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Die Erfindung betrifft eine Medientrennvorrichtung, insbesondere Hydrospeicher, mit einer bewegbaren Trenneinrichtung zum Separieren von zwei Medien, die in voneinander verschiedenen Medienräumen aufgenommen sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Messeinrichtung, auch als Umrüst- oder Nachrüstsatz konzipiert, sowie ein Messverfahren zum Betrieb der Messeinrichtung in der Medientrennvorrichtung.
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Medien und insbesondere strömungsfähige Medien im Sinne der vorliegenden Erfindung werden häufig in der Antriebstechnik eingesetzt, beispielsweise als Schmier- und/oder Kühlmittel oder als Druckmittel in hydraulischen Anlagen zur Übertragung von Energien von einer Druckmittelquelle zu einem Verbraucher. Strömungsfähige Medien, wie beispielsweise Hydrauliköl oder sonstige Druckfluide, befinden sich hierbei unter anderem in Medientrennvorrichtungen, wie Hydrospeichern, die in hydraulischen Anlagen verschiedenste Aufgaben erfüllen und beispielsweise der Energiespeicherung, der Bereitstellung einer Fluidreserve, der Notbetätigung von Verbrauchern, der Druckstoßdämpfung und dergleichen mehr dienen. Ein sicherer und ordnungsgemäßer Betrieb einer hydraulischen Anlage erfordert neben der Kenntnis von physikalischen Betriebsparametern, wie Druck- oder Strömungsgeschwindigkeiten, auch eine Aussage darüber, ob die Medientrennvorrichtung selbst störungsfrei und funktionssicher im Betrieb ist.
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Die
DE 101 52 777 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels, mit mehreren Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit der jeweiligen sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben, wobei ein Sensor ein Temperatursensor ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das im Wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist und insbesondere von der Qualität des Mediums im Wesentlichen unabhängig ist. Ein weiterer Sensor gibt ein Ausgangssignal ab, das sowohl von der Qualität des Mediums als auch von der Temperatur des Mediums abhängig ist. Die eingesetzten Sensoren sind auf einem gemeinsamen und in das jeweils zu untersuchende Medium eintauchbaren Substrat angeordnet. Die derart ausgestaltete Vorrichtung ermöglicht die Ermittlung qualitätsbestimmender Parameter von strömungsfähigen Medien unabhängig von deren aktueller Temperatur.
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Die
DE 10 2009 010 775 A1 beschreibt eine Medientrennvorrichtung in Form eines Hydrospeichers zur Aufnahme mindestens eines Teilvolumens einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, wobei der Hydrospeicher ein Gehäuse mit mindestens einer Anschlussstelle zum Anschließen des Hydrospeichers an eine Hydraulikeinrichtung, wie einen Hydraulikkreis, aufweist. Ein Datenspeicher ist derart Bestandteil des Hydrospeichers, dass mittels eines außerhalb des Hydrospeichers angeordneten Lese- und/oder Schreibgerätes die in dem Datenspeicher gespeicherten Daten elektronisch auslesbar sind. Der Betriebszustand des Hydrospeichers ist dadurch zuverlässig ermittel- und überwachbar, vorzugsweise ist die Überwachung auch automatisiert durchführbar und von einer Steuereinrichtung steuerbar.
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Als Trenneinrichtung dient bei der bekannten Lösung eine blasenartig ausgebildete Elastomermembran, die innerhalb des Speichergehäuses zwei Medienräume voneinander separiert, wobei der eine Medienraum als Medium bevorzugt ein kompressibles Arbeitsgas, wie Stickstoffgas, aufweist und der andere Medienraum ist über die Anschlussstelle im Speichergehäuse mit Hydraulikfluid als weiteres unter Druck stehendes Medium, von der Hydraulikeinrichtung kommend, befüllbar. Die Befüllung erfolgt gegen die Kompressionskraft des Arbeitsgases, wobei sich die elastomere Trenneinrichtung „zusammenzieht” und insoweit bewegt. Wird auf Seiten der Hydraulikeinrichtung wieder Hydraulikfluid benötigt, „entspannt” sich die Trenneinrichtung und unter der Wirkung der Kompressionskraft des Arbeitsgases wird die benötigte Fluidmenge aus dem Speichergehäuse über die Anschlussstelle ausgeschoben, wobei regelmäßig eine Teilfluidmenge im Speicher verbleibt. Bedingt durch die Permeabilität des Membranwerkstoffes kommt es langfristig gesehen zu einem ungewollten Übertritt des Hydraulikfluids auf die sog. Gasseite des Hydrospeichers, was im Versagensfall der Trennmembran beispielsweise durch Riss- oder Bruchbildung auch schlagartig geschehen kann mit der Folge, dass das „Arbeitsvermögen” des Hydrospeichers beeinträchtigt ist oder dieser gar innerhalb des Hydraulikkreises völlig ausfällt, was den Betrieb einer Hydraulikanlage erheblich stören oder gar unmöglich machen kann.
