DE19647201C1

DE19647201C1 - Water content in fluid measuring device esp. for hydraulic oil

Info

Publication number: DE19647201C1
Application number: DE1996147201
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Kimmerle; Bernhard Johannes Dr Re Kirsch; Paul Adolf Dipl Ing Sahner
Original assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Current assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2016-11-16

Abstract

The device has a filter unit (7) with a hydrophobic filter layer (7'), a first sensor unit (11) before the filter unit and a second sensor unit (12) after the filter unit. The sensor units are sensitive to a material characteristic which distinguishes water from the main constituent of the fluid. There are outputs (15,21) before and after the filter unit and there is an aperture stop (17) after the first sensor unit in the fluid flow direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Wasseranteils in einem Fluid, insbesondere Hydrauliköl.The invention relates to a device for measuring the water content in one Fluid, especially hydraulic oil.

Handelsübliche Vorrichtungen weisen einen kapazitiven Sensor auf, der in das wasserhaltige Öl eingetaucht wird, wobei letzteres als Dielektrikum wirkt. Eine dem Sensor nachgeschaltete Auswerteeinheit bestimmt die Kapazität des Sen sors, die ein Maß für den Wasseranteil im Öl ist. Nachteilig bei dieser Vorrich tung ist, daß vor der Inbetriebnahme eine Eichung mit wasserfreiem Öl erfolgen muß. So ist durch die DE 36 17 598 A1 eine Vorrichtung mit einem kapaziti ven Sensor bekannt, der die Sättigung eines Feinstfilters erkennt, wie es in Anlagen zur Öl-Wasser-Trennung eingesetzt wird. In dahingehenden Anlagen werden die öligen Bestandteile im Filtermaterial zurückgehalten und das Wasser fortschreitend durch Öl ersetzt. Wenn der Feinstfilter ölgesättigt, also unbrauchbar, ist, löst der Sensor über eine Alarmeinrichtung einen Alarm aus. Commercial devices have a capacitive sensor, which in the water-containing oil is immersed, the latter acting as a dielectric. A the evaluation unit downstream of the sensor determines the capacity of the sensor sors, which is a measure of the water content in the oil. A disadvantage of this Vorrich tion is that a calibration with anhydrous oil is carried out prior to commissioning got to. DE 36 17 598 A1 describes a device with a capacitance ven sensor known that detects the saturation of a fine filter, as in Plants for oil-water separation is used. In related plants the oily components are retained in the filter material and that Water progressively replaced by oil. If the ultrafine filter is saturated with oil, that is is unusable, the sensor triggers an alarm via an alarm device.

Der derart mit Öl gesättigte Feinstfilter ist dann abzureinigen, was aufwendig ist.The ultrafine filter saturated with oil in this way must then be cleaned, which is expensive is.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung des Wasseranteils in einem Fluid zu schaffen. The invention is therefore based on the object of an improved device to measure the water content in a fluid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7. Vorteilhafte Verfahren zum Betrieb der erfindungs gemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 8 und 9.This object is achieved by a device with the Features of claim 1. Advantageous refinements are the subject of subclaims 2 to 7. Advantageous methods for operating the fiction according device are the subject of claims 8 and 9.

