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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, ein Verfahren sowie
einen Sensor zur Erfassung von Flüssigkeitsparametern.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Infrarotspektrometer zur Ölzustandsanalyse
sowie eine entsprechende Messanordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung
ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung von Flüssigkeitsparametern
mittels Infrarotspektroskopie.
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Stand der Technik
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Das
Problem der Ölzustandskontrolle wird seit längerem
diskutiert. Da die Ressourcen an mineralischen Brenn- und Schmierstoffen
begrenzt sind, werden die Kosten für diese Brenn- und Schmierstoffe
in den kommenden Jahren und Jahrzehnten stark ansteigen. Der für
diese Erfindung relevante Bereich ist primär den Schmierstoffen
zugeordnet, insbesondere Motorenöle, Getriebeöle
und Hydrauliköle. Allerdings lässt sich die Erfindung
grundsätzlich auch zur Analyse anderer Flüssigkeiten
anwenden. Die genannten Öle werden in mechanischen Systemen
vorrangig zur Verringerung der Reibung und damit der Dissipation
sowie des Materialverschleißes verwendet. Zudem dienen
sie der Kraftübertragung, reduzieren die Geräuschentwicklung
und ermöglichen eine Wärmeabfuhr.
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Ein
Schmieröl bildet zwischen bewegten Flächen einen
Gleitfilm. Aufgrund thermischer und mechanischer Beanspruchung verschlechtern
sich bei Schmieröle mit der Zeit allmählich diese
Schmiereigenschaften. Daraus resultieren ein höherer Verunreinigungsgrad,
die Bildung neuer Substanzen im Öl, der Verbrauch von Zusatzstoffen
(sog. Additiven) im Öl und schlechtere Fließeigenschaften
(d. h., reduzierte Viskosität). Gealterte Schmierstoffe
sind oftmals nicht mehr in der Lage, den gewünschten Anforderungen
in vollem Umfang zu genügen. Um Schäden vorzubeugen,
muss das Schmiermittel deshalb regelmäßig erneuert
und ausgetauscht werden. Der Zeitpunkt des Austausches ist dabei
aber stets von einer Vielzahl unterschiedlicher Einflussfaktoren
abhängig. Bei bekannten Ölparametern, vergleichbaren
Maschinen und gegebener Anzahl von Betriebsstunden können
unterschiedliche Betriebsbedingungen zu einem unterschiedlichen
Alterungsverhalten führen. So lässt bspw. oftmaliger
Volllastbetrieb das Öl schneller altern als ein häufiger
Betrieb der Maschine unter Teillastbedingungen.
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Dennoch
werden bei vielen Anwendungen Schmieröle innerhalb bestimmter
zeitlicher Zyklen gewechselt, insbesondere im Hinblick auf Herstellerempfehlungen.
Bei Fahrzeugmotoren wird ein solcher Austausch nach einer bestimmten
Fahrleistung oder nach einem bestimmten Zeitintervall verlangt,
bspw. um Gewährleistungsansprüche nicht zu gefährden.
Aus diesem Grund werden sehr häufig Schmierstoffe mit noch
ausreichenden Schmiereigenschaften vorzeitig gewechselt, wodurch
wertvolle Ressourcen in großem Umfang verschwendet werden.
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Aufgrund
der zunehmenden Ressourcenverknappung und der individuellen Schmierstoffalterung
ist es sinnvoll, Methoden zu entwickeln, die es ermöglichen,
den tatsächlichen Ölzustand festzustellen, um
das Öl zum richtigen Zeitpunkt, d. h. nach seiner tatsächlichen
Abnutzung, zu wechseln. Weitere damit im Zusammenhang stehende Aspekte
sind eine Kosteneinsparung durch verringerte Mengen zu entsorgenden
Altöls, eine Kosteneinsparung durch verringerten Frischölverbrauch,
reduzierte Maschinenstillstandszeiten und ein möglicherweise
frühzeitiges Erkennen von Getriebeschäden bzw.
sich anbahnenden Schäden an anderen Maschinenteilen.
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Zur
zuverlässigen Beurteilung von mineralischen Schmierstoffen
gibt es verschiedene Verfahren. Als eine der verbreiteten Verfahren
hat sich die Infrarotspektroskopie durchgesetzt, die üblicherweise
in Analyselabors durchgeführt wird. Die Infrarotspektroskopie
ist ein physikalisch-chemisches Analyseverfahren, das neben einer
qualitativen Analyse auch zur quantitativen Bestimmung relevanter
Substanzen genutzt werden kann. Der infrarote Wellenlängenbereich
(0,8–1000 µm) lässt sich untergliedern
in das nahe Infrarot (NIR 0,8–2,5 µm), in das
mittlere oder klassische bzw. „normale" Infrarot (MIR 2,5–25 µm)
und in das sog. ferne Infrarot (FIR 25–1000 µm).
Dabei verursachen jeweils unterschiedliche Phänomene die
Absorption der Strahlung. Im MIR beispielsweise absorbieren Molekülrotationen
und Molekülschwingungen, die im NIR nur noch als Obertöne
bzw. als Kombinationsschwingungen detektierbar sind.
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Die
IR-Spektroskopie im mittleren Infrarot ist einer der leistungsfähigsten
analytischen Techniken in der chemischen Analytik organischer Substanzen.
In IR-Spektren wird die Transmission als Maß für
die Durchlässigkeit einer Anregungsstrahlung verwendet.
Sie wird nach oben zunehmend der vertikalen Achse aufgetragen (Bereiche
geringer Durchlässigkeit der IR-Strahlung ergeben einen
Ausschlag nach unten).
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Das
Prinzip der Infrarotspektroskopie lässt sich folgendermaßen
beschreiben:
Eine zu untersuchende Substanz, hier Mineralöl,
besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Moleküle.
Die Bestrahlung dieser Moleküle mit elektromagnetischen
Wellen des (mittleren) Infrarotbereichs führt zur Schwingungsanregung
der Molekülbindungen. Dabei erfolgt eine Anregung nur bei
der für die Molekülbindung charakteristischen
Wellenlänge. Infolgedessen wird Energie dieser Wellen Wellenlänge
absorbiert, so dass der Detektor eine Abnahme der Strahlungsintensität
registriert. Anhand der charakteristischen Wellenlängen
einer Substanz kann diese identifiziert und analysiert werden. Die
IR-Spektroskopie ist somit strukturklärend. In der schematischen
Darstellung der 1 ist das Prinzip der Infrarotspektroskopie
skizziert. Eine Infrarotquelle strahlt Licht infraroter Wellenlängen
auf die zu untersuchende Substanz. Diese befindet sich in einem
Probenbehälter, der für die verwendete Infrarotstrahlung
transparent ist. Die Substanz in der Messzelle besitzt ein ihr charakteristisches
Absorptionsspektrum. Nach der Messzelle folgt der Spektralapparat,
mit dessen Hilfe die Wellenlängen selektiert werden können.
