DE2038542A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Verschmutzungsgrades von Stroemungsmitteln,insbesondere des Schmieroels von Motoren - Google Patents

Description

H1P1

3. August 1970

EISYIROMM(D ONE OORPORA.a}ION, NEW YOKE/USA

"Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Verschmutzungsgrades von Strömungsmitteln, insbesondere des Schmieröls von Motoren"

Bei den Schmiermittel systemen von Motoren ist insb.

bei deren Einsatz in Flugzeugen es wichtig, die Schmier- ^

fähigkeit des Öles stets kontrollieren zu können.

Bekannte Vorrichtungen zur Lösung dieser Aufgabe arbeiten mit der Erfassung des Streulichtverhaltens solcher öle, wobei die Streuung durch die unerwünschten BuS- und Kohleteilchen im Inneren eines relativ stark

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verbrauchten Öls erzeugt wird. Die bekannten Verfahren haben sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen können, weil sie mit ζφίβίβη Fehlermöglichkeiten behaftet sind. Der wesentlichste Fehler ist der, daß kein fester Bezugspunkt für irgendwelche Sollwerte vorhanden ist, wodurch man an der Anzeige z.B. nicht merkt, ob ein relativ starker angezeigter Verschmutzungsgrad tatsächlich durch eine starke Verschmutzung bedingt ist, oder nur durch das Zusetzen entsprechender Felder und dgl. Es ist weiter bei den bekannten Systemen nicht möglich, bei der Anzeige zu unterscheiden, ob eine Änderung der Anzeige z.B. nur durch die Änderung der Intensität der verwendeten Lichtquelle bedingt ist. Es ist versucht worden, dieses letztere Probilm durch intensitätsgesteuerte Lichtquellen zu überwinden, was aber insbesondere bei Flugzeugen nicht zuverlässig genug ist. Es ist weiter versucht worden, eine Bezugslichtquelle zu verwenden, was aber nur eine halbe Lösung des Problems darstellt, weil hier wieder alle diejenigen Verschmutzungen nicht sicher erfaßt werden können, die z.B. an Filtern oder dgl. auftreten.

Die Erfindung schafft zur Lösung der sich aui den obigen Nachteilen ergebenden Aufgabt,«in Übtrwachung·-

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gerät für die Verschmutzung von Medien aller Art, insbesondere aber des Öls von Motoren, bei welchen sowohl das Streuverhalten des Öls gemessen wird, als auch, dessen durch Verschmutzung und chemische Zersetzung bedingte, im Laufe des Gebrauchs schlechter werdende "Durchsichtigkeit". Die erhaltenen Meßwerte werden verglichen mit denjenigen Meßwerten, die ' man in derselben Meßeinrichtung an einem Bezugsmedium erfasst, welches im Falle der Überwachung z.B. eines Motoröls die Streu- und Durchsichtigkeitseigenschaften eines sauberen und neuen Öls hat. Man kann nun die abwechselnd an der zu untersuchenden Probe und am Bezugsmaterial durchzuführenden Messungen in schneller Folge hintereinander durchführen und durch entsprechende Tor- * schaltungen dafür sorgen, daß die Meßwerte vom Bezugsmaterial arar dauernden Eichung des Systems verwendet M werden, während die Meßwerte von der Probe dann echte Anzeigen in einem geeichten System liefern.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

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Figur 1 im Längsschnitt einen Meßijeber, stark

schematisiert;
Figur 2 einen Schnitt nach der Linie II - II der

Figur 1;
Figur 3 einen Schnitt nach der Linie III - III

in Figur 1 j
Figur 4- einen Schnitt nach der Linie IV-IV der

Figur 1i
Figur 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der

Figur 3;
Figur 6 eine Figur 3 ähnliche Darstellung eines

anderen Ausführungsbeispiels; Figur 7 eine Einzelheit der Ausführungsform nach

Figur 6;
Figur 8 einen Teilschnitt nach der Linie VIII -

VIII der Figur 6; und Figur 9 die verwendete elektrische Schaltung.

Wie Figur 1 zeigt, weist der im wesentliche zylindrische mechanische Teil des Überwachungsgerätes einen Gehäuseabschnitt 1 auf, der in der Nähe des zu übeijachenden Strömungsmittels angeordnet ist, z.B. unterhalb des ölspiegels der ölwanne einer Verbrennungsmaschine. Zum Zwecke der Befestigung weist der Gehäuseabschnitt 1 einen Ringflansch 2 mit mehreren am Umfang angeordneten Bohrungen 33

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auf, die zur Befestigung mittels nicht gezeigter Bolzen dienen. Der Gehäuseabschnitt Λ bildet eine mittlere Durchführung für das zu untersuchende Strömungsmittel, d.h. im vorliegenden Falle das Schmieröl des Motors. Das öl tritt entweder durch die Mittelöffnung 4 im Ringflansch 2 oder durch die öffnung 5 am anderen Ende des *ein Gehäuseabschnittes 1*bzw. aus- Λ

Im. vorliegenden Falle wird davon ausgegangen, daß die öffnung 4 die Einlauföffnung für das öl ist. Der Gehäuseabschnitt 1 weist ein Außenrohr 6 mit Bingangsflanseh 7 auf. Der Flansch 7 weist eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme einer Ringdichtung 8 auf, um auf «kiese Weise eine dichte Verbindung zwischen Außenrohr 6 und Flansch 2 unter Zuhilfenahme der Bolzen 9 herzusteifen.