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Zwar ist in der
DE 40 06 905 A1 bereits vorgeschlagen worden, ein Verfahren sowie eine für dieses Verfahren verwendbare Vorrichtung zum Messen des Druckes eines Gases, insbesondere zum Feststellen der Gasvorspannung in einem Hydrospeicher, und/oder zum Einhalten eines vorgebbaren Druck-Soll-Wertes in dem dahingehenden Behälter zu schaffen, mit dem grundsätzlich auch ein ungewollter Übertritt von Hydraulikfluid auf die Arbeitsgasseite des Speichers feststellbar wäre; allein die dahingehende Lösung ist relativ kompliziert und im Hinblick auf die Bauteilevielfalt teuer in der Realisierung. So ist für ein entsprechendes Messverfahren zumindest zeitweise eine das Arbeitsgas austauschende Verbindung zwischen dem Hydrospeicher und einer vorzugsweise nur einen Bruchteil des Behältervolumens aufweisenden Messkammer herzustellen, die über eine Druckmesseinrichtung verfügt. Für das Einhalten des Druck-Soll-Wertes wird darüber hinaus zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Hydrospeicher und einer Nachfülleinrichtung hergestellt, die bei einem Druck-Ist-Wert im Behälter, der kleiner ist als der Druck-Soll-Wert, den Behälter auf der Arbeitsgasseite mit Gas nachbefüllt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Medientrennvorrichtung, insbesondere in Form eines Hydrospeichers, zu schaffen, die zur Erhöhung der Funktionssicherheit in der Lage ist, die vorstehend beschriebenen Störfälle mit wenig Bauteilen kostengünstig sowie zeitnah zu detektieren und an den Betreiber der Hydraulikanlage weiterzumelden, an die solche Hydrospeicher regelmäßig angeschlossen sind.
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Diese Aufgaben sind durch die in Anspruch 1 bestimmte Medientrennvorrichtung und durch eine in einem nebengeordneten Anspruch bestimmte Messeinrichtung, sowie durch ein nach einem weiteren nebengeordneten Anspruch bestimmtes Messverfahren zum Betrieb der Messeinrichtung gelöst.
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Erfindungsgemäß ist nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 vorgesehen, dass mittels einer Messeinrichtung ein Übertritt zumindest eines Mediums eines Medienraumes der Medientrennvorrichtung über die Trenneinrichtung in den anderen Medienraum mit dem jeweils anderen Medium detektierbar ist. Mit Hilfe der Messeinrichtung ist vorteilhaft bewirkt, dass vorzugsweise in jedweder Bauart einer Medientrennvorrichtung zumindest das Vorhandensein und gegebenenfalls die Art eines strömungsfähigen Mediums auf einfache Weise detektierbar ist, sobald zumindest eines der beiden Medien von seinem angestammten Medienraum ungewollt in den anderen Medienraum übertritt. Das Detektieren von strömungsfähigen Medien kann hierbei insbesondere als Voraussetzung für die Anwendung von Sicherheitsfunktionen oder das funktionssichere Steuern von Betriebsabläufen auch in komplex aufgebauten Hydraulikanlagen dienen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Medientrennvorrichtung weist die Messeinrichtung mindestens ein Sensorelement auf, das den Medienübertritt über die Trenneinrichtung unter Anwendung eines thermischen und/oder chemischen und/oder physikalischen und/oder optischen und/oder akustischen und/oder elektrischen Messverfahren feststellen kann. Vorteilhaft hat das jeweilige Sensorelement derart eine Anbindung an eine Feststelle bezogen auf mindestens einen der Medienräume, dass in jeder eingenommenen Position der Trenneinrichtung das Sensorelement mit dem übergetretenen Medium in Berührung bringbar ist. Die Anbindung erfolgt in einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Medientrennvorrichtung über mindestens eine flexible Kabelverbindung, wobei das Kabel an seinem einen Ende mit dem Sensorelement verbunden ist und mit seinem anderen Ende an der Feststelle mit Teilen eines Speichergehäuses verbunden ist, das zumindest teilweise die Medienräume begrenzt.
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Das der Feststelle benachbarte Ende der Kabelverbindung ist mit einem Steckerteil verbunden, das auch bevorzugt eine Auswerteelektronik mit umfasst. Auf diese Weise ist in besonders kompakter und kostengünstig herstellbarer Weise eine Medientrennvorrichtung mit einer Messeinrichtung zur Detektion eines Übertritts zumindest eines Mediums eines Medienraumes über die Trenneinrichtung in den anderen Medienraum mit dem anderen Medium geschaffen.
