DE4110231A1 - Messeinrichtung zum bestimmen des schmutzpartikelanteils von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bekannte Meßeinrichtungen der genannten Art sind teils sehr kompliziert aufgebaut und ermöglichen vielfach keine ständige, sondern nur eine stichprobenartige Messung durch Auswerten definierter Probevolumina. Auch haben die Einrichtungen teils baumäßig bedingte, größere strömungsmäßige Totvolumina, die zu einem verzögerten Ansprechverhalten führen. Ferner können zum Teil nur solche Flüssigkeiten untersucht werden, die in einem zu überprüfenden System einen bestimmten Mindestdurchfluß aufweisen. Zuweilen sind für Meßvorgänge auch spezielle Einbauadapter erforderlich, beispielsweise solche mit zwei separaten Anschlußstellen zum Erzeugen eines Differenzdrucks. Und schließlich führen strö­ mungsmäßige Schwankungen häufig zu erheblichen Meßfehlern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der genannten Art mit einfachen Maßnahmen so auszubilden, daß eine sehr genaue laufende Meßüberwachung des Verschmutzungsgrades möglich ist, deren Genauigkeit auch durch begrenzte strömungsmäßige Schwankungen nicht beeinträchtigt wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Meßeinrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus.

Demnach werden von der die Strömungsleitung durchfließenden Flüs­ sigkeit laufend auch deren Durchflußmeßwerte ermittelt, die zusammen mit den Partikelmeßwerten des Schmutzpartikel-Zählgerätes im Rechner ausgewertet werden. Das ermöglicht eine ständige genaue Bestimmung und damit Überprüfung des volumenbezogenen Schmutzpartikelanteils, indem Schwankungen der Durchflußmeßwerte als Korrekturgrößen di­ rekt in die Messung einbezogen werden. Veränderungen des Ver­ schmutzungsgrades können praktisch sofort und genau erfaßt werden. Da der Flüssigkeitsstrom in der Strömungsleitung auf beliebige Weise erzeugt werden kann, muß in dem zu überwachenden System kein Flüssigkeitsdurchfluß vorliegen. Außerdem kann auf komplizierte Anschlußadapter verzichtet werden, weil grundsätzlich jede beliebige Flüssigkeitsabzapfstelle, wie ein einfacher Meßanschluß, zum An­ schließen der Meßeinrichtung geeignet ist. Da die Meßeinrichtung von der Flüssigkeit ständig durchströmt wird und keine Mittel, wie Kolben-Zylinder-Einheiten, zum Bewegen definierter Flüssigkeitsvolu­ mina erforderlich sind, kann das gesamte Totvolumen der Meßeinrich­ tung minimal gehalten werden, was das zeitliche Ansprechverhalten beschleunigt und Reinigungsvorgänge vereinfacht. Außerdem ergibt sich dadurch ein raumsparender, kostengünstiger Gesamtaufbau.

Die bevorzugte Ausgestaltung von Patentanspruch 2 ist insoweit günstig, als jede Änderung der Durchflußmeßwerte sofort bei der Kor­ rektur des Verschmutzungsgrades bedarfs- und zeitgerecht berück­ sichtigt wird. Grundsätzlich wäre aber auch eine Anordnung des Durchflußmeßgerätes stromab des Zählgerätes möglich.

Die weitere Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 stellt sicher, daß die durch einfachen Überdruck bzw. durch Druckgefälle (Druckdif­ ferenz) abzuziehende Flüssigkeit bei Druckabfall im System nicht aus der Strömungsleitung in das System zurückströmen kann. Es kann also keine Strömungsumkehrung erfolgen, und der Druck in der Meßeinrichtung kann sich nur in der beabsichtigten Strömungsrich­ tung abbauen.