Ein inneres Rohr 10 ist konzentrisch in das äußere Rohr 6 eingebaut und steht in teleskopartifeem Eingriff mit einen Rohrstutzen 11 der seinerseits einstückig mit dem Ringflansch 2 ausgebildet ist. Der Rohrstutzen 11 weist am Umfang eine Außennut zur Aufnahme einer Ringdichtung 12 auf, die eine dichte Verbindung mit dem Innenrohr 10 gewährleistet. Mechanisch ist das Innenrohr 10 mittels Schrauben 13 am Rohrstutzen 11 gehalten. Das Auslaßende des Innenrohres 10 ist konzentrisch von einem Innenflansch

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14 am Ende des Außenrohres 6 gehalten, wobei in der gezeigten Weise wieder eine Dichtung 15 vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine ringförmige, dichte Kammer 16 zwischen dem Außenrohr 6 und dem Innenrohr 10 gebildet, wobei die mittige Durchführung ein Teil des üblichen und entsprechend^! abgedichteten ölsumpfes des Motors ist. Die Kammer 16 nimmt die elektrischen Teile der Meßanordnung auf, während sich in der mittigen Durchführung die Mittel zur Aufnahme und zur Bewegung des zu untersuchenden Strömungsmittels und des Bezugs-Strömungsmittels befinden.

Konzentrisch in der mittigen Durchführung ist ein Läufer 17 drehbar auf gegenüberliegenden Wellenstummeln 18 gelagert, die ihrerseits in Gleitlagern 19 liegen. Die Gleitlager sind ihrerseits in Lagerböcken 20 angeordnet, die z.B. mittels der gezeigten Schrauben 21 oder durch Schweißung an der Innenoberfläche des Innenrohres 10 festgehalten sind. Wie die Figuren 3 und 4 besonders deutlich zeigen, weist der Läufer 17 zwei sich «parallel erstreckende und diametral gegenüberliegende lurchführungen 22 auf, in deren einer das Bezugsmaterial, z.B. eine Glasstange 23 aus "Pyrex" befindet. Diese Stange 23 besteht jedenfalls aus einem lichtdurchlässigem Material, welches «twa diejenigen

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optischen Eigenschaften hat, welche das zu überwachende Strömungsmittel haben soll, solange es sich in einem technisch vertretbaren Zuiand befindet. Die andere Durchführung 22 nimmt das zu untersuchende Material, im vorliegenden Falle Motoröl, auf. Eingangsseitig ist am Umfang des Läufers 17 eine Anzahl von sich radial erstreckenden. Schaufeln 24 angeordnet, welche als Turbinenschaufeln zum Drehen des Läufers 17 dienen, wenn Öl durch die Anordnung fließt. Es kann auch ein kleiner Motor z.B. über einen der Achsstummel 18 den Läufer 17 antreiben, so daß die Schaufeln 24 als Antriebselemente einer Axialturbine oder Axialpumpe wirken, um das öl durch die Anordnung zu treiben. In jedem lalle bewegt sich öl kontinuierlich durch die Durchführung 22, welches auf der Eingangsseite dort eintritt, «^parallel durch den Läufer sich bewegt und durch den schrägen Auslaß 25 gemäß Figur 5 austritt. Wenn sich der Läufer 17 bewegt, sieht die auftretende Zentrifugalkraft das öl radial durch den Auslaß 25 auszutreiben, Wodurch eine Pumpwirkung für das öl in der Durchführung 22 entsteht. Wie Figur 5 zeigt, weist die Durchführung 22 ein aus Kunststoff oder Glas bestehendes, scheibenförmiges Fenster 26 auf, dessen beide Flächen dem öl ausgesetzt sind und das dazu dient, die optischen

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Eigenschaften des in der Bohrung 22 enthaltenen Öls zu erfassen und sie mit den optischen Eigenschaften der Bezugsstange 23 zu vergleichen.

Wie Figur 1 weiter zeigt ist eine Lichtquelle 27 in fe einem Gehäuse 28 angeordnet, das seinerseits durch Schweißen oder dgl. an der Außen-fläche des Innenrohrs 10 befestigt ist. Ein Schutzrohr 29 geht vom Gehäuse 28 ails fluchtend mit der Lichtquelle 27 durch das Rohr 10 hindurch und it daran anschließend um 90° in der in Figur 1 gezeigten Weise gebogen, so daß das Ende in Flucht mit den Bohrungen 22 kommen kann. Mit JO ist ein Dichtungs- und Haltering bezeichnet. Diese einschnappbare Halterung des Eohres 29 im Gehäuse 28 ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Teile aus einem ^ nachgiebigem Kunststoff hergestellt sind. Im Schutzrohr 29 ist über dessen ganze Länge sich erstreckend ein Lichtleiter, ggf. eine Vielzahl von lichtleitenden Fasern 31» angeordnet, wobei der Außendurchmesser dieses Lichtleiters im wesentlichen dem Innendurchmesser des Eohres 29 entspricht und ein eventueller verbleibender Ringraum mit einem geeigneten Dichtungsmaterial gefüllt ist. Der Zweck dieses Lichtleiters 31 besteht darin, Licht von der Lichtquelle 27 in die »«parallel im Läufer

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angeordneten Bohrungen 22 zu leiten. Machdem das von der Lichtquelle kommende und durch den Lichtleiter 31 geleitete Licht durch eine Durchführung 22 gelangt ist, wird es durch einen ähnlichen optischen Leiter 32 wieder aufgenommen, der in einem entsprechendem Schutzrohr 33 angeordnet ist. Das aufgenommene Licht fällt vom Lichtleiter 32 auf die lichtempfindliche Oberfläche eines Fototransistors 34, der in einem Gehäuse 35 angeordnet ist. Dieses Gehäuse 35 ist seinerseits wieder außen an das Rohr ΊΟ angeschweißt. Das von dem optischen Leiter 32 aufgenommene Licht wird im Vergleich zum am anderen Ende hineingeschickten Licht nach Maßgabe der Dämpfungseigenschaften des in der Durchführung 22 enthaltenden Mediums verändert. Diese Dämpfung kann z.B. durch chemische Verfallsprodukte des zu überwachenden Schmieröls bewirkt werden. Diese Dämpfung wird dazu verwendet, das Ausgangssignal vom Fototransistor zu modulieren.

