DE3931497A1 - Vorrichtung zum erfassen von verschmutzungen in fluiden, insbesondere schmierstoffen - Google Patents
Vorrichtung zum erfassen von verschmutzungen in fluiden, insbesondere schmierstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung laut Oberbegriff des
Anspruches 1.
Durch flüssige Schmierstoffe geschmierte Maschinenteile, wie
Wälzlager, Zahnräder, Wellen, Pumpen, Hydraulikmotoren, Achsen
und Zylinder usw., haben trotz der Schmierung während ihrer
Bewegung mit anderen Maschinenteilen Berührung. Sie unterliegen
deshalb während des Betriebes einem permanenten Verschleiß.
Diesen Verschleiß kann man durch konstruktive Maßnahmen, durch
Optimierung und Pflege der Schmierstoffe (die den Verschleiß zwar
sehr stark verringern, aber nicht vollständig ausschließen
können), durch regelmäßige Prüfung der Gebrauchsfähigkeit der
Schmierstoffe und durch andere Maßnahmen zwar reduzieren, aber
nicht vollständig ausschließen.
Durch diesen kontinuierlichen Verschleiß werden Partikel aus dem
metallischen Verbund herausgelöst. Solche Partikel fallen bereits
während des normalen Betriebs der geschmierten Einrichtung durch
den durch die unvermeidliche mechanische Punkt-, Linien- oder
Flächenberührung hervorgerufenen Verschleiß der kraftübertragen
den Flächen an. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die
Einrichtung noch neu ist und die kraftübertragenden Flächen von
Zahnrädern, Lagern, Dichtungen und dergleichen sich im Anfangs
verschleißprozeß befinden, der als Einlaufzeit bezeichnet wird.
Untersuchungen haben ergeben, daß während des beim normalen
Betrieb auftretenden Verschleißes Partikel vor allem in der
Größenordnung zwischen 0,5 und 10 µm erzeugt werden. Sie werden
durch den Schmierstoff abtransportiert und zum Teil durch
geeignete Filter 5 aus dem Flüssigkeitsstrom abgeschieden.
Kann sich nun durch falsche konstruktive Auslegung, zu geringe
Schmierstoffzufuhr, Luftblasen im Schmierstoff o. ä. kein
ausreichend tragfähiger Schmierfilm zwischen den sich berührenden
Maschinenteilen ausbilden oder tritt durch Werkstoffermüdung oder
Werkstoffehler und sonstige Einflüsse eine starke Überbeanspru
chung der Reibflächen auf, kann es langfristig zu einem dauernden
Schaden der Maschinenteile kommen.
Ein beginnender Schaden an einem aus metallischen Werkstoffen
hergestellten Maschinenteil, der langfristig zum Ausfallen dieses
Maschinenteiles führen kann, äußert sich in einer erhöhten
Produktion von größeren Partikeln. Diese Metallpartikel, die
durch Freßvorgänge, Mikrozerspanung, Grübchenbildung (Pittings),
Absplitterungen und durch Bruchschäden hervorgerufen werden,
treten in unterschiedlichsten Formen wie z. B. als pulverförmige
Metallpartikel, Splitter, Plättchen, Späne und ganze Bruchstücke
auf. Aufgrund der verwendeten Werkstoffe können die Metallparti
kel aus Stahl, Edelstahl, Sonderstählen, Aluminium, Magnesium,
Kupfer, Bronze, Zink, Messing, Chrom-Nickel (Oberflächenbeschich
tungsmaterialien) und anderen bestehen.
Mikroskopische Untersuchungen der Partikel haben ergeben, daß
sich bei beginnendem Ausfall eines Bauelementes das Teilchenspek
trum von Partikelgrößen zwischen ca. 0,5 und 10 µm beim normalen
Betrieb hin zu größeren Partikeln verschiebt. Wenn eine stati
stisch relevante Zunahme der Partikel ab einer bestimmten Größe
(z. B. 100 µm) erfolgt, kann davon ausgegangen werden, daß eine
Überlastung der Maschine vorliegt. Es ist daher möglich, anhand
der Zunahme großer Partikel einen beginnenden, erhöhten Ver
schleiß vorherzusagen.
Will man übermäßigen Verschleiß und daraus eine u. U. resultie
rende Bruch- oder Zerstörungsgefahr rechtzeitig erkennen, ist es
erforderlich, mit einem geeigneten Meß- und Auswerteverfahren
diese großen metallischen Partikel eindeutig zu erfassen.
Damit wird der Anlagenbetreiber vor einem möglicherweise drohen
den Schaden gewarnt, so daß die gefährdete Maschine vor der
Zerstörung abgeschaltet und anschließend rechtzeitig Reparaturen
durchgeführt werden können.
Wegen der relativ geringen Anzahl von Partikeln, die ein derarti
ges Versagen ankündigen, muß gewährleistet sein, daß für eine
präzise und abgesicherte Aussage über einen drohenden Totalaus
fall sämtliche relevanten Metallpartikel erfaßt werden. Außerdem
muß ein Fehlalarm mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
Zur Erfassung von metallischen Verschmutzungen werden bisher
verschiedene diskontinuierliche Analysenverfahren, wie z. B. die
Ferrographie, spektrometrische Ölanalysen u. ä., eingesetzt. Dazu
wird eine Probe des Schmierstoffes gezogen und im Labor ausgewer
tet. Bei der Magnetstopfenmethode werden über längere Zeit
metallische Abriebteilchen gesammelt und anschließend im Labor
ausgezählt.