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Die Medientrennvorrichtung ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Hydrospeicher in der Art eines Blasenspeichers mit einer flexiblen Blase als Trenneinrichtung gebildet. Das jeweilige Sensorelement ist dabei auf dem als Gasseite ausgebildeten Medienraum innerhalb des Speichergehäuses des Hydrospeichers angeordnet. Der weitere Medienraum des Hydrospeichers bildet hierbei die Fluidseite. Auch andere Bauformen von Medientrennvorrichtungen, insbesondere in Form von Hydrospeichern, wie etwa von Balgspeichern, Membranspeichern oder auch Kolbenspeichern, lassen sich grundsätzlich mit der dahingehenden, erfindungsgemäßen Messeinrichtung ausstatten.
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Es kann vorteilhaft sein, eine Messeinrichtung auch als Umrüst- oder Nachrüstsatz zu konzipieren, um diese bei einer vorhandenen Medientrennvorrichtung nachträglich einzusetzen und zur Anwendung zu bringen. Die als Umrüst- oder Nachrüstsatz konzipierte Messeinrichtung weist hierbei mindestens ein Sensorelement und eine Kabelverbindung sowie eine Auswerteelektronik und bevorzugt eine Trenneinrichtung auf. Besteht beispielsweise der Wunsch des Betreibers einer hydraulischen Anlage zu einer verbesserten Überwachung, insbesondere der Medientrennvorrichtungen in der hydraulischen Anlage, so können die vorhandenen Medientrennvorrichtungen durch den nachträglichen Einbau eines dahingehenden Umrüst- oder Nachrüstsatzes modifiziert und verbessert werden.
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Ein Messverfahren zum Betrieb der Messeinrichtung in einer Medientrennvorrichtung kann vorteilhaft als thermisches Messverfahren konzipiert sein, wobei die Wärmeleitfähigkeit eines Mediums in einem Medienraum der Medientrennvorrichtung zur Auswertung herangezogen wird, wobei durch ein mit zumindest einem Heizwiderstand versehenes Sensorelement die für eine definierte Temperaturerhöhung des Mediums erforderliche Heizleistung bestimmt wird. Auch kann die Temperaturerhöhung des Mediums in dem Medienraum bei Anwendung einer definierten Heizleistung bestimmt werden. Es eignet sich hierbei vorzugsweise die Anwendung einer transienten Heizdrahtmethode, wobei ein Heizdraht in dem Sensorelement sowohl als Wärmequelle als auch als Temperatursensor dient. Anstatt der Anwendung eines Drahtes kann auch ein Dünnfilmwiderstand auf einem Keramiksubstrat verwendet werden. Vorteilhaft ist hierbei der Dünnfilmwiderstand als Zweig einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Eine Versorgungsspannung der Wheatstone-Brücke kann hierbei gepulst und der Anstieg des Brückensignals, d. h. der Temperaturanstieg von der Auswerteeinrichtung analysiert werden.
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Es kann auch vorteilhaft sein, das Messverfahren als optisches Messverfahren zu konzipieren und hierbei vorzugsweise die Lumineszenz des Mediums in dem jeweiligen Medienraum zu bestimmen. Vorteilhaft lässt sich auch ein optisches Messverfahren anwenden, wobei die Dämpfungs- und Reflektionseigenschaften des jeweils übergetretenen Mediums für die Auswertung optisch hervorgezogen werden.
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Als elektrisches Messverfahren eignet sich vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit bei ungewolltem Übertritt des einen Mediums in das andere Medium. Dieses Messverfahren eignet sich besonders, wenn die in der Medientrennvorrichtung verwendeten Medien keine Isolatoren darstellen. Es kann auch vorteilhaft sein, die dielektrischen Eigenschaften des jeweiligen Mediums zur Auswertung heranzuziehen. Es kann ferner vorteilhaft sein, ein chemisches Messverfahren anzuwenden, wobei hierbei insbesondere solche Messverfahren Anwendung finden können, bei denen sich zumindest ein Teil des Sensorelements bei Kontakt mit dem jeweils anderen Medium aufgrund einer chemischen oder physikalischen Reaktion verändert. Solche Veränderungen können ein detektierbares Aufquellen oder gar ein Auflösen zumindest eines Teils des Sensorelements sein. Es können auch Farbänderungen aufgrund der chemischen Reaktion des Mediums mit einem Teil des Sensorelements ausgenutzt werden, um den Übertritt eines Mediums eines Medienraumes über die Trenneinrichtung in den anderen Medienraum mit dem anderen Medium zu detektieren.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische, nicht maßstäbliche längsschnitt-Darstellung einer Medientrennvorrichtung in Form eines als Blasenspeicher ausgebildeten Hydrospeichers;
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2 eine Prinzipdarstellung eines thermischen Messverfahrens zum Betrieb einer Messeinrichtung in einer Medientrennvorrichtung;
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3 Messergebnisse einer Wärmeleitfähigkeitsmessung bei Zutritt eines gasförmigen und eines flüssigen Mediums an ein Sensorelement der Messeinrichtung;
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4 eine Prinzipdarstellung eines „akustischen Messverfahrens” zum Betrieb einer Messeinrichtung in einer Medientrennvorrichtung;
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5 Messergebnisse des „akustischen Messverfahrens” in Form eines Verlaufs zweier Schwingungskenngrößen, wie man sie im Messbetrieb mit der Vorrichtung nach der 4 erhält.
