DE19708067A1

DE19708067A1 - Verfahren und Vorrichtung zur In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften

Info

Publication number: DE19708067A1
Application number: DE1997108067
Authority: DE
Inventors: Heiner Prof Dr Kaden; Wolfgang Dipl Phys Fichtner; Wolfram Oelsner
Original assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Current assignee: Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-03

Description

Stand der Technik

Bekannt ist ein Verfahren, mit dem die Beeinflussung der Admittanz durch sich verändernde Öleigenschaften gemessen wird. Hierzu gelangen ein konventionell gefertigter Sensor aus einem Stahlzylinder (ca. 2 mm Durchmesser) und ein darin koaxial angeordneter Stahlstab bzw. eine kommerzielle Leitfähigkeitszelle zum Einsatz [H.-S. Lee et al., In-situ oil condition monitoring in passenger cars, Lubrication Engineering 50 (1994) 8, 605-611]. In dieser Arbeit wird mit der komplexen Leitfähigkeit nur diese eine Meßgröße ausgewertet. Damit kann im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren keine umfassende Charakterisierung von Öleigenschaften zur Bestimmung der Ölnutzungsdauer vorgenommen werden.

Eine in Mikrotechnik gefertigte Interdigitalstruktur, die auf einem Chip (7 mm × 7 mm) angeordnet ist, wird von H.-S. Lee et al., Oil Microsensor having Interdigitated Electrodes with Rough Surfaces and Methods of Making and Using the same, US Patent 5200027 (1993), und A. Sato et al, Electrical conductivity method for evaluation of oxidative degradation of oil lubricants, Lubrication Engineering 48 (1992) 7, 539-544, beschrieben. Aus diesen Arbeiten geht hervor, daß offenbar der Einfluß des Säuregehalts, auch als Säurezahl, TAN, bezeichnet, des Öls sich erwartungsgemäß dominierend im Sensorsignal (Meßfrequenz 50 Hz) bemerkbar macht. Die sensorischen Messungen ergeben, daß bei Nichtbenutzung des Automobils teilweise ein Selbsterholungseffekt des Öls auftritt, d. h. der TAN-Wert gleicht sich partiell wieder dem Ausgangszustand des Öls an. Die Autoren gelangen zu der Schlußfolgerung, daß deswegen mit dem Sensor ein Trend der Veränderung der Öleigenschaften, nicht aber das Überschreiten der Ölnutzungsdauer angezeigt werden kann. Eine parallel durchgeführte, unabhängige Bestimmung der Säurezahl ist mit diesem Sensor nicht möglich.

Die Leitfähigkeitsmessung an Ölen wurde auch schon zur Bestimmung des Verdorbenheitsgrades von Ölen oder Fetten zum Fritieren oder Braten von Lebensmitteln [A.N. Sagredos, Verfahren zur Bestimmung des Verdorbenheitsgrades von Ölen oder Fetten zum Fritieren oder Braten von Lebensmitteln, EP 0640834 A1 (1994)], indem der spezifische Widerstand der Öle nach allerdings vergleichsweise kurzen Zeiten (ca. 40 Stunden) gemessen wird.

Von G.S. Saloka et al, A Capacitive Oil Deterioration Sensor, SAE Technical Paper Ser. P 242, Sensors and Actuators, Intern. Congress Detroit (1991) 1373-146, wird ein kapazitiver Sensor zur Bestimmung von Schmieröleigenschaften angegeben. Es wird ein Sensor mit kreisförmigem Querschnitt benutzt, mit dem ausschließlich Kapazitätsänderungen gemessen werden können. Die darin beschriebene Vorrichtung bringt die Notwendigkeit der Verwendung eines Filters mit sich, womit auf eine Anfalligkeit der Zelle gegen Verstopfung hingewiesen wird.

Von M. Klein, DE 195 11 556, wird eine konzentrische Sensoranordnung zur Bestimmung des Zustandes einer Flüssigkeit und deren Füllstand beschrieben. Es werden keine Angaben gemacht, wie die Sensorsignale zur Bestimmung des Flüssigkeitszustandes ausgewertet werden, so daß der Fachmann nicht ohne weiteres in der Lage ist, eine Sensoranordnung zur qualitativen Zusandsbestimmung von Ölen zu schaffen.

