DE60307108T2

DE60307108T2 - Verfahren zur analyse eines arbeitsfluids unter verwendung von impedanzspektroskopie

Info

Publication number: DE60307108T2
Application number: DE60307108T
Authority: DE
Inventors: M. Alan highland Park SCHILOWITZ; Monica M. Lira-Cantu; Limin Princeton Junction SONG; D. Walter Marlton VANN
Original assignee: ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-06-07
Also published as: DE60307108D1; EP1530719B1; US7109729B2; NO20050056L; CA2488392A1; ES2270090T3; AU2003243435A1; ATE334389T1; CN1659434A; WO2003104798A1; DK1530719T3; EP1530719A1; JP2005529333A; US20040085080A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich allgemein mit Verbesserungen beim Analysieren der elektrischen Eigenschaften einer Betriebsflüssigkeit, wie eines Schmieröls. Die Erfindung betrifft insbesondere eine elektrische Online-Messung des Abbaus des Schmieröls in Echtzeit.
Hintergrund der Erfindung
Betriebsflüssigkeiten, wie Schmieröle und Hydraulikflüssigkeiten, sind wichtige Komponenten vieler verschiedener mechanischer Systeme, in denen sie eine oder mehrere Funktionen ausüben, wie das Schmieren sich bewegender Teile, das Übertragen von Kraft oder Energie auf das mechanische System, das Schützen von Teilen vor Verschleiß oder sogar eine Kombination von diesen.
Diese Flüssigkeiten bestehen in der Regel aus einem Kohlenwasserstoffbasisöl, das mit zahlreichen Additiven formuliert ist, die so gewählt sind, dass sie ein oder mehrere Leistungscharakteristika der Flüssigkeit verbessern.
Während des Gebrauchs können diese Flüssigkeiten im Zeitverlauf mit Substanzen kontaminiert werden, mit denen sie in Kontakt kommen, es können Fremdsubstanzen in das mechanische System eindringen, das Basisöl kann oxidieren und die in den formulierten Flüssigkeiten verwendeten Additive können sich chemisch zersetzen. Das Nettoergebnis ist eine Abnahme der Leistungscharakteristika der Flüssigkeit mit damit verbundenem nachteiligen Einfluss auf das mechanische System, das das Fluid verwendet.
In vielen Industrieumgebungen ist es daher eine Standardvorgehensweise, die Flüssigkeit regelmäßig durch übliche Laborverfahren zu analysieren. Dies macht es erforderlich, dass eine Probe der Flüssigkeit gezogen und in der Regel an einen anderen Ort zur Analyse transportiert wird. Diese Vorgehensweise benötigt normalerweise mindestens drei volle Tage, bevor die erforderliche Analyse abgeschlossen ist und ein Bericht erhalten werden kann. Eine derartige Zeitverzögerung ist sehr unerwünscht.
Es sind in der Technik viele Verfahren zur Online-Bewertung der Qualität von Schmierstoffen vorgeschlagen worden, wobei viele hiervon auf elektrischen Messungen basieren, wie der Dielektrizitätskonstante oder der Impedanz der Flüssigkeit, wobei die Messungen am häufigsten mit einer und mitunter zwei diskreten und festgelegten Frequenzen erfolgen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass diese Verfahren nicht vollständig befriedigen können. Bei einigen Frequenzen und bei niedrigen Temperaturen reicht die Empfindlichkeit der gemessenen elektrischen Eigenschaft der Flüssigkeit nicht aus, um eine zuverlässige Anzeige des Zustands der Flüssigkeit zu ergeben, und die gewählte Frequenz liefert, selbst wenn sie ausreichend empfindlich ist, nicht notwendigerweise eine genaue Anzeige des Zustands des Schmierstoffs. Die Drähte und anderen Komponenten, die zur Durchführung elektrischer Messungen verwendet werden, können zudem zu Verfälschungseffekten führen, die die elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit verschleiern oder stören. Die beste Frequenz für optimale Empfindlichkeit hängt zudem in hohem Maße von den Eigenschaften der Betriebsflüssigkeit ab, und Messungen, die typischerweise bei diskreten und festgelegten Frequenzen durchgeführt werden, sind für eine spezielle Betriebsflüssigkeit nicht optimiert.