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In der 1 ist eine Medientrennvorrichtung 1 in Form eines Hydrospeichers 3 mit einer bewegbaren Trenneinrichtung 5 zum Separieren von zwei Medien 7, 9 dargestellt. Die Medien 7, 9 sind in voneinander verschiedenen Medienräumen 11, 13 aufgenommen, wobei die bewegbare Trenneinrichtung 5 die Medienräume 11, 13 mediendicht voneinander trennt. Eine insgesamt mit 15 bezeichnete Messeinrichtung dient dazu, einen ungewollten Übertritt des Mediums 9 aus dem Medienraum 13 über die Trenneinrichtung 5 in den anderen Medienraum 11 mit dem anderen Medium 7 zu detektieren.
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Der Hydrospeicher 3 ist in der Art eines Blasenspeichers 35 ausgebildet und weist eine flexible Blase 37 aus Elastomermaterial bestehend als Trenneinrichtung 5 auf. Der Hydrospeicher 3 dient der Aufnahme eines gasförmigen Mediums 7 in Form eines Arbeitsgases, insbesondere in Form von Stickstoffgas, sowie der Aufnahme eines weiteren Fluidmediums 9; im vorliegenden Fall bestehend aus Hydraulikflüssigkeit. Die dahingehenden Medien 7, 9 können durchaus unter einem Druck von bis zu 600 bar und mehr stehen. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Sensorelement 17 auf dem als Gasseite 39 ausgebildeten Medienraum 11 innerhalb eines Speichergehäuses 27 des Hydrospeichers 3 angeordnet, wobei der weitere Medienraum 13 innerhalb des Speichergehäuses 27 die bereits angesprochene Fluidseite 41 des Hydrospeichers 3 bildet. Zur Ansteuerung des Medienstroms auf der Fluidseite 41 des Hydrospeichers 3 dient in üblicher Bauweise ein Tellerventil 44, das in die Fluid-Anschlussöffnung 45 des Hydrospeichers 3 eingesetzt ist. Über die dahingehende Fluid-Anschlussöffnung 45 lässt sich der Hydrospeicher 3 an weitere Hydraulikeinrichtungen (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines Hydraulikkreises oder dergleichen, fluidführend anschließen.
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Auf der gegenüberliegenden Seite zu der Anschlussöffnung
45 und in Blickrichtung auf die
1 gesehen oberhalb des Speichergehäuses
27 befindet sich eine weitere Anschlussöffnung
47 als Bestandteil eines Aufschraubbauteils
49, über die der Hydrospeicher
3 auf seiner Gasseite
39 regelmäßig mit Arbeitsgas befüllt oder nachgefüllt werden kann. Der dahingehende Aufbau von Hydrospeichern
3 ist üblich und bereits in einer Voranmeldung (
DE 10 2006 004 120 A1 ) der Anmelderin näher beschrieben und im übrigen in einer Vielzahl von Ausführungsformen auf dem Markt frei erhältlich, so dass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher eingegangen wird.
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Anstelle des Arbeitsgases auf der Gasseite 39 kann auch zusätzlich oder alternativ in den Medienraum 11 als Medium ein kompressibler Schaum eingesetzt sein oder kompressible Füllkörper, wie Hohlschaumkörper (nicht dargestellt) und dergleichen mehr. Insoweit ist das dann in den Medienraum 11 eingebrachte Medium 7 aus den dahingehenden Werkstoffen gebildet. Ferner zeigt die 1 bereits die Situation eines sog. Blasenbruches, bei dem ungewollt Fluid 9 von der Medienraumseite 13 auf die Gasmedienraumseite 11 mit dem Arbeitsgas 7 gewechselt ist, so dass sich am Boden der Elastomerblase bereits das Fluid 9 angesammelt hat, das dann über die Messeinrichtung 15 mit dem Sensorelement 17 detektierbar ist, was im Folgenden noch näher erläutert werden wird. Insbesondere dient die Messeinrichtung 15 mit dem Sensorelement 17 dazu, den ungewollten beschriebenen Medienübertritt unter Anwendung eines thermischen und/oder chemischen und/oder physikalischen und/oder optischen und/oder akustischen und/oder elektrischen Messverfahrens festzustellen.
