ES2676649T3 - Método y dispositivo para la determinación del estado de degradación de un aceite lubricante - Google Patents
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Abstract
La presente invención proporciona un método y dispositivo para Ia determinación de Ia degradación de un aceite usado. El método de Ia invención se basa en calcular los componentes en las bandas roja, verde y azul del espectro de Ia transmitancia del aceite sin usar, I
Description
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DESCRIPCION
Método y dispositivo para la determinación del estado de degradación de un aceite lubricante Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para determinar el estado de degradación de un aceite lubricante e hidráulico. Más en concreto, se refiere a un método y un dispositivo para proporcionar una lectura precisa de la degradación total a lo largo del uso de un aceite midiendo la transmitancia en el intervalo visible del espectro de color de dicho aceite.
Antecedentes de la invención
La necesidad del uso de sensores apropiados para llevar a cabo la monitorización del aceite industrial ha sido reconocida como un área crítica por ingenieros de operaciones, fabricantes de maquinaria e incluso por organismos de regulación de normativas, especialmente durante los últimos años, en los que la fiabilidad, la eficacia y la seguridad sobre los procesos y/o productos juega un papel muy importante.
La maquinaria industrial, ya sean motores generadores de energía o compresores, multiplicadoras etc. se someten a muchas paradas y fallos debido a la degradación de aceites lubricantes e hidráulicos. Este problema provoca situaciones de riesgo cuando estas máquinas se emplean como un componente de sistemas más complejos, de manera que el efecto de una parada en estos casos es mucho peor tanto desde un punto de vista de coste como desde el punto de vista de la seguridad de la maquinaria.
La reducción de vida de servicio del equipo produce con frecuencia costos de mantenimiento innecesarios y las metodologías actuales de medición “fuera de línea” no proporcionan una detección suficientemente temprana del proceso de degradación. Además, en muchos entornos (transporte, industrial, energía...) esta metodología de control implica una carga logística y económica significativa para un ambiente muy pequeño. Para hacer frente a este problema, se está desarrollando una nueva generación de sensores, capaz de realizar el análisis del estado de la máquina en tiempo real.
Teniendo todo lo anterior en cuenta, el uso de sensores inteligentes permitirá a medio plazo la optimización del tiempo de vida útil, reduciendo costes y problemas en la maquinaria. La maquinaria crítica puede beneficiarse de un aumento de fiabilidad y el personal operacional puede aprovecharse de una reducción de carga en trabajos inadecuados de mantenimiento.
El proceso de degradación de un aceite sigue varias etapas bien conocidas: primero se somete a una pérdida del contenido de aditivos para generar más tardes compuestos ácidos. El porcentaje de constituyentes ácidos (en forma de aditivos en el caso de lubricantes nuevos y en forma de compuestos de oxidación en el caso de los lubricantes en servicio) se determina a través de técnicas analíticas. Existen equipos de medición en línea como el uno descrito en la patente JP 2000146696 que usa la absorbancia en el intervalo visible del espectro electromagnético para correlacionarlo con el parámetro AN. Estos métodos presentan la limitación de que, aunque el AN es uno de los parámetros más indicativos del estado aceite lubricante, solo contempla la degradación oxidativa del aceite. Además, estos equipos no se pueden usar en motores debido a la carbonilla que se genera en el proceso de combustión. La carbonilla oscurece el aceite, de manera que el cambio de color no es debido a un cambio en el estado de degradación del aceite.
La patente de EE.UU. n.° 7.612.874 presenta un método y un dispositivo para la monitorización del deterioro del aceite en tiempo real. Esta patente se basa en el cálculo del deterioro mediante la relación cromática Cr=Ur/Ug (absorbancia en el rojo y en el verde), para determinar el deterioro térmico y oxidativo del aceite. El método, sin embargo, no permite conocer la vida remanente del aceite.
La patente de EE.UU. n.° 6.061.139 presenta un método y un dispositivo para monitorizar la degradación térmica de lubricantes. Este método usa la banda de 850 nm del espectro de luz para determinar el estado del aceite. El uso de una única banda hace que no se tenga una sensibilidad muy alta y que se vea afectado el resultado por otros factores.
La patente RU2329502 también usa mediciones de la transmitancia el espectro de luz visible con los 3 intervalos espectrales (rojo, verde y azul) para dar como resultado el contenido de "impurezas totales", partículas que se generan durante la degradación del aceite.
El documento US 2009/216464A1 desvela un proceso para calcular la degradación total del aceite lubricante usado, en el que se calculan los componentes en las bandas roja, verde y azul del espectro de la transmitancia del aceite sin usar, y en el que se realizan las mediciones de la transmitancia del mismo aceite ya usado en esas bandas.
El documento JP H04-142447 desvela un dispositivo de monitorización de lubricante. El dispositivo se adapta para
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detectar señales de luz roja, verde y azul, que se convierten en señales eléctricas, a partir de las que se calcula un valor de intensidad de color usando un dispositivo aritmético.