Der sich am Ende des Strahlengangs befindende Detektor nimmt nun die
Intensität der einzelnen Wellenlängen auf. In
einer Verstärker- und Auswerteeinheit wird der gemessene Wert
verstärkt und ausgewertet.
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Es
gibt eine Vielzahl charakteristischer Wellenlängen, die
zur Bestimmung der Bestandteile im Öl herangezogen werden
können. Wichtig und von Interesse sind hierbei die Wellenlängen,
bei denen das Transmissionsspektrum signifikante Veränderungen
bei alterndem Öl aufweist. Hier eine kleine, jedoch unvollständige
Aufzählung:
| Oxidation: | 5,85 µm; |
| Nitration: | 6,13 µm; |
| Sulfation: | 15,63–16,95 µm; |
| Ruß: | 2,63–5,05 μm; |
| Wasser,
Glykol: | 2,74–3,17 μm; |
| Phenol: | 2,74 μm; |
| Benzin: | 12,82–13,16 μm; |
| Diesel: | 12,2–12,5 μm. |
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Darüber
hinaus stehen noch zahlreiche verschiedene Wellenlängen
zur Verfügung, deren Aussagekraft hinsichtlich Alterungserscheinungen
des Öls noch zu überprüfen ist.
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Schmieröl
weist zur Verbesserung seiner Eigenschaften eine große
Anzahl von sog. Additiven auf. Diese Additive werden dem Öl
beigemischt und verbessern seine Eigenschaften. Derartige Additive
sind z. B.:
- – Verschleißminderer
(Anti Wear);
- – Reibungsminderer (Friction Modifier);
- – Fressschutzadditive (extreme Pressure/ep-additives);
- – Antioxidantien (Verhindern der Ölalterung);
- – Viskositätsindexverbesserer (VI Improver);
- – Schaumverhütungsadditive;
- – Biozide.
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Die
Infrarotölanalyse ist bereits aus dem Stand der Technik
bekannt. Viele der derzeit verfügbaren spektroskopischen
Systeme zur Stoffanalyse haben den Nachteil, dass zur Erfassung
der gesamten oder charakteristischer Teilausschnitte der Absorptionsspektren
sehr aufwändige Verfahren erforderlich sind. In diese Systemgruppe
fallen vor allem Gitter-Spektrometer, Prismen-Spektrometer und Fast- Fourier-Transform-Spektrometer,
die teils mit hohen Anschaffungskosten verbunden sind. Darüber
hinaus sind derartige Systeme nur bedingt für den Einsatz
in technischen Produktionsprozessen geeignet, da komplexe mechanische
Bewegungsabläufe erforderlich sind, deren mechanische Instabilitäten
in zureichenden Reproduzierbarkeiten und in hohem Wartungsaufwand
resultieren.
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Darüber
hinaus sind sog. filterbasierte spektroskopische Verfahren bekannt.
Bei diesem Ansatz finden verschieden ausgestaltete optische Filter
Anwendung, die in Wirkverbindung mit Fotodetektoren stehen. Der bekannte
Stand wird im Wesentlichen durch einfache Bandpass-Filter zur Erfassung
eines diskreten spektralen Bereichs bzw. durch die Verwendung von
Filterrädern mit mehreren diskreten Filtern gebildet. Derartige Verfahren
bzw. Vorrichtungen sind offenbart in
US
44 77 190 ,
US 42 91
985 ,
US 39 63 351 und
US 38 77 812 . Alternative
Vorrichtungen sehen zirkular-variable Filter vor, wie dies bspw.
aus
US 34 42 572 , aus
US 46 57 398 , aus
US 39 29 398 , aus
US 38 11 781 und aus
US 37 94 425 bekannt ist.
Weiterhin ist die Verwendung von linear-variablen Filtern bekannt.
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Die
US 51 66 755 offenbart eine
spektrometrische Vorrichtung zur Analyse von polychromatischem Licht
und umfasst einen linear-variablen Filter, der derart angeordnet
ist, dass die an der Ausgangsseite des Filters zur Verfügung
gestellten, verschiedenen Wellenlängen auf verschiedene,
ein Array mit mindestens einer Zeile bildende, fotosensitive Elemente
trifft, welche auf einem monolithischen Substrat angeordnet sind. Ähnliche
linear-variable Filter für die Spektroskopie finden sich
zudem in
US 60 57 925 ,
in
US 52 18473 , in
US 57 93 545 und in
US 51 59 199 .
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Aus
der
DE 103 16 514
A1 ist eine Vorrichtung zur IR-spektrometrischen Analyse
eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums
mit einer Prozesssonde bekannt, die ein Reflexionselement aufweist.
Die Vorrichtung umfasst einen linear-variablen Filter, ein Detektorelement
und eine Regel-/Auswerteeinheit. Das Detektorelement kann bspw.
pyroelektrischer Art sein. Das Detektorelement und der linear-variable
Filter sind über näherungsweise die Länge
des linear-variablen Filters relativ zueinander bewegbar angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung steuert
die Regel-/Auswerteeinheit die Relativbewegung zwischen dem Detektorelement
und dem linear-variablen Filter schrittweise oder kontinuierlich über einen
Schrittmotor. Ähnliche Systeme finden sich auch in der
US 2006/0284058 A1 sowie
in der
WO 02/084238
A1 .
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Auf
der Seite des Strahlungsempfängers sind in der Gasmesstechnik
Systeme bekannt, bei denen wellenlängenabhängig
geschwächtes Licht über ein speziell auf den jeweiligen
Anwendungsfall abgestimmtes linear-variables Filter auf einen Pixelzeilendetektor
gelangt. Eine entsprechende Anordnung ist in der
EP 0 732 580 A2 beschrieben.
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Gegenstand
der
DE 196 50 397
A1 ist die Ermittlung des Verschleißgrades von Öl
mit Hilfe der Absorption von Infrarotstrahlung. Es wird dabei die
sich im Verlauf der Nutzung verändernde Absorption bzw. Transmission
von Infrarotstrahlung im Bereich einer Wellenlänge von
10,3 µm zum Zweck der Bestimmung des Verschleißgrades
von Öl erfasst. Die Bestimmung der Absorption im Bereich
um 10,3 µm erfolgt im Vergleich zu einer anderen geeigneten
Wellenlänge.
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Die
DE 101 05 793 A1 offenbart
ein Verfahren zur Bewertung der Qualität eines Schmierstoffes
mittels zuvor ermittelter Messwerte für dessen Absorptions-
bzw. Transmissionseigenschaften bezüglich infraroter Strahlung.
Zur Auswertung werden mindestens zwei Spektralbereiche genutzt,
die jeweils aus mindestens einem charakteristischen Band für
im unverbrauchten Schmierstoff enthaltene, sich über die
Alterung des Öls verbrauchenden Bestandteile und einem
charakteristischen Band für die im Öl entstehenden
Alterungsprodukte besteht. Die Gesamtbewertung der Schmierstoffqualität
wird aus einer gemeinsamen Bewertung beider Messgrößen
gebildet.
