DE2840358A1

DE2840358A1 - Detektorgeraet mit einem an einer fluessigkeitsleitung angeordneten induktiven sensor

Info

Publication number: DE2840358A1
Application number: DE19782840358
Authority: DE
Inventors: Peter Donald Baker; Derek Ernest Marsh
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1978-09-16
Publication date: 1979-03-29
Also published as: FR2403555A1; JPS5454663A

Description

Detektorgerät mit einem an einer Flüssigkeitsleitung angeordneten induktiven Sensor

Die Erfindung betrifft ein Detektorgerät mit einem an einem Punkt längs einer Flüssigkeitsleitung angeordneten induktiven Sensor, der durch ein Wechselstromeingangssignal beaufschlagt wird und dessen Ausgangssignal auf Diskontinuitäten beim Durchströmen der Leitung anspricht.

Derartige Detektorgeräte werden verwendet beispielsweise zur Ermittlung von Metallteilchen oder anderen Partikeln im öl oder im Kraftstoff bei einem Motor.

Die Kenntnis der Anwesenheit und die Menge der Teilchen im ölkreislauf eines Motors gibt einen wertvollen Hinweis über den Zustand des Motors, da es möglich ist, beispielsweise einen Lagerschaden oder andere Fehler zu beheben, bevor diese Fehler zu einem ernstlichen Schaden am Motor führen. In einem solchen Anwendungs-

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fall ist es nützlich, wenn das Detektorgerät beispielsweise Stahlteilchen infolge eines Lagerverschleisses von Verbrennungsrückstandsprodukten zu unterscheiden vermag, da letztere nichts über den Zustand der mechanischen Teile des Motors aussagen. Ein Detektorgerät der eingangs genannten Aft mit einem induktiven Sensor ist beispielsweise beschrieben in der GB-PS 1 348 881. Mit einem solchen Detektorgerät ist es jedoch schwierig, zuverlässig zwischen Teilchen unterschiedlichen Materials und zwischen anderen Diskontinuitäten, wie beispielsweise Luft- oder Wasserblasen zu unterscheiden.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Detektorgerät der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es mit ihm möglich ist, Teilchen unterschiedlichen Materials sicher zu erkennen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das Hindurchwandern einer Diskontinuität längs einer Flüssigkeitsleitung führt zu einer Phasenverschiebung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen, wobei die Größe der Phasenverschiebung ein charakteristisches Merkmal der Diskontinuität ist. Durch Auswahl lediglich derjenigen Ausgänge, welche eine vorbestimmte Phasenbeziehung aufweisen, ist es möglich, Diskontinuitäten einer bestimmten Substanz anzuzeigen.

Das Gerät umfaßt bevorzugt einen Demodulator, welcher bevorzugt solche Ausgangssignale durchläßt, welche eine vorbestimmte Phasenbeziehung aufweisen; Ein Detektor kann an den Demodulator angeschlossen sein, wobei durch diesen Detektor nur solche Signale hindurchgehen,

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welche eine vorbestimmte Amplitude überschreiten. Der Detektor kann hierbei solche Signale hindurchlassen, welche über einer ersten vorbestimmten Amplitude und unter einer Zweiten vorbestimmten Amplitude liegen. Diese Signale werden einem ersten Ausgang zugeführt. Weiterhin können durch den Detektor solche Signale, welche oberhalb der zweiten Amplitude liegen, einem anderen Ausgang zugeführt werden, womit es möglich wird, die Menge der Diskontinuitäten zu bestimmen, welche verschiedene Charakteristika aufweisen.

Das Gerät kann einen Oszillator umfassen, an welchen der Sensor angeschlossen ist. Die Induktivität des Sensor kann hierbei Teil der Induktivität des Oszillators sein, so daß sich die Frequenz des Oszillators ändert beim Durchgang einer Diskontinuität durch die Flüssigkeitsleitung. Der Sensor kann in einem Brückenschaltkreis angeordnet sein, so daß Veränderungen in der Induktivität des Sensors zu einem Ungleichgewicht im Brückenschaltkreis führt.

Bevorzugt sind zwei Sensoren im Abstand zueinander längs der Flüssigkeitsleitung angeordnet oder je zwei Sensoren sind in jeweils gleichen Abständen zueinander längs zweier Zweige einer geteilten Flüssigkeitsleitung vorgesehen .

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltdiagramm eines Detektorgeräts mit zwei Sensorspulen;

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Geräts, ebenfalls mit zwei Sensorspulen;

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Fig. 3 eine weitere Ausführungsform mit vier Sensorspulen und

Fig. 4 und 5 eine weitere Ausführungsform mit insgesamt sieben Sensorspulen.