Sensoren zur kontinuierlichen Erfassung von metallischen Parti
keln in Flüssigkeiten oder Gasen sind bekannt und beispielsweise
in DE-PS 26 49 587, DE-PS 29 33 822 oder DE-PS 30 45 945 be
schrieben. All diesen sogenannten "Spanwächtern" ist gemeinsam,
daß sie magnetisch arbeiten und daher ausschließlich ferromagne
tische Partikel "erkennen" können.
Das Magnetfeld wird dabei entweder durch Dauermagnete oder
Elektromagnete erzeugt. Durch Umlenkung oder Verzögerung der
Strömung wird außerdem versucht, eine möglichst hohe Abscheidera
te der Metallpartikel am Magneten zu erreichen.
Die Auswertung, ob ein Metallpartikelchen "gefangen" wurde, wird
entweder durch Erzeugen eines Kurzschlusses zwischen zwei
isoliert voneinander untergebrachten Polstiften oder durch
magnetische Induktion erreicht. Es sind auch Systeme bekannt, die
selektiv ausschließlich große Teile erkennen und diese schadens
relevanten Partikel separat aufsummieren. Damit sind Aussagen
über drohende Maschinenschäden bereits möglich.
Nachteil dieser Systeme ist, daß sie nicht in der Lage sind,
sämtliche vorhandenen Partikel zu erkennen. Die Abscheiderate
beträgt - je nach Einbauart und Strömungsgeschwindigkeiten -
schätzungsweise zwischen 5% und 30%.
Schwerwiegendster Nachteil dieser Systeme ist jedoch, daß sie
ausschließlich auf ferromagnetische Werkstoffe ansprechen.
Edelstähle, Lagermetalle, Aluminium und andere häufig verwendete
Metalle können mit diesen Systemen nicht erkannt werden. Da immer
häufiger Leichtmetalle, Lagermetalle, Sonderstähle und andere
nichtmagnetische Stoffe eingesetzt werden, scheidet für diese
Anwendungsmöglichkeiten der Einsatz der eben beschriebenen Geräte
vollständig aus.
In (1) wird ein induktiv arbeitender Sensor beschrieben, mit dem
es möglich ist, Metallpartikel, die durch eine Flüssigkeit
gefördert werden, zu erfassen. Der Sensor besteht aus einem, um
einen Spulenkern gewickeltenSpulensystem mit Auswerteelektronik.
Dieses System ist konstruktionsbedingt nur für Anwendungen bei
niedrigen Drücken geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereitzustellen, mittels der die Verschleißpartikel
konzentration zum Zwecke der sicheren Abschätzung eines Schadens
im System bzw. in der Anlage sicher erfaßt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Durch den im Anspruch 1 definierten Sensorkopf ist es möglich,
die über eine Mindestgröße liegenden metallischen Partikel in
einem Rohrleitungssystem nahezu vollständig zu erfassen.
Verschiedene Anordnungen zur strömungstechischen Beeinflussung
und damit zur Empfindlichkeitssteigerung sind in den Ansprüchen
2, 3 und 4 angegeben.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zur
Erfassung anderer in Schmierstoffen enthaltenen Verunreinigungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit den in
der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen,
deren nachfolgende Beschreibung die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Überwachungsanlage für Abfallteilchen mit
einem Meßfühler;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Fühlerkopfes gemäß
Anspruch 1;
Fig. 3a zeigt die Entmischung von Schmierstoffen in
spezifisch leichtere und schwerere Partikel im
Längsschnitt;
Fig. 3b dasselbe im Querschnitt;
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Metallsuch
spule im Blockschaltbild;
Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Metallsuchspule im
Inneren des Sensorkopfes;
Fig. 6a zeigt eine erfindungsgemäße Lösung zur Erhö
hung der Empfindlichkeit;
Fig. 6b den Empfindlichkeitsverlauf im Inneren einer
Spule;
Fig. 7a zeigt eine mögliche Ausführungsform eines
Strömungskörpers zur Drallerzeugung im Längs
schnitt;
Fig. 7b dasselbe im Querschnitt;
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines Drallerzeu
gers;
Fig. 9;
Fig. 10 ein Blockschaltbild der Sensorelektronik;
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Sensors
zum Erfassen von Wasser in einem Fluid;
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Sensors
zum Erfassen von Luftblasen, im Längs- und
Querschnitt.
Gemäß Fig. 1 ist ein Sensorkopf 1 in einem Rohrleitungssystem 4
befestigt. Der Sensorkopf 1 ist sowohl für Niederdruck- als auch
für Hochdrucksysteme geeignet.
Beim Betrieb einer hydraulischen oder schmierungstechnischen
Anlage 3 wird durch Pumpen 2 o. ä. ein kontinuierlicher oder
diskontinuierlicher Schmierstoffstrom erzeugt, der im Rohrlei
tungssystem 4 transportiert wird und zwangsläufig durch den
Sensorkopf 1 strömt. Dieser Schmierstoffstrom transportiert bei
verunreinigten Anlagen neben kleinen metallischen und nichtme
tallischen Partikeln, die von Verunreinigungen, Verschmutzungen,
aber auch vom üblichen Abrieb zwischen sich mechanisch berühren
den Teilen herrühren, auch große Verschleißpartikel, Wasser
tröpfchen und Luftblasen. Die vom Schmierstoffstrom mitgerisse
nen Partikel werden üblicherweise in einem Filter 5 abgeschie
den.
Luftblasen werden meist durch Entlüftungsgeräte 9 im Rohrlei
tungssystem oder beim Ausgasen im Vorratstank 6 abgeschieden.
Häufig ist jedoch eine Luftblasenabscheidung nicht möglich. Sie
sammeln sich z. B. an hochgelegenen Rohrleitungsstücken 10
(Luftsäcken) oder an anderen dafür prädestinierten Stellen.