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Aus
der Patentschrift
US 50 49 742 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem der Anteil von Nitratsäureestern anhand
der Transmission des Schmieröls im Spektralbereich von
6,7 µm ermittelt und aus diesem Alterungsprodukt auf die
Schmierölqualität geschlossen wird.
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Die
DE 10 2004 035 623
A1 offenbart eine Messvorrichtung zur Analyse von Eigenschaften
einer strömenden Flüssigkeit, insbesondere von
Schmiermitteln, mittels Infrarotspektroskopie.
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Beschreibung
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Ein
vorrangiges Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Ölanalyse
zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes
der Technik vermeidet. Die Vorrichtung soll insbesondere flexibel
und nicht auf Öle eines bestimmen Typs beschränkt
einsetzbar sein. Die Untersuchungsmöglichkeit soll nicht
nur auf eine charakteristische Wellenlänge eingeschränkt
sein. Zudem soll die Vorrichtung eine „online"-Untersuchung
während des Maschinenlaufs ermöglichen. Ein weiteres
Ziel der Erfindung besteht darin, ein entsprechend einsetzbares
Verfahren zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen
Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messanordnung zur Erfassung
von physikalischen und/oder chemischen Parametern einer Flüssigkeitsprobe,
mit einer Infrarotlichtquelle und mit einem im Strahlengang der
Infrarotlichtquelle angeordneten Probenbehälter mit der
zu untersuchenden Flüssigkeit, einem dahinter angeordneten
Spektralapparat zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder
mehrerer Wellenlängenbereiche sowie einem Infrarotdetektor,
der mit einer Auswerteeinheit gekoppelt ist. Der Spektralapparat weist
einen Linearfilter auf was die wesentlichen Vorteile der mit dem
Linearfilter erreichbaren sehr feinen Auflösung sowie des
vereinfachten Aufbaus hat. Alternative Varianten (Prisma, Gitter,
FTIR-Spektrometer) sind im Aufbau wesentlich komplexer und müssen
aufwendiger justiert werden, was eine erhöhte Erschütterungsempfindlichkeit
zur Folge hat und den Einsatz beispielsweise in einem KFZ ausschließen
würde. Durch den Einsatz eines Linearfilters ist der gesamte
Aufbau des Analysegerätes im Vergleich zu bisherigen Varianten
stark verkleinert, sodass die Einsatzmöglichkeiten enorm
steigen.
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Dem
Linearfilter kann wahlweise eine im Strahlengang angeordnete Blende
nachgeordnet sein. Zudem kann der Linearfilter in senkrechter oder
schräger Richtung zum Strahlengang verschiebbar angeordnet sein,
so dass die Variabilität der Messanordnung verbessert ist.
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Der
Infrarotdetektor kann insbesondere eine hochauflösende
Detektorzeile bzw. eine hochauflösende Detektormatrix umfassen.
Zudem kann der Probenbehälter in seinen Abmessungen variabel
einstellbar sein. So kann bspw. die Dicke des Probenbehälters
in Richtung des Strahlengangs variabel einstellbar sein.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass der Probenbehälter zwischen
zwei begrenzenden Scheiben eine flexible, umlaufende Manteldichtung
aufweist, welche einen zum Strahlengang parallelen Außenmantel des
Behälters bildet.
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Wahlweise
können auch mehrere parallel angeordnete Linearfilter mit
jeweils zugehörigen Blenden und/oder Infrarotdetektoren
vorgesehen sein. Dabei kann wenigstens einer der Linearfilter durch
einen fest eingestellten Referenzfilter gebildet sein.
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Als
Infrarotlichtquelle kommt bspw. eine pulsierende Lichtquelle in
Frage.
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Als
Filter kann bspw. ein drehbarer Interferenzfilter eingesetzt werden,
dessen Drehachse senkrecht oder schräg zum Strahlengang
orientiert ist.
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Die
dem Linearfilter nachgeordnete Blende kann einen variabel einstellbaren
Spalt aufweisen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Messverfahren zur Erfassung
von physikalischen und/oder chemischen Parametern einer Flüssigkeitsprobe,
bei dem infrarotes Licht durch einen Probenbehälter mit
der zu untersuchenden Flüssigkeit, einen dahinter angeordneten
Spektralapparat zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder
mehrerer Wellenlängenbereiche sowie einen Infrarotdetektor,
der mit einer Auswerteeinheit gekoppelt ist, geleitet wird. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird im Spektralapparat das Licht durch einen
Linearfilter geleitet, was die oben bereits erwähnten Vorteile
hat. Das Licht kann zudem nach dem Linearfilter durch eine Blende
geleitet werden. Der Linearfilter kann in senkrechter oder schräger Richtung
zum Strahlengang verschiebbar sein. Das infrarote Licht kann bspw.
mittels einer hochauflösenden Detektorzeile bzw. einer
hochauflösenden Detektormatrix erfasst werden.
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Weiterhin
kann es von Vorteil sein, wenn der Probenbehälter in seinen
Abmessungen variabel einstellbar ist. So kann insbesondere die Dicke
des Probenbehälters in Richtung des Strahlengangs variabel
einstellbar sein.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass das infrarote Licht durch mehrere parallel
angeordnete Linearfilter mit jeweils zugehörigen Blenden
geleitet und von mehreren parallel angeordneten Infrarotdetektoren
erfasst wird. Wenigstens einer der Linearfilter kann durch einen
fest eingestellten Referenzfilter gebildet sein. Die Infrarotlichtquelle
kann wahlweise eine pulsierende Lichtstrahlung emittieren. Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass das infrarote Licht durch wenigstens
einen drehbaren Interferenzfilter geleitet wird, dessen Drehachse senkrecht
oder schräg zum Strahlengang orientiert ist. Zudem kann
vorgesehen sein, dass bei der dem Linearfilter nachgeordneten Blende
die Spaltweite variabel einstellbar ist.
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Figurenbeschreibung
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Weitere
Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel
dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen
auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
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1 zeigt
das Prinzip der Infrarotspektoskopie anhand eines bekannten Aufbaus
gemäß Stand der Technik.
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2 zeigt
den Aufbau eines Linearfilters.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Analysegerätes.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform mit hoch auflösender
Detektorzeile, ohne Filterverschiebetisch.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einstellbarer Probenwand.
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6a zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mantelförmiger
Dichtung.
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6b zeigt
eine O-Ringdichtung zur Verwendung bei einer alternativen Ausführungsform
der Messkammer.
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6c zeigt
eine Ausführungsvariante der Messkammer mit einer O-Ringdichtung.
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7 zeigt
ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel mit zwei
Linearfiltern.
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8 zeigt
ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel mit modulierter
und gepulster IR-Quelle.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Referenzsignalmessung.
