. Die Ladungsschaltungen 408, 410, 412, 414, 416 laden wechselnd den Kondensator 404, bis die vorbestimmte Spannung (V) am Kondensator erreicht ist. Vorzugsweise sind die Widerstände variabel, um eine Ein­ stellung des Sensors 402 zu gestatten. Die Größen der er­ sten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ladungsströme hängen vom Parameter ab, der abgefühlt wird, und von an­ deren Eigenschaften des hydraulischen Systems und werden durch die jeweiligen Widerstände eingestellt. Diese Werte werden experimentell bestimmt.
Die Effekte von Strömungsmitteltemperaturveränderungen werden vorzugsweise durch Heizen der Elektroden 104, 106 minimiert.
Zeitsteuermittel 430 sind auch mit dem Kondensator 404 verbunden. Die Zeitsteuermittel 430 weisen eine Zeitsteu­ erschaltung 432 auf. Die Zeitsteuerschaltung 432 detek­ tiert die vergangene Zeit, zu der die Ladungsmittel 406 beginnen, die Ladungsströme zu erzeugen, und die Zeit, zu der der Kondensator auf die vorbestimmte Spannung geladen wurde. Die Zeitsteuerschaltung 432 erzeugt auch ein puls­ breitenmoduliertes Signal. Die Größe eines jeden Impulses des pulsbreitenmodulierten Signals zeigt die vergangene Zeit zwischen der Zeit an, zu der die Ladungsschaltungen 408, 410, 412, 414, 416 beginnen, den jeweiligen La­ dungsstrom zu erzeugen, und der Zeit, zu der der Konden­ sator 404 auf die vorbestimmte Spannung geladen worden ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Zeitsteuer­ mittel 220, 432 eine integrierte Zeitsteuerschaltung MC1555 auf, die von Motorola Corporation, Schaumburg IL, verfügbar ist. Die MC1555-Schaltung fühlt vorteilhafter­ weise ab, wann der Kondensator 204 die vorbestimmte Span­ nung erreicht hat und entlädt darauf ansprechend den Kon­ densator auf elektrische Erdung.
Steuermittel 434 empfangen das pulsbreitenmodulierte Si­ gnal von den Zeitsteuermitteln 430 und detektie­ ren/bestimmen den jeweiligen Parameter oder die Eigen­ schaft des hydraulischen Strömungsmittel. Vorzugsweise weisen die Steuermittel 434 eine Steuervorrichtung bzw. einen Controller 436 auf, der vorzugsweise mikroprozeßor­ gesteuert ist.
Die Zeitsteuerschaltung 220, 432 der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele erzeugt jeweils ein pulsbreitenmodu­ liertes Signal. Um Information mit Bezug auf den abge­ fühlten Parameter oder die Eigenschaft herauszuziehen, untersuchen die Steuermittel 222, 434 die jeweiligen Im­ pulse.
Somit wird im ersten Ausführungsbeispiel der erste abge­ fühlte Parameter oder die erste abgefühlte Eigenschaften unter Verwendung jedes anderen Impulses bestimmt. Der zweite abgefühlte Parameter oder die zweite Eigenschaft wird unter Verwendung der anderen Impulse bestimmt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel bezieht sich jeder Impuls in der Reihe auf einen unterschiedlich abgefühlten Para­ meter oder eine Eigenschaft. Somit wird zum Bestimmen ei­ nes der Parameter oder einer der Eigenschaften jeder fünfte Impuls verwendet. Der nächste Parameter oder die nächste Eigenschaft wird durch Verwendung des nächsten Impulses in einer Reihe und durch jeden darauffolgenden fünften Impuls bestimmt. Somit beziehen sich in jedem Ab­ schnitt, der sich auf einen Parameter oder eine Eigen­ schaft bezieht, die relevanten oder aufeinanderfolgenden Impulse auf die Impulse, die nur in dem Parameter oder der Charakteristik verwendet werden. Unter Verwendung des relevanten Impulses bestimmen die Steuermittel 430 die Parameter oder Eigenschaften, wie unten beschrieben, oder detektieren sie.