Unmittelbar radial außerhalb der Durchführung 22, welche dasBezugsmaterial 23 aufnimmt, ist eine reflektierende Oberfläche 36 am Außenumfang des Läufers 17 angeordnet, so daß von dem optischen Leiter 31 kommendes Licht radial von dieser reflektierenden Oberfläche in einen radial fluchtenden Leiter 37 reflektiert wird, der dicht in einem Schutzrohr

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angeordnet ist. Das so reflektierte Licht wird auf die empfindliche Fläche eines weiteren Fototransistors 39 gelenkt. Der fototransistor 39 erzeugt also durch die Erregung mittels reflektierten Lichtes ein Ausgangssignal, welches kennzeichnend für die Stellung des Läufers 17 ist. Mit anderen '"Worten: Jedesmal, wenn das Bezugsmaterial 23 sich zwischen den optischen Leitern 31 und 32 befindet, wird von dem Fototransistor 39 ein Signal-Impuls erzeugt. Selbstverständlich könnte man die reflektierende Oberfläche 36 auch im Bereich der Durchführung 22 anordnen, welche das zu untersuchende öl führt, in welchem Falle dann ein Steuerimpuls jedesmal erzeugt wird, wenn das zu untersuchende Material sich zwischen den optischen Leitern 31 und 32 befindet. Der Fototransistor 39 ist in einem Gehäuse 40 angeordnet, welches etwa den oben beschriebenen Gehäusen 28 und 25 gleicht und in der gleichen Weise ausgebildet ist und demnach auch einen entsprechend ausgebildeten Dichtungs-

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bzw. Haltering aufweist.

Die Verschmutzung des zu untersuchenden Öles durch ent sprechende Schmutzteilchen und die optischen Eigenschaften des Bezugsmateriales 22 streuen das durch diese beiden Körper wandernde Licht. Ein Teil des aus dem Bezugsmaterial 23 kommenden gestreuten Lichtes tritt durch ehe zusätzliche radiale öffnung 41 (siehe Figur 1) aus, von

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wo es durch einen in einem Schutzrohr 43 angeordneten optischen Leiter 42 aufgenommen wird und auf die empfindliche Oberfläche eines Fototransistors 44 fällt, der in einem Gehäuse 45 angeordnet ist. Das Gehäuse 45 entspricht baulich etwa den oben beschriebenen Gehäusen für die anderen Transistoren. Der Fototransistor 44 erzeugt also ein Ausgangssignal, welches im Beziehung zu den Streueigenschaften des Bezugsmaterials 23 ά steht. Wenn sich die das zu untersuchende Öl aufnehmende Bohrung 22 in Flucht zwischen den optischen Leitern und 32 befindet, wird von diesen Öl gestreutes Licht durch die entsprechende öffnung 46 über den optischen Leiter 42 auf den Fototransistor 44 geworfen.

·- Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der beschriebenen zwei Durchführungen 22 vier symetrisch um die Achse des Läufers 17 angeordnete derartige Bohrungen vorzusehen, so daß man also zwei Paare jeweils gegenüberliegender Bohrungen zur Verfügung hat, von denen jeweils eine das Bezugsmaterial aufnimmt und jeweils die andere das zu untersuchende öl. Demnach hätte man also selbstverständlich doppelt soviele Eeflektionsoberflächen 36, Auslässe 25, zusätzliche öffnungen 41 und 46 im Läufer usw. Damit würden natürlich die von den Fototransistoren 39» 44 und 34- erzeugten Signale die doppelte Frequenz erhalten.

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In den Figuren 6, 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform eines Teiles des Meßgebers dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zur Vereinfachung die entsprechenden Bezugszeichen mit jeweils einem Apostroph versehen. In Figur 8 hat das Fenster 47 dieselbe Funktion wie das oben beschriebene Fenster 26; es ist jedoch zusätzlich als Filter ausgebildet, um zunächst einmal bestimmte Fafrbfrequenzen aus dem durchtretenden Licht herauszufiltern, so daß das Licht, welches durch das öl in der Durchführung 22 geschickt wird, fafcbig ist. Wie die Figuren 6 und 7 zeigen, ist im Läufer 17 ein weiterer Satz diametral gegenüberliegender Durchführungen 22 angeordnet, wobei in einer Durchführung ein filterartig wirkendes Fenster 48 identisch dem Filterfenster 47 mit der Ausnahme it, daß es eine andere Farbkomponente des Lichtes dämpft. Auf diese Weise kann das öl bei zwei verschiedenen Farben desjenigen Lichtes untersucht werden, welches von derselben Lichtquelle kommt, um weitere Eigenschaften des Öles erfassen zu können. Das Bezugsmaterial 2J¹ erhält dann solche optischen Eigenschaften durch Filter oder dgl., da8 dieselben einem sauberen öl zusammen mit der Wirkung des Filters 47 entsprechen. In gleicher Weise wird Bezugsmaterial 49 vorgesehen, welches die optischen Eigenschaften aufweist, die durch das Zusammenwirken eines sauberen Öls mit dem Filterfenster 48 erzielt werden. Mit Ausnahme der soeben beschriebenen Unterschiede weist diese Anordnung dieselben Merkmale auf, die oben an der Einrichtung unter

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Hinweis auf Figur 1 beschrieben wurden.