Wie die Fig. 1 zeigt, weist das Detektorgerät 2 zueinander identische Spulen 1 und 2 auf, welche um eine um eine ölrückführleitung 3 im Abstand zueinander gewickelt sind. Die beiden Spulen 1 und 2 sind zueinander in Serie geschaltet und beide Spulen sind an Wechselstrom angeschlossen, der beispielsweise eine Frequenz von etwa 100 KHz aufweist und von einem Oszillator 4 erzeugt wird. Beim Wechselstrom besteht gegenüber Masse Symmetrie. Der Oszillator 4 erzeugt weiterhin ein Bezugssignal, beispielsweise ein Massebezugssignal, welches über die Leitung 5 einem Demodulator 6 zugeführt wird. Dem Demodulator 6 wird weiterhin ein Ausgangssignal von der Verbindungsleitung der beiden Sensorspulen 1 und 2 zugeführt. Eine Phasenverschiebungsund Synchronisiereinheit 7 ist sowohl mit dem Oszillator 4 als auch mit dem Demodulator 6 verbunden und bewirkt eine Regelung der Phase,mit welcher die ihr zugeführten Wechselstromsignale zu demodulieren sind. Der Ausgang des Demodulators 6 ist mit einem Bandpaßfilter 8 verbunden, dessen Ausgang mit einem Impulsamplitudendetektor 9 verbunden ist. Der Detektor 9 wählt nur solche Signale aus, deren Amplitude über einer vorbestimmten Größe liegen, wobei diese Signale einem Zähler 10 zugeführt werden. Die Bauteile 4 und 6 bis 9 können aus integrierten Schaltkreisen bestehen, wobei ihr schaltungstechnischer Aufbau wie üblich bei solchen Schaltkreisen ist.

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Beim Durchwandern einer Diskontinuität durch die Leitung 3 wird in der Spule 1 eine Änderung der Induktivität der Spule bewirkt, was dazu führt, daß der aus den Spulen 1 und 2 und dem Oszillator 4 bestehende Schaltkreis unsymmetrisch wird. Hierdurch wird ein Modulationsstoß des Wechsel strcynsignal s am Eingang des Demodulators 6 bewirkt, dem ein weiterer Signalstoß folgt, sobald die Diskontinuität durch die zweite Spule 2 hindurchwandert.

Die Phase und Größe der dem Demodulator 6 zugeführten Signale verändert sich in Übereinstimmung mit dem spezifischen Widerstand, der Permeabilität, der Größe und der Form der Diskontinuität, welche die Leitung 3 durchwandert. Phase und Amplitude verändern sich auch in Übereinstimmung mit der Frequenz des Oszillators 4. Das vorliegende Detektorgerät soll in erster Linie eine Anzeige der Motorlebensdauer erbringen₉ welche am besten durch Messen des Betrags der im Schmieröl enthaltenen ferromagnetischen Abriebsteilchen erfolgt. Das Gerät ist daher so ausgelegt, daß es ferromagnetische Teilchen zählt, dagegen andere Diskontinuitäten nicht erfaßt, wobei es sich bei letzteren in erster Linie um Gasblasen oder Kohlestoffteilchen handelt. Zu diesem Zweck wird der Demodulator 6 von der Einheit 7 gesteuert, welche im vorliegenden Fall so eingestellt ist_s daß ein maximales Signal-Rauschverhältnis bei solchen Eingangssignalen entsteht, welche etwa 20 außer Phase in Bezug auf das Wechselstromsignal des Oszillators 4 sind. Bei der speziellen Arbeitsfrequenz des Oszillators 4 wurde gefunden, daß ein solches maximales Signal-Rauschverhältnis entsteht beim Durchgang ferromagnetischer Teilchen, während beispielsweise nicht ferromagnetische Teilchen Signale erzeugen₉ welche 90° außer Phase mit den ferromagnetischen Signalen sind und welche deshalb vom Demodulator 6 stark gedämpft werden. Der Zähler 10

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zeigt die Anzahl der ferromagnetisehen Teilchen an, welche durch die Leitung 3 hindurchgehen.

