DE4341466C2 - Vorrichtung zur Erkennung einer gasgeförderten dünnen Flüssigkeitsschicht in einer transparenten Rohrleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung einer gasgeförderten dünnen Flüssigkeitsschicht in einer transpa­ renten Rohrleitung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus Technisches Messen tm, 54, 1987, Seiten 155 bis 160, bekannt.

Im Anwendungsgebiet von sehr schnell rotierenden Teilen be­ steht an Lagerstellen die Notwendigkeit einer permanenten Schmierstoffzufuhr, da die auftretenden Fliehkräfte zur schnellen Abgabe an die Umgebung führen. Um schädliche Emis­ sionen in die Umwelt kostengünstig zu reduzieren, ist es ge­ boten, die Schmierstoffzufuhr stabil auf den geringen unmittelbaren Verbrauch abzustimmen.

Bei Unterbrechung der Ölzufuhr treten Schädigungen der Lager ein, da die Restmenge des Schmiermittels rasch abnimmt.

Es ist allgemein bekannt, daß bei der umweltschonenden Öl/Luft-Schmierung durch spezielle Dosiervorrichtungen trop­ fenweise ein Schmiermittel im Abstand von einigen Sekunden in einen Schlauch gegeben wird. Die Flüssigkeit benetzt die innere Oberfläche. Ein starker Luftstrom verteilt das Öl auf einen längeren Abschnitt des Schlauches und fördert es unab­ hängig von der Wirkung der Schwerkraft zur Schmierstelle. Dabei werden an der Innenwandung des Schlauches sich langsam bewegende und dünnschichtige wellenförmige Strukturen gebil­ det.

Die Schichtdicke des Ölfilmes an der Innenwandung liegt in der Größenordnung einiger Hundertstel- bzw. Zehntelmillime­ ter, der übrige Innenraum wird vom fördernden Luftstrom aus­ gefüllt.

Als Ergebnis fließen nahezu kontinuierlich geringste Mengen des Schmiermittels über eine Öffnung am Ende des Transport­ schlauches an die Lagerstelle.

Eine zuverlässige Überwachung der Kontinuität des geringen Flüssigkeitsstromes ist somit im Interesse hoher Lebensdauer der Lagerstellen sowie eines kostengünstigen Umweltschutzes.

Die aus DE 28 18 264 A1 bekannte optische Vorrichtung, bestehend aus Lichtquelle, Beleuchtungseinrichtung, Lichtwandler und Auswerteeinrichtung nach dem Prinzip der Transmissionsgradüberwachung (Absorption) mit Lichtschranken aus gegenüberliegendem Sender und Empfänger ist zum Nachweis dieser fließenden Ölschicht ungeeignet, da

• - die leichten Schmiermittel einen Transmissionsgrad nahe 100% aufweisen,
• - die Schichtdicke extrem dünn ist und
• - die Lage der dünnen Flüssigkeitsschicht an der Innen­ wandung des Schlauches unbekannt ist.

Dies betrifft alle lichtschrankenähnlichen Vorrichtungen, welche mit gebündeltem Licht arbeiten und wo Sender und Emp­ fänger sich gegenüberstehen oder sich in ihrer Wirkung in örtlich begrenzten Teilen des Innenraumes kreuzen. So z. B. WO 91/16 618 A1 wo mechanisch umschließende Komponenten in einer Ebene vorliegen, die jedoch keine optisch umschließende Wirkung aufweisen. In WO 91/18 280 A1 erfolgt eine reine Transmissionsgradüberwachung in einer Ebene mit den o.g. Nachteilen.

Andere optische Vorrichtungen, welche das gebrochene bzw. gestreute Licht an optischen Grenzflächen bzw. Beimengungen auswerten, erfassen nur begrenzte Teile des Innenraumes der Rohrleitung, so daß eine lückenlose, zuverlässige und voll­ ständige Erfassung zudem optisch schwer unterscheidbarer Flüssigkeiten nicht möglich bzw. nicht in jedem Fall gesi­ chert ist.

In US 5 083 862 liegen Lichtquelle und Lichtempfänger in unterschiedlichen Ebenen, eine umschließende Wirkung und damit vollständige Überwachung liegt nicht vor. Gleiches gilt für DE 31 29 065 C1. Auch in der eingangs genannten Zeitschrift Technisches Messen tm, Jg 54, 1987, S. 155-160 erfolgt keine umschließende und vollständige Erfassung der Innenwandung einer Rohrleitung.