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10 zeigt
eine Schar von Transmissionskurven eines 5,84 µm-Filters
für Einfallswinkel von 0 bis 65° in 5°-Schritten.
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11 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drehbarem Interferenzfilter.
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12 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform mit variablem
Spalt.
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13 zeigt
ein Transmissionsspektrum für einen Linearfilter I.
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14 zeigt
ein Transmissionsspektrum für einen Linearfilter II.
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15 zeigt
ein Transmissionsspektrum für einen Filter mit Saphirfenster.
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16 zeigt
ein Transmissionsspektrum für einen Filter mit Zinksulfidfenster.
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17 zeigt
ein gemessenes Öltransmissionsspektrum.
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Bei
einem Verfahren mittels Linearfilter bzw. Verlaufsfilter wird die
zu untersuchende Probe mittels eines Linearfilters analysiert. Dieser
Linearfilter wird quer zum Strahlengang zwischen IR-Quelle und Detektor eingebracht
und ist mit Hilfe eines Schrittmotors transversal verstellbar. Im
Idealfall befindet sich der Filter orthogonal zum Strahlengang.
Eine leichte Verkippung des Filters wäre aber grundsätzlich
nicht von Nachteil, da dies lediglich zu einer marginalen Verringerung
des Transmissionsgrads sowie zu einer leichten Verschiebung der
Zentralwellenlänge führen würde, die
ohne großen Aufwand korrigiert werden könnte.
Dadurch sind die Anforderungen an den Justiervorgang wesentlich
geringer als bei herkömmlich verwendeten Spektralapparaten (Prisma,
Gitter, FTIR-Spektrometer). Ein Linearfilter ist dabei wie in 2 dargestellt
aufgebaut.
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Ein
Linearfilter, oder allgemeiner Verlaufsfilter, ist ein länglicher
rechteckiger Dünnschichtinterferenzfilter, bei dem die
Schichtdicke über der Länge L variiert. Die auf
dem Substrat aufgebrachte Schicht besteht dabei aus vielen separaten
Schichten. Dabei können verschiedene Schichtstrukturen
aufgedampft werden, so dass ein optischer Bandpass entsteht. Die
Zentralwellenlänge eines optischen Bandpasses steigt proportional mit
dessen Schichtdicke, weil die Bedingung für konstruktive Überlagerung
(Interferenz) je nach Schichtdicke für eine bestimmte Wellenlänge
erfüllt ist.
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Der
orthogonal in den Strahlengang eingebrachte und positionierbare
Linearfilter fungiert somit als durchstimmbarer Bandpass, der das
IR Spektrum „abscannt". Der Detektor nimmt nun die resultierende Lichtintensität
pro Wellenlänge auf. Prinzipiell könnte sich der
Linearfilter vor oder nach der Ölprobe im Strahlengang
befindet. Im Versuchsaufbau hat sich jedoch gezeigt, dass ein nach
dem Probenfenster angeordneter Spektralapparat (Linearfilter samt
Ausgangsspalt) zusätzliches Streulicht der Messprobe beseitigt.
Somit ist eine Anordnung zwischen Probenbehälter und Detektor
vorteilhaft.
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In 3 wird
ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Analyseapparates aufgezeigt. Der optische Filter wird wie dargestellt
auf einen sich orthogonal zum Strahlengang befindlichen Verschiebtisch montiert.
Ein am Verschiebetisch angeflanschter und hier nicht dargestellter
Schrittmotor ermöglicht die Positionierung des Linearfilters
in 1μm-Schritten. Die Steuerung des Schrittmotors wird durch
die Auswerteeinheit vorgenommen (dargestellt durch Pfeil von Auswerteeinheit
zu Verschiebetisch). Die Darstellung des Linearfilters in den Regenbogenfarben
verdeutlicht dessen Positionsabhängigkeit der Zentralwellenlänge.
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Vorteile
hierbei sind die feine Auflösung, die mit dem Linearfilter
erreicht werden kann sowie der vereinfachte Aufbau. Alternative
Varianten (Prisma, Gitter, FTIR-Spektrometer) sind im Aufbau wesentlich
komplexer und müssen aufwendiger justiert werden, was eine
erhöhte Erschütterungsempfindlichkeit zur Folge
hat und den Einsatz beispielsweise in einem KFZ ausschließen
würde.
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Durch
den Einsatz eines Linearfilters ist der gesamte Aufbau des Analysegerätes
im Vergleich zu bisherigen Varianten stark verkleinert, sodass die
Einsatzmöglichkeiten enorm steigen. Wie durch den Stand
der Technik aufgeführt, ist das Analyseverfahren grundsätzlich
bekannt. Nach eingehender Recherche scheint eine Ölanalyse
basierend auf einem Linearfilter im Strahlengang noch nicht bekannt,
weshalb diese als stärkstes Argument der Anmeldung eingehen
sollte.
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Als
weiterführende alternative Ausführung kann die
Verschiebeeinheit samt Messdetektor durch eine Detektorzeile nach
dem Linearfilter ersetzt werden, die jedoch eine entsprechend hohe
Auflösung aufweisen muss. Kommerziell erhältliche
IR-Detektorzeilen besitzen derzeit eine noch zu geringe Auflösung,
um in Kombination mit einem Linearfilter aussagekräftige
Analysen betreiben zu können. Zukünftig werden
aber diese Detektorauflösungen wesentlich höher
sein, sodass diese Ausführung definitiv mitgeschützt
werden sollte.
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Durch
Einsatz eines derartigen Detektors ist die Momentaufnahme des kompletten
Spektrums ohne Verschieben des Linearfilters möglich. Dies
reduziert bewegliche Teile, vereinfacht so den Aufbau und verkürzt die
Messzeit erheblich. Die
4 zeigt diese alternative Darstellung.
Beim Linearfilter treten genauso wie bei Interferenzfiltern unerwünschte
Nebenmaxima auf, die den Nennbereich des Filters einschränken.
Diese Nebenmaxima müssen geblockt, d. h. unterdrückt
werden. Zur lückenlosen Abbildung des mittleren Infrarotbereichs
werden infolgedessen drei Linearfilter benötigt, wobei
für die Ölanalyse zwei Filter ausreichend sind
(siehe Unterpunkt „Zweizonenanalyse"). Die Blockung an
der kurzwelligen Messgrenze wird durch zusätzlich aufgebrachte
Schichten (auch dynamische Blockung möglich) zufrieden
stellend erreicht. Die Blockung an der langwelligen Messgrenze wäre aufgrund
der damit deutlich verlängerten Herstellungszeit (λ/4-Schichten)
mit beträchtlichen Mehrkosten verbunden, sodass diese üblicherweise
durch ein geeignet gewähltes Substratmaterial erzielt wird.