Die Filtereinheit mit der hydrophoben Filterschicht trennt aus dem wasserhalti gen Fluid eine wasserfreie Fluidprobe ab. Mit der ersten Sensoreinheit vor der Filtereinheit ist der Momentanwert einer Stoffeigenschaft des wasserhaltigen Fluids meßbar, während die zweite Sensoreinheit hinter der Filtereinheit den Referenzwert dieser Stoffeigenschaft für ein wasserfreies Fluid liefert. "Vor" und "hinter" werden durch die Richtung definiert, in der das Fluid die Filtereinheit durchströmt. Diese Stoffeigenschaft, für die die Sensoreinheiten empfindlich sind, muß für Wasser und den Hauptbestandteil des Fluids unterschiedlich sein. Vorzugsweise ist dies die Dielektrizitätskonstante, es kommen aber auch andere physikalische Eigenschaften der Stoffe in Frage, beispielsweise die Wärmeleit fähigkeit. Dadurch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die zweite Sensor einheit aufweist, muß der Referenzwert der Stoffeigenschaft nicht, wie im Stand der Technik, gesondert im Labor ("off-line") bestimmt werden.The filter unit with the hydrophobic filter layer separates from the water a fluid-free fluid sample. With the first sensor unit in front of the Filter unit is the instantaneous value of a substance property of the water-containing Fluids measurable, while the second sensor unit behind the filter unit Provides reference value of this substance property for an anhydrous fluid. "Before and "Behind" are defined by the direction in which the fluid passes the filter unit flows through. This substance property for which the sensor units are sensitive must be different for water and the main component of the fluid. This is preferably the dielectric constant, but there are also others physical properties of the substances in question, for example thermal conductivity ability. Characterized in that the device according to the invention the second sensor unit, the reference value of the substance property need not, as in the status the technology can be determined separately in the laboratory ("off-line").

Zur Bestimmung des Referenzwertes muß nur eine kleine Fluidmenge abgefil tert werden. Die Filtereinheit ist dann als ein sogenanntes Querstromfilter ausgebildet. Eingang und Ausgang für das wasserhaltige Fluid befinden sich daher auf der gleichen Seite der Filtereinheit, nämlich vor ihr. Vorzugsweise weist die Vorrichtung hinter der Filtereinheit einen weiteren Ausgang für das gefilterte Fluid auf, da dann die Filtereinheit ständig von frischem Fluid durch strömt wird und eine Abtrennung von Wasser aus dem Fluid laufend stattfin den kann.Only a small amount of fluid has to be filtered to determine the reference value be tert. The filter unit is then a so-called cross-flow filter educated. The inlet and outlet for the water-containing fluid are located therefore on the same side of the filter unit, namely in front of it. Preferably the device behind the filter unit has a further output for the filtered fluid, because then the filter unit is constantly filled with fresh fluid is flowing and water is continuously separated from the fluid that can.

Vorteilhafterweise ist in Fluidrichtung hinter der ersten Sensoreinheit eine Blende vorgesehen, die ähnliche Durchflußcharakteristiken wie die Filtereinheit aufweist. Damit ist sichergestellt, daß die durch die Filtereinheit hindurchtreten de Fluidmenge unabhängig von der Viskosität ist.Advantageously, there is a in the fluid direction behind the first sensor unit Aperture provided, the flow characteristics similar to the filter unit having. This ensures that they pass through the filter unit de The amount of fluid is independent of the viscosity.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zwei Kammern auf, die durch die Filtereinheit getrennt sind, wobei jeder Kammer eine der beiden Sensoreinheiten zugeordnet ist. Die Sensoreinheiten sind dabei bei spielsweise auf der Innenseite einer Kammerwand vorgesehen. Durch die Kammerbauweise erfolgen die Messungen an geringen Fluidmengen, was die Ansprechzeiten der Sensoreinheiten verringert. Durch die Integration von Filtereinheit und Sensoreinheiten steht zudem ein einheitlich handbares Modul zur Verfügung.In a preferred embodiment, the device has two chambers which are separated by the filter unit, with each chamber one of the is assigned to both sensor units. The sensor units are included provided for example on the inside of a chamber wall. Through the Chamber design, the measurements are made on small amounts of fluid, which the Response times of the sensor units reduced. By integrating The filter unit and sensor units also have a uniformly manageable module to disposal.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoreinheiten als Kondensa toren ausgebildet. Über die Kapazität dieser Kondensatoren ist dann die Dielek trizitätskonstante des Fluids meßbar. Vorzugsweise sind die Sensoreinheiten in Dünnschichttechnik hergestellt, damit das Fluid möglichst nahe an den Bereich des maximalen elektrischen Feldes der Kondensatoren herangebracht werden kann, um so einen großen Einfluß auf dessen Kapazität zu erhalten. Dies verbessert die Empfindlichkeit der Sensoreinheiten.In a preferred embodiment, the sensor units are in the form of condensates gates trained. The Dielek is then about the capacitance of these capacitors Tricity constant of the fluid measurable. The sensor units are preferably in Thin-film technology is manufactured so that the fluid is as close as possible to the area of the maximum electric field of the capacitors so as to have a great impact on its capacity. This improves the sensitivity of the sensor units.

