DE19860169A1

DE19860169A1 - Verfahren zur quantitativen Bestimmung kleiner Wassermengen in Mehrstoffsystemen sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE19860169A1
Application number: DE1998160169
Authority: DE
Inventors: Bernhard Johannes Kirsch
Original assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Current assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2000-08-03

Abstract

Das Verfahren zur quantitativen Bestimmung kleiner Wassermengen in Mehrstoffsystemen in flüssigem Aggregatzustand, insbesondere in Öl, ist durch mehrmalige Wiederholung der folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet: DOLLAR A - unvollständige Extraktion von Wasser aus dem Mehrstoffsystem mittels eines Schleppgases; DOLLAR A - quantitative Bestimmung der extrahierten Wassermenge mittels Messung der relativen Feuchte im Schleppgas, des Schleppgasvolumens und der Temperatur; und DOLLAR A - Umrechnung auf die Wassermenge des Mehrstoffsystems nach Bestimmung der Mehrstoffsystemmasse und der Sättigungsdampfdichte im Schleppgas. DOLLAR A Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens. DOLLAR A Mit dem angesprochenen Verfahren sowie der Vorrichtung ist man in der Lage, die absolute Sättigungskonzentration von Wasser in Fluiden, wie Öl, zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung kleiner Wassermengen in Mehrstoffsystemen in flüssigem Aggregatzustand, insbe sondere in Öl, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Als Druckflüssigkeiten und als Schmiermedien werden größtenteils Fluide verwendet, die kein oder nur sehr wenig Wasser lösen. Bevorzugt kommen dabei Druckflüssigkeiten auf Mineralölbasis oder Esterverbindungen zum Einsatz. Die vorhandene Beimischung an Wasser in diesen Fluiden ist quantitativ zu erfassen.

Ein Problem stellt nun dar, daß beispielsweise Druckflüssigkeiten (Öl) keine reinen Stoffe sind, sondern Mehrstoffsysteme meistens unbekannter Zusam mensetzung, die Wasser unterschiedlich stark binden können. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß sich das Wasser nicht vollständig in den Fluiden löst, sondern daß sich im Sinne eines Mehrstoffsystemes zwei Pha sen bilden, nämlich eine Phase, die hauptsächlich aus dem Fluid besteht, in der das Wasser bis zu einer möglichen Sättigungskonzentration gelöst ist und aus einer zweiten Phase, die überwiegend Wasser enthält und in der in geringem Maße Bestandteile des Fluids gelöst sind.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen es zumindest möglich ist, das in einem Mehrstoffsystem vorhandene Wasser quantitativ zu erfassen. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merk malen des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 6.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine definierte Menge des zu untersuchenden Mehrstoffsystems in flüssigem Aggregat zustand von der Umgebung isoliert. Die Masse der dahingehenden Probe wird dabei festgestellt. In einem weiteren Schritt wird die Probe mit einem Stoff bekannter Zusammensetzung in Form eines Schleppgases in Kontakt gebracht. Dabei wird das Volumen des Schleppgases sowie seine relative Feuchte und seine Temperatur erfaßt, bevor ein Austausch von Wasser zwi schen der Probe (Mehrstoffsystem) und dem Schleppgas stattfindet.