Hydraulikströmungsmittelflußrate
Mit Bezug auf Fig. 5 bestimmen die Steuermittel 434 die Hydraulikströmungsmittelflußrate als eine Funktion der Breite des Impulses, der dem ersten Ladungsstrom ent­ spricht. Um beispielsweise den Fluß zu messen, sind ein Bereich von beispielhaften Ladungsströmen und Wider­ standswerten und eine vorbestimmte Spannung 0,2 bis 1 Mi­ kroampère bzw. 10 bis 40 MOhm bzw. 9 Volt. Der La­ dungsstrom und die vorbestimmte Spannung werden von Sy­ stem zu System variieren und werden so bestimmt bzw. ein­ gestellt sein, um die Effekte von anderen Systemparame­ tern, beispielsweise Druck, auf die Ladungszeit zu mini­ mieren oder zu eliminieren.
Wie oben besprochen, erzeugt die Flußsensorladungsschal­ tung 408 einen ersten Ladungsstrom. Der erste La­ dungsstrom besitzt eine konstante Größe. Die Flußsensor­ ladungsschaltung 408 lädt den Kondensator 404 über den Ladungsstrom, bis er die erste vorbestimmte Spannung (V₁) erreicht, wobei zu dieser Zeit der Ladungsstrom gestoppt wird und die im Kondensator gespeicherte Energie vergehen bzw. abfließen kann.
Die Zeitsteuerschaltung 432 detektiert die Zeit, zu der die Flußsensorladungsschaltung 408 beginnt, den ersten Ladungsstrom zu liefern und detektiert die Zeit, zu der der Kondensator 404 den ersten vorbestimmten Spannungspe­ gel erreicht hat. Jeder Impuls besitzt eine Dauer gleich der Differenz zwischen der Zeit, zu der die Flußsensorla­ dungsschaltung 408 beginnt, den Ladungsstrom zu liefern, und der Zeit, zu der der Kondensator 404 den vorbestimm­ ten Spannungspegel erreicht hat.
Wenn es keinen Fluß im in der Leitung 102 enthaltenen Strömungsmittel gibt, würde diese Differenz konstant sein. Wenn jedoch die Flußsensorladungsschaltung 408 ge­ ladene Partikel an das Strömungsmittel liefert, wird eine Anzahl dieser Partikel vom Kondensator 404 durch hydrau­ lischen Strömungsmittelfluß weggetragen, wobei somit die Ladungsrate des Kondensators 404 verlangsamt wird. Je größer der Strömungsmittelfluß ist, desto mehr geladene Partikel entkommen und desto langsamer bzw. länger ist die Ladungszeit. Dies hat einen längeren Impuls zur Fol­ ge. Somit ist die Dauer eines jeden Impulses eine Anzeige der Rate bzw. Geschwindigkeit des Strömungsmittelflusses.
Beispielsweise wird die Pulsbreitenausgangsgröße bei null (0) Litern pro Minute als die Referenz bei der Berechnung der Flußrate genommen. Wenn die Ladungsmittel 206 begin­ nen, bei t₁ zu laden und die vorbestimmte Spannung bei t₂ erreichen, dann ist die Ausgangspulsbreite t₂-t₁. Wenn die Flußrate steigt, werden geladene Moleküle aufgrund des Impulses des Flusses von der Platte weggetragen, was eine Steigerung der Ausgangspulsbreite zur Folge hat. Bei einem Fluß, der nicht null ist, wird der Kondensator 204 auf die vorbestimmte Spannung zu einer dritten, späteren Zeit t₃ geladen. Die Ausgangspulsbreite ist t₃-t₁. Die Differenz zwischen der gesteigerten Pulsbreite und der Referenzpulsbreite gibt ein Maß der gewünschten bzw. Soll-Strömungsmittelflußrate ab.