Diese Empfindlichkeit wird noch gesteigert durch eine Ausbildung der Konden satoren als mehrere, auf einem Substrat aufgebrachte, parallele, abwechselnd in der Art zweier ineinandergreifender Kämme miteinander verbundene Leiterbah nen gesteigert werden. Zum Schutz der Leiterbahnen ist vorteilhafterweise eine Abdeckung vorgesehen, welche dann auf der den Substraten und Leiterbahnen abgewandten Seite mit dem Fluid in Kontakt steht. Für eine hohe Lebensdauer der Sensoreinheiten und eine minimale Hysterese weist diese Abdeckung eine (ebenso wie das Substrat) chemisch beständige Schutzschicht und eine die Leiterbahnen direkt abdeckende Diffusionssperrschicht auf, die eine Wasserauf nahme verhindert. This sensitivity is increased by training the condens sensors as several, parallel, alternately applied on a substrate the kind of two interdigitated combs connected to each other be increased. To protect the conductor tracks is advantageously a Cover provided, which then on the substrates and conductor tracks opposite side is in contact with the fluid. For a long service life of the sensor units and a minimal hysteresis, this cover has a (just like the substrate) chemically resistant protective layer and a die Conductors directly covering diffusion barrier layer, which a water up prevention prevented.

Bei einem bevorzugten Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vor richtung wird mit der ersten Sensoreinheit die Stoffeigenschaft des wasserhalti gen Fluids und mit der zweiten Sensoreinheit gleichzeitig die Stoffeigenschaft des gefilterten Fluids gemessen. Bei gleicher Ausbildung der Sensoreinheiten liefert der Unterschied der gemessenen Stoffeigenschaften ein Maß für den Wasseranteil des wasserhaltigen Fluids. Durch die gleichzeitige Messung werden während des Betriebes auftretende Schwankungen der Eigenschaften des Fluids, beispielsweise die Temperatur oder Alterungserscheinungen, ausge glichen.In a preferred method for operating the front according to the invention direction with the first sensor unit is the substance properties of the water against fluids and with the second sensor unit the substance properties at the same time of the filtered fluid. With the same design of the sensor units the difference in the measured material properties provides a measure of the Water content of the water-containing fluid. By measuring simultaneously fluctuations in properties that occur during operation of the fluid, for example the temperature or signs of aging like.

Für die laufende Überwachung ist es von Vorteil, wenn die Messungen der Stoffeigenschaft ständig ("on-line") durchgeführt wird, was beispielsweise bei der Messung der Dielektrizitätskonstanten ohne weiteres möglich ist.For ongoing monitoring, it is advantageous if the measurements of the Substance property is carried out continuously ("on-line"), for example at the measurement of the dielectric constant is readily possible.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.In the following the invention is based on one shown in the drawing Embodiment explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein Block-Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrich tung, Fig. 1 is a block equivalent circuit of the inventive Vorrich tung,

Fig. 2 einen in Bezug auf die Fluidrichtung Längsschnitt des Ausführungsbeispieles, Fig. 2 is a with respect to the fluid direction of the longitudinal section of the embodiment,

Fig. 3 eine perspektivische, vereinfacht dargestellte Ansicht einer Sensoreinheit, Figure 3 is a perspective view shown in simplified form., A sensor unit,

Fig. 4 einen Querschnitt einer Sensoreinheit. Fig. 4 shows a cross section of a sensor unit.