Bekannt ist ein faseroptischer Sensor zur Ölüberwachung [I.I. Khandaker et al, A fibre-optic oil condition monitor based on cbromatic modulation, Meas. Sci. Teclinol. 4 (1993) 608-613]. Dieser auf einem optischen Meßprinzip basierenden Sensor ist für den serienmäßigen On board-Einsatz zu kostenintensiv und zu störanfallig.

Nach dem bisherigen Stand der Technik ist kein Sensor bekannt, der über einen mechanisch robusten Aufbau verfügt und hinreichende Informationen zur Charakterisierung der Gebrauchseigenschaften von Ölen liefert, insbesondere um die Gebrauchsdauer von Schmierölen sensorisch zu erfassen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften ermöglichen.

Kennzeichnung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Impedanz und parallel dazu die Azidität des zu untersuchenden Öls mittels einer Meßanordnung, die mit zwei nach unterschiedlichen Meßprinzipien arbeitenden Sensoren ausgestattet ist, bestimmt werden, und daß impedanzspektroskopische und potentiometrische Sensorsignale zur Charakterisierung des Ölzustandes verknüpft und ausgewertet werden. Aufgrund der im allgemeinen starken Temperaturabhängigkeit der Impedanzmessung wird als weitere Meßgröße die Temperatur bestimmt und in die Auswertung einbezogen.

Die Impedanz wird mit einer Elektrodenanordnung in Sandwichbauweise gemessen. Die Aziditätsmessung erfolgt mit einem potentiometrischen Sensor, dessen sensorisch aktive Schicht aus einen Edelmetalloxid besteht. Alternativ dazu kann die Aziditätsmessung mit einem ionensensitiven Feldeffekttransistor erfolgen.

Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren kann der Gebrauchszustand von Schmieröl, Getriebeöl, Hydrauliköl oder Bremsflüssigkeit bestimmt werden.

Die Sensoren zur Impedanzmessung und zur potentiometrischen Messung der Azidität bilden eine konstruktive und funktionelle Einheit. Der Abstand der Elektrodenplatten zur Impedanzmessung liegt im Bereich von 1 mm bis 5 mm. Der Flächeninhalt der Elektrodenplatten beträgt bis 50 cm². Die Elektrodenplatten sind aus Aluminium, Titan, Stahl oder einem anderen Metall, das passivierbar ist, gefertigt. Zur Erzielung einer definierten Oberflächenstruktur können die Oberflächen der Elektrodenplatten anodisch oxidiert werden.

Die Sensoren sind mit einer Primärelektronik verknüpft. Diese übernimmt eine Signalvorverarbeitung und liefert die zum Sensorbetrieb notwendigen Betriebsspannungen. Bestandteil der Primärelektronik ist eine Oszillatorschaltung zur Impedanzmessung bei Frequenzen zwischen 1 Hz und 1000 Hz.

Erläuterung der angestrebten Vorteile

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß eine Sensorkombination aus zwei verschiedenen Sensoren erheblich besser als ein einzelner Sensor, der lediglich eine einzelne Meßgröße aufnimmt, geeignet ist, den Verschleißgrad des Schmieröls anzuzeigen. Die oben erläuterte Überlagerung mehrerer Effekte, die mit einem einzelnen Sensor nicht befriedigend für die Bestimmung der Ölnutzungsdauer ausgewertet werden kann, kann mittels Einbeziehung eines zusätzlichen Sensors und dessen Signals kompensiert werden. Weiterhin ist die Integration der Temperaturmessung Grundlage zur Korrektur der temperaturabhängigen Meßeffekte.

Der konstruktive Ausbau der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist mechanisch robust und daher für die motorspezifisch rauhen Einsatzbedingungen gut geeignet. Der mechanisch einfach strukturierte Sensoraufbau in Sandwichanordnung ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Fig. 1. zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften.