Es wird dann gewartet, bis der Austausch von Wasser zwischen Probe und Schleppgas, vorzugsweise in Form trockener Luft beendet ist und sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Am Ende der dahingehenden Wartezeit be stimmt man dann die relative Feuchte und die Temperatur erneut. Mit Hilfe der Dichte des gesättigten Wasserdampfes im Schleppgas (Luft) kann man dann die der Probe entnommene Wassermenge quantitativ bestimmen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis sich die relativen Feuchten nur noch wenig voneinander unterscheiden. Die bis dahin extrahierten Wassermengen werden dann addiert und man erhält den Wassergehalt des als Probe vorliegenden Mehrstoffsystems. Dieser Wassergehalt entspricht dem gesamten Wassergehalt bis auf einen kleinen Rest, der proportional zur relativen Feuchte des zugeführten Schleppgases ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man den sogenannten Bunsenkoeffizienten von Wasser in dem Mehrstoffsystem (Fluid) bestimmen. Der Bunsenkoeffizient ist dabei der Proportionalitätsfaktor zwischen der Luftfeuchte und der Konzentration des Wassers im Mehrstoffsystem, solange nicht die Sättigungskonzentration überschritten ist. Zur Bestimmung des Bunsenkoeffizienten bringt man einen Sensor in direkten Kontakt mit dem Mehrstoffsystem, der in der Lage ist, das Verhältnis von im Mehrstoffsystem gelösten Wasser relativ zur Sätti gungskonzentration quantitativ zu erfassen. Die dahingehende Größe wird auch mit Wasseraktivität bezeichnet. Führt man nun die eingangs erwähnte Messung durch, so kann man den einzelnen ermittelten Luftfeuchten die entsprechenden Werte der Wasseraktivität und zusätzlich den absoluten Wassergehalt der Probe zuordnen. Die hieraus resultierende Steigung der Kurve ist der Bunsenkoeffizient, der Aufschluß über den Gehalt des Fluids an polaren Additiven und Kontaminationen gibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens weist insbesondere für die Aufnahme des Mehrstoffsystemes eine beheizbare Probenkammer auf, die einen Temperatur- und Feuchtesensor hat, die an eine Meßelektronik angeschlossen sind, die über Stellglieder die Evakuie rung der Probenkammer sowie die Zufuhr des Schleppgases ermöglicht. Auf diese Art und Weise läßt sich nahezu vollautomatisch ein Meßvorgang voll ständig durchführen. Vorzugsweise ist dabei die erfindungsgemäße Vorrich tung als Baueinheit von Hand an ihren Einsatzort transportierbar, so daß man vor Ort unmittelbar an der zu überprüfenden Einrichtung an der Ma schine die Messungen vornehmen kann.

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht die Meßvorrichtung mit einer Probenkammer,

Fig. 2 eine Schaltdarstellung der Meßvorrichtung nach der Fig. 1,

Fig. 3 und 4 zwei mit dem Meßverfahren erreichbare Meßkurven.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 läßt sich beispielsweise der Wassergehalt eines Mehrstoffsystemes in Form einer Öl probe zwischen 0 und 9999 ppm feststellen sowie der Bunsenkoeffizient als Maß für den Gehalt eines Mehrstoffsystemes in flüssigem Aggregatzustand an polaren Bestandteilen. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird als Schleppgas getrocknete Luft eingesetzt sowie als Mehrstoffsystem ein Öl.

Der Wassergehalt im Öl wird bestimmt, indem man mittels des Schlepp gases in Form von getrockneter Luft aus dem Öl Feuchtigkeit entzieht und diese Feuchtigkeit quantitativ erfaßt. Die Extraktion erfolgt dabei in mehre ren Schritten. Bei jedem Extraktionsschritt wird mittels einer Schwinganker pumpe 10 (vgl. Fig. 2) eine Meßkammer 12, die die zu messende Probe an ihrem Boden sowie ein genau definiertes Schleppgasvolumen oder Luft volumen enthält, evakuiert und anschließend wieder belüftet. Hierbei wird die Luft über eine Trockenvorlage 16 aus der Umgebung zugeführt und in die Meß- oder Probenkammer 12 geleitet. Die dahingehende Zufuhr läßt . sich über ein 2/2-Wegepneumatikschaftventil 18 entsprechend ansteuern. Die Evakuierung der Meßkammer 12 über die zuschaltbare Vakuumpumpe 10 ist gleichfalls ansteuerbar über ein 2/2-Wegepneumatikschaltventil 20. Die dahingehenden Stellglieder in Form der angesprochenen 2/2-Wege schaltventile 18, 20 werden von einer Meßelektronik 22 mit Rechnereinheit angesteuert, die wiederum Eingabewerte von einem kapazitiven Feuchte sensor 24 und einer Temperaturmeßeinheit 26 enthält. Die dahingehenden Sensoren 24 und 26 stellen den zugehörigen Systemzustand in der Meß kammer 12 fest. Die Meßkammer 12 ist darüber hinaus über eine Heizein richtung 28 an ihrer Unterseite (vgl. Fig. 2) beheizbar.