Im Zusammenhang mit den Merkmalen von Patentanspruch 3 sind die Merkmale von Patentanspruch 4 besonders bevorzugt, weil hierdurch auch auch bei kurzzeitigem Druckabfall im zu überwachenden System ein ununterbrochener Meßbetrieb aufrechterhalten werden kann. Der bei Normalbetrieb aufgeladene Druckspeicher wird während der Versorgungslücken mehr oder weniger schnell und weit entladen. Ferner sorgt der Druckspeicher bei geöffnetem Rückschlagventil für eine Pufferung bzw. Glättung von sich in der Strömungsleitung auswirkenden Druckschwankungen des zu überwachenden Systems.

Die bevorzugte weitere Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 er­ möglicht einerseits ein Zu- sowie Abschalten des Druckspeichers und andererseits ein variables sowie an die jeweiligen Betriebsverhältnis­ se anpaßbares Auf- sowie Entladen des Druckspeichers.

Die bevorzugte Ausführungsform gemäß Patentanspruch 6 stellt sicher, daß der Flüssigkeitsdurchfluß auf einfache und sichere Weise in einem für das Schmutzpartikel-Zählgerät betriebsgünstigen oder erfor­ derlichen Bereich gehalten werden kann. Es sind jedoch an diesen Durchflußregler keine überhöhten Genauigkeitserfordernisse zu stellen, weil kleinere Durchflußschwankungen ohnehin vom Durchflußmeßgerät zeitsynchron erfaßt und dann im Rechner korrigierend berücksichtigt werden. Der Durchflußregler ist vor allem in Verbindung mit den Merkmalen der Patentansprüche 3 bis 4 bevorzugt.

Die zweckmäßige Weiterbildung gemäß Patentanspruch 7 minimiert das strömungsmäßige Totvolumen der Meßeinrichtung und somit deren Ansprechzeit.

Die Ausgestaltung von Patentanspruch 8 ermöglicht eine einfache Anpassung an die jeweilige Betriebserfordernisse. Mit dem Rück­ schlagventil kann die Meßeinrichtung an die zu erwartenden Betriebs­ drücke des zu überwachenden Systems angepaßt werden. Mit dem Drosselventil, beispielsweise in Form eines einstellbaren Nadelventils, kann das Zeitverhalten des Druckspeichers beim Auf- und Entladen angepaßt werden. Mit dem Durchflußregler ist eine Anpassung des tatsächlichen Durchflusses an das jeweils benutzte und in der Regel für einen bestimmten Durchfluß geeichte Schmutzpartikel-Zählgerät, bzw. dessen Sensor, möglich. Stärkere Abweichungen von dem so vorgegebenen Durchflußsollwert würden das Meßergebnis verfälschen, da dann einzelne Schmutzpartikel nicht, doppelt, zu klein oder zu groß gemessen würden. Außerdem ermöglicht eine Einstellbarkeit des Durchflußreglers auch eine drastische Vergrößerung des Durchflusses, wie ein vollständiges Öffnen des Durchflußreglers, zum Zwecke der schnellen durchspülenden Reinigung der Meßeinrichtung.

Die Ausführungsform von Patentanspruch 9 eignet sich vor allem immer dann, wenn kein Druckgefälle zum Abziehen der Flüssigkeit vorhanden ist. Das trifft beispielsweise dann zu, wenn eine sich in einem Tank befindliche oder drucklos strömende Flüssigkeit zu überprüfen ist. Die Flüssigkeit kann dann direkt zum Durchflußmeß­ gerät gepumpt werden, wenn sich dieses stromauf des Schmutz­ partikel-Zählgerätes befindet.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Meßeinrichtung in einer schematischen Prinzipdarstellung,

Fig. 2 eine geringfügig modifizierte zweite Ausführungsform der Meßeinrichtung in einer schematischen Prinzipdarstel­ lung und

Fig. 3 zeitlich veränderliche Druckverläufe zum Aufzeigen von Betriebsfunktionen.

Die Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 unterscheiden sich nur durch die in Fig. 2 enthaltenen zusätzlichen Glieder 46, 48, 50 und 52. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich somit auf beide Va­ rianten.