Außerdem haben viele Betriebsflüssigkeiten extrem niedrige Leitfähigkeiten. Industrieöle haben beispielsweise in der Regel deutlich niedrigere Leitfähigkeiten als Schmierstoffe für Verbrennungsmotoren, zweifellos aufgrund der höheren Viskosität und niedrigeren Additivkonzentrationen der industriellen Schmierstoffe. Die Möglichkeit zur Verwendung elektrischer Messungen auf Basis von Messungen bei festgelegten Frequenzen, die für Motorschmierstoffe entwickelt wurden, zur Bestimmung der Qualität oder des Zustands von Ölen, die relativ niedrige Leitfähigkeiten haben, wie Industrieölen, ist recht problematisch. Ein Verfahren zur Charakterisierung von Schmierstoffen unter Verwendung von Impedanzspektroskopie und Nyquist-Auftragung ist in dem Zwischendokument WO-A-02/065086 beschrieben.
Das Dokument EP-A-1 111 383 offenbart die Verwendung von konzentrischen Elektroden zur Messung der Impedanz von Schmierstoffen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Detektieren der Abnahme an Leistungsadditiven in einem Schmierstoff.
Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines elektrischen Messverfahrens zur Bestimmung des Zustands von Industrieöl mit niedriger Leitfähigkeit.
Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung der Verbesserung der Empfindlichkeit bei der elektrischen Messung zur Bestimmung des Zustands von Betriebsflüssigkeiten.
Diese und andere Ziele gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Sammeln von Impedanzdaten.
2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung des Zustands einer Betriebsflüssigkeit.
3 und 4 zeigen die Fähigkeit zur Erzeugung von Nyquist-Kurven für Öle mit niedriger Leitfähigkeit bei Temperaturen oberhalb von 50°C.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
AC(Wechselstrom)-Elektroimpedanzspektroskopie ist eine wohlbekannte Technik. Sie beinhaltet, dass AC-Signale an ein zu analysierendes Material über einen breiten Bereich von Frequenzen angelegt werden. Die elektrische Reaktion auf diese Signale wird bestimmt, und durch die Anwendung der elektrischen Schaltkreistheorie wird eine Beschreibung der Eigenschaften des Materials erhalten.
Die vorliegende Erfindung verwendet AC-Elektroimpedanzspektroskopie zur Bestimmung der Zustände einer Betriebsflüssigkeit. Die vorliegende Erfindung ist in der Tat in besonderem Maße auf die Bestimmung der Zustände von Ölen mit niedriger Leitfähigkeit anwendbar. Die Öle mit niedriger Leitfähigkeit, auf die sich die vorliegende Erfindung in besonderem Maße anwenden lässt, sind jene ungebrauchten Öle, die eine kinematische Viskosität bei 100°C von mehr als 15 cSt haben und weniger als etwa 3 Gew.-% (aktive Basis) Additive ausgewählt aus Dispergiermitteln, Antioxidantien, Detergentien, VI-Verbesserern und Antiverschleißmitteln enthalten. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstellung eines spektroskopischen AC-Elektroimpedanzverfahrens zur Bestimmung des Zustands von Industrieölen, insbesondere Online, d. h. wenn sie in mechanischen Systemen enthalten sind, sogar wenn sich die Systeme im Betrieb befinden.
Ein Paar beabstandeter Elektroden, wie die in 1 gezeigten konzentrischen zylindrischen Elektroden 1 und 2, werden in einem Körper von zu analysierender Betriebsflüssigkeit angeordnet. Die Betriebsflüssigkeit befindet sich innerhalb eines mechanischen Systems, beispielsweise in einem Ölreservoir oder Sumpf eines mechanischen Systems (nicht gezeigt), in einem Ölabgabeverteiler oder Umgehungsverteiler eines mechanischen Systems (ebenfalls nicht gezeigt), das Schmierung oder Verwendung einer Betriebsflüssigkeit benötigt.