Wassertröpfchen bilden meist mit dem Öl eine Emulsion, die
entweder im Filter 5 zurückgehalten wird oder sich im Tank
absetzt, wobei das Wasser nach Entmischung auf den Boden des
Tanks absinkt.
Extreme Beanspruchungen beispielsweise der Pumpe 2 oder des
geschmierten bzw. angetriebenen Systems 3 bewirken einen ver
stärkten Verschleiß, der bis zur mechanischen Zerstörung der
Bauteile infolge von Fressen, Bruch oder sonstiger Schadensursa
chen führen kann.
Ein derartiger Schaden zeichnet sich üblicherweise bereits
einige Zeit vor der eigentlichen Zerstörung ab, indem von der
versagenden Einheit 2 oder 3 größere metallische Partikel
infolge Zerspanung oder Abbrechen aus dem metallischen Verbund
erzeugt werden. Ein derartiges Verschleißpartikel wird - bis zu
einer bestimmten maximalen Größe - durch den Schmierstoffstrom
mitgerissen und letztendlich durch das Filter 5 abgeschieden.
Setzt man voraus, daß der Sensorkopf 1 so in das Leitungssystem
4 eingebaut ist, daß er nach dem versagenden Bauelement 2 oder
3 und vor dem Rücklauffilter 5 oder dem Tank 6 sitzt, dann
werden sämtliche Verschleißpartikel und sonstige Verunreinigun
gen durch das Innere des Sensorkopfes transportiert. Theoretisch
ist es also möglich, 100% der Partikel zu erfassen.
Bei Anwendungen, bei denen sehr große Rohrleitungsdurchmesser
vorliegen, kann es günstig sein, einen bestimmten Teil des
Förderstroms über eine Bypass-Leitung 7 am Verschleiß-Sensor 1
vorbeizulenken. In diesem Fall erfaßt der Sensor nur einen Teil
der insgesamt aufgetretenen Verunreinigungen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Sensorkopf 1 an das Rohrlei
tungssystem 4 mit Hilfe von Flanschanschlüssen, Schneidring-
Rohrverschraubungen oder mit anderen handelsüblichen Rohrverbin
dungselementen 17 angeschlossen, die in der Figur nur symbolisch
dargestellt sind.
Der Sensorkopf 1 weist ein druckfestes, vorzugsweise zylindri
sches Metallgehäuse 11 auf, das den Sensor umschließt und nach
außen hin abdichtet. Der Schmierstoff strömt, von der Pumpe 2
gefördert, in den Sensorkopf.
Vor dem Eintritt in den Sensorkopf sind die festen, flüssigen
und gasförmigen Verunreinigungen im Schmierstoff über den
gesamten Rohrleitungsquerschnitt in nahezu gleichmäßiger Konzen
tration verteilt.
Am Einlauf des Sensorkopfes befindet sich eine Vorrichtung 12,
die bei Durchströmung durch den Schmierstoff diesem eine Drall
strömung aufzwingt. Dadurch werden auf ein Teilchen 13, das
durch den Schmierstoff in den Sensorkopf 1 transportiert wird,
verschiedene Kräfte wie z. B. Trägheitskräfte, Auftriebskräfte,
Gewichtskräfte usw. ausgeübt. In Fig. 2 ist das Teilchen 13
durch einen idealisierten, gestrichelt dargestellten Stromfaden
14 transportiert dargestellt. Durch die Strömungskräfte wird das
Teilchen auf eine strichpunktiert dargestellte, spiralförmige
Bahn 15 gezwungen, die gegenüber dem Stromfaden den Winkel a
bildet.
Für Teilchen, die spezifisch schwerer als der Schmierstoff sind,
ist die Teilchenbahn nach außen zur Rohrinnenwand 16 hin gerich
tet, so daß sich nach einer bestimmten Entfernung A, die u. a.
von der Strömungsgeschwindigkeit, von der Art der die Drallströ
mung erzeugenden Vorrichtung 12, von der Teilchenmasse m und vom
Innendurchmesser D des Sensorkopfes abhängt, die Teilchen an der
Rohrinnenwand 16 befinden.
Spezifisch leichtere Teilchen 19 werden durch die Kräfte der
Drallströmung dagegen in die Mitte des Sensorkopfes gefördert.
Die theoretischen Grundlagen zur Berechnung derartiger Drall
strömungen in sogenannten "Axialzyklonen" sind aus der Literatur
bekannt.
Wie aus Fig. 3a ersichtlich, wird der mit Partikeln beladene
Schmierstoffstrom durch den Drallerzeuger 12 so entmischt, daß
die spezifisch schwereren Partikel wie z. B. Metallteilchen oder
Wassertröpfen an den Rand 16 der durch den Sensorkopf führenden
Bohrung geschleudert werden. Durch diese Entmischung ist die
Partikelkonzentration am Rand 16 wesentlich höher als in der
Mitte. Dies kann anhand von Fig. 3b, die einen Querschnitt durch
den Sensorkopf 1 zeigt, noch detaillierter dargestellt werden.
Diese schweren Partikel befinden sich nach der "Drallstrecke A"
in dem schraffierten Bereich 20 der Strömung.
Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit eines Meßgerätes für
solche Partikel zu gewährleisten, wird dieses am besten in dem
Bereich 21 angeordnet, in dem die Partikelkonzentration am Rand
am höchsten ist, bevor sich durch strömungsbedingte Kräfte die
Partikel wieder mit dem Schmierstoffstrom vermischen.
Zur Erfassung von Metallteilchen wird eine vorzugsweise induktiv
arbeitende Metallsuchspule mit nachgeschalteter Verstärkerelek
tronik eingesetzt, die sinnvollerweise in dem in Fig. 3 gezeig
ten schraffierten Bereich 21 eingebaut wird.