An ein unter Überdruck stehendes Hydrauliksystem, z. B. eine flüssig­ keitsdurchströmte Leitung 10, ist eine Meßeinrichtung 18 nach der vorliegenden Erfindung über einen Hochdruckschlauch 12 anschließ­ bar, und zwar über einfache Meßanschlüsse 14, 16. Die Meßeinrich­ tung 18 weist eine von aus der Leitung 10 abgezogener Flüssigkeit durchflossene Strömungsleitung 20 auf, in der sich endseitig ein Sensor 22 mit hieran angeschlossenem Zähler 24 befindet. Diese Teile 22, 24 bilden ein Schmutzpartikel-Zählgerät.

Der Sensor 22 arbeitet nach dem Lichtabdunkelungsprinzip und ermög­ licht eine Einzelpartikelerfassung durch Lichtblockade. Er kann einen dynamischen Meßbereich von z. B. 2-200 µm haben. Im Sensor werden die einzelnen Schmutzpartikel nach Anzahl und Größe gemessen. Die hierbei erhaltenen Meßwerte werden dem Zähler 24 zugeleitet. Der Zähler 24 teilt die Schmutzpartikel in Größenklassen ein und addiert die Schmutzpartikel in den verschiedenen Größenklassen, so daß an seinem Ausgang entsprechende Partikelmeßwerte anstehen.

Die Partikelmeßwerte werden zusammen mit noch zu erläuternden Durchflußmeßwerten einem Rechner 26 eingegeben, dem im vorliegenden Fall ein Drucker 28 (und/oder ein Bildschirm o. dgl.) nachgeschaltet oder zugeordnet ist.

Unmittelbar stromauf vom Sensor 22 befindet sich in der Strömungs­ leitung 20 ein Durchflußmeßgerät 30, das z. B. als Zahnraddurchfluß­ messer ausgebildet sein kann und den momentanen Durchfluß der Flüssigkeit bestimmt. Die so erhaltenen Durchflußmeßwerte werden über eine Datenleitung 32 dem Rechner 26 zugeleitet.

Der Rechner 26 bestimmt nunmehr durch kombinierende Berücksich­ tigung der Partikelmeßwerte und der Durchflußmeßwerte den volumen­ bezogenen Schmutzpartikelanteil bzw. Verschmutzungsgrad der Flüs­ sigkeit. Da der Sensor normalerweise bei einem definierten Durchfluß geeicht ist (z. B. 50 ml/min), der in der Meßeinrichtung dann auch mehr oder weniger genau eingestellt werden sollte, dienen die Durchflußmeßwerte praktisch als Korrekturgrößen zum korrigierenden Berücksichtigen von in der Strömungsleitung auftretenden kleineren Druck- und damit Durchflußschwankungen. Auf diese Weise wird sehr einfach eine wesentliche Verbesserung des Meßergebnisses erzielt. Auch bei sehr kurzen Meßzeiten ergeben sich somit sehr genaue Meßdaten.

Außerdem können die Durchflußmeßwerte auch zum Ansteuern einer Digitalanzeige benutzt werden, um den Sollwert des Durchflusses in der Strömungsleitung 20 leicht einstellen zu können.

Der Rechner 26 dient auch als Steuereinheit für das Meßprogramm und den Zähler 24. Er kann einen Bildschirm zur Datenausgabe und eine Tastatur zum Eingeben von Meßparametern aufweisen. Über den Drucker 28 kann der Rechner 26 Meßprotokolle und Wertetabellen erstellen.

Stromab vom Sensor 22 mündet die Strömungsleitung 20 im vorliegen­ den Fall in einen Tank 34, der ein Volumen von z. B. etwa 10 Litern haben kann und die Flüssigkeit auffängt. Alternativ kann diese auch über einen Schlauch in einen Tank eines Hydrauliksystems zurück­ geleitet werden.