Die Feuchte der einströmenden Luft ist vor Meßbeginn mittels einer Leer messung bestimmt worden, so daß man aus der Luftfeuchte vor dem Evaku ieren, dem Druck, auf den evakuiert wurde und aus der Temperatur die in diesem Extraktionsschritt dem System entzogene Wassermenge berechnen kann. Nach dem Evakuieren wird die Meßkammer mit trockener Luft geflu tet. Die Konzentration des in Wasser gelösten Öls ist im Gleichgewicht proportional zur relativen Feuchte der Luft über dem Öl (Gesetz von Henry). Deswegen wird aus dem Öl Wasserdampf in die trockene Luft ein treten, bis sich wieder ein Gleichgewichtszustand gebildet hat. Da bei dem letzten Evakuierungsschritt dem System Wasser entzogen wurde, ist die re lative Feuchte in diesem neuen Gleichgewichtszustand etwas niedriger als vorher.

Die dahingehenden Extraktionsschritte werden nun solange wiederholt, bis sich im Öl eine Restfeuchte befindet, die der Feuchte der trockenen Luft entspricht. Damit ist die Messung beendet. Die extrahierten Wassermengen werden aufsummiert und ergeben den Wassergehalt der Probe, wobei die einzelnen Extraktionsschritte in der Fig. 3 dargestellt sind, wo die relative Feuchte über der Meßdauer aufgetragen ist.

Mit den derart erhaltenen Meßwerten läßt sich darüber hinaus der Propor tionalitätsfaktor zwischen der Luftfeuchte und der Konzentration des ge lösten Wassers in Öl angeben. Dieser als Bunsenkoeffizient bezeichnete Faktor gibt an, wieviel ppm an Wasser das Öl bei 100% Luftfeuchte auf nehmen kann. Der Bunsenkoeffizient hängt erfahrungsgemäß sehr stark von der eingesetzten Ölsorte als Probe ab. Aus der Fig. 4, die die extrahierte Wassermenge über der relativen Feuchte angibt, läßt sich der Bunsenkoeffi zient unmittelbar als Steigungsgratient der gezeigten Meßkurve entnehmen.

Durch Hydrolyse und Alterung können im Öl Abbauprodukte entstehen, die das Lösungsvermögen für das Wasser stark erhöhen. D. h., ein gegen über dem Frischöl stark erhöhter Bunsenkoeffizient deutet auf akute Pro bleme im Öl hin, die sich in einer verminderten Verschleißschutzwirkung und erhöhter Korrosionsgefahr äußern können.

In der Heizvorrichtung 28 integriert ist ein Rührwerk 30 vorhanden mit einem in der Meßkammer 12 aufliegenden üblichen Rührfisch (nicht darge stellt). Die bereits angesprochene zunächst vorangehende Leermessung wird über die Meßelektronik 22 vorgenommen. Ferner wird die Heizplatte 32 (vgl. Fig. 1) der Heizeinrichtung 28 gestartet und die Meßkammer auf definierte 60°C temperiert. Die Meßelektronik 22 bestimmt dann die abso lute Feuchte des Schleppgases (trockene Luft) und berücksichtigt einen in ternen Kalibrierfaktor. Am Ende der Leermessung wird die relative Feuchte dann auf die vorgegebenen 60°C umgerechnet und in Prozent angezeigt. Sollte dieser Wert größer als 10% sein, ist die Umgebungsluft zu feucht und/oder die Trockenvorlage 16 ist zu wechseln.

Während der Leermessung wird die Probe 14 vorbereitet. Beispielsweise können 2 ml Öl mit der Spritze aufgezogen und evtl. störende Luftblasen ausgedrückt werden. Die Spritze wird mit dem Öl ausgewogen und in die Probenkammer 12 eindosiert. Die benötigte Probenmasse wird derart er faßt. Die Meßelektronik 22 ist gegebenenfalls in der Lage, die benötigte Sollmasse auf den Ist-Wert zu korrigieren.

Die Messung wird dann gestartet, wobei die Meßkammer 12 permanent auf ca. 60°C temperiert ist. Die einzelnen Extraktionsschritte laufen dann voll automatisch ab. Mit jedem Schritt wird dabei aus der Probe 14 Wasser ex trahiert; die extrahierten Mengen werden aufaddiert und die Summe läßt sich auf einem Display 34 darstellen. Mit zunehmender Trocknung wird immer weniger Wasser extrahiert und der angezeigte Wert wird sich asymp totisch dem Endwert nähern. Sobald sich die Feuchte über dem Öl auf einen Wert von 20% über dem der letzten Messung eingependelt hat, wird die Messung abgebrochen. In der Displayanzeige 34 stehen dann die Ist- Konzentrationen des Wassers im Öl. Durch geeignete Tasteneingabe über die Tasten 36 kann man zwischen der Anzeige Wassergehalt und Bunsen koeffizient umschalten. Die Probenkammer 12 kann über eine Entnahme vorrichtung 38 geöffnet werden und die Probe 14 kann direkt ihrer weiteren Verwendung zugeführt werden oder für weitere Messungen eingesetzt werden.

Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, läßt sich die Meßvorrichtung als Bauein heit konzipieren, die dann beispielsweise in einen Meßkoffer integriert von Hand an ihren jeweiligen Einsatzort transportierbar und einsetzbar ist. Um vor Ort eine hohe Standsicherheit zu erreichen, ist die Meßelektronik 22 mit ihrer Rechnereinheit auf einen Ständer 40 montiert, sowie die Heizein richtung 28 mit dem Rührwerk 30 auf ein plattenartiges Bedienfeld 42, das sich gegebenenfalls auf dem plattenartigen Ständer 40 aufsetzen läßt, indem nach Lösen einer Rändelschraube 44 die Meßkammer 12 über den Halter arm 46 freigegeben ist.

Mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und mit dem angesprochenen Meßverfahren ist eine kompakt aufbauende Meßstation verwirklicht, wobei sich sehr genau der Wassergehalt sowie der angesprochene Bunsenkoeffi zient sich bestimmen lassen.

Das Meßverfahren läßt sich mathematisch auch wie folgt darstellen:
Wassergehalt der Probe

mit M₁ = V_L[ζ_L(v₂)×rf₂-ζ_L(v₁)×rf₁],
wobei

V_L = Volumen der getrockneten Luft,
ζ_L = Dichte des gesättigten Wasserdampfes,
v₁, v₂ = Temperaturwerte der Luft,
rf₂, rf₁ = relative Feuchten der Luft und
n = Anzahl der Meßzyklen ist
M = Probenmasse.

Mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren läßt sich ein hoher apparativer und präparativer Aufwand vermeiden, wobei das Meßverfahren ausgesprochen genau ist. Bisher ist kein bekanntes Verfahren in der Lage, die absolute Sättigungskonzentration von Wasser in Öl zu messen. Durch die Variation von Probenmasse, Meßzeit und Meßtemperatur können Meßbereiche, Genauigkeit und Auflösung den spezifischen Bedingungen der Anwendung jeweils sehr gut angepaßt werden.

Claims

1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung kleiner Wassermengen in Mehrstoffsystemen in flüssigem Aggregatzustand insbesondere in Öl durch mehrmalige Wiederholung folgender Verfahrensschritte:

- unvollständige Extraktion von Wasser aus dem Mehrstoffsystem mittels eines Schleppgases;
- quantitative Bestimmung der extrahierten Wassermenge mittels Mes sung der relativen Feuchte im Schleppgas, des Schleppgasvolumens und der Temperatur; und
- Umrechnung auf die Wassermenge des Mehrstoffsystems nach Be stimmung der Mehrstoffsystemmasse und der Sättigungsdampfdichte im Schleppgas.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es so lange wiederholt wird, bis die Restfeuchte im Mehrstoffsystem der Feuchte des Schleppgases entspricht, wobei die bis dahin extrahierten Wassermengen den anfänglichen Wassergehalt des Mehrstoffsystems ergeben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der . Proportionalitätsfaktor zwischen der relativen Luftfeuchte und der Was sermenge im Mehrstoffsystem ermittelt wird, solange noch nicht die Sät tigungskonzentration überschritten ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schleppgas trockene Luft eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Schleppgases durch definiertes Evakuieren einer geometrisch festen Probenkammer bewerkstelligt wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufnahme des Mehr stoffsystemes eine beheizbare Probenkammer (12) vorgesehen ist, die einen Temperatur- und Feuchtesensor (26, 24) aufweist, die an eine Meßelektronik (22) angeschlossen sind, die über Stellglieder die Evaku ierung der Probenkammer (12) sowie die Zufuhr des Schleppgases er möglicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pro benkammer (12) mit einem Rührwerk (30) zusammenwirkt und daß die Stellglieder aus 2/2-Wegeschaltventilen (18, 20), insbesondere Pneu matikventilen, gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Evakuieren eine Schwingankerpumpe (10) dient und daß die Luft zum Trocknen eine Trockenvorlage (16) durchströmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß diese als Baueinheit von Hand an ihren Einsatzort transportier bar ist.