Eine als Ganzes mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Messung des Wasseranteils in einem isolierenden oder schwach polaren Fluid weist einen Zufluß 3 auf, durch den das wasserhaltige Fluid in eine Meßkammer 5 eintritt. An einer Seite ist die Meßkammer 5 durch eine Filtereinheit 7 von einer benachbarten Refe renzkammer 9 abgetrennt. Die Filtereinheit 7 besteht aus einem Träger (z. B. einer Sintermetallscheibe) für eine, auf der der Meßkammer 5 zugewandten Seite aufgebrachten, hydrophobe Filterschicht 7′. Die als Membran ausgebildete Filterschicht 7′ besteht z. B. aus Teflon mit 0,2 µm großen Poren. Auf der der Filtereinheit 7 gegenüberliegenden Innenseite der Meßkammer 5 ist eine erste Sensoreinheit 11 als Meßsensor für eine Stoffeigenschaft, nämlich die Dielektri zitätskonstante, vorgesehen. Auf der der Filtereinheit 7 gegenüberliegenden Seite der Referenzkammer 9 weist letztere eine zweite, gleich ausgebildete Sensoreinheit 12 auf. An dem dem Zufluß 3 gegenüberliegenden Ende weist die Meßkammer 5 einen Ausgang 15 auf, der über eine als Blende wirkende Laminardrossel 17 mit dem Abfluß 19 der Vorrichtung verbunden ist. Die Referenzkammer 9 steht über einen weiteren Ausgang 21 ebenfalls mit dem Abfluß 19 in Verbindung.A device designated as a whole by 1 for measuring the water content in an insulating or weakly polar fluid has an inflow 3 through which the water-containing fluid enters a measuring chamber 5 . On one side, the measuring chamber 5 is separated by a filter unit 7 from an adjacent reference chamber 9 . The filter unit 7 consists of a carrier (z. B. a sintered metal disc) for a, on the side facing the measuring chamber 5 , hydrophobic filter layer 7 '. The filter layer 7 'formed as a membrane z. B. from Teflon with 0.2 µm pores. On the inside of the measuring chamber 5 opposite the filter unit 7 , a first sensor unit 11 is provided as a measuring sensor for a substance property, namely the dielectric constant. On the side of the reference chamber 9 opposite the filter unit 7 , the latter has a second, identically designed sensor unit 12 . At the end opposite the inflow 3 , the measuring chamber 5 has an outlet 15 which is connected to the outlet 19 of the device via a laminar throttle 17 which acts as a diaphragm. The reference chamber 9 is also connected to the drain 19 via a further outlet 21 .

Das durch den Zufluß 3 in die Meßkammer 5 fließende wasserhaltige Fluid strömt zunächst entlang der ersten Sensoreinheit 11 auf der einen Seite und der Filtereinheit 7 auf der anderen Seite der Meßkammer 5. Der größte Teil des Fluids fließt durch den Ausgang 15 über die Laminardrossel 17 zum Abfluß 19. Dieser Teil des Fluids strömt daher tangential über die Filterschicht 7′ und verhindert dort die Bildung von Wassertropfen. Der andere Teil des Fluids strömt durch die Filtereinheit 7 in die Referenzkammer 9, wobei die Filter schicht 7′ das freie Wasser aus dem Fluid filtert. Dieser Vorgang wird als Querstromfiltration bezeichnet. Das in die Referenzkammer 9 gelangende Fluid strömt entlang der zweiten Sensoreinheit 12 über den Ausgang 21 zum Abfluß 19. Die Laminardrossel 17 sorgt für einen Druckunterschied zwischen der Meßkammer 5 und der Referenzkammer 9. Dieser Druckunterschied treibt das Fluid durch die Filtereinheit 7 und tauscht das Fluid in der Referenzkammer 9 ständig aus.The water-containing fluid flowing through the inflow 3 into the measuring chamber 5 initially flows along the first sensor unit 11 on one side and the filter unit 7 on the other side of the measuring chamber 5 . Most of the fluid flows through outlet 15 via laminar throttle 17 to drain 19 . This part of the fluid therefore flows tangentially over the filter layer 7 'and prevents the formation of water drops there. The other part of the fluid flows through the filter unit 7 into the reference chamber 9 , the filter layer 7 'filtering the free water from the fluid. This process is called cross-flow filtration. The fluid entering the reference chamber 9 flows along the second sensor unit 12 via the outlet 21 to the outlet 19 . The laminar throttle 17 ensures a pressure difference between the measuring chamber 5 and the reference chamber 9 . This pressure difference drives the fluid through the filter unit 7 and constantly exchanges the fluid in the reference chamber 9 .

