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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Verfahren zur Feststellung von Verschmutzungen in der
Luft und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Feststellung
von Verschmutzungen in der Abzapfluft, die dem Umgebungsregelsystem
des Flugzeugs von den Triebwerken des Flugzeugs zugeführt wird.
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STAND DER TECHNIK
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Schubtriebwerke und Hilfstriebwerke
stellen zwei Ausführungen
von in Flugzeugen verwendeten Gasturbinentriebwerken dar. Diese
Triebwerke verfügen über Kompressoren,
aus denen Hochdruckluft zur Verwendung im Umgebungsregelsystem des Flugzeugs
abgezapft wird. Innerhalb dieser Triebwerke werden Dichtungssysteme
verwendet, um zu verhindern, daß Treibstoff-
oder Schmiermittelspurenelemente in Form von Leckagen in die Abzapfluft
gelangen. Derartige Dichtungssysteme sind jedoch nicht immer vollkommen
wirksam, und als Folge davon können
Treibstoff- oder Schmiermittelleckagen in die Abzapfluft gelangen,
die sich entzünden
und in der in die Kabine einströmenden
Luft Rauch entwickeln können.
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Bisher angewendete Verfahren zur
Messung von Verschmutzungen in der Triebwerksabzapfluft haben sich
entweder als nicht überzeugend
erwiesen oder zu falschen Ablesewerten geführt. Ein derartiges Verfahren
beinhaltet einen Polyvinylchloridfilter zum Sammeln einer Probe
der Abzapfluft mit anschließender Überprüfung auf
das Vorhandensein von Öl
mittels eines Schwarzlichts, das die Öltröpfchen fluoreszieren läßt. Ein
anderes Verfahren beinhaltet die Verwendung einer auf etwa –100°F tiefgekühlten großen Spule
aus nichtrostendem Stahl, um die in der Abzapfluft enthaltene Substanz
zu kondensieren. Die kondensierte Substanz wird dann aus der Spule
herausgespült,
mit einem Lösemittel
(Freon) verdampft und gewogen. Bei einem dritten Verfahren wird
die Abzapfluft durch Absorptionsrohre geleitet, in denen der Rückstand
an Silikagel, Holzkohle oder Molekularsieben gesammelt und anschließend mittels
Gaschromatographie/Massenspektroskopie ausgewertet wird. Der Rückstand
kann auch dadurch analysiert werden, daß er mit einer organischen
Substanz verbrannt und das gebildete Kohlendioxid mit einem Flammenionisationsdetektor
gemessen wird.
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Es wird also ein einfaches, tragbares,
hochempfindliches Echtzeitverfahren benötigt, um den Bedürfnissen
der Luftfahrtindustrie zu entsprechen. Das Gerät muß einfach sein, so daß Bedienungskräfte problemlos
ausgebildet werden können.
Die Tragbarkeit ist wichtig, weil das Gerät an einer Vielzahl von Orten,
wie beispielsweise in Testzellen, an Bord des Flugzeugs sowie in
den Flugzeugabteilungen von Reparatur- und Überholungseinrichtungen, verwendet
werden kann. Hohe Empfindlichkeit und Echtzeitdaten sind notwendig,
damit zwischen Veränderungen
der Kohlendioxidkonzentration, die auf Öl- und Schmiermittelleckagen
im Bereich von mehreren ppm hinweisen, unterschieden werden kann, wenn
sich die Qualität
der Abzapfluft mit sich ändernden
Betriebsbedingungen des Triebwerks verändert.
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In der Patentschrift US-A-5 279 970
wird eine Vorrichtung zur Messung der Teilchenkonzentration im Dieselabgas
oder in anderen Gasproben beschrieben. Die Teilchen werden gefiltert
und in einer sauerstoffreichen Umgebung erhitzt, um den Kohlenstoff
innerhalb der Teilchen zu Kohlendioxid zu oxidieren, dessen Menge
gemessen wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine Vorrichtung zur Feststellung synthetischer Schmiermittel
und anderer Kohlenwasserstoffe in der Triebwerksabzapfluft bereitzustellen,
die einfach, tragbar und hochempfindlich ist sowie eine Echtzeitfeststellung
ermöglicht.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Echtzeitfeststellung
synthetischer Schmiermittel und anderer Kohlenwasserstoffe in der
Triebwerksluft bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung erfüllt diese
Aufgabe durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung,
wie im Anspruch 1 definiert. Ein im Probenerhitzer montiertes Heizelement
bewirkt, daß beliebiges Öl und andere
Kohlenwasserstoffe in CO2 und H2O
zersetzt werden. Die aus dem Probenerhitzer austretende Luft wird
mittels einer Vakuumpumpe durch die Überwachungsvorrichtung zu einem
Kohlendioxidanalysator gezogen. Die Reaktion des Analysators wird
mittels eines mit Registrierstreifen oder papierlos arbeitenden
Schreibers aufgezeichnet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1B ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Vorrichtung zur
Luftverschmutzungsüberwachung
der 1A;
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2 ist
eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung
der 1A und 1B;
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3A ist
eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform
der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3B ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Vorrichtung zur
Luftverschmutzungsüberwachung
der 3A.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie aus den 1A und 1B ersichtlich,
ist eine Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung allgemein mit der
Bezugszahl 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 beinhaltet
einen allgemein mit der Bezugszahl 12 bezeichneten Probenerhitzer,
der die Probenluft zunächst
aufnimmt und erhitzt.