Da sich Halbleitermaterialien wie Germanium und Silizium als Substrat
zum Aufdampfen der Schichten oft besser eignen, kann es sinnvoll
sein, das blockende Material nicht als Substrat des Filters, sondern
als Fenster an der IR-Quelle, am Detektor oder falls geeignet für
die Messkammer zu verwenden. Bei Verwendung mehrerer Linearfilter
darf nur die Blockung des langwelligsten Filters in den gemeinsamen
Strahlengang eingebracht werden, die Blockung der kurzwelligeren
Filter kann direkt am jeweiligen Linearfilter erfolgen, bei Verwendung
separater Detektoren auch an diesen. Zur Blockung geeignete Materialien
sind:
| ≥ 7 µm: | Al2O3
(Saphir) |
| ≥ 14 µm: | BaF2
(Bariumfluorid), ZnS (Zinksulfid) |
| ≥ 21 µm: | ZnSe
(Zinkselenid). |
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Die
beiden derzeit verwendeten Linearfilter (siehe Unterpunkt „Zweizonenanalyse")
besitzen langwellige Messgrenzen von 5,3 µm (siehe Anhang 13)
und 11,2 µm (siehe 14). Die
störenden Nebenmaxima beginnen bei 7 µm bzw. 14 µm.
Zur Blockung des langwelligen Linearfilters kann somit auch in den
gemeinsamen Strahlengang ZnS (siehe 16) verwendet
werden, zur Blockung des kurzwelligen Linearfilters wird Saphir
(siehe 15) entweder vor dem Linearfilter
oder bei separatem Detektor an diesem eingebracht.
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Weiterhin
kann mit variablen Schichtdicken gearbeitet werden. Der Doppelpfeil
am linken Fenster der Messzelle in 5 symbolisiert
eine Vorrichtung, die der Veränderung der Dicke des „Probenbehälters"
dient. Die variable Schichtdicke bietet folgende Vorteile:
- – Absorptionsanpassung für
optimales Messergebnis,
- – Betriebsart Modulationsmessung durch Schwingung der
Messkammer,
- – Einsatz der Messkammer als Membranpumpe.
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Weiterhin
kann der Absorptionsgrad angepasst werden. Die Lichtleistung, die
vom Öl absorbiert wird, ist stark abhängig von
dessen Schichtdicke. Im Bouguer-Lambert-Beer'schem Gesetz wird der
Zusammenhang zwischen transmittiertem Licht und der Schichtdicke
deutlich:
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Dabei
bedeutet:
- T...
- Transmission
- 10...
- eingestrahlte Intensität
- I...
- resultierende Intensität
- a...
- Absorptionskoeffizient
- b...
- Schichtdicke
- c...
- Konzentration
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Durch
eine Veränderung der Schichtdicke lässt sich also
die Transmission stark beeinflussen, nämlich mit der zehnten
Potenz. Die Dicke der Messkammer wird nun während eines
Messablaufs permanent nachgeregelt, sodass stets ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis
erzielt wird. Es ist also ein Kompromiss zu finden zwischen sich
stärker variierender Absorption (größere
Schichtdicke) und ausreichender Strahlungsintensität (kleinere
Schichtdicke) am Detektor. Da die jeweils verwendete Schichtdicke
bekannt ist, kann mit obiger Formel die tatsächliche Transmission
bestimmt werden.
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Die
variable Schichtdicke bietet auch noch die im Folgenden genannten
Vorteile. Da in der infrarotspektroskopischen Ölzustandsanalyse
meist eine Schichtdicke um 100 µm verwendet wird, können
die meist sehr zähflüssigen Öle oftmals
nur sehr schwer oder gar nicht in die Messzelle gebracht bzw. diese
ausreichend befüllt werden. Die variabel verstellbare Schichtdicke
hingegen ermöglicht ein leichtes Befüllen der
Messkammer bei aufgefahrener Messzelle, also bei großer Schichtdicke.
Zum Messen wird die Kammer dann auf die benötigte Schichtdicke
zugefahren. Auch eine Reinigung der Messzelle wird durch die variabel
verstellbare Schichtdicke deutlich erleichtert. Die Modulation der
Schichtdicke könnte den verbesserten Reinigungseffekt dabei
noch unterstützen.
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Die
Absorptionsanpassung vermag der spektralen Charakteristik der Messanordnung
Rechnung zu tragen. Diese wird sich während der Lebensdauer
des Analysegeräts ändern und wird von folgenden
Faktoren beeinflusst:
- – spektrale
Abstrahlcharakteristik der Quelle,
- – spektral schwankende Detektorempfindlichkeit (auch
aufgrund des Detektorfensters),
- – spektral veränderte Transmission der Zentralwellenlänge
der Linearfilter,
- – Transmissionsverlauf der Mess- und Blockungsfenster,
- – Transmissionsverlauf der im Strahlengang befindlichen
Umgebungsluft (Luftfeuchtigkeit, CO2-Gehalt, ...),
- – Transmissionsverlauf des Öls (verwendeter
Typ und dessen Alterungsgrad),
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Eine
weitere Möglichkeit besteht in einer Modulationsmessung
durch Schwingung der Messkammer. Die verwendeten pyroelektrischen
Detektoren haben die Eigenschaft, nur auf eine Lichtänderung
zu reagieren. Sie haben also differenzierendes Verhalten. Um diese
Veränderung des Lichtes zu erreichen, kann neben dem Pulsen
der Lampe auch ein schnelles Auf- und Zufahren der Kammer (Lampe
im Dauerbetrieb) eine Modulation des Lichtes hervorrufen. Eine Fusion
beider Vorgänge ist ebenso denkbar, d. h. Schwingung der
Messkammer bei gepulster Lampe. Ein Unteranspruch zum Schutz dieses
speziellen Untersuchens erscheint demnach sinnvoll.
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Eine
weitere Möglichkeit, die die variable Schichtdicke bietet,
ist der Einsatz der Kammer als Membranpumpe. In die Messzelle führen
dabei zwei Schläuche, der erste wird für die Befüllung
verwendet, der zweite zum Entleeren, wobei dieser mit einem Kugelventil
versehen ist. Somit kann die Kammer durch Schwingung selbstständig Öl ansaugen
und wieder ausblasen. Auch ein Selbstreinigungsprozess kann damit
realisiert werden.
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Die 5 zeigt
nun ein alternatives Ausführungsbeispiel mit einer Messzelle,
dessen Dicke durch Verschieben beispielsweise einer Probenbacke
verstellbar ist. Wie dargestellt, wird eine Probenwand der Messzelle
durch einen wiederum nicht dargestellten Schrittmotor verstellt
(Auflösung: 1 µm). Dadurch ist die Messzelle in
ihrer Dicke variabel und infolgedessen auch das Transmissionsspektrum
der Probe. Ein derartiges „online-Verfahren", bei dem eine
Probe mit unterschiedlichen Probendicken geprüft wird,
ist derzeit aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Eine Ölzustandskontrolle
mit einstellbarer Probenwand stellt hohe Anforderungen an das Dichtungsmaterial
(in 5 dargestellt) der Messkammer. Für das
Verfahren mit variabler Schichtdicke ist eine hohe Komprimierbarkeit
essentiell. Diese Eigenschaft muss vor allem auch nach längerem
Betrieb des Sensors noch gegeben sein, was bedeutet, dass selbst
nach mehreren 10000 Zyklen die ursprüngliche Form beibehalten
werden muss und das Material wieder in seine Ausgangsform zurückkehren
sollte. Darüber hinaus ist zu beachten, dass das Dichtungsmaterial
resistent gegenüber dem Öl und speziell seinen
enthaltenen Stoffen, wie Säuren, Additiven und Schmutzpartikeln
sein muss. Weiterhin wird eine hohe Temperaturbeständigkeit
(bis 200°C) gefordert.