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Das jeweilige Sensorelement 17 hat eine Anbindung 19 an das Speichergehäuse 27 über eine Feststelle 21, bezogen auf den Medienraum 11 derart, dass in jeder eingenommenen Position der Trenneinrichtung 5 das Sensorelement 17 mit dem übergetretenen Medium 9 in Berührung bringbar ist. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anbindung 19 über mindestens eine flexible Kabelverbindung 23 ausgeführt, wobei das jeweilige Kabel 25 an seinem einen Ende 29 mit dem jeweiligen Sensorelement 17 elektrisch leitend verbunden ist und mit seinem anderen Ende 30 über die Feststelle 21 des Speichergehäuses 27 mit Teilen einer Auswerteelektronik 33. Das der Feststelle 21 benachbarte Ende 30 der Kabelverbindung 23 ist insoweit mit einem Steckerteil 31 verbunden, in dem die Auswerteelektronik 33 zur Auswertung von Messsignalen des Sensorelements 17 integriert ist.
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Die Messeinrichtung 15, von der in 2 in einem Ausführungsbeispiel wesentliche Komponenten gezeigt sind, ist als Umrüst- oder Nachrüstsatz konzipiert. Die Messeinrichtung 15 besteht zur Anwendung bei einer Medientrennvorrichtung 1 aus mindestens dem Sensorelement 17, der Kabelverbindung 23, der Auswerteelektronik 33 und bevorzugt der Trenneinrichtung 5. Mit dem beschriebenen Nachrüstsatz lassen sich bereits ausgelieferte Hydrospeicher mit der Messeinrichtung 15 nebst Auswerteelektronik 33 nachrüsten, indem man einfach die flexible Speicherblase gegen eine neue Speicherblase 37 austauscht, die integriert die Mess- und Auswerteelektronik aufweist. Gegebenenfalls kann auch die Speicherblase im Hydrospeicher 3 verbleiben und insoweit muss dann nur noch die Mess- und Auswerteelektronik ergänzend in den Hydrospeicher 3 eingebracht werden.
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Neben dem beschriebenen Blasen-Hydrospeicher 3 können auch andere Medientrennvorrichtungen mit der Messeinrichtung 15 ausgestattet werden. So lässt sich die Erfindung auch bei Kolbenspeichern einsetzen, bei denen die Trenneinrichtung 5 aus einem gegenüber der Speichergehäusewand abgedichteten Verfahrkolben gebildet ist, über dessen Dichtsysteme gleichfalls Fluid von der Fluidseite auf die Gasseite des Speichers ungewollt überwechseln kann, was auch für den Fall gilt, dass eine Dichtung des Kolbens vollständig versagt. Insbesondere bei einer dahingehenden Ausgestaltung ist jedenfalls sicherzustellen, dass durch ein entsprechend lang gewähltes elektrisches Verbindungskabel 25 in jeder Verfahrstellung des Kolbens das zugehörige Sensorelement 17 den ungewollten Übertritt auch immer an der tiefsten Verfahrstellung des Kolbens detektieren kann. Gleiche Überlegungen gelten natürlich auch für den angesprochenen Blasenspeicher sowie für weitere Speicherlösungen, wie beispielsweise Balg-, Feder- oder Membranspeicher, bei denen die erfindungsgemäße Lösung gleichfalls zum Einsatz kommen kann, um den ungewollten Medienübertritt zu detektieren.
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Die angesprochene Auswerteelektronik 33 kann ferner eine auf einer elektrischen, optischen, einer akustischen oder haptischen Funktionsweise basierende Ausgabeeinheit aufweisen und sich gemäß dem Lösungsvorschlag nach der 1 direkt am Hydrospeicher 3 innerhalb einer Art Steckerteil 31 befinden. Über eine entsprechende Kabel- oder sonstige Informationsverbindung lässt sich aber auch die Auswerteelektronik an einer zentralen Stelle, beispielsweise innerhalb eines Gesamtsteuerung, anordnen, die dann in der Lage ist, gegebenenfalls mehrere Hydrospeicher innerhalb einer Gesamt-Hydraulikanlage auf den ungewollten Medienübertritt hin zu überwachen, um einen Versagensfall dem Betreiber der Anlage anzuzeigen.