Die Vielzahl der bekannten mechanischen (z. B. DE 36 08 296 A1) und kalorimetrischen (z. B. DE 35 06 430 A1) Vorrichtungen scheiden für diese Anwendung aus, da eine zuverlässige Differenzierung des Transportmediums von der extrem geringen Flüssigkeitsschicht unmöglich ist.

Vorrichtungen zur Erkennung einer geringen gasgeförderten Flüssigkeitsmenge sind nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist, eine alterungsunempfindliche, kompakte und einfach nachrüstbare optische Vorrichtung zur Erkennung einer extrem dünnen, optisch schwer unter­ scheidbaren und auch gut lichtdurchlässigen Flüssigkeits­ schicht an beliebiger Stelle innerhalb einer transparenten Rohrleitung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Beleuchtungseinrichtung umschließt die transparente Rohrleitung in einer zur Längserstreckung der Rohrleitung senkrechten Ebene vollständig und beleuchtet homogen hin­ sichtlich Richtung und Betrag ortsgebunden die sich in der Rohrleitung befindliche Flüssigkeitsschicht. Durch sich ver­ ändernde Brechungsprozesse an den Grenzflächen zwischen dem fließenden Gas und der Flüssigkeitsschicht wird das Licht so abgelenkt, daß es auf einen vollständig die Rohrleitung um­ schließenden in einer der Lichtquelle angrenzenden und zur Längserstreckung der Rohrleitung senkrechten Ebene be­ findlichen und homogen hinsichtlich Betrag und Richtung wirkenden optoelektrischen Lichtwandler trifft. Durch Ver­ gleich mit vorgegebenen Grenzwerten wird in einer Auswer­ teeinheit eine Ergebnisinformation gebildet, welche das Vorhandensein einer von einem Gasstrom geförderten fließenden Flüssigkeitsschicht signalisiert. Weitere Einzelheiten sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung der Vorrichtung im Schnitt

Fig. 2a auszugsweise Lichtverteilung ohne Flüssigkeitsschicht

Fig. 2b auszugsweise Lichtverteilung mit Flüssigkeitsschicht und Bildung von in Fließrichtung wandernden Bereichen erhöhter Beleuchtungsstärke durch Lichtbrechung an einer Flüssigkeits/ Gas-Grenzfläche außerhalb des Wirkungsbereiches des Lichtwandlers.

Fig. 2c auszugsweise Lichtverteilung mit Flüssigkeitsschicht und Bildung von in Fließrichtung wandernden Bereichen erhöhter Beleuchtungsstärke durch Lichtbrechung an einer Flüssigkeits/ Gas-Grenzfläche innerhalb des Wirkungsbereiches des Lichtwandlers.

Der prinzipielle Aufbau, in Fig. 1 im Schnitt aus seitli­ cher Sicht dargestellt, besteht neben der Rohrleitung, z. B. einem transparenten Transportschlauch aus einer Beleuchtungseinrichtung 2, einem optoelektronischem Lichtwandler 3, welcher die elektrischen Signale 5 bereitstellt und dem Lichtschutzgehäuse 4. Die Aus­ werteeinrichtung 6 verstärkt und wertet die nicht konstante und die konstante Komponente der Signale 5 aus und bildet eine Ergebnisinformation 9.

Die Beleuchtungseinrichtung 2 besteht aus einem geformten Lichtleiter mit integrierter Lichtquelle 10. Der Lichtwand­ ler 3 besteht aus einem geformten Lichtleiter mit integrier­ tem Photoelement 11. Die Lichtquellenstromversorgung 12 versorgt die Lichtquelle 10.

Da die Lage der Flüssigkeitsschicht 8 an der Innenwandung des Transportschlauches im allgemeinen nicht bekannt ist, ist ein wesentliches Merkmal der Vorrichtung eine ringförmige Gestaltung von Beleuchtungseinrichtung 2 und Lichtwandler 3.

Die Lichtleiter zeichnen sich durch ortsunabhängige homogene Wirkung hinsichtlich Richtung und Betrag bezüglich Schlau­ chinnenwand und Innenraum aus.