Stromauf des Durchflußmeßgerätes 30 befindet sich in der Strömungs­ leitung 20 ein Durchflußregler 36, mit dem der Durchfluß einstellbar ist, beispielsweise auf etwa 50 ml/min. Zwischen dem Durchflußregler 36 und dem Meßanschluß 16 der Meßeinrichtung 18 befindet sich in der Strömungsleitung 20 ein Rückschlagventil 38, das nur bei ausrei­ chendem Überdruck der abzuziehenden Flüssigkeit in der Leitung 10 in die Strömungsleitung 20 öffnet. Zwischen dem Rückschlagventil 38 und dem Durchflußregler 36 mündet in die Strömungsleitung 20 eine Stichleitung 40 mit einem Drosselventil 42, wie einem von Hand ver­ stellbaren Nadelventil, und einem Druckspeicher 44. Dieser sorgt bei ganz oder teilweise offenem Drosselventil 42 für eine Druckpufferung bzw. -glättung in der Strömungsleitung 20. Mit dem Öffnungsgrad des Drosselventils 42 kann die glättende Wirkung des Druckspeiches 44 dosiert werden.

Durch Schließen des Drosselventils 42 kann der Druckspeicher 44 ab­ geschaltet werden. Das ist dann möglich, wenn der Systemdruck in der Leitung 10 mit Sicherheit den Mindestdruck der Meßeinrichtung 18, beispielsweise 10 bar, übersteigt. Durch das Abschalten erfolgt eine Reduzierung des Tot- und Spülvolumens der Meßeinrichtung 18.

Druck- und/oder Geschwindigkeitsschwankungen im Hydrauliksystem bewirken meist stark schwankende Partikelzahlen. Zumindest bei Druckschwankungen führt der eingeschaltete Druckspeicher 44 zu einer Glättung der Partikelzahlen.

Der Druckspeicher 44 wird an sich nur bei kurzen Druckminima des Systemdrucks benötigt, um den erforderlichen Mindestdruck der Meß­ einrichtung 18 aufrechtzuerhalten.

Da der Druckspeicher 44 nach jeder Messung entleert wird, befindet sich in diesem und in der gesamten Meßeinrichtung 18 nach dem Spülen derselben nur noch die Flüssigkeit bzw. das Öl der aktuell auszumessenden Hydraulikanlage.

Die sehr kompakt aufbaubare Meßeinrichtung ist vorzugsweise mobil und auf Rollen gelagert. Sie kann gemäß Fig. 2 einige Zusatzop­ tionen aufweisen.

Hierzu gehört eine Pumpe 48 in einer Leitung 46, die die Flüssigkeit, z. B. Öl, aus einem nicht dargestellten Tank eines Hydrauliksystems direkt zum Einlaß des Durchflußmeßgerätes 30 pumpt. Die Pumpe garantiert konstante Werte des Durchflusses und des Drucks, so daß dann der Druckspeicher 44 und der Durchflußregler 36 überflüssig sind, also umgangen werden können. Dennoch ist diese Betriebsweise in Anlagen mit Druckkreisläufen nur als Notlösung anzusehen, weil der Verschmutzungsgrad im Tank nicht genau demjenigen im Druck­ kreislauf entspricht.

Ferner können an die Strömungsleitung 20, z. B. zwischen dem Rück­ schlagventil 38 und dem Durchflußregler 36, ein Druckmesser 50 und/oder ein Temperaturmesser 52 angeschlossen sein. Hierdurch las­ sen sich der Druck in der Meßeinrichtung 18, oder bei Anordnung stromauf des Rückschlagventils 38 der Druck in dem zu überwachen­ den System, und die Temperatur der Flüssigkeit in der Meßein­ richtung 18 bestimmen.

In dem mit der Meßeinrichtung 18 zu überwachenden System sollte bei abgeschaltetem Druckspeicher 44, also bei geschlossenem Drosselventil 42, der Mindestdruck etwa 10 bar betragen. Bei zugeschaltetem Druckspeicher 44, also bei zumindest teilweise geöffnetem Drossel­ ventil 42, sollte im System der durchschnittliche Mindestdruck etwa 10 bar betragen.