Das zu vermessende Öl 1 wird über einen Öleinlaß 2 und einen Ölauslaß 3 zwischen zwei kreisförmige planparallele Elektrodenplatten 4 und 5 (Flächeninhalt 20 cm² in Sandwichanordnung) geleitet. In dem Raum zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 beeinflußt es als Dielektrikum direkt die elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Anordnung. Die Elektrodenplatte 4 besteht aus Edelstahl V4A. Die Elektrodenplatte 5 besteht aus Aluminium oder Titan mit anodisch oxidierter Oberfläche. Ein ringförmiges Distanzformstück 6 aus PTFE hält die Elektrodenplatten 4 und 5 elektrisch isoliert im Abstand von 3 mm und begrenzt das Öl 1 im Meßraum seitlich. Rückseitig sind die Elektrodenplatten 4 und 5 durch kreisförmige Scheiben 7 und 8 aus PTFE gehaltert und gegenüber den Gehäusehälften 9 und 10 isoliert. Die Elektrodenplatten 4 und 5 sind über die Kontaktierungen 11 und 12 mit der Primärelektronik verbunden. Zur potentiometrischen Messung sind konzentrisch in die Elektrodenplatten 4 und 5 ein Iridiumoxidsensor 13 und eine zugehörige Referenzelektrode 14 eingebettet. Diese sind elektrisch mit der Primärelektronik über die Kontaktierungen 15 und 16 verbunden. Die Öltemperatur wird von zwei Temperaturfühlern 17 und 18 gemessen. Die Primärelektronik ist mit einer Oszillatorschaltung ausgestattet, die bei 100 Hz arbeitet und mit der die Impedanz des Öls 1 bei dieser Frequenz bestimmt wird. Dieser Impedanzwert sowie der potentiometrische Meßwert werden unter Berücksichtigung der Öltemperatur verknüpft, und ein kombiniertes Sensorsignal zur Charakterisierung der Öleigenschaften wird gebildet.

Bezugszeichenliste

1

Öl

2

Öleinlaß

3

Ölauslaß

4

,

5

Elektrodenplatten

6

ringförmiges Distanzformstück

7

,

8

kreisförmige Scheiben

9

,

10

Gehäusehälften

11

,

12

Kontaktierungen

13

Iridiumoxidsensor

14

Referenzelektrode

15

,

16

Kontaktierungen

17

,

18

Temperaturfühler

Claims

1. Verfahren zur In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz und die Azidität des zu untersuchenden Öls mittels einer Meßanordnung, die mit zwei nach unterschiedlichen Meßprinzipien arbeitenden Sensoren ausgestattet ist, bestimmt und daß impedanzspektroskopische und potentiometrische Sensorsignale zur Charakterisierung des Ölzustandes verknüpft und ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Meßgröße die Temperatur bestimmt und in die Auswertung einbezogen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzmessung mit einer Elektrodenanordnung (4, 5) in Sandwichbauweise erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aziditätsmessung mit einem potentiometrischen Sensor (13, 14) erfolgt, dessen sensorisch aktive Schicht aus einem Edelmetalloxid, vorzugsweise Iridiumoxid, besteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aziditätsmessung mit einem ionensensitiven Feldeffekttransistor erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebrauchszustand von Schmieröl bestimmt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebrauchszustand von Getriebeöl, Hydrauliköl oder Bremsflüssigkeit vermessen wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstruktive Einheit von Sensoren zur Impedanzmessung (4, 5) und zur potentiometrischen Messung der Azidität (13, 14) vorhanden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektrodenplatten (4, 5) zur Impedanzmessung im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegt und vorzugsweise 3 mm beträgt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächeninhalt der Elektrodenplatten (4, 5) zur Impedanzmessung im Bereich bis 50 cm² liegt und vorzugsweise 20 cm² beträgt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten (4, 5) aus Aluminium, Titan oder Stahl gefertigt sind.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Elektrodenplatten (4, 5) anodisch oxidiert sind.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren mit einer Primärelektronik ausgestattet sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung der Primärelektronik zur Impedanzmessung bei Frequenzen zwischen 1 Hz und 1000 Hz arbeitet, vorzugsweise bei 100 Hz.