In Figur 9 ist die elektrische Anlage dargestellt, die zusammen mit dem oben beschriebenen Meßwert-Geber (Figuren 1 bis 5) verwendet wird. Wenn der läufer 17 sich in Betrieb des Gebers gemäß Figur 1 dreht, wird die Signalausgangsgröße des Dämpfungs-Fototransistors 34 aus abwechselnden Impulsen bestehen, die Jeweils den Lichtdämpfungseigenschaften des Bezugsmaterials bzw. der Materialprobe entspricht. Dieses Dämpfungssignal wird über die Leitung 50 an den Eingang eines Signalverstärkers und Gleichspannungsfilters 51 gelegt, welches alle Gleichspannungskomponenten des Signales herausfiltert und gleichzeitig die Wechselspannungsanteile verstärkt. Es ist wichtig, die Gleichspannungskomponente zu eliminieren, die z.B. durch Streulicht am Fototransistor 234· oder Rauschen in der Schaltung erzeugt werden könnten, damit diesbezügliche Fehler vermieden werden. Der Ausgang des Verstärkers und Filters 51 wird aufgeteilt und über Leitungen 52 an die parallelen Vergleicherkreiae 53 und 54- gelegt, welche die Dämpfung im zu untersuchenden Ul bzw. in dem Bezugswerkstoff erfassen. Der Dämpfungskreis 53 für das öl weist eine/i normal erweis« offenere Feldeffektschaltung in Reihenschaltung auf, um nur die dem Ol entsprechenden Impulse

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durchzulassen, ferner - weiter in Seihe - einen Verstärker 56, einen Eichkreis 57> einen Verstärker 58 > einen Spitzendetektor 59, einen Differenzialverstärker 60 und eine die optische Dämpfung anzeigende Einrichtung 61, vorzugsweise in Form eines Meßinstrumentes. Das vom Fototransistor 39 erzeugte Signal weist jedesmal einen Impuls auf, wenn das Bezugsmaterial in Flucht mit den optischen Leitern 31 und 52 liegt. Diese Impulse werden über die Leitung 62 an einen Verstärker 63 geliefert, der außerdem die Ampliduten abschneidet und die Phase umkehrt; dieser Kreis 63 hat zwei Ausgänge 64· und 65. Das Signal auf der Leitung 64- besteht aus einer Rechteckwelle, die immer dann auftritt, wenn die zu untersuchende Probe sich zwischen den optischen Leitern 31 und 32 befindet, und dieses Steuersignal wird an das mit einem Feldeffekttransistor 55 ausgestattete Tor 55 gegeben, um dieses Tor jedesmal dann zu schließen, wenn ein die optische Dämpfung des Dls darstellendes Signal auf der Leitung 52 erscheint. Auf diese Weise wird nur das die optische Dämpfung des zu untersuchenden Öls darstellende Signal vom Verstärker 56 verstärkt. Der Differenzialverstärker 60 empfängt eine Standaudfbezugsspannung von einem entsprechenden Bezugsspannungsgeber 66, ver gleicht diese Bezugsspannung mit dem der Dämpfung ent-

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sprechenden Signal vom Spitzendetektor 59 und erzeugt eine Ausgangsgröße, welche das Meßgerät 61 betätigt. Die Eicheinheit 57 wird weiterhin dazu verwendet, da£ Meßgerät 61 auf die Ablesung null zu stellen, wenn ein Testschalter 70 betätigt wird, um die Steuerausgangsgröße vom Ausgang 65 zum Tor 55 zu geben, so daß also das Bezugssignal nur durch den Kreis 53 gespeist wird, der die optische Dämpfung des Öls erfasst. Wenn also die Signalamplidute ein Maximum ist, was einer Dämpfung vom Wert null entspricht, dann ist die Ausgangsgröße des Bifferenzialverstärkers gleich null. Durch Betätigen des Testschalters 70 wird gleichzeitig ein Schalter 67 geöffnet, so daß das der Bezugsdämpfung entsprechende Signal durch den Widerstand 68 fließt, der so eingestellt werden kann, daß die Dämpfung vom Wert null der optischen Dämpfung des reinen, d.h. also nicht verschmutzten Öles entspricht.

Der die Dämpfung des Bezugsmateriales erfassende Kreis 54· weist in Serie aufs Eine Feldeffekttransistor-Torschaltung 51 (die im geschlossenen Zustand gezeigt ist, weil in aiiien anderen Figuren das Bezugsmaterial zwischen den dptischen leitern 91 und 32 gezeigt ist), einen Verstärker 72, einen weiteren Verstärker 73»

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einen Spitzendetektor 74-, einen Differenzialverstärker 75, eine Lampen-Steuerung 76 und die Lichtquelle 27· Das jedesmal dann als Rechteckwelle auftretende Steuersignal auf der Leitung 65, wenn das Bezugsmaterial in Flucht zwischen den optischen Leitern 31 und 32 liegt, wird an die Schaltung 71 gelegt, um diese Torschaltung 71 nur dann zu schließen, wenn das Bezugsmaterial sich zwischen den beiden optischen Leitern 31 und 32 befindet, so daß also nur das der Dämpfung im Bezugsmaterial entsprechende Signal zu den Verstärkern 72, 73 und dem Spitzendetektor 74- gelangt. Der Differenzialverstärker

75 verstärkt dann das der Dämpfung im Bezugsmaterial entsprechende Signal vom Spitzendetektor 74- mit einer Bezugsspannung aus dem Schaltkreis 66 und erzeugt eine Differential-Ausgangsgröße /die an die Steuerschaltung

76 geht. Obwohl es vorteilhaft ist, nur eine Bezugsspannungsquelle 66 für beide, d.h. den Kreis für die Bezugsdämpfung und den Kreis für die Dämpfung des zu untersuchenden Mediums vorzusehen, kann man natürlich zwei getrennte Bezugsspannungen vorsehen. Wenn der Meßwertgeber für das öl richtig eingestellt ist, dann ist das an den Differenzverstärker 75 gegebene, der optischen Dämpfung des Bezugsmateriales entsprechende Signal gleich der Bezugsspannung aus der Bezugsspannungs-