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In der 2 ist lediglich beispielhaft eine Vorrichtung zum Durchführen eines thermischen Messverfahrens gezeigt, das von der dazu konzipierten Messeinrichtung 15 ausgeführt werden kann. Die gezeigte Messeinrichtung 15 ist in der Lage, die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit insbesondere des auf der Gasseite 39 befindlichen Mediums 7 bei Zutritt des Mediums 9 zu detektieren. Hierzu weist die Messeinrichtung 15 eine in der Art einer Wheatstone-Brücke gebildete Widerstandsmessbrücke 51 auf. In einem Brückenzweig 53 ist das als Heizwiderstand 55 ausgebildete Sensorelement 17 angeordnet. Die Widerstandsmessbrücke 51 wird mit einer gepulsten Betriebsspannung V versorgt. Zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsversorgung ist die Widerstandsmessbrücke 51 abgeglichen. Die in dem gezeigten Anzeigeinstrument 57 angezeigte Differenzspannung der Brückenmitte ist „0”. Durch den Betriebsstrom in dem Heizwiderstand 55 ändert sich dessen elektrischer Widerstand, wodurch die Widerstandsmessbrücke 51 „verstellt” wird. Die sich daraus ergebende Differenzspannung entspricht der Änderung des elektrischen Widerstands des Heizwiderstands 55 und wiederum der Temperaturerhöhung. Die Temperaturerhöhung ist charakteristisch für das Vorhandensein eines zu detektierenden Mediums, hier des Mediums 9, ungewollt übergetreten aus dem Medienraum 13 in den Medienraum 11 durch Versagen der Elastomer Speicherblase 37.
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Das Resultat dieses Messverfahrens ist in 3 anhand des Verlaufs von drei Messwerten 59, 61, 63 gezeigt. Die Messwertverläufe zeigen unterschiedliche Temperaturverläufe an dem Heizwiderstand 55 aufgetragen über der Zeit. Der Verlauf des Messwertes 59 mit den kleineren, absoluten Temperaturerhöhungen zeigt beispielhaft eine Messkurve für Öl. Der Verlauf der Messwerte 61 und 63 zeigen Temperaturerhöhungen bei einem Arbeitsgas unter einem Druck von etwa 100 bar (Messkurve 61) und bei Umgebungsdruck (Messkurve 63). Hieraus wird unmittelbar ersichtlich, dass sich signifikante Unterschiede in dem Temperaturverlauf in Abhängigkeit insbesondere eines Aggregatzustands (gasförmig oder flüssig) eines betreffenden Mediums darstellen lassen. Anhand des Verlaufs der Messwerte kann wiederum auf das Vorhandensein und die Art des jeweiligen Mediums um das Sensorelement 17 herum geschlossen werden. Hierbei wird anhand von Versuchen ein Schwellenwert bestimmt, der die Unterscheidung der Medien 7, 9 unter allen Betriebsbedingungen der Medientrennvorrichtung 1 erlaubt, so dass dergestalt der ungewollte Medienübertritt detektierbar ist.
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In der 4 ist in einer Prizipdarstellung eine Art akustisches Messverfahren anhand des Einsatzes einer Messeinrichtung 115 näher erläutert. Das Sensorelement 117 weist eine Schwingungseinrichtung 113 auf, die unter der Wirkung eines Feldes 119 einer Felderzeugungseinrichtung 121 zu Schwingungen angeregt wird (vgl. 5). Das Schwingungsverhalten der Schwingungseinrichtung 113 ändert sich hierbei bei Zutritt des strömungsfähigen Mediums 9, wobei die Änderung des Schwingungsverhaltens der Schwingungseinrichtung 113 von der Messeinrichtung 115 detektiert wird. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 115 ist die Felderzeugungseinrichtung 121 durch eine Magneteinrichtung 122 gebildet. Die Messeinrichtung 115 weist ferner eine elektromagnetische Spule 125 auf, wobei der Fluss der elektromagnetischen Spule 125 und eine elektrische Spannung in der Spule 125 durch Schwingungen des von der elektromagnetischen Spule 125 angeregten Sensorelements 117 beeinflusst wird.
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Wie die 4 zeigt, ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 115 die Felderzeugungseinrichtung 121 in einem einzigen Bauteil, hier in Form der elektromagnetischen Spule 125, zusammengefasst. Das Sensorelement 117 ist mit der Auswerteelektronik 133 in gleicher Weise, wie dies in der 1 gezeigt ist, über eine flexible Kabelverbindung 123 als Anbindung 19 verbunden.