Hydraulikströmungsmitteldruck
Die Steuermittel 434 bestimmen den Hydraulikströmungsmit­ telflußdruck als eine Funktion der Breite der Impulse, die dem zweiten Ladungsstrom entsprechen. Um beispiels­ weise einen Strömungsmitteldruck zu messen, sind ein bei­ spielhafter Ladungsstrom, ein Widerstandswert und eine vorbestimmte Spannung 9 Mikroampère bzw. 1 MOhm bzw. 9 Volt. Der Ladungsstrom wird von System zu System variie­ ren und wird bestimmt werden, um die Effekte von anderen Systemparametern, beispielsweise Flußrate, auf die La­ dungszeit zu minimieren oder eliminieren und wird durch den Widerstandswert eingestellt.
Wie oben besprochen, erzeugt die Druckladungsschaltung 410 einen zweiten Ladungsstrom. Der zweite Ladungsstrom besitzt eine konstante Größe. Der Drucksensorladungsstrom 410 lädt den Kondensator 404 über den Ladungsstrom, bis er die zweite vorbestimmte Spannung (V₂) erreicht, wobei zu dieser Zeit der Ladungsstrom gestoppt wird und die im Kondensator gespeicherte Energie abfließen bzw. vergehen kann.
Die Zeitsteuerschaltung 432 detektiert die Zeit, zu der die Drucksensorladungsschaltung 410 beginnt, den ersten Ladungsstrom zu liefern, und detektiert die Zeit, zu der der Kondensator 404 den ersten vorbestimmte Spannungspe­ gel erreicht hat. Jeder Impuls besitzt eine Dauer gleich der Differenz zwischen der Zeit, zu der die Drucksensor­ ladungsschaltung 410 beginnt, den Ladungsstrom zu liefern, und der Zeit, zu der der Kondensator 404 den vorbestimm­ ten Spannungspegel erreicht hat.
Restliche Öllebensdauer
Mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 sind die Steuermittel 434 geeignet, um die Lebensdauer des Öls in dem hydrauli­ schen System zu bestimmen oder vorherzusagen, und zwar durch Vergleichen der Breiten der relevanten Impulse des pulsbreitenmodulierten Signals mit einer Referenzpuls­ breite, wie unten besprochen. Die Steuermittel 434 be­ stimmen die Öllebensdauer als eine Funktion der Breite der Impulse, die dem dritten Ladungsstrom entsprechen. Um beispielsweise die Öllebensdauer zu messen, sind ein bei­ spielhafter Ladungsstrom und Widerstandswerte 90 Mikro­ ampère bzw. 100 KOhm. Der Ladungsstrom wird von System zu System variieren und wird bestimmt, um die Effekte von anderen Systemparametern auf die Ladungszeit zu minimie­ ren oder zu eliminieren. Der Ladungsstrom wird durch den Widerstand eingestellt.
Die Öllebensdauersensorladungsschaltung 412 ist mit dem Kondensator 404 verbunden. Die Öllebensdauersensorla­ dungsschaltung 412 erzeugt den dritten Ladungsstrom (I₃), der eine konstante Größe besitzt. Der dritte Ladungsstrom lädt den Kondensator 204, bis die dritte vorbestimmte Spannung (V₃) am Kondensator erreicht ist. Vorzugsweise ist der dritte Widerstand 422 variabel, um eine Einstel­ lung des Sensors 402 zu gestatten. Der Ladungsstrom und die vorbestimmte Spannung werden von System zu System va­ riieren und werden bestimmt, um die Effekte von anderen Systemparametern, beispielsweise Strömungsmittelfluß, Druck, Kavitation auf die Ladungszeit zu eliminieren.
Die Zeitsteuerschaltung 432 detektiert die Zeit, zu der die Öllebensdauersensorladungsschaltung 412 beginnt, den dritten Ladungsstrom zu erzeugen, und die Zeit, zu der der Kondensator 404 auf die dritte vorbestimmte Spannung geladen worden ist.