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quelle 66, so daß sich also keine Ausgangsgröße am Differenzialverstärker 65 ergibt und die Lampensteue-Eung ändert dann nicht den Strom, mit dem die Stromquelle 77 die Lichtquelle 27 speist. Auf diese Weise ändert sich also die Intensität der Lichtquelle 27 nicht, wenn der Meßwertgeber in allen Parametern ideal eingestellt ist. Wenn die Stromversorgung für die Lampe ihren Ausgang ändert und demnach die Inten- · sität des Lampenlichts geändert wird, oder wenn eine Verfärbung an den Flächen der optischen Leiter, der Fenster, oder der Filter, oder der dem Bezugsmaterial entsprechenden Enden erscheint, oder sich die Eigenschaften der elektronischen Bauteile ändern, dann ergibt sich eine Änderung des der Bezugsmaterial-Dämpfung entsprechenden Signales durch den der Dämpfung des Bezugsmateriales entsprechenden Kreis,welche ein entsprechendes Fehlersignal aus dem Differenzialverstärker 75 erzeugt, das seinerseits eine Rückkopplung an die Lampensteuerung 76 in dem Sinne darstellt, daß die Stromquelle 77 für die Lampe im Sinne einer Korrektur der Intensität der Lampe 27 geändert wird. Auf diese Weise können die Lichtquelle, die elektronischen Bauteile und die mechanischen Bauteile nicht die Ablesung des Systems ändern, weil dies sich selbst (durch Bückkopplung)' eicht. Wenn dem Differenzialverstärker 75 kein dem Bezugsmaterial entsprechendes Signal zugeleitet

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wird, dann wird eine Anzeige 78 gespeist, die anzeigt, daß das System irgendwo fehlerhaft arbeitet.

Wenn der Läufer 17 fredjdrehbar gelagert ist und die oben beschriebenen Schaufelräder aufweist, dann entspricht seine Drehzahl dem ölfluß durch den Meßgeber nach Figur 1. Demnach steht die Frequenz der dem Fototransistor 39 erreichenden Impulse in Bezug zur Drehzahl und das vom Fototransistor 39 erzeugte Steuersignal hat eine Frequenz, die ihrerseits kennzeichnend für die Durchsatz ist. Ein im Kreis mit den Signalausgängen 65 liegendes Frequenzmeßgerät stellt also dann ein Meßgerät für den öldurchfluß dar.

Das vom Fototranistor 44- erzeugte Streu-Signal setzt sich abwechselnd aus Impulsen zusammen, die jeweils der Probe bzw. dem Bezugsmaterial entsprechen. Die Impulse werden über die Leitung 80 an den Eingang eines Signalverstärkers und gleich Spannungsfilters gegeben, der in der oben unter Hinweis auf den Kreis 51 beschriebenen Weise arbeitet. Der Ausgang des Verstärkers 81 wird geteilt und über Leitungen 82 den parallel liegenden Kreisen 83 und 84 zur Erfassung des Streuverhaltens des Öls bzw. dee Probematerials

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zugeführt. Der Kreis 83 zur Erfassung des Streuverhaltens des Öls weist folgende SerieAschaltung auf: Eine Feldeffekt-Transistor-Torschaltung 85, äie nach der in den Zeichnungen dargestellten Lagen der Teile offen dargestellt ist, einen Verstärker 86, einen Eichkreis 87, einen Verstärker 88,einen Spitzendetektor 89 und ein Meßgerät 90 zur Anzeige des Streulicht-Wertes. Das Ausgangssignal der Leitung 64, auf welcher jedesmal dann ein impuls erscheint, wenn das Öl zwischen den optischen Leitern 31 und 33 liegt, wird an das Tor 85 gelegt, um dieses zu schließen und damit nur diejenigen dem Streulicht entsprechenden Signale in die Leitung 82 zu geben, welche dem Streuwert des Öls entsprechen. Die dem Streuwert des Öls entsprechenden Teile des Streusignales werden dann durch die Bauteile 86, 87, 88, 89 und 90 gespeist, um auf diese Weise eine Anzeige der Verschmutzung durch kleine Teilchen (Kontamination) zu liefern. Der Kreis 84 für das der Straung des Bezugsmateriales entsprechende Signal weist folgende Baugruppen in Reihe auf: Eine Feldeffekt-Transistor-Torschaltung 91 (offen gezeigt, weil die Bezugsmaterial-Stange sich zwischen den optischen Leitern 31 und 32 befindet), einen Verstärker 92, einen weiteren Verstärker 93ι einen Spitzendetektor 94, einen

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Fehler-Differenzial verstärker 95 uncl eine Servoeinrichtung 96. Das der Streuung des Bezugsmaterials entsprechende Signal, welches durch die Baugruppen 92, 93 und 94- gelaufen ist, wird zusammen mit einem Bezugssignal von einer Bezugssignalquelle 97 dem Differentialverstärker 95 eingeben, um ein dem Streufehler entsprechendes Signal zu erzeugen, das Wk seinerseits an die Servoeinrichtung 96 gelegt wird, um die Eichschaltung 87 im Sinne der Einstellung der Verstärkung des Verstärkers 88 zu betätigen. Die Servoeinrichtung 96 kann auch durch eine entsprechende Rückkopplungsschaltung ersetzt werden, die dasselbe leistet. Wenn sich also eine Schwächung der der Lichtstreuung entsprechendes Signales einstellt, dann kann die Signalstärke entsprechend durch die Rückkopplung des die Streuung des Bezugsmaterials erfassenden Kreise 84 verstärkt werden, so daß das an das Meßgerät 90 gelangafLe Signal dies auch richtig betreiben kann. Auf diese Weise ist also die das Streulichtverhalten befassende Schaltung hinsichtlich der Größe selbstregulierend, wodurch die Rückkopplung der Baugruppe 84 das Erfassen oder Zählen des Detektors 89 und des Meßgerätes 90 nicht beeinträchtigt, während die Spitzensignale, welche der Kontamination durch Schmutzteilchen entspricht, summiert werden; vielmehr wird nur die Empfindlichkeit des Meßinstrumentes auf einem vorher

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eingestellten Kegel gehalten.