Unter Anwendung allgemein bekannter Methoden der Lichttech­ nik wird dies durch Ausformung und Oberflächengestaltung der Lichtleiter gewährleistet, so daß die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung 2 und die Empfindlichkeit des Licht­ wandlers 3 an allen Punkten ihrer Arbeitsfläche zur Schlauchoberfläche gleich ist.

Beispielsweise kann für die Form der Lichtleiter eine ellip­ tische Geometrie gewählt werden, in deren Brennpunkten sich einerseits der Transportschlauch und andererseits eine rund­ strahlende Lichtquelle oder ein richtungsunabhängig gestal­ tetes Photoelement befinden. Eine verspiegelte Oberfläche verhindert den Lichtaustritt an der übrigen Oberfläche des Lichtleiters.

Als rundstrahlende Lichtquelle 10 eignet sich eine Glühlam­ pe; ein kegelförmiger Reflektor sichert die Richtungs­ unabhängigkeit eines üblicherweise einseitig wirkenden Photoelementes 11.

Diese Geometrie der Anordnung ermöglicht eine allseitige und einheitliche Wirkung auf den Transportschlauch. Für alle Richtungen ist der zurückzulegende Weg des Lichtes im Licht­ leiter über die elliptische Außenkontur gleich lang, so daß von nahezu gleichen Bedingungen an der Arbeitsfläche gegen­ über dem Transportschlauch ausgegangen werden kann. (Im Sinne der allgemein bekannten Geometrie einer Ellipse kann die geradlinige Wirkung zwischen den Brennpunkten durch ein optisches Hindernis versperrt werden).

Als weiteres wesentliches Merkmal der Vorrichtung stehen sich Beleuchtungseinrichtung und Lichtempfänger nicht wie üblich gegenüber, sondern umgeben den transparenten Transportschlauch quer zur Fließrichtung in übereinanderliegenden Ebenen.

Die quer zur Fließrichtung 7 gewählte Wirkungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung 2 verringert die direkte Lichtein­ strahlung in den Lichtwandler 3. Andererseits ermöglicht die direkt angrenzende Lage des Lichtwandlers 3 zur Beleuch­ tungseinrichtung 2, daß bestimmte Lichtstrahlen welche durch Brechung geringfügig von ihrer normalen Richtung abgelenkt wurden, den Wirkungsbereich des Lichtwandlers 3 zusätzlich erreichen können (siehe Fig. 2a bis 2c).

Die gewählte Wirkungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung 2 gewährleistet eine hohe Lichtstärke im Innenraum des Transportschlauches. Bei geringerer direkter Einstrahlung in den Lichtwandler 3 wird damit das Verhältnis zu jenem Licht optimiert, welches durch Brechung auf den Lichtwandler 3 gelenkt wird.

Mit den Signalen 5 des Lichtwandlers steht somit eine In­ formation zur Verfügung, die die direkte Einstrahlung der Beleuchtungseinrichtung 2, die Streulichteffekte der transparenten Rohrleitung 1 bzw. der Flüssigkeitsschicht 8, den Transmissionsgrad des Behältnisses 1 bzw. der Flüssigkeitsschicht 8 und die Brechungseffekte an der Ober­ fläche der Flüssigkeitsschicht repräsentiert.

Diese Konstruktion ermöglicht eine vorteilhafte Erfassung geringster Brechungseffekte an der Grenzfläche von Flüssig­ keit und Luft innerhalb des Transportschlauches selbst bei dünnsten Flüssigkeitsschichten mit geringer Oberflächen­ krümmung.

Bewegt sich an der Innenwand des Transportschlauches eine tropfen- oder wellenförmige Flüssigkeitsschicht, so wird das Licht an der Grenzfläche Flüssigkeit/Gas gebrochen - auf den Lichtwandler 3 treffen somit in Korrelation zur Oberflächen­ struktur alternierend Bereiche höherer und geringerer Lichtstärke (siehe Fig. 2b/2c).

Die Dimensionierung von Beleuchtungseinrichtung 2, Licht­ wandler 3, deren Abstand zueinander und der Rohrleitung 1 erfolgt so, daß eine Kompensation durch mehrere hinter­ einander folgende und somit gleichzeitig erfaßte Bre­ chungseffekte (Tropfen/Wellen) in den Signalen 5 vermieden wird.