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Im Kern des Erhitzers 12 befindet
sich ein zur Aufnahme der Probenluft vorgesehenes Metallrohr 14 mit
einem Innendurchmesser von 1/16 Zoll (0,159 cm). Das Rohr 14 besteht,
um eine rasche Wärmeleitung
sicherzustellen, aus Metall, vorzugsweise aus einer auf Nickel basierenden
Legierung-, wie beispielsweise Inconel 600, um Betriebstemperaturen von
900 bis 1600°F
(482 bis 871°C)
widerstehen zu können.
Außerhalb
des Metallrohrs 14 und konzentrisch damit befindet sich
ein Keramikrohr 16 mit einem Durchmesser von 1/2 Zoll (1,27
cm), das eine Bohrung 17 zur Aufnahme des Rohrs 14 aufweist. Die
Bohrung 17 hat einen Innendurchmesser, der groß genug
ist, um für
einen radialen Zwischenraum um das Rohr 14 herum zu sorgen.
Am Keramikrohr 16 ist ein Elektrowiderstandsheizelement 18 montiert.
Das Heizelement 18 besteht aus einer Länge einer um das Keramikrohr 16 gewickelten
Nichromdrahtspule mit genügend
Windungen, um die gewünschte
Wattdichte sicherzustellen. Ein herkömmlicher Temperaturregler 36 wird
verwendet, um die maximale Temperatur der Probenluft zu regeln und zu
begrenzen; alternativ kann ein Thermoschalter im Bereich der gewünschten
Temperatur eingesetzt werden. Der Erhitzer ist von einer Abdeckung
aus Glasfaserisolierung 19 umhüllt, um den Wärmewirkungsgrad
zu verbessern und auch eine Verwendung des Erhitzers 12 als
Handgerät
zuzulassen. Die Isolierung 19 kann alternativ aus jedem
geeigneten Wärmeisoliermaterial
bestehen, das einem direkten Kontakt mit dem Heizelement 18 widerstehen
kann. Die Länge
des Erhitzers 12 beträgt
vorzugsweise etwa 12 Zoll, muß allgemein
aber lang genug sein, damit die gewünschte Verbrennung der Verschmutzungen in
der Probenluft erfolgen kann, während
die Probenluft durch das Rohr 14 strömt. Der Erhitzer kann einen
Katalysator, wie beispielsweise einen Platindraht 15, innerhalb
des Metallrohrs 14 beinhalten, um den erwähnten Verbrennungsvorgang
weiter zu erleichtern.
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Der Probenerhitzer 12 kann,
um Proben von druckbeaufschlagter Triebwerksabzapfluft nehmen zu
können,
mit der Kompressorabzapföffnung
eines Triebwerks direkt oder über
einen entsprechenden Rohradapter 13 indirekt verbunden
sein. Der Rohradapter 13 sollte, wenn der Erhitzer 12 indirekt
mit einer Triebwerksabzapfluftöffnung
verbunden ist, so kurz wie möglich
ausgeführt
sein, um eine Ölkondensation
innerhalb des Adapters 13 zu verhindern. Alternativ kann
der Probenerhitzer 12 gelöst und als Handgerät für Luftprobenahmen
innerhalb einer Flugzeugkabine verwendet werden.
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Der Probenerhitzer 12 ist über eine
flexible Leitung 20 mit einer Einlaßöffnung 21 an einem
Gehäuse 38 verbunden,
in dem die übrigen
Bauteile der Überwachungsvorrichtung
untergebracht sind. Das Gehäuse 38 kann,
wie dargestellt, tragbar ausgeführt oder
dauerhaft innerhalb eines Flugzeugs montiert sein.