In der so weit beschriebenen Schaltung könnte man beispielsweise auch die fehleranzeigende Lampe 78 durch ein zu großes Fehlersignal vom Fehlersignalverstärker 75 steuern; man könnte auch die Fototransistoren durch Fotowiderstände ersetzen und so weiter.

im Folgenden wird die Arbeitsweise der Meßeinrichtung zusammenfassend beschrieben:

Der Meßwertgeber nach Fig. 1 befindet sich im Sumpf des Schmierölsystems z.B. eines Flugzeugmotors. Der Läufer 17 kann sich in der gezeigten Weise frei drehen, so daß die ölpumpe des Motors öl durch den Meßwertgeber von der öffnung 4· zur öffnung 5 oder umgekehrt transportiert, so daß die Schaufeln 24 wie Turbinenschaufeln arbeiten und den Läufer 17 drehen. Bei der Drehung des Läufers 17 kommen abwechselnd die Durchführung 22, welche das Bezugsmaterial 24 enthält/mit der diagonal gegenüberliegenden Durchführung 22 in Flucht mit den optischen Leitern 31 und 52, in welcher sich umlaufendes öl befindet. Der Durchfluß von öl durch die zugehörige Bohrung 22 wird nicht nur durch das Pumpen bewirkt sondern außerdem auf Grund der im Bereich der radialen Auelaßöffnung 25 wirkenden Zentrifugalkräfte unterstützt, die zweckmäßig am Auslaßende der entsprechen-

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den Durchführung angeordnet ist. Wenn der Geber in einem Ölsumpf derart angeordnet ist, daß das öl nicht von selbst durch seine kinetische Energie den Läufer antreibt, dann kann man einen kleinen Motor vorsehen, der den Läufer 17 antreibt und so die Pumpwirkung erzeugt. Man kann sogar

du.

einen solchen, den Läufer 17 über einen der Aöcstummel 18 antreibenden Motor als ölpumpe für die ganze zu überwachende Anlage verwenden.

Wenn in der oben beschriebenen Weise die Bohrungen 22 mit dem darin befindlichen zu untersuchenden öl bzw. dem Bezugsmaterial nach einander bzw. abwechselnd in Elucht mit der Lichtquelle bzw. dem optischen Leiter 31 kommen, dann

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erhält die Dämpfung erfassende optische Leiter 32 Lichtimpulse, die abweehselnd durch die Probe bzw. das zu untersuchende öl geschickt worden sind. In ähnlicher Weise erfaßt der optische Leiter 42 das Streuverhalten darstellende Lichtimpulse aus dem zu untersuchenden öl, in welchem Verschmutzungsteilchen eine Streuung bewirken, welche durch die zusätzlichen radialen öffnungen 46 erfaßt wird. Der Leiter 42 erfaßt ebenso und zwar abwechselnd mit dem Streulicht der Probe Streulicht aus dem Bezugsmaterial mit bekannten Streueigenschaften, welches aus den radialen öffnungen 41 austritt. Der über den optischen Leiter 32 gespeiste Transistor 34 erzeugt damit elektrische Ausgangssignale, die in Beziehung

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stehen zum Dämpfungsgratf im zu untersuchenden Öl bzw. im Bezugsmaterial. Die im zu untersuchenden Öl erfaßte

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Dämpfung des durchscheinden Lüites wird mit dem chemischen Verbrauch des Öles größer. Der Fototransistor 44 erzeugt elektrische Ausgangssignale in Impulsform nach Maßgabe des Streulichtes, welches über den optischen Leiter 42 hereinkommt. Dieser Transistor liefert also Signale, die der Streulichtintensität des zu untersuchenden Öles bzw. des Bezugsmaterials entspricht. Während der Drehung des Läufers 17 wird Licht von dem optischen Leiter 31 auch in den optischen Leiter 37 periodisch reflektiert, um den Fototransistor 39 impulsförmig zu erregen. Dieser letztere Transistor 39 erzeugt mithin jedesmal dann einen Ausgangsimpuls, wenn die Reflektionsflache 36 durch den Pfad des optischen Leiters 31 läuft, d.h., jedesmal wenn das Bezugsmaterial 23 durch den optischen Pfad 31 gelangt.

In der in Fig. 9 dargestellten Schaltung kommen die der optischen Dämpfung entsprechenden Probe - und Bezugssignale vom Fototransistor 34· über die gemeinsame Leitung zum jeweiligen zugeordneten Kreis 53 bzw. 54- für die Dämpfung in der Probe bzw. im Bezugsmaterial. Das vom Fototransistor 39 erzeugte Signal, in welchem jedesmal dann ein Impuls auftritt, wenn ein der Dämpfung im Bezugsmaterial entsprechender Impuls vom Fototransistor 34 kommt, wird

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im Bauteil 83 abgeschnitten, d.h. auf gleiche Amplitude gebracht und verstärkt, so daß sich die bei 65 dargestellte Wellenform ergibt, die ihrerseits an den Feldeffekttransistor in der Torschaltung 71 gelegt wird. Die Torschaltung 71 wird also jedesmal dann geschlossen, wenn ein Impuls vom Fototransistor 39 anliegt, d.h., jedesmal dann, wenn vom Fototransistor 34- ein der Dämpfung im Bezugsmaterial entsprechender Impuls kommt. Das Tor läßt also nur die der Dämpfung des Bezugsmaterials entsprechenden Signale durch, wie mit der Wellenform angedeutet ist, die neben dem Verstärker 72 eingezeichnet ist. Dieses der Dämpfung im Bezugsmaterial entsprechende Sig— nal wird vom Differenlialverstärker 75 mit der Bezugsspannung vom Generator 66 verglichen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches die eine Fehlfunktion anzeigende Lampe 78 anschaltet, wenn eine extreme Verstimmung im System vorliegt. Der Ausgang des DifferentialVerstärkers 75 betätigt die Lampensteuerung 76 im Sinne einer Verstellung der Stromversorgung 77 der Lampe 27 so, daß die Intensität der Lampe 27 stets so eingestellt ist, daß ein relativ konstankter Ausgang der Dämpfung des Bezugsmaterials entsprechenden Signales erhalten wird. Auf diese Weise werden Schwankungen oder Änderungen der Stromversorgung 77 der Lampe, Änderungen der Leuchtkraft der Lampe 27 ₅ -Änderungen der optischen Eigenschaften der optischen Lei-