Während die direkte und gestreute Lichteinstrahlung der Be­ leuchtungseinrichtung 2 in den Lichtwandler 3 in den Signalen 5 eine kostante Komponente darstellen (siehe Fig. 2a), verändert sich die Komponente des gebrochenen Lichtes entsprechend der durch den Luftstrom gebildeten Oberflächen­ form und der Lage der Flüssigkeitsschicht 8 im Sinne einer Verringerung (Fig. 2b) oder einer Erhöhung (Fig. 2c).

Die Beurteilung des gasgeförderten Flüssigkeitsstromes kann nun durch Auswertung der sich ändernden Komponente der Signale 5 in der Auswerteeinrichtung 6 erfolgen.

Mit allgemein bekannten Verfahren der elektronischen Signal­ verarbeitung wird die schwankende Komponente der Signale vom konstanten Teil abgetrennt und ver­ stärkt. Die Frequenz dieser Signale 5 wächst mit der Fließ­ geschwindigkeit. Die Amplitude wächst mit ansteigender mitt­ lerer Schichtdicke der Flüssigkeit.

Ein Unterschreiten der Amplitude bzw. ein Überschreiten der Periodendauer kann somit der Indikation eines zu geringen Flüssigkeitsstromes dienen, welcher durch die Ergebnisinfor­ mation 9 angezeigt wird.

Bezogen auf das o.g. Anwendungsbeispiel können somit Schä­ den an trockenen Schmierstellen vermieden werden, wenn durch zweckmäßige Auswertung der Ergebnisinformation entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Weiterhin ist unter dem Gesichtspunkt der zur Anwendung kommenden Materialeigenschaften (Viskosität, Oberflächen­ spannung usw.) die Einbeziehung zusätzlicher Charakteristika des Kurvenverlaufes der Signale 5 zur Bildung der Ergebnisinformation 9 nach allgemein bekannten Verfahren möglich.

Die Beleuchtungseinrichtung 2 kann hinsichtlich ihrer Wir­ kung Inhomogenitäten aufweisen, weint der Lichtwandler 3 sei­ nerseits in seiner Wirkung entgegengesetzte Ungleichmä­ ßigkeiten aufweist, so daß durch Kompensation beider Abwei­ chungen keine wesentliche Beeinträchtigung der Signale 5 und somit der Ergebnisinformation 9 vorliegt.

Unter Beachtung der Verfügbarkeit effizienter optoelektroni­ scher Bauelemente ist die Nutzung von Licht aus dem infraro­ ten spektralen Bereich sinnvoll.

Zur optimalen konstruktiven Gestaltung der lichttechnischen Komponenten ist die Anwendung spezifisch geformter Lichtlei­ ter sinnvoll.

Für eine konstruktive Vereinfachung der Lichtleiter können auch mehrere Beleuchtungseinrichtungen bzw. Lichtwandler durch Teilung in einer Ebene eingesetzt werden. Gleichermaßen sind mehrere Lichtquellen innerhalb einer Be­ leuchtungseinrichtung und/oder mehrere Photoelemente in ei­ nem Lichtwandler einsetzbar.

Anstelle des allgemein üblichen Transportschlauches kann eine flexible oder starre lichtdurchlässige Rohrleitung mit unterschiedlich geformtem Querschnitt verwendet werden.

Im Interesse höherer Störsicherheit gegenüber Fremdlichtein­ flüssen ist die Anwendung modulierten Lichts und einer dem­ entsprechend abgestimmten frequenzselektiven Auswerte­ einrichtung von Vorteil.

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit kann das Vorsehen von zu­ sätzlichen Beleuchtungseinrichtungen 2 und/oder Lichtwand­ lern 3 in weiteren Ebenen sinnvoll sein.

Eine Richtungserkennung der strömenden Flüssigkeitsschicht 8 ist realisierbar, wenn ein weiterer Lichtwandler in minde­ stens einer weiteren Ebene vorgesehen wird und eine geeignete Auswertung der Signale 5 nach allgemein bekannten Methoden der Signalverarbeitung erfolgt.

Während bei relativ schnell fließenden Transportmedien eher dynamische Auswertverfahren sinnvoll erscheinen, kann bei sehr langsam fließenden Transportmedien durch Anordnung von Lichtwandlern in Ebenen jeweils oberhalb und unterhalb der Beleuchtungseinrichtung 3 und durch vergleichende Auswertung der beiden Signale eine in der Regel räumlich un­ terschiedlich verteilte Beimengung statisch erkannt werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Unempfindlichkeit der Vor­ richtung gegenüber relativ langfristigen Veränderungen, so bei Vergilbung und begrenzter Verschmutzung des Transportschlauches.