Fig. 3 zeigt in drei grafischen Darstellungen beispielhafte zeitliche Druckverläufe. In der oberen Grafik ist P1 der Druck in dem zu überwachenden System, also derjenige am Eingang des Rückschlag­ ventils 38. P₂ ist der Druck am Druckspeicher 44. Es zeigt sich) daß der Druckspeicher 44 etwa auf die Maximalwerte des Systemdrucks aufgeladen und bei Abfall des Systemdrucks allmählich entladen wird. In der mittleren Grafik ist die Differenz P₂-P₁ dargestellt, während die untere Grafik die umgekehrte Differenz P₁-P₂ darstellt. Die untere Grafik zeigt deutlich die Zeitbereiche, in denen der Druckspeicher durch den übersteigenden Systemdruck weiter bzw. wieder aufgeladen wird.

Als den Druck in der Meßeinrichtung puffernder bzw. glätten der Druckspeicher 44 kann z. B. ein Blasenspeicher mit einem Nennvolumen von 0,2 Litern und einem Nenndruck von 350 bar benutzt werden.

In diesem Fall ist eine ausschließliche Messung über den Druck­ speicher 44 nur während maximal etwa 3 Minuten möglich. Eine längere Messung über den Druckspeicher ist bei anderer Auslegung zwar grundsätzlich möglich, jedoch nicht immer erwünscht, weil dann Systemveränderungen nicht schnell genug erkannt werden können.

Bei den Meßvorgängen können die Zählzeit, die Pausenzeit und die Anzahl der Messungen variiert werden. Wenn mehrere Messungen bzw. Stichproben erfolgen, ist die Übereinstimmung von Verschmutzungsgrad der Probe und der Flüssigkeit bzw. des Öls im Hydrauliksystem gewährleistet. Die Zählzeit kann der Taktzeit einer Hydraulikanlage angepaßt werden. Es lassen sich auch Langzeitmessungen durch­ führen.

Claims (9)

1. Meßeinrichtung zum Bestimmen des volumenbezogenen Schmutzpar­ tikelanteils von Flüssigkeiten, insbesondere Hydraulikölen, bei der kontinuierlich Flüssigkeit in eine Strömungsleitung der Meßeinrichtung abziehbar und über diese einem Schmutzpartikel- Zählgerät zum Erzeugen von Partikelmeßwerten zuführbar ist, gekennzeichnet durch ein in der Strömungsleitung (20) angeordnetes, von der abgezo­ genen Flüssigkeit durchströmtes Durchflußmeßgerät (30) zum Erzeugen von Durchflußmeßwerten und durch einen die Partikel­ und Durchflußmeßwerte kombinierend verarbeitenden Rechner (26) zum Berechnen eines auf eine vorbestimmbare Volumen­ einheit bezogenen Verschmutzungsgrades.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußmeßgerät (30) direkt stromauf des Schmutzparti­ kel-Zählgerätes (22, 24) angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 für eine unter Über­ druck stehende und durch Druckgefälle in deren Strömungs­ leitung abziehbare Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strömungsleitung (20) einlaßseitig ein nur bei ausrei­ chendem Überdruck der abzuziehenden Flüssigkeit in die Strömungsleitung öffnendes Rückschlagventil (38) angeordnet ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen stromab des Rückschlagventils (38) und stromauf eines Durch­ flußreglers (36) an die Strömungsleitung (20) angeschlossenen Druckspeicher (44).

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (44) über ein Drosselventil (42) an die Strömungsleitung (20) angeschlossen ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch einen stromauf vom Durchflußmeßgerät (30) in der Strömungsleitung (20) angeordneten Durchflußregler (36).

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine totvolumenarme dichte Hintereinanderschaltung von Rückschlag­ ventil (38), Durchflußregler (36), Durchflußmeßgerät (30) und Schmutzpartikel-Zählgerät (22, 24).

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußregler (36) und/oder das Drosselventil (42) und oder das Rückschlagventil (38) einstellbar ausgebildet ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine die Flüssigkeit in die Strömungsleitung (20) zum Durchflußmeßgerät (30) abziehende Pumpe (48).