Ein Öleinbruch bzw. ein Ölversagen wird eine Verringerung der Pulsbreite über der Zeit verursachen. Durch Bestimmen eines Mittelwertes der Pulsbreite (des relevanten Impul­ ses) über der Zeit und durch Vergleichen der mittleren Pulsbreite mit den Referenzpulsbreiten für neues Öl und für vollständig erschöpftes bzw. abgebautes oder im we­ sentlichen abgebautes Öl kann die Öllebensdauer bestimmt werden. Die Öllebensdauer kann definiert werden als die Zeit, zu der ein Ölwechsel erforderlich ist.
Wie in Fig. 6 gezeigt, werden die gemittelten Pulsbrei­ ten (PAVG, AVG = averaged = gemittelt) vom Sensor mit Pulsbreitenreferenzen für neues Öl (PNEW NEW = neu) und für abgebautes Öl (PDEPLETED, DEPLETED = abgebaut) vergli­ chen. PNEW und PDEPLETED werden experimentell vorbestimmt.
Die Linie 602 stellt den erwarteten Einbruch bzw. Zusam­ menbruch des Öls dar. Es sei bemerkt, daß der tatsächli­ che Zusammenbruch, wie durch die Pulsbreite dargestellt, nicht linear sein muß. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird auch ein Cutoff- bzw. Abschnittswert für die Puls­ breite (PCUTOFF) vorbestimmt. Sobald PAVG PCUTOFF erreicht, wird ein Ölwechsel angefordert. Somit überwacht die Steu­ ervorrichtung 436 PAVG und ergreift geeignete Maßnahmen, wenn PAVG PCUTOFF erreicht.
Zusätzlich weisen die Steuermittel 434 Mittel auf, welche abnormale Veränderungen im hydraulischen Öl detektieren, d. h. unerwartete Veränderungen bei der Verschlechterung des Hydrauliköls. Dies wird durch einen Vergleich der Veränderungsrate (D) der Breite der Impulse des pulsbrei­ tenmodulierten Signals mit einem vorbestimmte Einstell­ wert (E) durchgeführt. Wenn die Veränderungsrate den vor­ bestimmte Einstellwert überschreitet (D < E), dann erzeu­ gen die Steuermittel ein Fehlersignal. Das Fehlersignal kann daraus bestehen, das Ereignis in einem Speicher ein­ zutragen bzw. zu speichern und/oder in einem Signal an den Bediener über eine Anzeigelampe.
Mit Bezug auf Fig. 7 wird nun der Betrieb der Steuermit­ tel 434 mit Bezug auf die Öllebensdauer besprochen wer­ den. In einem ersten Steuerblock 702 wird der Sensor aus­ gelesen. In einem zweiten Steuerblock 704 wird die Sen­ sorauslesung mit vergangenen Sensorauslesungen gemittelt. Wenn in einem ersten Entscheidungsblock 706 der Durch­ schnitt bzw. das Mittel geringer oder gleich PCUTOFF ist, dann schreitet die Steuerung zu einem dritten Steuerblock 708 voran. Anderenfalls schreitet die Steuerung zu einem zweiten Entscheidungsblock 710 voran.
In dem dritten Steuerblock 708 wird die geeignete Maßnah­ me ergriffen, d. h. Signalisieren eines ÖLWECHSELZUSTAN- DES. Geeignete Maßnahmen bzw. Handlungen können das Akti­ vieren einer Anzeigelampe und/oder das Aufzeichnen des Ereignisses in einem Speicher vorsehen.
Im zweiten Entscheidungsblock 710 schreitet die Steue­ rung, falls D < E, zu einem vierten Steuerblock 712 vor­ an. Anderenfalls kehrt die Steuerung zum ersten Steuer­ block 702 zurück. Im vierten Steuerblock 712 ergreifen die Steuermittel 434 die geeignete Maßnahme bzw. Hand­ lung.