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Als
verwendbare Materialien stellten sich Implantatsilikone und Fluorelastomere
insbesondere Fluormoosgummi heraus, wobei momentan Fluormoosgummi
favorisiert wird, da dieser im Vergleich zum Implantatsilikon eine
höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber
dem Öl aufweist. Eine verlässliche Aussage bezüglich geeigneten
Dichtungsmaterials lässt sich nur durch Langzeittests bestätigen.
Falls sich dabei zeigen wird, dass die Forderung der Temperatur-
und Ölbeständigkeit nicht mit der Forderung der
Komprimierbarkeit vereinbar ist, wäre eine mantelförmige
Dichtung (aus Fluorelastomer) eine praktikable und zu bevorzugende
Alternative – vgl. 6a.
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An
die Dichtung der variabel verstellbaren Messzelle sind große
Anforderungen zu stellen. Neben dem chemisch aggressiven Öl
sind auch hohe Temperaturen und hohe Drücke zu berücksichtigen.
Es hat sich gezeigt, dass sich ein wie in 6b gezeigter
O-Ring dafür am besten eignet. Im Sensor könnte
eine O-Ringdichtung wie in 6c gezeigt
realisiert werden. Der O-Ring kann in die ringförmige Ausnehmung eingelegt werden,
die um das kreisförmige Probenfenster angeordnet ist. Durch
Aneinanderfügen der beiden Hälften der Messzelle
wird der O-Ring zusammengedrückt und sorgt für
die zuverlässige Abdichtung der Messanordnung. Diese O-Ringdichtung
bietet zudem den Vorteil, dass damit die Schichtdicke in der Messzelle
variiert werden kann, so dass auch relativ zähflüssige Öle
in die Messzelle gebracht werden können. Die variabel verstellbare Schichtdicke
ermöglicht ein leichtes Befüllen der Messkammer
bei aufgefahrener Messzelle, also bei großer Schichtdicke.
Zum Messen wird die Kammer dann auf die benötigte Schichtdicke
zugefahren. Auch eine Reinigung der Messzelle wird durch die variabel
verstellbare Schichtdicke deutlich erleichtert. Die Modulation der Schichtdicke
könnte den verbesserten Reinigungseffekt dabei noch unterstützen.
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Auch
das Material der Probenfenster kann Einfluss auf die Messung haben.
Um ein Öl während des Betriebs im Getriebe etc.
untersuchen zu können, bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten:
Die Analyse entweder direkt im Ölsumpf („Inline"
Analyse) oder die Analyse außerhalb der Maschine, indem
das Öl mittels Druckschläuchen in die Probenkammer
transportiert wird („Online” Analyse). In beiden
Fällen muss das Sichtfenster der Messzelle aus IR-transparentem
Material sein. Weiterhin muss es langjährig resistent gegenüber
den relativ aggressiven Bestandteilen im Öl sein. Ein zurzeit
verwendeter Stoff ist Zinksulfid. Bei einer Ausweitung des langwelligen
Messbereichs zur Detektion von Diesel und Benzin wäre der
Einsatz von Zinkselenid angedacht. Kann der Messbereich hingegen
auf die kurzwellige Zone (siehe Unterpunkt „Zweizonenanalyse")
eingeschränkt werden, so bietet sich die Verwendung von
Saphir als Probenfenster an.
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Neben
seiner Transparenz im Messbereich und der Ölbeständigkeit
bietet die Verwendung von Zinksulfid noch den Vorteil der bereits
in Unterpunkt „Linearfilter" angesprochenen Blockung unerwünschter
Nebenmaxima an der langwelligen Messgrenze, da das Transmissionsspektrum
ab 11,2 µm bzw. 890 cm–1 stark abfällt
(vgl. 16).
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Um
nun zu einer verlässlichen Aussage bzgl. der Alterung des
zu untersuchenden Mediums zu gelangen, ist grundsätzlich
eine Zweizonen-Untersuchung angedacht. Die 17 zeigt
Spektren eines Öls in verschiedenen Alterungszuständen
im interessierenden mittleren Infrarotbereich. Da der Wellenzahlbereich
von 2000–2500 cm–1 (Bereich
der Streckschwingungen von Dreifachbindungen und kumulierter Doppelbindungen) keine
für die Ölzustandsanalyse bedeutenden Informationen
trägt, ist es sinnvoll, eine Zweizonenanalyse durchzuführen
und den Bereich zwischen 2000–2500 Wellenzahlen für
die Bewertung der Alterung des Öls auszusparen.
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Für
die Betrachtung der einzelnen Zonen ist es wiederum vorteilhaft,
unterschiedliche Linearfilter zu verwenden, dargestellt in 7 als
weiteres alternatives Ausführungsbeispiel. Der erste Linearfilter
ist hierbei in einem Wellenlängenbereich von 1,6 µm
bis 5,3 µm aktiv, der zweite Linearfilter weist einen Wellenlängenbereich
von 5,8 µm bis 11,2 µm auf. Diese Bereichszahlen
sind momentan gültig.
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Im
Sinne einer Patentanmeldung sollte der Bereich unterhalb 1,6 µm
mit geschützt sein, da eine Untersuchung dieses Wellenlängenbereiches
möglicherweise ebenfalls aussagekräftige Ergebnisse
hinsichtlich der Aufgabe liefern könnte. Momentane Ergebnisse
unterhalb von 1,6 µm liegen allerdings zum jetzigen Zeitpunkt
nicht vor.
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Bislang
wurde die Entwicklung von Ölzustandssensoren mit festen
charakteristischen Wellenlängen forciert, Marktreife hat
dabei noch keine erreicht. Das Konzept der Betrachtung fester Wellenlängen
wäre dann sinnvoll, wenn alle öle nach den gleichen
Kriterien beurteilt werden könnten. Da dem nicht so ist,
müsste für jedes Öl und jede seiner Additivierungen
ein individueller Sensor aufgebaut werden, der z. B. bei Verwendung eines
anderen Öls oder veränderter Zusammensetzung der
Additive unbrauchbar werden würde.