Die Dimensionen der Elektrode hängen natürlich von ihrer Positionierung in dem mechanischen System und der Art der analysierten Betriebsflüssigkeit ab. Bei Industrieschmierstoffen, wie Papiermaschinenölen, liegt die Länge der Elektroden, gezeigt in 1, typischerweise im Bereich zwischen etwa 0,5 cm und etwa 20 cm, wobei der Durchmesser der äußeren Elektrode zwischen etwa 0,5 cm und etwa 4 cm liegt und die Lücke zwischen der inneren und der äußeren Elektrode zwischen etwa 0,1 und 10 mm liegt. Es können andere Geometrien für die Elektroden verwendet werden, wie flache parallele Platten, flache ineinandergreifende Elektroden, die auf ein inertes Substrat geätzt sind, und dergleichen.
Durch die Anordnung der Elektroden in einer in einem mechanischen System vorhandenen Betriebsflüssigkeit wird Online-Analyse der Flüssigkeit in Echtzeit ermöglicht, d. h. der Zustand der Flüssigkeit kann kontinuierlich gemessen werden, während sie in dem mechanischen System verwendet wird, ohne dass eine Probe der Flüssigkeit zur Analyse aus dem System entfernt werden muss.
An eine Elektrode wird bei mehreren Frequenzen, in der Regel mehr als drei Frequenzen, beispielsweise 4 bis 1000 Frequenzen und vorzugsweise 4 bis 20 im Bereich von 1 Hz bis 3 MHz, ein AC-Signal angelegt. Das angelegte Signal erzeugt an der anderen Elektrode, eine elektrische Ausgabe die gemessen wird. Eine Vorrichtung zum Anlegen des Signals und zum Messen der Ausgabe, d. h. ein Frequenzreaktionsanalysegerät (FRA), ist diagrammartig in 1 durch Bezugsziffer 3 gezeigt. Derartige Frequenzreaktionsanalysegeräte sind im Handel erhältliche Geräte und werden verwendet, um frequenzabhängige Impedanzdaten zu erfassen. Ein weiterer Flüssigkeitsimpedanzmonitor ist schematisch in 2 gezeigt, wobei 1 und 2 für konzentrische Elektroden stehen, die in ein Öl 4 eingetaucht sind. Ein Digitalfunktionsgenerator 5 erzeugt eine festgelegte diskrete Sequenz von Signalen, und ein Digital-zu-Analog-Konverter 6 wandelt die Sequenz in eine analoge sinusförmige Spannung mit einer kleinen Amplitude, V_n, und Frequenz, ω, um und legt die Spannung an die äußere Elektrode 2 an. Das angelegte Signal erzeugt eine elektrische Ladung an der inneren Elektrode 1. Ein Ladungsverstärker 7 wandelt die Ladung in eine sinusförmige Spannung, V_out, mit derselben Frequenz, ω, um. Die Wellenformen auf Zeitbasis von sowohl der Eingabe- als auch der Ausgabespannung werden durch einen Analog-zu-Digital-Konverter 8 umgewandelt, und die resultierenden Daten werden erfasst und durch Datenprozessor 9 verarbeitet.
In dem Datenprozessor 9 wird ein Digitalfrequenzreaktionsanalysegerät verwendet, um die komplexe Übertragungsfunktion der Ausgabespannung bezogen auf die Eingabespannung zu erhalten, d. h. das Verhältnis der komplexen Amplitude der sinusförmigen Ausgangsspannung zu derjenigen der sinusförmigen Eingangsspannung. Diese komplexe Übertragungsfunktion ist gleich dem Verhältnis der Rückkopplungsimpedanz des Ladungs verstärkers 7 zu der Impedanz der zu analysierenden Betriebsflüssigkeit. Wenn die Übertragungsfunktion durch die bekannte Verstärkerrückkopplungsimpedanz geteilt wird, wird die Admittanz der Betriebsflüssigkeit erhalten. Der Kehrwert der Admittanz ist gleich der Impedanz der Betriebsflüssigkeit. Dieser Prozess der Datenerfassung und -verarbeitung wird über alle Betriebsfrequenzen wiederholt, bis die gewünschten Impedanz- oder Admittanzspektrumdaten erhalten werden.