Die Entmischung des Fluidstromes durch den Drallerzeuger bewirkt
aber auch, daß andere spezifisch schwerere Teilchen, wie Wasser
tröpfchen, an den Rand der Suchspule gefördert werden und
dadurch einer gezielten Bestimmung zugänglich sind. Wasser im
Schmierstoff läßt sich z. B. durch eine Messung der Leitfähig
keitsunterschiede durch einen Sensor vor und einen hinter dem
Drallkörper im Bereich 21 erfassen.
Die Entmischung durch den Drallerzeuger 12 bewirkt zusätzlich,
daß die spezifisch leichteren Teile, also vor allen Dingen
Luftblasen, in die Mitte der Durchlaßbohruhg gefördert werden
und sich entsprechend Fig. 3a/3b vor allem in dem punktiert
dargestellten Bereich 22 befinden. Da die Luftblasen nur spora
disch auftreten, ist eine sichere Erfassung infolge der exakten
Lokalisierungsmöglichkeit im Bereich 21 z. B. durch einen
optischen Sensor gewährleistet.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der induktiv arbeitenden
Suchspule zur Metallpartikelerfassung im Blockschaltbild.
Die Suchspule 34 besteht aus einem Spulenkern 23, um den eine
Wicklung 24 aus Lackdraht oder Hochfrequenzlitze gelegt wird.
Die so gebildete Spule bildet zusammen mit einem Kondensator 25
einen LC-Schwingkreis. Dieser LC-Schwingkreis wird über eine
Koppelwindung 26 induktiv von einem Oszillator 27 erregt und
schwingt in Eigenfrequenz. Der anregende Oszillator 27 wird in
seiner Amplitude (Signal 28) über eine einem Gleichrichter
nachgeschaltete Regeleinheit 29 stabilisiert.
Metallische Partikel 13, die durch die aktive Zone 31 des LC-
Schwingkreises gefördert werden, entziehen dieser Spule Energie
aufgrund der Wirbelstromverluste an der Oberfläche. Dieser
Energieentzug der Spule führt zu einer Verringerung der Schwin
gungsamplitude. Schaltungsbedingt wird über den Regelverstärker
29 über die Regelleitung 30 der Oszillator 27 nachgeregelt.
Gleichzeitig wird die Regelgröße 30 auf einen Impulsverstärker
32 geführt. Eine Abweichung der Regelgröße in bestimmter Höhe
wird vom Impulsverstärker 32 als Metallteil erkannt und z. B. an
eine nachgeschaltete Logik 33 weitergegeben. Die Regelgröße 30,
d. h. das vom Regelverstärker 29 bei Metalldetektion gelieferte
Ausgangssignal, ist proportional zum Energieverlust in der Spule
34.
Metallische Partikel mit großer Oberfläche entziehen dem Spulen
system 34 aufgrund der höheren Wirbelstromverluste mehr Energie,
so daß die Regelgröße 30 einen höheren Betrag annimmt. Kleinere
Teilchen entziehen dem Spulensystem 34 weniger Energie, so daß
die Regelgröße 30 des amplitudengeregelten Oszillators 27
geringer ausfällt.
Die Regelgröße 30 ist damit den durch ein Teilchen hervorgerufe
nen Wirbelstromverlusten und damit der Teilchengröße direkt
proportional. Der Wert der Regelgröße kann als analoges Signal
in einer elektronischen Schaltung 39 ausgewertet und dem jewei
ligen Durchmesser z. B. mit Hilfe eines Impulshöhenanalysators
zugeordnet werden.
Es ist bekannt, daß Teilchen aus unterschiedlichen Materialien
unterschiedliche Wirbelstromverluste bei gleicher Größe hervor
rufen. Stahlteilchen weisen dabei die höchsten Wirbelstromverlu
ste, Kupferteilchen die geringsten Wirbelstromverluste auf.
Fig. 5 zeigt den Aufbau einer derartigen Metallsuchspule im
Inneren des Sensorkopfes.
Im Inneren des druckfesten Gehäuses 40 befindet sich ein Spulen
körper 23 aus elektrisch nicht leitfähigem Material, wie z. B.
Kunststoff, Glas oder Keramik. Auf diesem Spulenkörper 23
befindet sich konzentrisch angeordnet die mit Hochfrequenz
arbeitende, induktive Spule 24, die zusammen mit dem Kondensator
25 einen LC-Schwingkreis bildet. Die Ankoppelung der Spule 24
an die Regelelektronik 27 und 29 erfolgt mit Hilfe der Ankoppel
spule 26.
Das gesamte Spulensystem befindet sich im Inneren eines Ferrit
ringes 41, der entweder ein geschlossener Ring oder aus einzel
nen Segmenten zusammengesetzt ist. Dieser Ferritring 41 dient
dazu, das im Inneren der induktiven Spule herrschende elektro
magnetische Wechselfeld 31 zu konzentrieren und eine Streuwir
kung nach außen zu verhindern.
Die elektrische Verbindung 42 zwischen der im unter Druck
stehenden System liegenden Spule und der drucklosen Umgebung
erfolgt z. B. über eine Glasdurchführung, bei der einzelne
Anschlußdrähte 44 durch Glaseinschmelzungen 45 isoliert in einem
metallischen Gehäuse 43 untergebracht sind. Derartige Glasdurch
führungen sind bekannt.
Der den Schwingkreis bestimmende Kondensator 25 befindet sich im
drucklosen Bereich außerhalb des Sensors und wird möglichst nahe
an der Durchführung 43 befestigt.