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Wie aus 2 ersichtlich,
sind im Inneren des Gehäuses 38 die
Vorrichtungsbauteile mit der Einlaßöffnung 21 und auch
durch die aus nichtrostendem Stahl bestehende Transferleitung 28 untereinander
verbunden. Alternativ kann die Leitung 28 aus einem Fluorelastopolymeren
oder einem anderen inerten Kunststoffmaterial mit entsprechender
Flexibilität
und Haltbarkeit bestehen. Der Innendurchmesser der Leitungen 20 und 28 sollte
nicht mehr als 1/16 Zoll (0,159 cm) betragen, um das interne Volumen
für einen
raschen Probendurchgang zu reduzieren. Die Probendurchgangszeit
sollte von der Probenluftquelle bis zum Kohlendioxidanalysator 26 weniger
als 1 Sekunde betragen.
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Eine innerhalb des Gehäuses 38 untergebrachte
Vakuumpumpe 24 dient dazu, Probenluft kontinuierlich aus
einer Quelle abzuziehen, diese Luft durch die Vorrichtung 10 zu
pumpen und schließlich
durch eine Auslaßöffnung 42 auszutragen.
Die Pumpe 24 muß über eine
Kapazität
verfügen,
die für eine
ausreichende Strömung
zum Kohlendioxidanalysator 26 sorgt, so daß er in
Echtzeit arbeiten kann, d.h. der Analysator 26 braucht
nicht zu warten, bis sich eine entsprechende Probengröße angesammelt hat.
Die Pumpe 24 muß auch
eine ausreichende Vakuumleistung besitzen, damit sie in einer Situation mit
reduziertem Druck arbeiten kann, beispielsweise bei Probenahmen
in einer Höhe
von 40.000 Fuß (12.200
m). Die Pumpe muß außerdem einen
niedrigen Stromverbrauch haben und zwecks Tragbarkeit ein geringes
Gewicht aufweisen.
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Ein digitaler Mengenregler 30,
der sich in Fließrichtung
hinter der Pumpe 24 befindet, dient dazu, die Luftströmung zum
Kohlendioxidanalysator 26 zu regeln. Der Mengenregler 30 muß in der
Lage sein, für
eine präzise
Druck- und Strömungsmengenregelung
bei einer konstanten Probenluftströmungsmenge von 350 ml pro Minute
zu sorgen. Wahlweise kann ein optischer Mengenregler 32 vorgesehen werden,
um die in den Analysator 26 einströmende Luftströmung zu überprüfen.
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Ein Kohlendioxidanalysator 26 ist
in Fließrichtung
unmittelbar hinter dem Mengenregler 30 montiert. Der Kohlendioxidanalysator 26 ist
ein herkömmlicher
Analysator, der nach dem Prinzip der nicht-dispersiven Infrarotabsorption
von Kohlendioxid arbeitet. Der Analysator 26 ist empfindlich
genug, um Konzentrationen des Kohlendioxidgehalts in der Größenordnung
der in Atemluft gefundenen Konzentration genau zu messen und dennoch
so schnell zu reagieren, daß ständig aktualisierte
Ausgabedaten oder Echtzeitausgabedaten zur Verfügung gestellt werden. Der Analysator 26 ist
zwischen 0 ppm und 1000 ppm Kohlendioxid kalibrierbar. Ein Niedrigvolumenfilter 22 ist
in Fließrichtung
vor dem Analysator 26 vorgesehen, um Teilchenmaterial aus der
Probenluft zu entfernen, so daß eine
Verschmutzung des optischen Sensorabschnitts des Analysators 26 ausgeschlossen
wird.
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Das Ausgabesignal vom Analysator 26 ist
mit einem Display 40 zur Anzeige des CO2-Gehalts
in ppm verbunden. Das Display 40 kann eine beliebige geeignete
analoge oder digitale Vorrichtung sein, die den CO2-Gehalt
in Echtzeit anzeigen kann. Die Analysatorausgabe ist weiterhin mit
einem Schreiber 34 verbunden, der dazu dient, den CO2-Gehalt in Abhängigkeit von der Zeit auf einem
sich bewegenden Registrierstreifen aufzuzeichnen. Es können andere geeignete
Mittel zur Aufzeichnung des Ausgabesignals verwendet werden, wie
beispielsweise ein Magnetband oder eine Digitalaufzeichnung. Eine Speicherbatterie
und ein Stromwechselrichter können
auch im Gehäuse 38 montiert
sein, so daß die Notwendigkeit
einer externen Stromquelle entfällt.