Objetivo de la invención
El objetivo de la presente invención es facilitar la monitorización en tiempo real y proporcionar un dispositivo y un método rápido y fiable de determinación del estado de degradación del aceite que resuelva los problemas anteriormente mencionados. El método y sensor ofrecen como resultado el índice de degradación del aceite (Oil Degradation, OD por sus siglas en inglés) que indica en porcentaje la degradación global en el momento de la monitorización o medida. El método comprende las siguientes etapas:
a. calcular los componentes en las bandas roja, verde y azul del espectro de la transmitancia del aceite sin usar,
Ir0, Ig0 e Ib0
b. realizar varias mediciones de la transmitancia del mismo aceite ya usado en las bandas roja, verde y azul y obtener la media aritmética, lR, lG e lB
c. calcular los índices del color del aceite usado y el índice de color de referencia como
CI=1*Ir+0,5*Ig+0,5Ib
CIref=1*Ir0+0,5*Ig0+0,5Ib0
d. obtener el valor de degradación global como OD(%)=100 - 100*LOGiü (CIref/CI). El dispositivo correspondiente comprende una luz blanca fuerte, una celda fluídica adaptada para el paso del aceite a través de la misma, un detector capaz de detectar la cantidad de luz emitida por la fuente y absorbida por el aceite en varias longitudes de onda del espectro visible y transformar la luz detectada en una señal eléctrica característica de la transmitancia en el espectro visible y medios adaptados para llevar a cabo las etapas de cálculo del procedimiento anteriormente mencionado usando la señal eléctrica como mediciones de transmitancia. Opcionalmente, comprende además un filtro de partículas y medios para eliminar las burbujas del aceite.
Breve descripción de las figuras
Para ayudar a una mejor comprensión de la presente descripción, de acuerdo con una realización preferida de la invención, se adjunta un conjunto de figuras cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:
Figura 1: es un diagrama del principio de medición, donde se representa la intensidad de luz transmitida tras su paso por el aceite y que se recoge mediante el detector.
Figura 2: es un diagrama de la implementación del sensor de la invención en un sistema de lubricación.
Figuras 3a y 3b: son gráficos donde se representa el valor de la degradación de aceite (OD) medido según la invención, en comparación con los parámetros más representativos de la degradación de dos aceites.
Descripción detallada de la invención
Con referencia a las figuras 1 y 2, el sensor de la invención (1) está ideado para instalarse en una derivación del sistema de lubricación (2). El sistema toma ventaja de la diferencia de presiones necesaria para que el aceite (5) circule a través del sensor. El aceite, después de la derivación, pasa a través de una serie de componentes hidráulicos dentro del sensor: una electroválvula que gestiona el paso del aceite a través del dispositivo, un filtro de partículas para eliminar las partículas de cierto tamaño y un sistema para eliminar las burbujas que se generan en el sistema de circulación del aceite. Después de pasar por todos los elementos hidráulicos, el aceite pasa a la celda fluídica (3) donde tendrá lugar la medición. Esta celda dispone de un paso de luz establecido. Con el aceite ya dentro de la celda, se coloca un haz de luz blanca en el intervalo visible del espectro a través de un emisor tipo LED (8) y la luz que no es absorbida por el aceite se recoge mediante un detector (es decir, un fotodiodo). El detector (4) recoge la luz en varias longitudes de onda del espectro visible. Dicho intervalo del espectro abarca longitudes de onda que varían desde 380 nm hasta 780 nm. Para las mediciones en el visible se usa espectroscopía de transmisión. Un haz de luz visible pasa a través del aceite dentro de la celda fluídica de vidrio. La intensidad de luz transmitida viene dada por la ley de Lambert-Beer:
I(x) = Iüe-Kx
K: constante de absorción
La técnica usada en los sensores del estado de la técnica para monitorizar la degradación de los aceites usados se basa en la búsqueda de información en el espectro visible, correlacionando las variables físico-químicas del aceite lubricante (Número ácido AN, Viscosidad...) con el cambio de color de la muestra. El índice de degradación calculado mediante métodos conocidos es una mezcla de varios parámetros de laboratorio relacionados con la determinación del estado de degradación del aceite. Estos parámetros son el RUL (Remaining Useful Lifetime en inglés, vida remanente útil), Oxidación (FTIR, Fourier Transform InfraRed en inglés, Infrarrojo por transformada de Fourier), Número ácido (AN, Acid Number en inglés) y Viscosidad. Cada parámetro es indicativo de un cierto grado
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de degradación, por ejemplo el RUL es indicativo al principio del proceso de degradación, cuando se están consumiendo los aditivos. El AN y la Oxidación por FTIR son indicativos más tarde, cuando se comienzan a generar los primeros compuestos ácidos. En algunos casos, el AN también es un buen indicativo de que se están perdiendo aditivos, ya que varía (decrece) su valor para después aumentar. La viscosidad es la última en variar, casi al final de la vida útil del aceite. El oscurecimiento o cambio de color del aceite en cambio se aprecia desde el principio hasta el final, desde que comienzan a consumirse los aditivos hasta que se degrada completamente. El porcentaje de transmitancia varía según se va degradando el aceite. Correlacionar todos estos parámetros para calcular el estado de degradación es, sin embargo, mucho más laborioso que aplicar el método de la invención.