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Die Schwingungseinrichtung 113 ist in der Art eines Reed-Schalters 131 ausgebildet. Der Reed-Schalter 131 weist zwei weichmagnetische, federnde Metallzungen 134, 135 auf, die sich in dem Sensorelement 117 einander gegenüberliegen und deren Enden 137, 139 sich axial mit einem Längenmaß a überlappen. An dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel berühren sich die Enden 137, 139 der Metallzungen 134, 135 nicht. Radial sind die Metallzungen 134, 135 von der als elektromagnetische Spule 125 gebildeten Magneteinrichtung 122 im Wesentlichen über ihre ganze Länge umschlossen.
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Wird die elektromagnetische Spule 125 bestromt, so ergibt sich das magnetische Feld 119, das in 4 lediglich schematisch dargestellt ist, wobei bei zunehmender Feldstärke die Metallzungen 134, 135 sich aufeinander zubewegen. Die Metallzungen 134, 135 können sich hierbei auch in Abhängigkeit von der Feldstärke des magnetischen Feldes 119 berühre. Bei wiederum abnehmender Feldstärke der Magneteinrichtung 122 lösen sich die Metallzungen 134, 135 voneinander und führen freie Schwingungen aus. Die Bestromung der elektromagnetischen Spule 125 kann auch ganz unterbrochen werden, um den dahingehenden Schwingungsvorgang der Metallzungen 134, 135 zu initiieren.
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Wie die 5 zeigt, kann hierbei eine Schwingungskenngröße 141 oder auch mehrere Schwingungskenngrößen über die Messeinrichtung 115 erfasst werden. 5 zeigt zwei Kurvenverläufe, wobei der obere Kurvenverlauf in Betrachtungsrichtung der 5 eine Schwingungsanzahl der Metallzungen 134, 135 oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes einer Schwingungsamplitude zeigt. Die in Betrachtungsrichtung in 5 untere Kurve zeigt hingegen ein Beispiel der Auftragung der absoluten Schwingungsamplitude der Metallzungen 134, 135 über der Zeit.
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Je nachdem, welches Medium mit dem Sensorelement 117 in Berührung kommt, sehen die Schwingungsverläufe gemäß der beispielhaften Darstellung nach der 5 betreffend ein Sprühöl WD-40 anders aus. So unterscheiden sich die Verläufe von Luft, Stickstoffgas, Wasser, verschiedenen Hydraulik- und Schmierstoffölen, Kaltreinigern, wie Alkoholen oder dergleichen einschließlich Kraftstoffen, wie Dieselöl, deutlich voneinander. Somit lässt sich auch mit diesem Sensorelement 117 der Fluidübertritt auf die Gasseite des Hydrospeichers 3 detektieren.
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Wie 4 ferner zeigt, weist das Sensorelement 117 eine Umhüllung 143 auf, die vorzugsweise aus einem mineralischen Glaswerkstoff gebildet ist, wobei die Umhüllung 143 die Metallzungen 134, 135 radial und axial vollkommen umschließt, unter Einhaltung eines radialen Mindestabstands zu den Metallzungen 134, 135, um deren angeregte Schwingung nicht zu beeinträchtigen. Die dahingehende Umhüllung 143 weist zwei Öffnungen 145 für den Medienzutritt an die jeweilige Metallzunge 134, 135 auf.
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Die Energie für den Betrieb des Sensorelements 117 und der Messeinrichtung 115 wird von einer elektrischen Energiequelle 147 in Form eines nicht näher dargestellten Akkumulators (Batterie) oder bevorzugt kabelgebunden von außen her bereitgestellt, wobei der Sensor 117 wiederum über eine Kabelverbindung 123 als Anbindung 19 an die Auswerteelektronik 133 angeschlossen ist.
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Neben dem beschriebenen Messverfahren können auch optische Verfahren zum Einsatz kommen. So sind sog. Streulichtverfahren gut für eine Detektion von Fluid-Nebeln geeignet, sofern sich eine solche Nebelbildung auf der Gasseite der Speicherblase 37 einstellen sollte. Bei bestimmten Medien lässt sich eventuell zu deren Detektion auch ein etwaiges Vorhandensein von Luminiszenz verwenden. Weitere optische Auswertemöglichkeiten sind in Reflektions- oder Dämpfungseigenschaften von verschiedenen Flüssigkeiten gegenüber Lichtdurchtritt eines Sensors zu sehen. Beim Einsatz optischer Messverfahren sind bevorzugt Lichtwellenleiter einzusetzen.
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Ferner können elektrische Messverfahren zum Einsatz kommen, die im hier aufgezeigten Sinne vorzugsweise auf der Messung von dielektrischen oder konduktiven Eigenschaften des Mediums beruhen. Sowohl anhand der Dielektrizitätzahl als auch der Leitfähigkeit lassen sich Flüssigkeiten und Gase voneinander unterscheiden.