Da die Vorrichtung auch auf einen vorhandenen Transportschlauch aufgeschoben werden kann, sind Störungs­ risiken durch zusätzliche Schlauchunterbrechungen und -ver­ bindungen ausgeschlossen.

Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Vorrichtung ist die Erkennung von kleinsten Gasblasen in strömenden transparenten Flüssigkeiten, da an deren Oberfläche auf das beschriebene Prinzip übertragbare Lichtbrechungseffekte stattfinden.

Abhängig von den optischen Eigenschaften des Transportmedi­ ums, eignet sich die Vorrichtung auch zur Erkennung fester Beimengungen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Erkennung einer gasgeförderten dünnen Flüssigkeitsschicht in einer transparenten Rohrleitung mittels Beleuchtungseinrichtung, opto­ elektronischem Lichtwandler und Auswerteeinrichtung dadurch gekennzeichnet,
daß die Beleuchtungseinrichtung (2) als eine die transparente Rohrleitung (1) in einer ersten zu ihrer Längserstreckung senkrechten Ebene voll­ ständig umschließende und hinsichtlich Richtung und Beleuchtungsstärke homogen ausleuchtende Beleuchtungseinrichtung (2) ausgebildet ist,
daß der optoelektronische Lichtwandler (3) als ein, in einer an die erste Ebene angrenzenden, ebenfalls zur Längserstreckung der transparenten Rohrleitung (1) senkrechten, zweiten Ebene gelegener und Licht hinsichtlich Richtung und Betrag homogen empfangender und die transparente Rohrleitung (1) vollständig umgebender optoelektronischer Licht­ wandler (3) zur Abgabe elektronischer Signale (5) aufgrund von sich ändernden Brechungsprozessen in­ folge des an der in Form und Lage unstabilen Grenzfläche zwischen förderndem Gasstrom und gasgeförderter Flüssigkeitsschicht (8) gestreuten Lichts, ausgebildet ist, und
daß die Auswerteeinrichtung (6) zum Vergleich der von dem optoelektrischen Lichtwandler (3) abgegebe­ nen elektrischen Signalen mit vorgegebenen Grenz­ werten zur Bildung eines eindeutigen Ergebnissi­ gnals zur Feststellung und Signalisierung des Vor­ handenseins der sich bewegenden, von dem Gasstrom geförderten Flüssigkeitsschicht, ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle (10) und Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung (2) mittels Lichtleiter verbunden sind.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtein­ trittsfläche und Photoelement (11) des opto­ elektrischen Lichtwandlers (3) mittels Lichtleiter verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungslicht und/oder das erfaßte Licht nur begrenzte Anteile des sichtbaren und/oder nicht sichtbaren Lichtspektrums umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungslicht und/oder das erfaßte Licht Wellenlängen aus dem infraroten spektralen Bereich des Lichtes umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungslicht moduliert ist und das er­ faßte Licht frequenzselektiv ausgewertet wird.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Beleuchtungseinrichtungen durch Teilung in einer Ebene vorhanden sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß weitere optoelektronische Lichtwandler durch Teilung in einer Ebene vorhanden sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Beleuchtungseinrichtungen in mindestens einer zusätzlichen Ebene vorhanden sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß weitere optoelektronische Lichtwandler in mindestens einer zusätzlichen Ebene vorhanden sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß, bei einer Beleuchtungseinrichtung (2) die In­ homogenitäten hinsichtlich Wirkungsrichtung und Be­ trag aufweist, ein optoelektronischer Lichtwandler (3) und/oder eine Auswerteeinheit mit kompensie­ rend wirkenden Inhomogenitäten vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Auswertung der Frequenz der Signale (5) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß, Mittel zur vergleichenden Auswertung der Signale (5) von mindestens zwei in unterschied­ lichen Ebenen angeordneten optoelektronischen Lichtwandlern zur Erkennung der gasgeförderten Flüssigkeitsschicht (8) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur vergleichenden Auswertung der Signale (5) von mindestens zwei in unterschied­ lichen Ebenen angeordneten Lichtwandlern zur Er­ kennung der Bewegungsrichtung der gasgeförderten Flüssigkeitsschicht (8) vorgesehen sind.