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ter 31 und 32, Änderungen auf Grund von Verfärbungen u.s.w. der Fenster bzw. des Läufers 17 kompensiert. Man könnte dieselbe Kompensationswirkung natürlich auch erreichen, wenn man den Ausgang des Verstärkers 75 zur Steuerung der Verstärkung der Vorverstärker 51 und 81 verwendet.

Das Steuersignal von der Leitung 62 wird ebenfalls verstärkt, Amplituden-beschnitten und es wird seine Phase umgekehrt, um die bei der Leitung 64- gezeigte Wellenform zu erzeugen, die an den Feldeffekttransistor in der Torschaltung 55 gelegt wird, um dieses Tor 180° phasenverschoben bezüglich des Schließens des Tores 71 zu schließen. Aufgrund dieses Vorgangs läßt das Tor 55 nur das der Dämpfung in der Probe, d.h. in dem zu unter suchenden öl entsprechende Signale durch, welches etwa die Gestalt hat, die in Fig. 9 neben dem Verstärker 56 angezeigt ist. Das der Dämpfung der Probe entsprechende Signal wird im Differentialveräärker 60 mit der Bezugsspannung aus dem Bauelement 66 vergliohlan, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches das Meßgerät 61 betätigt. Auf diesem Meßgerät kann man also den Grad der optischen Dämpfung des Öls, d.h. den Grafcf der Verbrauchtheit des Öls ablesen. Die Testschalter 67 unf 70 können zusammen betätigt werden, um das Steuersignal von d»r Leitung 65 an das Tor 55 zu legen, wodurch

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nur das der Dämpfung im Bezugsmaterial entsprechende Signal durch den Verstärker 56 zur Eichung des Meßgerätes 61 durch die Eichschaltung 57 gelangt, um an dem Meßgerät für einen Bämpfungswert die Ablesung Null einzustellen, die der optischen Dämpfung in neuem, sauberen öl entspricht. Während eines solchen Eichvorganges kann das Null-Signal vom Verstärker 58 dazu verwendet werden, die Skala im fe Meßgerät 61 so einzustellen, daß die höchste Ablesung einem öl entsprechen würde, welches überhaupt kein Licht mehr durch läßt, oder - anders^ ausgedrückt - eine100%ige Dämpfung bewirkt.

Die der Streuung des Bezugsmaterials und der Probe entsprechenden Signale, welche vom Fototransistor 44 erzeugt werden, werden durch die Leitung 80 sowohl an den Kreis als auch an den Kreis 84 zur Verarbeitung des Streuwerts der Probe bzw. des Bezugsmaterials weitergeleitet. Ähnlich

sch

der Arbeitsweise der Torschaltung 55 /ließt die Torschaltung 85 bei Anliegen eines Ausgangssignals über die Leitung 64, um nur die dem Streuwert der Probe entsprechenden Signale durchzulassen, was wellenformmäßig neben dem Verstärker 86 in Fig. 9 gezeigt ist. Dieser Wellenzug gelangt durch die Baugruppe 87 und dann zum Detektor 89, in welchem die Impulshöhen erfaßt werden, um ein Signal für das Meßgerät 90 zu erzeugen, dessen Ablesung dann einer bestimmten Zäh-

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lung bzw. einer bestimmten Verschmutzung des Öles durch Partikel entspricht. Für den das Streusignal des Bezugsmaterials verarbeitenden Kreis 84 arbeitet das Tor 91 ähnlich wie oben für das Tor 71 beschrieben, wo bei es auf das Signal in der Leitung 65 anspricht, um nur das dem Streuwert im Bezugsmaterial entsprechende Signal durchzulassen, wie mit der Wellenform neben dem Verstärker 92 in Fig. 9 angedeutet ist. Dieses dem Streu- A verhalten des Bezugsmaterials entsprechende Signal wird bei 92 und 93 verstärkt, bei 94 hinsichtlich der Impulshöhen abgetastet bzw. erfaßt und mit einem Bezugssignal aus der Quelle 97 vom Fehlerdifferentialverstärker 95 verglichen. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 95 betätigt die Servoeinrichtung 96 im Sinne einer Einstellung der Schaltung für das Streuverhalten der Proben am Eichkreis 87 derart, daß ein Signal nur erhalten wird, das stark genug ist, daß es bei 89 Amplituden - erfaßt und summiert werden kann, und zwar auch dann wenn die Dämpfung des Lichts ' im öl das vom Fototransistor 44 erfaßte Streulicht sehr stark vermindert.

Der Kreis 83 für die Erfassung der Streuwerte der Probe kann in der oben in Hinblick auf die Erfassung der Dämpfung der Probe beschriebenen Weise geeicht werden, wenn man den Schalter 70 betätigt, um das Bezugssignal durchzulassen.

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Da für jede Umdrehung des Läufers 17 ein Impuls auf der Leitung 62 erzeugt wird, wird ein Durchflußmeßgerät 79 iⁿ Form eines Frequenzmeßgeräts eingeschaltet, um auf diese Weise von den Signalen der Leitung 65 ein Maß des Durchflusses zu erhalten, der seinerseits wieder proportional der Drehzahl des Läufers 17 ist.