Die beiden Sensoreinheiten 11, 12 sind als Interdigitalkondensatoren ausgebil det, die in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Auf ein Substrat 31 aus Quarzglas wird dabei eine 30 nm dicke Schicht aus Gold aufgebracht. Durch Photolithographie oder einen Laserstrahl wird ein Teil der Goldschicht so entfernt, daß langgestreckte parallelverlaufende Leiterbahnen 33 entstehen, die an einem Ende abwechselnd miteinander verbunden sind in der Art zweier ineinandergreifender Kämme. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechs Leiterbahnen 33 vorgesehen, von denen je drei miteinander verbunden sind. Die Leiterbahnen 33 werden überdeckt mit einer 100 nm dicken Diffusions sperrschicht 35 aus Si₃N₄. Diese Diffusionssperrschicht 35 ist wiederum abge deckt durch eine 300 nm dicke Schutzschicht 37 aus SiO₂, die als Kratz- und Partikelschutz wirkt. Die Leiterbahnen 33 der Sensoreinheiten 11, 12 sind kontaktiert und als Kondensatoren verschaltet. Materialien, Schichtdicken und Elektrodenabstände sind dabei so gewählt (die Substratdicke ist größer als der fünffache Elektrodenabstand), daß die einzigen, nennenswerten Kapazitäten zwischen den beiden Gruppen von Leiterbahnen 33 auftreten. Die Kapazitäten von Diffusionssperrschicht 35 und Schutzschicht 37 sowie deren Leitfähigkeit sind vernachlässigbar.The two sensor units 11 , 12 are ausgebil det as interdigital capacitors, which are manufactured in thin-film technology. A 30 nm thick layer of gold is applied to a substrate 31 made of quartz glass. Part of the gold layer is removed by photolithography or a laser beam in such a way that elongated parallel conductor tracks 33 are formed which are alternately connected at one end in the manner of two interdigitated combs. In the exemplary embodiment, a total of six conductor tracks 33 are provided, three of which are connected to one another. The conductor tracks 33 are covered with a 100 nm thick diffusion barrier layer 35 made of Si₃N₄. This diffusion barrier layer 35 is in turn covered by a 300 nm thick protective layer 37 made of SiO₂, which acts as a scratch and particle protection. The conductor tracks 33 of the sensor units 11 , 12 are contacted and connected as capacitors. Materials, layer thicknesses and electrode spacings are selected so (the substrate thickness is greater than five times the electrode spacing) that the only significant capacities occur between the two groups of conductor tracks 33 . The capacities of the diffusion barrier layer 35 and protective layer 37 and their conductivity are negligible.