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Die
Verwendung von Linearfiltern hingegen ermöglicht die Konzeption
eines für verschiedenste Öle mit unterschiedlichsten
Additiven universell einsetzbaren Ölzustandssensors, lediglich
die Software muss modifiziert werden. Weiterhin ist es möglich,
nach einem erfolgten Ölwechsel autonom zu Überprüfen,
ob das richtige Öl für das Getriebe etc. verwendet
wird.
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Das
im Unterpunkt „Drehbarer Interferenzfilter" gezeigte Konzept
steht zwischen den beiden zuletzt vorgestellten: Es werden einzelne
charakteristische Wellenlängen verwendet, die aber in einem
eng begrenzten Messbereich verstellt werden können.
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Weiterhin
kann die Ansteuerung der Infrarotstrahlungsquelle//Pulsformen variiert
werden. Wie bereits erwähnt besitzen die verwendeten pyroelektrischen
Detektoren die Eigenschaft, nur auf eine Lichtänderung
zu reagieren. Sie haben also differenzierendes Verhalten. Um diese
Veränderung des Lichtes zu erreichen, wird die Infrarotstrahlungsquelle
mit einem gepulsten elektrischen Signal angesteuert, wobei zurzeit
nur die steigende Flanke in die Auswertung eingeht. Eine Berücksichtigung
auch der fallenden Flanke ist angedacht.
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Dabei
ist darauf zu achten, dass die Impulse der IR-Quelle, die durch
das elektrische Signal generiert werden, zeitlich hinreichend voneinander
entfernt liegen, um am pyroelektrischen Detektor aufgrund seiner zeitlichen
Verzögerung ein aussagekräftiges Ausgangssignal
zu erzeugen. Für eine flexiblere Messung kann es nun vorteilhaft
sein, die Flankenformen der IR-Quelle, einschließlich deren
Höhen, zu variieren.
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Im
Hinblick auf eine Ölanalyse zur Anpassung der Quelle an
die Detektorempfindlichkeit (vgl. Unterpunkt variable Schichtdicke-Absorptionsanpassung)
ist diese Maßnahme neu. Dies könnte in speziellen
Fällen die Einstellung der variablen Schichtdicke unterstützen
und ist somit als weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
(8) denkbar. Wie in 8 durch
die unterschiedlichen Flankenformen angedeutet, bewirken steilere Flanken
ein höheres Ausgangssignal, länger ansteigende
Flanken haben ein breiteres Ausgangssignal zur Folge. Ein Vorteil
der Impulsflankenformänderung ist die unterstützende
Anpassung der Quelle an die jeweilige Detektorempfindlichkeit.
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Ein
verlässlicher Auswertealgorithmus sollte möglichst
viele der dem Messsignal hinzukommenden Störungen berücksichtigen
und kompensieren. Diese Störungen können additiver
oder multiplikativer Natur sein. Additive Störungen sind
beispielsweise Fremdlichteinstrahlungen, multiplikative Störungen
sind beispielsweise Änderungen, die die spektrale Charakteristik
der optischen Komponenten betreffen (siehe Faktoren im Unterpunkt „variable
Schichtdicke – Absorptionsanpassung").
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Zur
Kompensation additiver Störeinflüsse ist es nötig,
ein Referenzsignal bei einer festen Wellenlänge mit aufzunehmen,
bei der keine Änderungen während der Alterung
auftreten (siehe „Messbereich"). Ein zusätzlicher
Filter, der nicht verstimmt wird, lässt Licht dieser Referenzwellenlänge
(beispielsweise bei 2000 cm–1)
durch. 9 als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt
den prinzipiellen Aufbau.
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Zur
Kompensation multiplikativer Störeinflüsse ist
es nötig, vor der eigentlichen „Ölmessung"
eine „Luftmessung" durchzuführen, d. h., dass
zunächst eine Aufnahme der gleichen Messreihe bei leerer
Messzelle vorgenommen wird. Da sich multiplikative Störungen
durch einen eher trägen Verlauf auszeichnen, wird das Ergebnis
der „Luftmessung" abgespeichert (siehe Unterpunkt EEPROM)
und kann für einen längeren Zeitraum verwendet
werden.
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Theoretisch
erfolgt eine Auswertung nach folgendem Algorithmus:
- TÖI (λ)...
- Transmission des Öls
- MessÖl(λ)...
- Messsignal Ölmessung
- AddÖl(λ)...
- Additive Störeinflüsse
bei Ölmessung
- Messluft(λ)...
- Messsignal Luftmessung
- AddLuft,(λ)...
- Additive Störeinflüsse
bei Luftmessung
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Dahinter
verbirgt sich die Theorie, dass additive Störgrößen
vom Messsignal subtrahiert bzw. multiplikative Störgrößen
vom Messsignal geteilt werden.
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Die
Praxis, durchgeführt in der Auswerteeinheit dieser Erfindung
umfasst nun zwei Phasen:
Zunächst werden ein Messsignal
und ein Referenzsignal bei einer „Luftmessung", d. h. einem
leeren Probenbehälter aufgenommen und abgespeichert.
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Im
zweiten Schritt werden Messsignal und Referenzsignal bei befülltem
Messbehälter erneut aufgenommen. Mittels beschriebenen
Algorithmus werden nun die additiven und multiplikativen Störgrößen
in der Auswerteeinheit herausgerechnet.
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Alternativ
zu einem verschiebbaren Linearfilter sind auch ein oder mehrere
drehbare Interferenzfilter denkbar, deren Zentralwellenlänge
den charakteristischen Wellenlängen des Öls entspricht.
Wie aus 10 ersichtlich ist, bewirkt
eine Drehung des Filters ebenfalls eine Verschiebung der Zentralwellenlänge,
allerdings nur innerhalb eines geringen Wellenzahlbereichs.
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Die 11 zeigt
einen möglichen Aufbau, der als weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
gelten soll. Vorteil eines drehbaren Interferenzfilters im Vergleich
zu einem Linearfilter ist die für bestimmte Einsatzorte
vereinfachte Mechanik, wodurch der Verschiebetisch entfallen kann.
Die Zentralwellenlänge eines Interferenzfilters ist temperaturabhängig.
Durch ein Drehen des Interferenzfilters lässt sich beispielsweise
dieser Effekt ausgleichen. Nachteil eines drehbaren Interferenzfilters
im Vergleich zu einem Linearfilter ist sein nur geringer Durchstimmbereich.
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Die
Detektorsignale werden in Verstärkerschaltungen, deren
Verstärkungsfaktoren digital verstellbar sind, vorverarbeitet
und abschließend in digitale Signale umgewandelt. Die Verstärkungsfaktoren
werden dabei mittels digitaler Widerstände von der Auswerteeinheit
derart eingestellt, dass am Ende die Analog-Digital-Converter jederzeit
optimale Eingangssignale erhalten, d. h. möglichst hohe
Werte, um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen,
aber keine zu hohen Werte, die zu einem Überlauf führen
würden.