Erfindungsgemäß werden die wie hier beschrieben erhaltenen frequenzabhängigen Impedanz- oder Admittanzdaten verwendet, um ein oder mehrere von dem Widerstand, der Kapazitanz, der Frequenz, bei der der Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom 45° ist (ω_max), und der Zeitkonstante der Betriebsflüssigkeit zu bestimmen. Dies wird erreicht, indem die frequenzabhängigen Impedanzdaten in Form einer Nyquist-Auftragung aufgetragen werden, wobei in rechtwinkligen Koordinaten die imaginäre Impedanz (Z'' = im(Z) = [Z] Sin(θ)) gegen die reale Impedanz (Z' = re(Z) = [Z] Cos(θ)), oder in Polarkoordinaten, |Z| =[(Z')² + (Z'')²)^1/2 gegen θ aufgetragen wird, die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom. Beispiele für Nyquist-Auftragungen sind in 3 für einen Papiermaschinenschmierstoff gezeigt.
In 3 ist die Y-Achse der Negativwert des Imaginäranteils der Impedanz, Z'', und die X-Achse ist der Realanteil der Impedanz, Z'.
Die Nyquist-Auftragungsimpedanzdaten werden ferner analysiert, indem die Daten an eine Besteinfassungs-(Best-Fit)-Kurve der kleinsten Quadrate angepasst werden. Eine derartige Kurve lässt sich mit vielen Standard-Datenanalysepaketen anpassen. Der Widerstand des Öl/Elektroden-Systems kann dann berechnet werden, indem der Durchmesser der Kurve entlang der X-Achse bestimmt wird. Die Frequenz, bei der θ 45 Grad erreicht, ist als ω_max bekannt. Der Kehrwert von ω_max ist die Zeitkonstante, RC. Die Kapazitanz kann dann mit der Beziehung ω_max = 1/RC bestimmt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden frequenzabhängige Impedanzdaten über mehr als 4 Werte von θ gemessen, die einen Bereich von mindestens 45 Grad überspannen, und aus diesen Daten wird eine partielle Nyquist-Kurve konstruiert. Dieser Bereich der Kurve kann dann mit einem Standard-Einpassungsprogramm der kleinsten Quadrate mit der Annahme analysiert werden, dass die Nyquist-Auftragung einer elliptischen Kurve folgt. Die vollständige Nyquist-Kurve kann dann konstruiert werden, indem auf θ-Werte von Null und 180° extrapoliert wird. Gleichzeitig können auch die Werte für Kapazitanz, Widerstand und ω_max bestimmt werden.
Mindestens einer der Werte für Widerstand, Kapazitanz, ω_max, Zeitkonstante und Impedanz, die für die Betriebsflüssigkeit erhalten wurden, wird dann mit einem festgelegten Wert verglichen, um den Zustand der zu analysierenden oder überwachenden Flüssigkeit zu bestimmen.
Die mit Industrieölen mit niedriger Leitfähigkeit vorgenommenen AC-Elektroimpedanzmessungen werden bei einer Temperatur von 50°C oder höher, vorzugsweise über etwa 65°C und bis zu etwa 150°C durchgeführt.
In einer Ausführungsform werden die Online-Impedanzmessungen in Echtzeit genommen und verwendet, um mindestens einen der Widerstands-, Kapazitanz-, ω_max, Zeitkonstanten- und diskreten Impedanzwerte einer Betriebsflüssigkeit zu berechnen, und mit einem festgelegten ähnlichen Wert oder Werten, je nachdem, verglichen, um eine visuelle Darstellung zu liefern, wie eine Anzeige der verbleibenden Nutzungsdauer der Flüssigkeit. Alternativ kann ein visuelles oder anderes Signal, wie eine Glocke oder Alarm, bereitgestellt werden, wenn der Zustand der Flüssigkeit einen festgelegten Status erreicht, der den Wechsel der Flüssigkeit erfordert, bevor das mechanische System weiterbetrieben werden kann. Dies ist in 2 als Ergebnisanzeige oder Signalmodul 10 gezeigt.