Die zuvor beschriebene Anordnung kann leicht modifiziert werden durch Demodulation bei unterschiedlichem Phasenwinkel zur Zählung von beispielsweise Kupferteilchen im Schmieröl. Es ist weiterhin möglich, zwei Demodulatoren vorzusehen, deren Eingänge parallel verlaufen und von denen jeder bei einem unterschiedlichen Phasenwinkel demoduliert, um beispielsweise ferromagnetische und nicht ferromagnetische Teilchen zu erfassen.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet die Induktivität der beiden Spulen 1 und 2 einen Teil der Induktivität des Schaltkreises im Oszillator 4 und demgemäß wird sich die Frequenz des Oszillators kurzzeitig ändern, wenn ein Teilchen entweder durch die Spule 1 oder 2 wandert. Es hat sich gezeigt, daß die Phase und Amplituden der Eingangssignale am Demodulator 6 unterschiedlich wird, falls ein Oszillator mit einer feststehenden Frequenz verwendet wird. Die Phasenverschiebungs- und Synchronisiereinheit 7 kann entsprechend eingestellt werden, damit die Charakteristika des Detektors und die zu erfassenden Diskontinuitäten zueinanderpassen.

Der Impulsamplituden-Detektor 9 kann mit beispielsweise zwei weiteren Ausgängen versehen sein, von denen jeder mit einem Zähler 101 und 102 verbunden ist. Der Detektor 9 liefert Signale oberhalb einer ersten Amplitude dem Zähler 10 zu, während Signale unterhalb dieser ersten Amplitude und oberhalb einer zweiten Amplitude dem anderen Zähler 101 zugeführt werden. Signale mit der kleinsten Amplitude unterhalb der zweiten Amplitude werden dem dritten Zähler 102 zugeführt. Damit ist es

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möglich, die Anzahl der Teilchen anzuzeigen, welche unterschiedliche Eigenschaften haben. Es ist weiterhin möglich, an einem Ausgang des Detektors 9 einen Zähler 200 anzuschließen, welcher die pro Zeiteinheit durchströmenden Diskontinuitäten erfaßt und der geeignet ist, Veränderungen in der Menge der zeitlich durchwandernden Diskontinuitäten anzuzeigen. Die Anzeige 200 kann mit einer Alarmvorrichtung versehen sein, welche anspricht, sobald die Durchflußmenge der Diskontinuitäten einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

Die Selektivität und Genauigkeit des Geräts kann durch die Verwendung von Mikrocomputertechniken verbessert werden, wobei eine Analyse und Klassifikation des demodulierten Signals vorgenommen werden kann. Ein Analysator für die Impulshöhe und die Impulsbreite kann dazu dienen, die von Diskontinuitäten herrührenden Signale zu klassifizieren und zu speichern in Bezug auf deren Amplitude, Dauer, Phase oder einer Kombination dieser Faktoren.

Das Eingangssignal für den Demodulator 6 kann alternativ auch abgeleitet werden vom Unsymmetriesignal eines Brückenschaltkreises, wie in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Anordnung sind zwei Sensorspulen 1 und 2 in.benachbarten Zweigen des Brückenschaltkreises 11 angeordnet, während in den beiden anderen Zweigen Induktivität 12 und 13 geschaltet sind. Der Brückenschaltkreis 11 wird gespeist von einer Wechselspannung des Oszillators 4, welcher an gegenüberliegenden Ecken des Brückenschaltkreises 11 angeschlossen ist, d.h. einmal an die Verbindungsleitung zwischen der Spule 1 und der Induktivität 12 sowie der Spule 2 und der Induktivität 13. Das Ausgangssignal wird abgegriffen von den beiden anderen einander gegenüberliegenden

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Ecken des Brückenschaltkreises, d.h. an der Verbindung zwischen den Spulen 1 und 2 und an der Verbindung zwischen den beiden Induktivitäten 12 und 13. Dieses Signal wird dem Eingang eines Demodulators 6 zugeführt. Sobald eine Diskontinuität durch die Leitung hindurchgeht, führt dies zu einer Unsymmetrie im Schaltkreis 11 und damit zu einem Modulationsstoß des Wechselstromsignals am Eingang des Demodulators 6, welcher im übrigen gleich arbeitet wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die beiden Spulen 1 und 2 an verschiedenen Stellen längs der Ölleitung 3 angeordnet sind. Es ist auch möglich, die Spulen an parallelen Leitungen einer Leitungsverzweigung vorzusehen. Der Durchgang einer Diskontinuität durch einen Leitungszweig bewirkt, daß die Induktivitäten der beiden Spulen zueinander unterschiedlich werden. Diese Anordnung kann dazu verwendet werden, zwischen großen öltropfen oder Luftblasen, welche zwischen den beiden Leitungszweigen gleich aufgeteilt werden, und kleineren Diskontinuitäten zu unterscheiden, welche nur lediglich einen Leitungszweig durchströmen. In Fig. 3 ist eine Anordnung mit zwei Leitungszweigen gezeigt, wobei jeder Leitungszweig von zwei Spulen bis 18 umschlossen ist, welcher als Brückenschaltkreis 14 geschaltet sind. Die beiden Spulen 15 und 16 sind im Abstand zueinander an einem Leitungszweig 19 der Ölleitung 20 angeordnet, während die Spulen 17 und 18 ebenfalls im Abstand zueinander den Leitungszweig 21 umgeben. Der Brückenschaltkreis 14 kann auf einfache Weise den Brückenschaltkreis 11 in Fig. 2 ersetzen, wobei die Wechselspannung des Oszillators 4 an der Verbindungsleitung zwischen den Spulen 15 und 16 und der Verbindungsleitung zwischen den Spulen 17 und 18 ange-