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Da
beispielsweise durch die Alterung des Öls eine permanente
Transmissionsschwächung des Messsignals zu erwarten ist,
würde ohne eine Nachregelung des Verstärkungsfaktors
die Auflösung des dargestellten Messwerts immer weiter
sinken.
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Die
Auswerteeinheit verfügt über einen EEPROM, der
zur Speicherung folgender Daten verwendet wird:
- – „Luftspektrum" – siehe
Unterpunkt „Auswertealgorithmus".
- – Temperaturcharakteristik des Analysegeräts – um
mit Hilfe geeignet platzierter Temperatursensoren den Einfluss der
Temperatur auf das Messergebnis zu berücksichtigen.
- – Soll-Spektrum – wird z. B. nach einem Ölwechsel
mit dem Ist-Spektrum korreliert, um eine Aussage zu treffen, ob Öltyp
und dessen Qualität passend gewählt wurden.
- – Ist-Spektren vorhergehender Messungen – um
außergewöhnliche Veränderungen festzustellen
und dadurch Schäden frühzeitig zu erkennen.
- – Charakteristische Wellenlängen und Grenzwerte
für eine aussagekräftige Analyse.
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Sinnvoll
ist weiterhin eine frühest mögliche Digitalisierung
und/oder kurze Signalwege. Durch eine frühe Digitalisierung
der Sensorausgangssignale (Detektoren, Temperatursensoren) können
Störeinflüsse vermindert und eine fehlerbehaftete Übertragung
weitestgehend unterbunden werden. Vorteilhaft ist deshalb eine frühestmögliche
Digitalisierung, beispielsweise durch Verwendung von Sensoren, die
bereits eine Analog-Digitalwandlung chipseitig bereitstellen und
dadurch digitale Ausgangssignale aufweisen. Eine Steigerung der Störunempfindlichkeit
wird auch durch einen Schaltungsentwurf mit möglichst geringen
Signalwegen erreicht.
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Möglich
ist auch eine Veränderung der Spaltbreite. Die optimale
Spaltbreite bei der Verwendung eines Linearfilters lässt
sich anhand folgender Formel bestimmen:
- L...
- physikalische Länge
- λ...
- Wellenlänge
- Δλ1/2%...
- prozentuale Halbwertsbreite
- λmin...
- minimale Wellenlänge
- λmax...
- maximale Wellenlänge
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Es
ist ersichtlich, dass die optimale Spaltbreite wellenlängenabhängig
ist und somit für optimale Ergebnisse während
der Messung nachgeregelt werden sollte.
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Zudem
kann durch Veränderung der Breite des Blendenspalts auch
eine Analyse beschleunigt werden, indem zunächst das IR-Spektrum
mit geringer Auflösung und hoher Strahlungsintensität
(d. h. großer Spaltbreite) „abgescannt" wird,
um anschließend anhand dieses groben Verlaufs nur noch
die relevanten Bereiche mit einer feinen Auflösung (optimale
Spaltbreite) aufzunehmen. Die 12 zeigt
diese weitere Ausführungsform. Diese Variante ist sehr
zeitsparend. Allerdings nachteilig ist eine zusätzliche
mechanische Komponente zur Steuerung des Blendenspalts, wodurch
der Apparateaufbau verkompliziert wird.
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Möglich
ist weiterhin eine Linearfilter-Dauermessung (Transmissionsspektrum
und erste Ableitung). Wie bereits im Unterpunkt „variable
Schichtdicke" angesprochen, haben die verwendeten pyroelektrischen
Detektoren die Eigenschaft, lediglich Änderungen der Lichtintensität
aufzunehmen. Sie haben also differenzierendes Verhalten. Um eine
Veränderung der Lichtintensität zu erreichen,
kann neben dem Pulsen der Lampe auch ein kontinuierliches Verfahren
des Linearfilters (Lampe im Dauerbetrieb) diese Modulation hervorrufen.
Das zunächst aufgenommene Signal entspricht der ersten
Ableitung des Transmissionsspektrums, die in der Infrarotspektroskopie
häufig Verwendung findet. Gleichzeitig kann durch einfaches
Aufaddieren das Transmissionsspektrum erhalten werden.
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Ein
weiteres Verfahren besteht in einer Detektor-Thermopile. Für
den Analyseapparat sind pyroelektrische Detektoren vorgesehen. Der
Nachteil dieser Detektorart besteht in ihrer Vibrations- und Schallempfindlichkeit.
Deshalb kann für den Einsatz in mobilen Geräten
die Verwendung von Thermopiles die bessere Alternative sein. Diese
sind vibrationsunempfindlicher, besitzen aber eine größere
Temperaturabhängigkeit.
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Es
soll an dieser Stelle betont sein, dass eine Abstrahierung der Erfindung
und ein Ausdehnung auf andere technische Bereiche sinnvoll und möglich
sein kann. Die beschriebene Erfindung bezieht sich zunächst auf
eine Schmierölanalyse. Dabei wird das Öl auf charakteristische
Bestandteile hin untersucht und bewertet. Diese Analyse lässt
sich grundsätzlich auf alle denkbaren Flüssigkeiten
ausweiten. Wichtig ist dabei lediglich, dass die Wellenlängen
der Flüssigkeitsbestandteile bekannt sein sollten. Flüssigkeiten
könnten dabei alle Arten von Ölen, Wasser, Säuren
etc sein. Speziell im Bereich Ölanalyse scheint indessen
ein solches System noch unbekannt. Das beschriebene System ist allerdings
derart flexibel einsetzbar, dass nur die Wellenlängen bekannt
sein müssen, die geprüft werden sollen. In einem
Datenspeicher abgelegt sind sie universell abrufbar.
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Das
System ist indessen angedacht für viele verschiedenste
Anwendungsgebiete, als mobiles Analysegerät (Kfz etc.),
wo extreme Bedingungen (starke Temperaturschwankungen etc.) vorherrschen,
oder auch in Großanlagen (Maschinen, Windkraftanlagen,
Turbinen etc.). Das System kann sowohl stand-alone sein, also ein
eigenständiges Gerät, in welches Proben eingebracht
werden, als auch ein kleiner Sensor beispielsweise in einem Getriebe
(Inline, Online). Somit sind Baugruppen (Stromversorgung, Probenentnahme,
Auswerteeinheit etc.) eventuell in extra Gehäuseteilen
untergebracht.
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Wichtig
bleibt dabei die Analyse mittels Linearfilter. Dieser sollte eventuell
als verstimmbarer Interferenzfilter oder noch allgemeiner als optisches
Element bezeichnet werden und nur in einem Unteranspruch als Linearfilter/Verlaufsfilter
benannt sein.
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Als
Detektor sollte auch nur in einer speziellen Form der pyroelektrische
bzw. der Thermopile-Detektor Erwähnung finden. Als Oberbegriff
könnten Lichtumsetzeinheit oder Umsetzeinheit (von Licht
in elektrische Spannung) gewählt werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und
Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen
Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich
fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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