In der Praxis können beim Einsatz in unter Druck stehenden
Leitungssystemen bei nicht optimiertem Aufbau des Sensorkopfes
Störungen bzw. Störimpulse auftreten, die dem Betreiber das
Vorhandensein von Partikeln suggerieren. Dies tritt insbesondere
beim Einfluß von hohen Drücken P1 bzw. Druckspitzen im Inneren
46 des Sensorkopfes auf. Die Ursache für diese Störungen ist die
bei "geschlossenem" Spuleneinbau normalerweise zwischen dem
Inneren der Sensorspule 46 und ihrer Rückseite 47 auftretende
Druckdifferenz P = P1-P2. Diese Druckdifferenz bewirkt bei
einem elastischen Spulenkörper 23 z. B. aus Kunststoff aufgrund
der druckabhängigen Kräfte auf den Spulenkörper eine radiale
Dehnung und damit eine geringfügige Streckung oder Verlängerung
der Hochfrequenzlitze der Spule 24, was eine Veränderung der
Güte des LC-Schwingkreises zur Folge hat. Diese Güteveränderung
wird von der Elektronik 27, 29 als "Teilchen" ausgewertet. Bei
einem starren Spulenkörper 23, der z. B. aus Glas gefertigt ist,
besteht bei niedrigen Wandstärken Bruchgefahr oder es muß aus
Festigkeitsgründen bei hohen Drücken eine relativ dicke Wand
stärke gewählt werden, was eine wesentliche Reduzierung der
Empfindlichkeit zur Folge hat.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Metallsuchspule handelt
es sich um ein "druckausgeglichenes" System. Dabei wird der Raum
zwischen dem Spulenkörper 23, der Spule 24, 26, dem Ferritring
41 und dem äußeren, abschließenden Gehäuse 40 durch eine elasti
sche Masse 49, z. B. ein Silikongel, ausgefüllt. Der Spulenkör
per 23 weist mehrere Öffnungen 48 auf, die vor und/oder hinter
der Spule 24, 26 angebracht sind. Bei einer Belastung durch den
im Inneren des Systems herrschenden Druck P1 pflanzt sich dieser
wegen der Elastizität der Vergußmasse 49 durch die Verbindungs
öffnungen 48 auf die Rückseite 47 des Spulensystems fort, so daß
es sich um ein druckausgeglichenes System handelt, bei dem P1 =
P2 ist und dadurch nahezu keine Differenzdrücke auftreten.
Durch den Druckausgleich vor und hinter dem Spulensystem werden
druck- oder druckstoßbedingte Verformungen des Spulensystems 23,
24, 26 ausgeglichen. Auf diese Art und Weise werden sämtliche
Fehlermöglichkeiten, die durch statischen oder Wechseldruck
auftreten können, eliminiert.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung zur Erhöhung der
Empfindlichkeit der induktiven Suchspule bzw. zur Vereinfachung
der Partikelgrößenunterscheidung.
Die Feldverteilung im Inneren der induktiven Ringspule 34 ist
nicht über den gesamten Querschnitt konstant. Bei einer kreis
förmigen Spule entsprechend Fig. 6a ergibt sich der in Fig. 6b
dargestellte Empfindlichkeitsverlauf. Die Empfindlichkeit E im
Mittelpunkt M des Spulensystems ist dabei am geringsten, die
Empfindlichkeit am äußersten Rand R der Spule ist am höchsten.
Ein und dasselbe Teilchen 49 ruft in der Mitte 50 der Spule 34
einen geringeren Wirbelstromverlust und damit eine geringere
Regelgröße 30, am Rande 51 der Spule die höchste Regelgrößenän
derung 30 hervor.
Entsprechend der Erfindung wird dafür gesorgt, daß sich metalli
sche Partikel immer in einem definierten Bereich 48 (schraffiert
gezeichnet) der Spule befinden. Damit kann aufgrund der Regel
größenänderung 30 auf die Größe des Teilchens 49 geschlossen
werden.
Es ist damit möglich, über eine analoge oder digitale Weiterver
arbeitung des Regelgrößensignals 30 z. B. durch einen einfachen
Impulshöhenanalysator 60, eine Partikelklassifizierung durchzu
führen.
Erfindungsgemäß wird die Regelgrößenänderung 30 zur Erfassung
der Teilchengröße verwendet.
Für die Teilchenerkennung bedeutet dies, daß das sogenannte
"Grenzteilchen", also das Metallteilchen 49, das gerade noch vom
Spulensystem erkannt wird, am Rand (schraffierter Bereich 48 in
Fig. 6a) wesentlich kleiner sein kann, als in der Mitte 50 der
Spule.
Zur Erkennung möglichst kleiner Metallpartikel 49 in der Flüs
sigkeit werden die Metallpartikel erfindungsgemäß durch strö
mungstechnische Maßnahmen wie der oben beschriebenen Drallein
richtung 12 Strömungskräften ausgesetzt, so daß sie ganz gezielt
aus der normalen Strömungsrichtung zum äußeren Spulenrand 51 hin
beschleunigt bzw. bewegt werden und dadurch immer möglichst nahe
an der Spule (d. h. im schraffierten Bereich 48 entsprechend
Fig. 6a) vorbeigefördert werden.
Des weiteren ist für die Unterscheidung der Partikelgrößen
wesentlich, daß alle Teilchen stets einen Bereich möglichst
gleicher Empfindlichkeit 48 durchlaufen, wobei sinnvollerweise
ebenfalls der Bereich mit der höchsten Empfindlichkeit genutzt
wird.
Erfindungsgemäß erfolgt diese Drallerzeugung durch einen im
Einlaufbereich des Sensorkopfes eingebauten Strömungskörper 12.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines solchen Strö
mungskörpers.