Beispiele
Beispiel 1
Eine gebrauchte Probe eines kommerziellen Papiermaschinenöls wurde AC-Elektroimpedanzmessung bei 70°C, 90°C und 120°C unter Verwendung eines Solartron 1260 Frequenzreaktionsanalysegeräts (FRA), einer AC-Amplitude von 1 Volt und eines DC-Versatzes von 5 Volt unterzogen. Die Frequenz wurde von 10 Hz bis 3,2 MHz abgetastet. 3 zeigt die aus den Daten erzeugten Nyquist-Kurven.
Beispiel 2
Nach dem Verfahren von Beispiel 1 wurde eine frische Probe desselben kommerziellen Papiermaschinenöls von Beispiel 1 bei Raumtemperatur (etwa 25°C) und bei 120°C vermessen. 4 zeigt, dass keine Nyquist-Kurve erzeugt werden konnte, wenn die Messung bei Raumtemperatur durchgeführt wurde.
Beispiel 3
10 Proben eines Papiermaschinenöls wurden aus im Betrieb befindlichen Papiermaschinen erhalten, und ihre Impedanz wurde bei 120°C bei 130 Frequenzen über einen Bereich von 10 Hertz bis 3,2 Megaherz unter Verwendung eines Solartron Modell 1260A Impedanz/Amplitudenphasenanalysegeräts und eines zylindrischen Kavlico-Impedanzelektrodenpaars gemessen, wobei Oszillator und Ausgangsschaltkreise getrennt waren. Die resultierende Nyquist-Kurve wurde mittels Zplot/Zview-Software von Scribner Associates angepasst. Dann wurde der Widerstand be rechnet. Die Proben wurden zusätzlich durch induktiv gekoppelte Plasma-(ICP)-Spektroskopie auf Phosphor, Zink und Calcium analysiert, wichtige Elemente, die sich in Additivpaketen für Papiermaschinenöle befinden.
Die Abnahme dieser Elemente führt zu schlechter Schmierstoffleistung und zeigt Verlust oder Abbau der Additive. Die Daten sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
Die Daten zeigen, dass der erfindungsgemäß gemessene Widerstand eine Anzeige der Additivkonzentration bietet. Es sei insbesondere auf den sehr hohen Widerstand und die niedrigen Additivkonzentrationen der Proben 9 und 10 hingewiesen.

Claims

Verfahren, um eine Online-Anzeige der Konzentration und des Zustands der Additive eines Industrieöls zu erhalten, welches auf Basis der aktiven Bestandteile weniger als 3 Gew.-% Leistungsadditive enthält, wobei das Öl in einem mechanischen System enthalten ist, bei dem die Impedanzdaten des Öls bei mehreren und über einen Bereich von Frequenzen gemessen wird, während das Öl in dem mechanischen System enthalten ist und bei 50°C oder höher vorliegt; die gemessenen Impedanzdaten zur Konstruktion von Nyquist-Kurven verwendet werden; aus der Kurve ein Wert für mindestens einen von Widerstand, Kapazitanz, ω_max, Impedanz und Zeitkonstante erhalten wird; der erhaltene Wert oder die erhaltenen Werte mit einem festgelegten Wert oder festgelegten Werten verglichen wird bzw. werden, wodurch eine Anzeige des Zustands des Öls erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nyquist-Kurve auf die x-Achse extrapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Impedanzdaten gemessen werden, indem ein Paar beabstandeter Elektroden in dem Öl angeordnet wird, ein AC-Signal über einen Bereich von Frequenzen angelegt wird und die Reaktion auf diese Signale detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Impedanzdaten bei 4 oder mehr Frequenzen im Bereich zwischen 1 und 10.000 Hz gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, das Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Signals einschließt, wenn der berechnete Wert einen festgelegten Wert überschreitet.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei dem der erhaltene Wert oder die erhaltenen Werten mit einem Wert oder Werten für eine bekannte Additivkonzentration in dem Öl verglichen wird bzw. werden.