Zur Messung des Wasseranteils in einem Fluid mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Sensoreinheiten mit dem Fluid in Kontakt gebracht. Ein Teil des in den Kondensatoren der Sensoreinheiten bestehenden elek trischen Feldes durchsetzt dabei das als Dielektikum wirkende Fluid. In Abhän gigkeit vom Wasseranteil des Fluids ändert sich dessen Dielektrizitätskonstante und damit die Kapazität des Kondensators. Zur Messung dieser Kapazität wird dabei der Kondensator in einen von einem hochstabilen Oszillator angeregten Schwingkreis eingebunden, dessen Frequenz mittels einer Zählschaltung gemes sen werden kann.To measure the water content in a fluid with the invention Device, the sensor units are brought into contact with the fluid. Part of the existing in the capacitors of the sensor units tric field penetrates the fluid acting as a dielectric. Depending The fluid content of the fluid changes its dielectric constant and thus the capacitance of the capacitor. To measure this capacity the capacitor into one excited by a highly stable oscillator Integrated resonant circuit, the frequency measured by means of a counter circuit can be sen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit der ersten Sensoreinheit die Dielektrizitätskonstante des wasserhaltigen Fluids gemessen, während mit der zweiten Sensoreinheit gleichzeitig als Referenzwert die Dielektrizitätskonstante des gefilterten Fluids bestimmt wird, also im wesentlichen die Dielektrizitäts konstante des Hauptbestandteils des Fluids. Durch die im Rahmen der Her stellungsgenauigkeit identische Geometrie und eine anfängliche Eichung stim men die beiden Sensoreinheiten so überein, daß Abweichungen der Dielektrizi tätskonstante der Fluide bei jeder Sensoreinheit mit hoher Meßgenauigkeit bestimmt werden können. Bis auf den geringen Anteil an gelöstem Wasser kann dann aus dem Unterschied der Dielektrizitätskonstanten des wasserhalti gen Fluids und des gefilterten Fluids der Wasseranteil direkt bestimmt werden.According to the method according to the invention, the first sensor unit Dielectric constant of the water-containing fluid measured while with the second sensor unit simultaneously as the reference value the dielectric constant of the filtered fluid is determined, i.e. essentially the dielectric constant of the main component of the fluid. Through the framework of Her position accuracy identical geometry and an initial calibration stim the two sensor units match so that deviations in the dielectric Fluid constant with every sensor unit with high measuring accuracy can be determined. Except for the small amount of dissolved water can then be determined from the difference in the dielectric constant of the water against water and the filtered fluid, the water content can be determined directly.

Claims

1. Device for measuring the water content in a fluid, in particular hydraulic oil, with

a) a filter unit ( 7 ) which has a hydrophobic filter layer ( 7 '),
b) a first sensor unit ( 11 ) in front of the filter unit ( 7 ),
c) a second sensor unit ( 12 ) behind the filter unit ( 7 ), wherein
d) the sensor units ( 11 , 12 ) are sensitive to a different material property for water and the main component of the fluid.

2. Device according to claim 1, characterized by an output ( 15 , 21 ) both in front of and behind the filter unit ( 7 ).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized by an aperture ( 17 ) in the fluid direction behind the first sensor unit ( 11 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized by two chambers ( 5 , 9 ) which are separated by the filter unit ( 7 ), each chamber ( 5 , 9 ) being assigned one of the sensor units ( 11 , 12 ) .

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor units ( 11 , 12 ) are designed as capacitors manufactured in thin-film technology.

6. The device according to claim 5, characterized in that the Senso units ( 11 , 12 ) have a plurality of, on a substrate ( 31 ) applied, parallel conductor tracks ( 33 ) which are alternately connected together in the manner of two interdigitated combs.

7. The device according to claim 6, characterized by a cover ( 35 , 37 ) which on the substrate ( 31 ) and the conductor tracks ( 33 ) abge facing side is in contact with the fluid.

8. A method for measuring the water content in a fluid, in particular Hydraulic oil, with a device according to one of claims 1 to 7, characterized in that with the first sensor unit the substance proper shaft of the water-containing fluid is measured and with the second Sensor unit simultaneously measured the material properties of the filtered fluid sen, and that the water content from the difference between the substances is determined.

9. The method according to claim 8, characterized in that the measurements the material properties are carried out continuously.