Erfindungsgemäß wird zur Ablenkung der spezifisch schwereren
Metallteile 52 zur Spulenwand 51 die in Fig. 3 bereits angedeu
tete Einrichtung zur Erzeugung einer Drallströmung, ein soge
nannter Drallkörper 53, verwendet. Der Drallkörper 53 wird
bevorzugt durch mehrere, unter einem bestimmten Winkel schräg
zur Strömungsrichtung bzw. schräg zur Rohrlängsachse angeordnete
Schaufeln 54 ausgebildet, die in einem bestimmten Abstand S von
der Spule 34 entfernt am Umfang des Spulenkörpers 51 bzw. des
Einlaufrohres oder der Gehäusebohrung im Sensor befestigt sind.
Beim Durchströmen dieses Drallkörpers 53 wird die Flüssigkeit in
eine in der Fig. 7 durch einen Stromfaden 55 skizzierte Drall
strömung 35 versetzt, so daß die Partikel durch Stömungs- und
Beschleunigungskräfte zum Rand 51 hin und damit in die Zone
höchster Empfindlichkeit der Spule gefördert werden.
Der Drallkörper kann in verschiedenen Ausführungsformen ausge
führt werden. Vorteilhaft sind dabei Lösungen, die einen mög
lichst geringen Strömungswiderstand aufweisen und dazu z. B.
ausschließlich Schaufeln 54, am äußeren Rand der Gehäusebohrung
aufweisen, die jedoch so tief in das Rohr hineinragen, daß der
Strömung über den gesamte Rohrquerschnitt ein Drall aufgeprägt
wird.
Der optimale Abstand des Drallkörpers von der Metallsuchspule
wird zweckmäßigerweise nach der mittleren Durchflußgeschwindig
keit des Schmierstoffes ausgelegt.
Eine weitere Ausbildung einer solchen Einrichtung zeigt Fig. 8.
Erfindungsgemäß wird dabei die Strömung tangential zum Spulen
körper 11 in den Sensor geleitet. Durch dieses tangentiale
Einströmen ähnlich wie bei einem Zyklon wird die Flüssigkeit
ebenfalls in eine Drallströmung versetzt. Die Partikel werden
durch die bereits oben beschriebenen Kräfte zum Rand des Spulen
körpers hin beschleunigt. Es erfolgt ebenfalls eine Entmischung
der spezifisch schwereren Metall- und Wasserteilchen und der
spezifisch leichteren Luftbläschen.
Fig. 9 zeigt eine weitere Lösung zur Steigerung der Empfindlich
keit des induktiven Sensors gegenüber metallischen Partikeln.
Physikalisch bedingt ist die Empfindlichkeit eines induktiven
Sensors abhängig vom freien Durchmesser der Suchspule. Man kann
üblicherweise davon ausgehen, daß das kleinste zu erfassende
Metallteilchen etwa 1% vom freien Durchmesser der Suchspule
beträgt.
Um insbesondere bei großen Leitungsquerschnitten eine ausrei
chend hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Metallteilchen zu
haben, wird erfindungsgemäß der große Durchmesser der Suchspule
auf mehrere Suchspulen 11a, b, c mit möglichst kleinem Durchmesser
aufgeteilt. Dies hat auch sehr geringe Druckverluste zur Folge.
Um die Druckverluste beim Einlauf in das Spulensystem noch
weiter zu verringern, wird ein strömungsgünstig aufgebautes
Vorsatzstück 101 eingebaut.
Diese n Sensoren werden entsprechend Fig. 9 parallel angeordnet.
In jedem Sensorrohr 102 kann sich ebenfalls ein Drallkörper 12
befinden. Die n Sensorspulen können aus n einzelnen Spulen mit
n zugeordneten Oszillatoren und Regelverstärkern aufgebaut
werden, wobei jede einzelne Sensorspule mit einer anderen
Frequenz schwingen muß, um eine gegenseitige Beeinflussung der
Spulen zu vermeiden. Die Frequenzbeeinflussung ist durch Varia
tion der Zahl der Windungen der HF-Litze oder des Kondensators
möglich.
Eine andere Lösung ist der Aufbau aus einem Spulensystem mit
einem einzigen Oszillator und Regelverstärker. Dazu werden alle
Spulen mit einer einzigen HF-Litzenwicklung gewickelt. Es ist
ebenfalls nur eine einzige Ankoppelwindung erforderlich, die um
alle Einzelspulen gelegt ist. Dieser Aufbau hat eine wesentliche
Vereinfachung zur Folge.
Der zur Feldkonzentration erforderliche Ferritring wird dabei z. B.
als ein einzelner Ring 103 um alle Sensorspulen gelegt, oder
es wird jede einzelne Spule mit einem entsprechenden Ferritring
versehen.
Die Druckfestigkeit dieses Sensorsystems wird ebenfalls über
einen auf der Rückseite der Sensoren angebrachten elastischen
Verguß erreicht.
Fig. 10 zeigt das schematisierte Blockschaltbild einer mögli
chen, vorzugsweise digitalen Signal-Weiterverarbeitung zur
Auswertung der Impulshöhen und damit zur Bestimmung der Größe
von metallischen Teilchen.
Die Regelspannung 30 wird auf einen elektronischen Schaltbau
stein 60 gegeben. Dieser Baustein ist vorzugsweise ein Analog-
Digitalwandler, der das analoge Eingangssignal 30 in ein digi
tales Ausgangssignal 61 wandelt. Mit Hilfe einer digitalen
Auswerteschaltung 62, die vorzugsweise von einem Mikroprozessor
63 kontrolliert wird, ist es möglich, die in digitale Signale
gewandelten Regelspannungen 30 aufgrund ihrer Impulshöhen
einzelnen Speicherbereichen 64, 65 usw. zuzuordnen. Die Klassen
grenzen der einzelnen Speicherbereiche können über eine Eingabe
möglichkeit 66 individuell eingestellt werden.