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Das Prinzip, auf dem die vorliegende
Erfindung beruht, besteht darin, daß Öl und andere Kohlenwasserstoffe
CO2 und H2O als
die Endprodukte der Verbrennung bilden. Diese Zersetzung der Verschmutzungen
wird vom Erhitzer 14 induziert. Die Menge des nach dem
Erhitzen in der Luft enthaltenen CO2-Verbrennungsprodukts
ist proportional dem Verschmutzungsgehalt in der Probenluft. Somit
wird deutlich, daß durch
Messung des CO2-Gehalts in der erhitzten
Luft die Menge des in der Probenluft vorhandenen Öls und anderer
Kohlenwasserstoffe bestimmt werden kann. Im Betrieb erfolgt die
gewünschte
Verbrennung, während
die Pumpe 24 bewirkt, daß die Probenluft den Erhitzer 14 durchströmt. Da die
Strömungsmenge
der Probenluft durch die präzisen
Strömungserfordernisse
des CO2-Analysators weitgehend vordefiniert
ist, wird eine ordnungsgemäße Verbrennung
der Verschmutzungen in erster Linie durch den Betrieb des Temperaturreglers 36 erzielt.
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Eine alternative Ausführungsform
zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist aus der in 3 dargestellten Konfiguration einer Dualüberwachungsvorrichtung 110 ersichtlich.
Die Dualvorrichtung 110 ist in der Lage, die Luft von zwei
Luftquellen unabhängig
zu analysieren und zusätzlich die
dazwischen bestehende Differenz zu berechnen und anzuzeigen. Dies
wird dadurch erreicht, daß in einem
einzelnen Gehäuse 138 zwei
separate Überwachungsvorrichtungen
gemeinsam untergebracht sind, wobei es sich bei jeder Vorrichtung
um eine komplette Überwachungsvorrichtung 10,
wie hierin vorstehend beschrieben, handelt, die eine Luftprobe unabhängig analysieren
kann.
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Um die Differenz im Verschmutzungsgrad zwischen
den beiden Luftquellen zu berechnen, beinhaltet die Dualvorrichtung
weiterhin einen (nicht dargestellten) herkömmlichen Subtraktionsschaltkreis. Der
Subtraktionsschaltkreis ist mit den beiden Vorrichtungen 10 verbunden,
die die Dualvorrichtung 110 umfassen, wobei die Ausgaben
von den beiden separaten CO2-Analysatoren,
zusätzlich
zu ihrer Verbindung mit den jeweiligen Digitaldisplays 140 und 141 und
mit separaten Spuren im Schreiber 34, mit dem Subtraktionsschaltkreis
verbunden sind. Der Subtraktionsschaltkreis berechnet die Differenz
zwischen den beiden Luftsignalen und übermittelt das Resultat an
ein drittes Display 143 sowie an eine dritte Aufzeichnungsspur
im Schreiber 34.
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Die Dualvorrichtungskonfiguration
wird typischerweise verwendet, um Probenahmen durchzuführen und
die Triebwerkseinlaßluft
mit der Triebwerkskompressorabzapfluft zu vergleichen. Ein Vorteil
der so angeschlossenen Dualvorrichtung besteht darin, daß die Menge
der Verschmutzung, die der Außenumgebungsluft
durch das Flugzeugtriebwerk hinzugefügt wird, bestimmt werden kann.
Die Triebwerksabzapfluft enthält
nicht nur die auf den Triebwerkskompressionsvorgang zurückzuführende Verschmutzung,
sondern auch die bereits in der Umgebungsluft vorhandenen Verschmutzungen,
die über den
Triebwerkseinlaß aufgenommen
werden. Die Menge der durch das Flugzeugtriebwerk hinzugefügten Verschmutzung
stellt dann die Differenz zwischen den Verschmutzungsgraden der
Triebwerksabzapfluft und der Einlaßluft dar.
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Somit stellt das Dualsystem Informationen zur
Verfügung,
die nützlich
sind, um die Quelle von Verschmutzungen in der Flugzeugkabinenluft
identifizieren und auch Korrekturmaßnahmen einleiten zu können.
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Eine Dualvorrichtung kann, abhängig von den
Erfordernissen der jeweiligen Installation, entweder mit einem oder
mit zwei Probenerhitzern 12 betrieben werden. 3B zeigt eine typische tragbare Konfiguration,
bei der ein einzelner Probenerhitzer 12 beide Metallrohre 14 enthält. In anderen
Anwendungen, wenn beispielsweise die Distanz zwischen den beiden
Probenluftquellen groß ist,
können
separate Probenerhitzer verwendet werden.
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Für
den Fachmann auf diesem Gebiet ist es einleuchtend, daß verschiedene
zusätzliche
Modifizierungen und Änderungen
an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden
können.
Daher hat diese Beschreibung der vorliegenden Erfindung lediglich
beispielhaften Charakter und stellt hinsichtlich des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen ausgeführt, keine
Einschränkung
dar.