Kavitation
Die Steuermittel 434 detektieren Kavitation im hydrauli­ schen System als eine Funktion der Breite der Impulse, die dem vierten Ladungsstrom entsprechen. Um beispiels­ weise Kavitation zu detektieren, ist ein beispielhafter Ladungsstrom 2 Mikroampère. Der Ladungsstrom wird von Sy­ stem zu System variieren und wird bestimmt werden, um die Effekte von anderen Systemparametern auf die Ladungszeit zu minimieren oder zu eliminieren und wird vom Wider­ standswert eingestellt.
Kavitation tritt auf, wenn Luft- oder Dampfblasen in das Hydrauliksystem eintreten. Kavitation kann stark die Ge­ samtzuverlässigkeit und die Lebensdauer des Systems be­ einträchtigen und kann auch verursachen, daß das System instabil wird, was rauhes oder nicht lineares Systeman­ sprechen zur Folge hat.
Mit Bezug auf die entsprechenden Impulse arbeiten die Steuermittel 434 gemäß eines Software-Steuerprogramms, um Kavitation zu detektieren. Das Flußdiagramm in Fig. 8 veranschaulicht den Betrieb des Steuerprogramms gemäß ei­ nes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Steuerblock 802 wird der Sensor ausgele­ sen. In einem Entscheidungsblock 804 werden die letzten M Impulse verwendet, um zu bestimmen, ob Kavitation im Hy­ drauliksystem existiert. Im bevorzugten Ausführungsbei­ spiel soll Kavitation auftreten bzw. existieren, wenn die Breite von N der letzten M Impulse nicht im wesentlichen gleich der Breite eines Referenzimpulses ist. Wenn Kavi­ tation im Entscheidungsblock 804 gefunden wird, dann schreitet die Steuerung zu einem dritten Steuerblock 806 voran. Anderenfalls kehrt die Steuerung zum ersten Steu­ erblock 802 zurück.
Im dritten Steuerblock 806 wird eine geeignete Handlung vorgenommen, d. h. Kavitation wird als ein Ereignis in ei­ nem Speicher gespeichert und/oder eine Anzeigelampe wird angeschaltet.
Die Existenz von Luft- und/oder Dampfblasen innerhalb des Systems wird die Laderate verkleinern oder vergrößern und somit die Pulsbreite relativ zum Referenzimpuls vergrö­ ßern oder verkleinern.
Die Dauer eines jeden Impulses wird mit der Referenzdauer verglichen. Die Steuermittel 434 detektieren Kavitation, wenn N von M-Impulsen von der Referenz um X% abweichen bzw. variieren. Wenn beispielsweise die Referenzdauer 1 Millisekunde ist und wenn von 6 Impulsen in einer Reihe 5 von der Referenz um zumindest 10% (0,9 ms) abweichen, dann existiert Kavitation. Wenn Kavitation detektiert wird, kann die Steuervorrichtung 436 den Zustand in einem Speicher eintragen bzw. vermerken und/oder ein Signal an einen Bediener über ein Anzeigelicht geben.
Partikeldetektion
Die Steuermittel 434 detektieren die Verunreinigung des Systems durch Eisenpartikel oder -spähne. Spähne bzw. Ab­ rieb (Chips) sind kleine metallische Partikel, die durch den Normalbetrieb des Systems herrühren. Wenn die Chip­ bildung bzw. Partikelbildung übermäßig groß wird, kann sie die Gesamtzuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems beeinträchtigen. Übermäßige Partikelbildung kann auch ei­ ner Anzeige von anderen schwerwiegenden Problemen im Sy­ stem sein. Die Steuermittel 434 detektieren Partikel als eine Funktion der Breite der Impulse, die dem fünften La­ destrom entsprechen. Um beispielsweise Partikel zu detek­ tieren, ist ein beispielhafter Ladungsstrom 1,3 Mikro­ ampere. Der Ladungsstrom wird von System zu System vari­ ieren und wird bestimmt werden, um die Effekte von ande­ ren Systemparametern auf die Ladungszeit zu minimieren oder zu eliminieren. Der Ladungsstrom wird durch den Wi­ derstandswert eingestellt.