Zusätzlich ist es möglich, über eine Eingabe 66 den einzelnen
Speicherbereichen 64, 65 bestimmte maximale Speicherinhalte
vorzugeben. Nach Erreichen einer bestimmten Summe von Teilchen
innerhalb der einzelnen Klassen bzw. Speicherbereiche ist es
möglich, einen Alarm 67, 68 zu geben.
Darüber hinaus ist es möglich, z. B. über eine Digitalanzeige 60
die aktuellen Speicherinhalte 64, 65 oder die Gesamtsumme der
Speicherinhalte 64+65 und damit die Anzahl der Partikel
insgesamt auszugeben oder graphisch darzustellen.
Für bestimmte Anwendungen kann es sinnvoll sein, wenn zusätzlich
ein zeitbestimmendes Element 70 verwendet wird. Dadurch wird
eine Alarmgabe in Abhängigkeit des Partikelaufkommens von der
Zeit möglich. Die Schaltung wird dann über das Programm, das in
einem Baustein 71 abgelegt ist, so beeinflußt, daß ein Alarm 67,
68 erst dann gegeben wird, wenn innerhalb einer definierten,
einstellbaren Zeit T eine bestimmte Teilchensumme in den einzel
nen Klassen erreicht wird. Bleibt die Teilchensumme pro Zeit
unterhalb einer kritischen, vorgegebenen Schwelle, wird kein
Alarm gegeben. Zufällige, für den Ausfall eines Maschinenelemen
tes nicht relevante einzelne Partikel führen somit nicht zu
einem Alarm. Damit wird die Betriebssicherheit des Überwachungs
systems und die Möglichkeit von Fehlalarmen reduziert.
Fig. 11 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung
zur Erkennung von im Schmierstoff enthaltenem Wasser.
Zur Wassererkennung wird ausgenutzt, daß sich die spezifischen
Gewichte der meisten Schmierstoffe (meist ca. 0,9 kg/l) vom
spezifischen Gewicht von Wasser (1 kg/l) unterscheiden. Beim
Durchströmen des Schmierstoffes durch den Drallkörper im Sensor
kopf erfolgt also auch eine teilweise Entmischung des Wassers
aus dem Schmierstoff.
Des weiteren wird ausgenutzt, daß sich die Leitfähigkeiten von
Wasser und Schmierstoff (z. B. Mineralöl) voneinander unter
scheiden. Eine Wassererkennung im Schmierstoff-Kreislauf läßt
sich somit z. B. mit Hilfe einer Leitfähigkeitsmessung durchfüh
ren. Dazu werden zwei Sensoren 80 und 81 zur Leitfähigkeitsmes
sung in den Sensorkopf eingebracht und dort vom Schmierstoff
umspült.
Der erste Leitfähigkeits-Sensor 80 wird vor dem Drallkörper 12
am Rande des Einlaufs in den Sensorkopf eingebaut und vom
Schmierstoff umspült. Die Leitfähigkeit wird über die Auswerte
elektronik S1 82 des Sensors 80 bestimmt.
Stromabwärts befindet sich im Sensorkopf die drallerzeugende
Vorrichtung 12, durch die der Schmierstoff und das Wasser durch
die oben beschriebenen Vorgänge entmischt werden.
Am Ende dieser "Entmischungsstrecke" 55 befindet sich der zweite
Leitfähigkeitssensor 81 am Rande der durch den Sensorkopf
führenden Bohrung, der ebenfalls von der Flüssigkeit umspült
wird. Die Leitfähigkeit wird über die Auswerteelektronik S2 83
des Sensors 81 bestimmt.
Wenn der Schmierstoff keine Wassertröpfchen enthält, findet
keine Entmischung statt. Es messen beide Sensoren 80 und 81 die
gleiche Leitfähigkeit und haben damit den gleichen elektrischen
Ausgang, so daß am Ausgang z. B. eines Differentialverstärkers
84 kein Signal vorliegt.
Vollständig im Schmierstoff gelöste Additive, Fremdstoffe oder
chemische Veränderungen des Schmierstoffes z. B. durch die
Alterung des Schmierstoffes oder andere Einflüsse können zu
einer chemischen Veränderung und damit u. U. zu einer Leitfähig
keitsveränderung des Schmierstoffes gegenüber den ursprünglichen
Werten führen. Eine derartige Veränderung der Leitfähigkeit
würde beim Einsatz nur eines einzelnen Sensors 80 oder 81 ein
Signal "Wasser vorhanden" und damit einen Fehlalarm bewirken.
Die Erfindung nutzt aus, daß vollständig gelöste Stoffe zwar
eine Veränderung der Leitfähigkeit bewirken, aber nicht zu einer
Entmischung oder Konzentrationsänderung durch die drallerzeugen
de Vorrichtung 12 führen. Unterschiede der zwischen den durch
die beiden Sensoren 80 oder 81 gemessenen Leitfähigkeiten treten
also nicht auf.
Ist der Schmierstoff dagegen durch Wasser verunreinigt, tritt
durch die hohe Beschleunigung durch den Drallkörper 42 im
Sensorkopf eine teilweise Entmischung zwischen Schmierstoff und
Wasser auf. Die Konzentration des Wassers ist dann nicht mehr
über den Querschnitt der Rohrleitung nahezu konstant, sondern es
tritt eine Erhöhung der Wasserkonzentration am Rand 31 auf. Dies
ist durch die unterschiedlichen spezifischen Gewichte von
Schmierstoff und Wasser bedingt. Infolge der Entmischung ist die
Wasserkonzentration im entsprechend Fig. 3a schraffierten Gebiet
20 am Rand 16 der Bohrung des Sensorkopfes größer als in der
Mitte, so daß ein Leitfähigkeitsunterschied zwischen Sensor 80
und Sensor 81 über den Differenzverstärker 81 gemessen werden
kann.