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Bei Einsatz von chemischen Messverfahren sollen Messsysteme zum Einsatz kommen, in denen sich ein Element bei Kontakt mit der zu detektierenden Flüssigkeit aufgrund einer chemischen oder physikalischen Reaktion verändert. Diese Veränderungen können bei dem beschriebenen, ungewollten Medienzutritt sein:
- – Aufquellen oder Volumenzunahme eines Sensorelementes;
- – Auflösen oder Volumenabnahme eines Sensorelementes;
- – Farbänderung eines Sensorelementes und
- – Änderung der elektrischen Eigenschaften eines Sensorelementes.
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Ein Auftrennen oder Auflösen des Sensorelementes kann beispielsweise mit einem federvorgespannten Schalter detektiert werden. Der Schalter ist vorzugsweise derart gestaltet, dass die Volumenänderung den Schalter öffnet oder schließt und insoweit ein Signal an die Messelektronik 33 abgibt. Als Materialien für die hier angesprochenen Sensorelemente kommen bevorzugt Kunststoffe in Frage. In Abhängigkeit von der zu detektierenden Flüssigkeit wird bevorzugt ein hierauf ansprechender unbeständiger Kunststoff ausgewählt.
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Ändert ein Polymer als Sensorelement aufgrund seines Kontaktes mit dem Fluid seine Farbe, kann dies wiederum durch geeignete Messverfahren detektiert werden. Wird das Polymer vorzugsweise als saugfähiges Vlies ausgeführt, kann das Vlies das Fluid zum Sensorelement transportieren und es entsteht ein räumlich verteiltes Sensor- und Auswertesystem.
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Ändert sich die elektrische Leitfähigkeit bei Kontakt mit dem Fluid, kann auch dieser Effekt zur Detektion verwendet werden. Wie bei den bereits erwähnten elektrischen Verfahren kann man beispielsweise eine Dünnfilm-Interdigitalelektrodenstruktur einsetzen, die mit dem Polymer beschichtet ist.
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Abschließend sei noch auf Messverfahren verwiesen, die sog. mechanische Oszillatoren beinhalten. Das dahingehende Messprinzip beruht auf dem Viskositätsunterschied zwischen Arbeitsgas und Fluid. So Ist die Viskosität von Stickstoff zwar auch druck- und temperaturabhängig; liegt jedoch im gesamten für die Messanwendung relevanten Bereich um mehr als zwei Größenordnungen unter der Viskosität von Hydraulikflüssigkeiten.
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Der mechanische Schwinger (nicht dargestellt) befindet sich innerhalb des Fluids und seine Schwingung wird durch das Fluid entsprechend gedämpft. Die auf den Schwinger wirkende Dämpfung ist dabei proportional zur Viskosität des Fluids.
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Als mechanische Schwinger kommen insbesondere in Frage:
- – Schwingquarze wie in einer Quarz-Crystal-Microbalance (QCM),
- – Akustische Oberflächenwellensensoren (SAW),
- – mikromechanische Stimmgabeln,
- – magneto-elastische Filme,
- – mechanisch-magnetische Systeme auf der Basis von Spulen und weichmagnetischen Schwingungselementen.
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QCM-Sensoren, SAW-Sensoren und mikromechanische Stimmgabeln lassen sich sehr gut zur Viskositätsbestimmung von Hydraulikflüssigkeiten mit heranziehen und die dahingehende Messtechnik ist für die vorliegende Aufgabenstellung, einen ungewollten Medienübertritt bei Hydrospeichern zu detektieren, sehr gut geeignet.
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Ferner lassen sich magneto-elastische Filme verwenden, wobei die Resonanzfrequenz eines sog. magneto-elastischen Films sich mit den Umgebungsbedingungen ändert, d. h. mit dem Medium, in dem sich der Film befindet. Der Film wird bevorzugt über eine Magnetspule resonanzangeregt und über eine separate sog. Pick-up Spule oder durch die Erregerspule selbst kann die Schwingung des magneto-elastischen Films detektiert werden. Dergestalt lässt sich auch dieser Effekt zur Unterscheidung, ob sich der Sensorfilm in Öl oder Gas befindet, einsetzen. Die dahingehenden mechanischen Oszillatoren lassen sich dem sog. physikalischem Messverfahren im Sinne des vorliegenden Anmeldegegenstandes zuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10152777 A1 [0003]
- DE 102009010775 A1 [0004]
- DE 4006905 A1 [0006]
- DE 102006004120 A1 [0025]