Mit Bezug auf Fig. 9 im bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeiten die Steuermittel 434 mit Bezug auf das Detektie­ ren von Partikeln gemäß eines Software-Steuerprogramms. Das Flußdiagramm in Fig. 9 veranschaulicht den Betrieb des Steuerprogramms gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Steuerblock 902 wird der Sensor ausgele­ sen. In einem Entscheidungsblock 904 werden die letzten M Impulse verwendet, um Partikel im Hydrauliksystem zu de­ tektieren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sollen Par­ tikel anwesend sein, wenn die Breite von N der letzten M Impulse wesentlich von der Breite der Referenzimpulse ab­ weicht. Wenn herausgefunden wird, daß Partikel anwesend sind, schreitet die Steuerung zu einem dritten Steuer­ block 906 voran. Anderenfalls kehrt die Steuerung zum er­ sten Steuerblock 902 zurück.
Im dritten Steuerblock 906 wird eine geeignete Handlung vorgenommen. D.h. die Detektion von Partikeln wird als ein Ereignis in einem Speicher gespeichert und/oder eine Anzeigelampe wird eingeschaltet.
Die Existenz von Eisenpartikeln innerhalb des Systems wird die Laderate steigern oder verringern und wird die Impulsbreite relativ zum Referenzimpuls steigern oder verringern. Die Dauer eines jeden Impulses wird mit der Referenzdauer verglichen. Die Steuermittel 432 detektie­ ren Kavitation, wenn N von M Impulsen von der Referenz um X% abweichen. Wenn beispielsweise die Referenzdauer 100 Mikrosekunden ist, und wenn von 6 Impulsen in Folge 5 von der Referenz um mindestens 90% abweichen (Impulsdauer < 20 Mikrosekunden), dann sollen Partikel im System auftre­ ten. Wenn Partikel detektiert werden, kann die Steuervor­ richtung den Zustand in einem Speicher vermerken und/oder einen Bediener über ein Anzeigelicht ein Signal geben.
=Industrielle Anwendbarkeit
Mit Bezug auf die Figuren und im Betrieb ist die vorlie­ gende Erfindung oder der Sensor 202, 402 geeignet, mehr­ fache bzw. mehrere Parameter oder Eigenschaften des hy­ draulischen Strömungsmittels in einem Hydrauliksystem zu bestimmen oder zu detektieren.
Der Betrieb des Sensors 202, 402 wird unten besprochen. Lademittel 206, 406 erzeugen eine Anzahl von Ladungsströ­ men mit konstanter, jedoch nicht notwendigerweise glei­ cher Größe. Für jeden zu bestimmenden Parameter oder jede Eigenschaft wird ein unterschiedlicher Ladungsstrom er­ zeugt. Die Ladungsströme laden abwechselnd den Kondensa­ tor 204, 404, bis eine jeweilige Ladungsspannung erreicht wird. Die Größen der Ladungsströme und Spannungen sind vom Parameter oder der Eigenschaft abhängig, der bzw. die abgefühlt wird. Dies gestattet, daß die Effekte von ande­ ren Eigenschaften auf den einen Parameter abgefühlt wer­ den, um minimiert zu werden.
Die Zeitsteuermittel 218, 430 erzeugen ein pulsbreitenmo­ duliertes Signal mit einer Serie bzw. Folge von Impulsen. Die Folge von Impulsen weist einen Impuls auf, der jeden Parameter oder jeder Eigenschaft entspricht, der bzw. die abgefühlt werden. Die Steuermittel 222, 434 bestimmen oder detektieren (wie oben besprochen) jeden Parameter oder jede Eigenschaft durch Isolieren der Impulse, die für jeden Parameter oder jede Eigenschaft relevant sind.
Andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Er­ findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of­ fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.
Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Vorrichtung zum Abfühlen von zwei Parametern eines Hydrauliksystems mit einer Hydraulikleitung weist ein Paar von Elektroden auf, die innerhalb der Leitung ent­ halten sind und voneinander gegenüberliegend beabstandet sind, wobei sie einen Kondensator bilden. Die Vorrichtung erzeugt abwechselnd erste und zweite Ladungsströme mit ersten bzw. zweiten konstanten Größen und lädt den Kon­ densator auf erste und zweite vorbestimmte Spannungen. Die Vorrichtung detektiert die Zeit, die benötigt wird, um die ersten und zweiten vorbestimmten Spannungen zu la­ den und erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit ei­ ner Serie von abwechselnden ersten und zweiten Impulsen. Die ersten und zweiten Impulse zeigen dabei die ersten bzw. zweiten Parameter an. Die ersten Impulse sind dabei durch die Zeit definiert, die erforderlich ist, um den Kondensator auf die erste vorbestimmte Spannung zu laden. Die zweiten Impulse sind dabei durch die Zeit definiert, die erforderlich ist, um den Kondensator auf die zweite vorbestimmte Spannung zu laden. Die Vorrichtung bestimmt die zwei Parameter als eine Funktion des pulsbreitenmodu­ lierten Signals.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Abfühlen von zwei Parametern eines Hydrauliksystems mit einer Hydraulikleitung, welche fol­ gendes aufweist:
ein Paar von Elektroden, die innerhalb der Leitung enthalten sind, und die gegenüberliegend beabstandet sind, wobei sie einen Kondensator bilden;
Lademittel, die mit dem Kondensator gekoppelt sind, um abwechselnd erste und zweite Ladungsströme mit ersten bzw. zweiten konstanten Größen zu erzeugen, und um den Kondensator auf erste bzw. zweite vorbestimmte Spannungen zu laden;
Zeitsteuermittel, die mit dem Kondensator verbunden sind zum Detektieren der Zeit, bei der die Lademittel be­ ginnen, die ersten und zweiten Ladungsströme zu erzeugen, und der Zeit, zu der der Kondensator auf die ersten und zweiten vorbestimmten Spannungen geladen ist, und zum Er­ zeugen eines pulsbreitenmodulierten Signals mit einer Se­ rie bzw. Folge von abwechselnden ersten und zweiten Im­ pulsen, wobei die ersten und zweiten Impulse die ersten bzw. zweiten Parameter anzeigen, wobei die ersten Impulse durch den Beginn des ersten Ladungsstroms definiert sind und durch die Zeit, zu der der Kondensator auf die erste vorbestimmte Spannung geladen worden ist, wobei die zwei­ ten Impulse durch den Start des zweiten Ladungsstroms und die Zeit definiert sind, zu der der Kondensator auf die zweite vorbestimmte Spannung geladen worden ist; und
Steuermittel zum Empfangen des pulsbreitenmodulier­ ten Signals und darauf ansprechend Bestimmen der zwei Pa­ rameter.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei einer der ersten und zweiten Parameter der Fluß des Hydraulikströmungsmit­ tels innerhalb der Hydraulikleitung ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer der ersten und zweiten Parameter der Druck des hydraulischen Strömungsmittels innerhalb der Hydraulikleitung ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei einer der ersten und zweiten Parameter die Öllebensdauer ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei einer der ersten und zweiten Parameter der Zustand der Kavitation ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei einer der ersten und zweiten Parameter die Anwesenheit von Partikeln im hy­ draulischen Strömungsmittel innerhalb der hydraulischen Leitung ist.