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schlossen ist. Das Unsymmetrie-Signal vom Schaltkreis 14 wird abgegriffen von der Verbindung zwischen den Spulen 15 und 18 und den Spulen 16 und 17. Das Unsymmetriesignal wird dem Demodulator 6 in der in Fig. beschriebenen Weise zugeführt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Brückenschaltkreis 22 unter Verwendung von sieben Spulen 23 bis 29, von denen jede einer Ölleitung 30 bis 36 zugeordnet ist. Der Brückenschaltkreis 22 kann dazu verwendet werden, das Vorhandensein von Teilchen in ölströmen zu erfassen, welche aus sieben verschiedenen Bereichen einer Gasturbine stammen. Der erste Arm des Brückenschaltkreises 22 wird gebildet durch die beiden in Serie geschalteten Spulen 23 und 24. Der zweite Arm wird gebildet durch die in Serie geschalteten Spulen 25 und 26, der dritte Arm lediglich durch die Spule 27 und der vierte Arm durch die parallelgeschalteten Spulen 28 und 29. Der Brückenschaltkreis 22 kann anstelle des Schaltkreises 11 an das Gerät gemäß Fig. 2 angeschlossen werden. Das Wechselstromsignal vom Oszillator 4 wird in diesem Fall an den Brückenschaltkreis 22 angelegt an die Verbindung zwischen dem ersten und dritten Arm und die Verbindung zwischen dem zweiten und vierten Arm. Das Ausgangssignal vom Brückenschaltkreis 22 wird abgegriffen von der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Arm und der Verbindung zwischen dem dritten und vierten Arm. Der Durchgang eines Teilchens oder anderer Diskontinuitäten durch eine der Leitungen 30 bis 36 führt zu einer Veränderung der Induktivität der zugehörigen Spule und damit zu einer Verstimmung des Brückenschaltkreises 22, wodurch ein Modulationsstoß des Ausgangssignals erzeugt wird_s welches in der zuvor beschriebenen Weise demoduliert wird.

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Die Anzahl der verwendeten Spulen kann also der Zahl der zu überwachenden Leitungen angepaßt werden, obwohl die Empfindlichkeit des Geräts mit wachsender Anzahl der zu überwachenden Leitungen vermindert wird. Es ist darauf zu achten, daß die Spulen und ihre Anbringung zueinander»identisch ist, damit Temperaturänderungen und mechanische Beanspruchungen keine Unsymmetrien in den Brückenschaltkreisen hervorrufen.

Beim Zähler 10 kann es sich um einen einfachen elektromagnetischen Zähler, um einen elektrischen Eingabespeicher, um einen Speicher mit direktem Zugriff, um einen Magnetkernspeicher oder um ein Schieberegister handeln. Der Zähler kann mit einer Alarmvorrichtung gekoppelt sein, welcher ein Alarmsignal erzeugt, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Teilchen gezählt wurde.

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Claims

Dipl.-Ing.

Rolf'Ch airier

Patentanwalt

RehlingerMniße 8 ■ Postfach 260

D-8900 Augsburg 31

Telefon 08 21/3 6015+3 6016

Telex 53 3 275

I¹HStNi.heckkiinUK München Nr. 1547 Si-SUI

Smiths Industries Limited 7715/91/Ch/Gr Augsburg, 14. September 1978

Patentansprüche

Detektorgerät mit einem an einem Punkt längs einer Flüssigkeitsleitung angeordneten induktiven Sensor, der durch ein Wechselstromeingangssignal beaufschlagt wird und dessen Ausgangssignal auf Diskontinuitäten beim Durchströmen der Leitung anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Auswahlschaltung aufweist, die nur solche Ausgangssignale auswählt, die eine vorbestimmte, durch die Eigenschaften der zu erfassenden Diskontinuitäten bestimmte Phasenbeziehung zum Eingangssignal aufweist.

Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät einen Demodulator (6) aufweist, dem das Wechselstromausgangssignal von den Sensoren (1, 2, 15 bis 18, 23 bis 29) zugeführt wird und weiterhin eine Phasenkontrolleinheit (7) vorgesehen ist, welche den Demodulator (6) steuert, derart, daß durch den Demodulator bevorzugt nur solche Ausgangssignale verarbeitet werden, welche eine vorbestimmte Phasenbeziehung zum Eingangssignal haben.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des Demodulators (6) einem Detektor (9) zugeführt werden, der nur solche Signale verarbeitet, welche eine vorbestimmte Amplitude übersteigen.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät einen Zähler (10) aufweist, der die Zahl der Diskontinuitäten zählt, die vorbestimmte Eigenschaften aufweisen.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (9) mehrere Ausgänge aufweist, wobei der Detektor (9) Signale oberhalb einer ersten Amplitude und unterhalb einer zweiten Amplitude einem der Ausgänge und Signale oberhalb der zweiten Amplitude einem anderen Ausgang zuführt.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichn e t , daß das Gerät mehrere Zähler (10, 101, 102) aufweist, wobei einer der Zähler an den einen Ausgang und ein anderer Zähler an den anderen Ausgang des Detektors (9) angeschlossen ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Oszillator (4) aufweist, an welchen die Sensoren (1, 2, 15 bis 18, 23 bis 29) angeschlossen sind_s wobei die Induktivität der Sensoren (I₉ 2_S 15 bis 18₉ 23 bis 29) Teil der Induktivität des Oszillators (4) ist, und die Frequenz des Oszillators (4) sich kurzzeitig ändert, wenn eine Diskontinuität durch die Flüssigkeitsleitung (3_S 20, 30 bis 36) hindurchwandert.

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8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e kenn zei chnet , daß der Sensor (1, 2, 15 bis 18, 23 bis 29) in einem Brückenschaltkreis (11, 14, 22 ) angeordnet ist, wobei die Änderung der Induktivität des Sensors (1, 2, 15 bis 18, 23 bis 29) eine Unsymmetrie _yim Brückenschaltkreis (11, 14, 22) bewi rkt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (1, 2, 15 bis 18)vorgesehen sind, welche im Abstand zueinander längs der Flüssigkeitsleitung (3, 20) angeordnet sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung (20) in zwei Leitungszweige (19, 21) unterteilt ist und zwei Sensoren (15, 18) vorgesehen sind, von denen jeder in einem Leitungszweig (19, 21) angeordnet ist.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter und ein vierter Sensor (16,

17) vorgesehen sind, von denen jeder in einem Leitungszweig (19, 21) angeordnet ist und zwar jeweils im gleichen Abstand zu dem anderen Sensor (15, 18) dieses Leitungszweiges, wobei alle vier Sensoren (15 bis 18) in einem Arm eines Brückenschaltkreises (14) angeordnet sind.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (1, 2, 15 bis 18, 23 bis 29) aus elektrischen Spulen bestehen, welche die Flüssigkeitsleitung (3, 20,

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30 bis 36) umgeben.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Erfassen von ferromagnetischem Material in der Flüssigkeitsleitung (3, 20, 3,0 bis 36) ausgelegt ist.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η -

ζ e i c h η e t , daß der oder die Sensoren (1, 2, 15 bis 18, 23 bis 29) durch ein Wechselstromeingangssignal mit einer Frequenz von näherungsweise 100 KHz erregt werden und daß das Gerät lediglich jene Ausgangssignale auswählt, welche näherungsweise 20° außer Phase mit dem Eingangssignal sind, wobei diese Ausgangssignale der Anzeige von ferromagnetischen Teilen in der Flüssigkeitsleitung (3, 20, 30 bis 36) entsprechen.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Alarmvorrichtung aufweist, die ein Alarmsignal erzeugt, wenn die Anzahl der erfaßten Diskontinuitäten in der Flüssigkeitsleitung (3, 20, 30 bis 36) eine vorbestimmte Menge überschreitet.

16. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Zähler (200) aufweist, der die Änderungsgeschwindigkeit der Menge der in der Flüssigkeitsleitung erfaßten Diskontinuitäten anzeigt.

17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Alarmvorrichtung aufweist, welche ein Alarmsignal erzeugt, wenn die finderungsgeschwindigkeit der Menge der in der Flüssig-

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keitsleitung (3, 20, 30 bis 36) erfaßten Diskontinuitäten eine vorbestimmte Sndemngsgeschwindigkeit übersteigt.

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