Los aceites lubricantes pueden tener diferentes colores en su inicio. Los elementos responsables del color de un aceite lubricante son el aceite base y los aditivos.
• Aceite base: El color de un lubricante varía dependiendo del grado de refinado y del origen de petróleo refinado.
• Aditivos: Algunos aditivos son determinantes del color del aceite final. En particular, aquellos aditivos que contienen azufre en su composición influyen más en el color final del mismo (como por ejemplo algunos aditivos detergentes o antioxidantes).
Los lubricantes van oscureciéndose con el uso. Un cambio de color en los lubricantes indica algún tipo de contaminación, sobrecalentamiento, degradación excesiva o un lubricante inapropiado.
El método de cálculo de vida útil remanente del aceite de acuerdo con la invención tiene en cuenta los componentes en las bandas roja, verde y azul de la transmitancia del aceite sin usar (de referencia o nuevo), Iro, Igo e feo. Opcionalmente, para reducir el ruido en la señal, se efectúa una medición en oscuro (sin que incida luz sobre el detector) para restarla de las mediciones posteriores. A continuación, se realizan varias mediciones de la transmitancia (preferentemente 50) y se obtiene una media aritmética o promedio de la transmitancia para cada color, con lo que se obtienen los valores Ir, Ig e Ib (transmitancia en las tres bandas principales para el aceite usado). Mediante estos valores, se obtiene el valor del índice de color del aceite que se mide mediante la fórmula y el del aceite de referencia.
CI=1*Ir+0,5*Ig+0,5Ib
CIref=1*Ir0+0,5*Ig0+0,5Ib0
Mediante el índice de color del aceite usado y del aceite de referencia, se obtiene el valor de degradación del aceite (del inglés Oil Degradation, OD) que se calcula mediante:
OD(%)=100 - 100*LOG1o (CIref/CI)
Cada usuario marcará los límites de degradación a su gusto pero se considera que el aceite estará agotado cuando el valor OD llegue a cero. También se pueden aplicar alarmas por ejemplo a los niveles del 10 %, 20 % o 30 % para que se comience a vigilar la evolución del aceite.
En las figuras 3a y 3b se muestran ensayos realizados en para dos tipos de aceites: Fuch Renolyn 320 © y Shell Órnala HD 320 ©. El ensayo se ha realizado mediante el procedimiento expuesto anteriormente y se han obtenido diferentes grados de degradación hasta conseguir degradar totalmente el aceite ensayado. Mediante el sensor de la invención se ha obtenido el índice de degradación OD y se ha comparado con los parámetros de laboratorio.
La Figura 3 representa los resultados del proceso de degradación del aceite Fuch Renolyn 320 en los que se comparan los resultados del índice de degradación OD (%) con los diferentes parámetros de laboratorio; RUL, AN, Oxi por FTIR y Viscosidad. Se observa en gráfico del RUL que la variación de RUL es en la primera parte del proceso de degradación, mientras se están agotando los aditivos.
La oxidación (Oxi) es el segundo parámetro en comenzar a variar y el siguiente es el AN. La viscosidad detecta cambios en estados de degradación avanzados.
Las figuras 3A y 3B muestran cómo el valor ofrecido por el sensor de la invención identifica de forma óptima la degradación del aceite, ya que el parámetro OD se comporta de manera muy estable durante todo el proceso de degradación del aceite, al contrario que otros parámetros. Se observa una relación directa del índice de degradación OD con el RUL en la primera fase del proceso de degradación. Se identifica también una relación inversa con el resto de parámetros. En este caso, se observa que la viscosidad va variando durante toda la degradación y los parámetros Oxi (FTIR) y AN comienzan a variar más adelante.
Claims (3)
- 510152025REIVINDICACIONES1. Método para calcular la degradación total de un aceite lubricante usado, que comprende las siguientes etapas:a. calcular los componentes en las bandas roja, verde y azul del espectro de la transmitancia del aceite sin usar,Iro, Igo e Ibob. realizar varias mediciones de la transmitancia del mismo aceite ya usado en las bandas roja, verde y azul y obtener la media aritmética, Ir, Ig e Ibcaracterizándose el método porque comprende además:c. calcular los índices del color del aceite usado y el índice de color de referencia comoCI=1*Ir+0,5*Ig+0,5IbCIref=1*Ir0+0,5*Ig0+0,5Ib0d. obtener el valor de degradación global como OD(%)=100 - 100*LOG10 (CIREF/CI).
- 2. Dispositivo para determinar el estado de degradación de un aceite lubricante usado, que comprende una fuente de luz blanca (8), una celda fluídica (3) adaptada para el paso del aceite a través suyo, un detector (4) capaz de detectar la cantidad de luz emitida por la fuente y absorbida por el aceite en varias longitudes de onda del espectro visible y transformar la luz detectada en una señal eléctrica característica de la transmitancia en el espectro visible, caracterizándose el dispositivo por medios adaptados para llevar a cabo las etapas de cálculo del procedimiento de la reivindicación 1 usando la señal eléctrica como mediciones de transmitancia.
- 3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2 que también comprende un filtro de partículas y medios para eliminar las burbujas del aceite.
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