7. Vorrichtung zum Abfühlen von hydraulischem Fluß und Druck eines Hydrauliksystems mit einer Hydraulikleitung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
ein Paar von Elektroden, die innerhalb der Leitung enthalten sind, und die gegenüberliegend beabstandet sind, wobei sie einen Kondensator bilden;
Lademittel, die mit dem Kondensator gekoppelt sind, um abwechselnd erste und zweite Ladungsströme mit ersten bzw. zweiten konstanten Größen zu erzeugen, und um den Kondensator auf erste bzw. zweite vorbestimmte Spannungen zu laden;
Zeitsteuermittel, die mit dem Kondensator verbunden sind zum Detektieren der Zeit, bei der die Lademittel be­ ginnen, die ersten und zweiten Ladungsströme zu erzeugen, und der Zeit, zu der der Kondensator auf die ersten und zweiten vorbestimmten Spannungen geladen ist, und zum Er­ zeugen eines pulsbreitenmodulierten Signals mit einer Se­ rie bzw. Folge von abwechselnden ersten und zweiten Im­ pulsen, wobei die ersten und zweiten Impulse den Fluß bzw. den Druck anzeigen, wobei die ersten Impulse durch den Beginn des ersten Ladungsstroms und der Zeit defi­ niert sind, zu der der Kondensator auf die erste vorbe­ stimmte Spannung geladen worden ist, wobei die zweiten Impulse durch den Start des zweiten Ladungsstroms und die Zeit definiert sind, zu der der Kondensator auf die zwei­ te vorbestimmte Spannung geladen worden ist; und
Steuermittel zum Empfangen des pulsbreitenmodulier­ ten Signals und um darauf ansprechend den hydraulischen Fluß und den Druck zu bestimmen.
8. Vorrichtung zum Abfühlen des hydraulischen Flusses, des hydraulischen Druckes, der Öllebensdauer, der Kavita­ tion und von Partikeln in einem Hydrauliksystem mit einer Hydraulikleitung, wobei die Vorrichtung folgendes auf­ weist:
ein Paar von Elektroden, die in der Leitung enthal­ ten sind, und die gegenüberliegend beabstandet sind, wo­ bei sie einen Kondensator bilden;
Lademittel, die mit dem Kondensator gekoppelt sind, um abwechselnd erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Ladungsströme mit ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten bzw. fünften konstanten Größen zu erzeugen, und um den Kondensator auf jeweilige erste, zweite, dritte, vierte und fünfte vorbestimmte Spannungen zu laden;
Zeitsteuermittel, die mit dem Kondensator verbunden sind zum Detektieren der Zeit, bei der die Lademittel be­ ginnen, die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ladungsströme zu erzeugen, und der Zeit, zu der der Kon­ densator auf die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften vorbestimmten Spannungen geladen worden ist, und zum Erzeugen eines pulsbreitenmodulierten Signals mit ei­ ner Serie bzw. Folge von abwechselnden ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Impulsen, wobei die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Impulse den hydrau­ lischen Fluß bzw. den hydraulischen Druck bzw. die Ölle­ bensdauer bzw. die Kavitation bzw. die Anwesenheit von Partikeln anzeigen, wobei die ersten Impulse durch den Beginn des ersten Ladungsstroms und der Zeit definiert sind, zu der der Kondensator auf die erste vorbestimmte Spannung geladen worden ist, wobei die zweiten Impulse durch den Start des zweiten Ladungsstroms und die Zeit definiert sind, zu der der Kondensator auf die zweite vorbestimmte Spannung geladen worden ist, wobei die drit­ ten Impulse durch den Beginn des dritten Ladungsstroms und die Zeit definiert sind, zu der der Kondensator auf die dritte vorbestimmte Spannung geladen worden ist, wo­ bei die vierten Impulse durch den Beginn des vierten La­ dungsstroms und die Zeit definiert sind, zu der der Kon­ densator auf die vierte vorbestimmte Spannung geladen worden ist, wobei die fünften Impulse durch den Start des fünften Ladungsstroms und die Zeit definiert sind, zu der der Kondensator auf die fünfte vorbestimmte Spannung ge­ laden worden ist; und
Steuermittel zum Empfangen des pulsbreitenmodulier­ ten Signals und um darauf ansprechend den hydraulischen Fluß, den hydraulischen Druck, die Öllebensdauer, die Ka­ vitation und die Anwesenheit von Partikeln zu bestimmen.
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