Durch diesen Leitfähigkeitsunterschied ist ein eindeutiger
Nachweis von Wasser im Schmierstoff möglich.
Fig. 12 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung zur Erfassung von
Luftblasen durch eine Streulichtmessung.
Das Vorhandensein von Luftblasen 81 ist ein wichtiger Indikator
für einen Fehler in einer fluidtechnischen Anlage. So geben
plötzlich auftretende Bläschen dem Betreiber einen Hinweis
darauf, daß Leckagen aufgetreten sind oder daß sich bestimmte
Betriebsparameter der Anlage in unerwünschte Richtung verändert
haben und daraus folgend eine Funktionsbeeinträchtigung droht.
Für den Betreiber einer hydraulischen oder schmierungstechni
schen Anlage ist es besonders wichtig, das Vorhandensein von
Luftbläschen im Flüssigkeitskreislauf zu erfassen.
Zur Luftblasenerkennung wird z. B. ein optisches Sensorsystem 90
verwendet, das das bei Bestrahlung eines Luftbläschens auftre
tende Streulicht 91 erfaßt. Derartige Streulichtmeßgeräte sind
bekannt. Sie werden in der Technik zum Erfassen von Teilchen
größen, Trübungsmessungen usw. eingesetzt.
Das Sensorsystem wird im Sensorkopf an der schraffierten Stelle
21 eingebaut und senkrecht oder in bestimmtem Winkel zur Längs
achse der Bohrung durch das Gehäuse angeordnet.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Erfasssen von in einem durch ein Rohrlei
tungssystem transportierten Fluid befindliche metalli
sche oder in Form von Luftbläschen oder Wassertröpfchen
vorliegende Partikel mit vom Fluid unterschiedlichem
spezifischem Gewicht, wobei die Teilchen durch einen
Sensorkopf erkannt und elektronisch erfaßt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die durch den Sensorkopf strömende Flüssigkeit in
eine Drallströmung versetzt wird, so daß aufgrund der auf
die Partikel einwirkenden Kräfte und Beschleunigungen und
der unterschiedlichen spezifischen Gewichte die Partikel
gezielt in zur Erfassung und zur größenmäßigen Vermessung
dieser Verunreinigungen geeignete Zonen im Inneren des
Meßkopfes geschleudert werden, die sich zur Erfassung der
spezifisch schwereren Teilchen durch geeignete Meßverfah
ren bevorzugt am äußeren Rand, zur Erfassung der spezi
fisch leichteren Teilchen in der Mitte des Durchganges
durch den Sensorkopf befinden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Sensor für metallische Partikel eine an sich bekannte
induktiv arbeitende Spule vorgesehen ist, welche die
Drallströmung im Bereich der maximalen Entmischung umgibt
und die in diesem Bereich die höchste Empfindlichkeit
aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
induktive Suchspule als geregelter Oszillator aufgebaut
ist, bei dem das Regelsignal einen der Partikelgröße
proportionalen Betrag annimmt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das
analoge Regelsignal über eine Auswerteschaltung in
verschiedene, individuell einstellbare Größenklassen
einstellbar ist und die einzelnen Signale in den Klassen
separat aufsummiert werden.
5. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
induktive Spule so in ein druckfestes Gehäuse eingebaut
ist, daß sich zwischen Spule und Gehäuse ein verformba
res Material befindet, das eine Übertragung des Rohrlei
tungsdruckes bis hinter die Spule bewirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erkennen von im Fluid
befindlichen Wassertröpfchen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
zur Detektion der Wasserkonzentration geigneter Sensor
vor dem Drallkörper die Wasserkonzentration im nicht
entmischten Fluid mißt und ein zweiter Sensor die
Wasserkonzentration nach Durchlaufen des Drallkörpers
und nach Entmischung des Fluids mißt, so daß aufgrund
der Unterschiede zwischen den Ausgangssignalen der beiden
Sensoren eine Messung auch kleiner Wasserkonzentrationen
im Fluid möglich ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erkennen von im Fluid
befindlichen Luftbläschen,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Sensor für Luftbläschen ein an sich bekannter optischer
Sensor verwendet wird, der diese nach Entmischung des
Schmierstoffes durch den Drallkörper und daraus folgender
Konzentration der Luftblasen in der Mitte des Fluidstroms
detektiert.
8. Einrichtung zur Luftblasenerkennung in Fluiden nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensorkopf ein an sich bekanntes, auf dem
Streulicht- oder Reflexlichtprinzip passierendes Detek
torsystem aufweist, das auf das Zentrum des Fluidstroms
fokussiert ist.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, gekennzeichnet durch die gemeinsame
Anwendung der Merkmale der Ansprüche 2 bis 8.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893931497 DE3931497A1 (de) | 1989-09-21 | 1989-09-21 | Vorrichtung zum erfassen von verschmutzungen in fluiden, insbesondere schmierstoffen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893931497 DE3931497A1 (de) | 1989-09-21 | 1989-09-21 | Vorrichtung zum erfassen von verschmutzungen in fluiden, insbesondere schmierstoffen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3931497A1 true DE3931497A1 (de) | 1991-04-18 |
Family
ID=6389878
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893931497 Withdrawn DE3931497A1 (de) | 1989-09-21 | 1989-09-21 | Vorrichtung zum erfassen von verschmutzungen in fluiden, insbesondere schmierstoffen |
Country Status (1)
Country | Link |
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