Wenn man den Läufer gemäß den Fig. 6 bis 8 verwendet, dann wird die Schaltung für die beiden gegenüberliegenden Durchführungen 22*_f welche das Bezugsmaterial 23' und die Filterfenster 47 enthalten, genau so sein, wie die Schaltung nach Fig. 9· Die Schaltung für die anderen Durchführungen 22', welche ein anderes Bezugsmaterial und ein Filter-Fenster 48 enthalten, enthält alle Bauteile gemäß Fig. 9» mit Ausnahme des Hückkopplungsdämpfungskreises 54-, weil dieselbe Lichtquelle 27» dieselben optischen Leiter 31 ■> 32 und die selben Fototransistoren 43 und 44 verwendet werden, die auch die anderen Durchführungen abtasten. Es ist auch nicht nötig, ein weiteres Mengenmeßgerät 79 zu verwenden. Zusätzlich zu dem Bauteil 63 würde man jeweils einen 9O^Ü~Phasendreher für jede Ausgangs!eitung 64 und 65 verwenden, die der Versetzung von 90 der einzelnen Durchführungen 22 im Läufer /|n·* entsprechen.

Man könnte in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch dop-

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ORIQIiSlAL INSPECTED

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pelt so viele Durchführungen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 vornehmen und diese Durchführungen jeweils um 90° versetztnam Umfang des Läufers anordnen, woduräh man ganz einfach eine "Verdopplung der Frequenzen in den Signalen der Fototransistoren 34- und 44 erhält. Demnach müßte dann auch eine weitere Reflektionsfläche 36 an der zweiten Ihirchführung 22 angeordnet sein, die dann dasselbe Parobenmaterial 23 enthält. Die Schaltung gemäß Fig. 9 würde identisch bleiben. Natürlich müßte man die verschiedenen Meßgeräte und Steuerschaltungen an die nunmehr doppelte Frequenz anpassen. Es ist auch möglich die Jeweils zu untersuchende Olprobe und das Bezugsmaterial fest in einem ölstrom zu halten und - im Gegensatz zur oben beschriebenen -Anordnung - einen Abtastlichtstrahl zwischen den beiden zu untersuchenden Orten hin und her zu schalten, z.B. durch einen Schwingspiegel od. dgl.. Als weitere Ausgestaltung könnte man den Läufer - Dämpfungs - Bezugswert abkürzen, so daß der Abschnitt des Bezugslichtstrahles zwischen dem Ende der Glasfaser - Lichtleiter bis zum das Streulicht erfassenden Fototransistor mit Ol gefüllt ist. Venn die Dämpfung dieses Seiles des LichtpfaAes größer wird, dann ergibt eich eine entsprechende Vergrößerung der Intensität der Lämpenatrahlung, um eine Verminderung des Streulichtfignali zu vermeiden.

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Claims (13)

1. H 1 P 2 30 3. August 1970

   ENYIRONMENT OHE COHPOEATIOK

   Pat ent ansprüche

   Verfahren zur Erfassung der optischen Eigenschaften durchsichtiger Medien, insbesondere des Verbrauchsgrades von Motoröl, gekennzeichnet durch. Erfassen der Lichtdurchlässigkeit der Probe und des Strerarermogens der Probe im Vergleich zur Licht durchlässigkeit und zum Streuvermögen eines Bezugsmaterials unter Verwendung einer Lichtquelle für die jeweils vier erforderlichen Messungen.
2. 2) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch <!, gekennzeichnet durch ein« drehbare Aufnahmeeinrichtung (17) für die Probe und das Bezugsmaterial, welche bei Drehung nacheinander die Probe und daa Bezugs-

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   material durch, einen Lichtpfad führt, der die Meßstrecke zur Szfassang der Durchsichtigkeit und des Streuvermögens bildet·
3. 3) Torriclitiing nach Anspruch. 2, dadurch sekenn-

   achs zeichnet, daß die Aiifnähme vorrichtung «φ aral IeI e Ausnehmungen (22} arar Aufnahme der Probe und des Bezugsmateriales (2J) aufweist, und daß die Aufnahmeeinrichtung (1?) in Gestalt eines Läufers ausgebildet ist, der um seine Achse angetrieben (2#0 ist.
4. 4) Voricntung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Probe in flüssiger Form durch eine der beiden «!parallelen Durchführungen des Läufers fließt; und daß der Läufer Turbinenschaufein (24·) aufweist, die durch Einwirkung des durchfließenden Öles als Probe den Läufer in Drehung halten.
5. 5) Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Läufers (17) mit einem Meßgerät (79) erfasst ist, welches damit ein Maß für den Durchfluß an au. untersuchender flüssigkeit darstellt.

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   SJl
6. 6) Vorrichtung nach, einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Probe enthaltende Raum und der das Bezugsmaterial enthaltende Raum nacheinander umlaufend in die Meßstellung verbracht wird, daß die XJmI auf frequenz gemessen wird und daß Torsehaltungen (71?91, 55?85) welche von der Drehzahlmessung gesteuert sind, jeweils nur die dem Bezugsmaterial oder der Probe zugeordneten Signale zur Weiterverarbeitung durchlasen
7. 7) Vorrichtung mit Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Probenwerte verarbeitenden Schaltkreise eine Anzeige (61) zur Darstellung der erfassten Werte aufweisen und daß

   P die die Bezugsmaterialwerte verarbeitenden Schaltkreise eine Vergleichsschaltung (75) zum Vergleich des Bezugsmaterial-Signales mit einem Stand ardisignal aufweisen, welche Vergleichsschaltung ein i^sgangsfedersignal erzeugt, das seinerseits proportional zur Differenz der eingegebenen Signale ist und daß eine Schaltung (76) nach Maßgabe der Ausgangsgröße der Vergleichsschaltung die Lichtintensität der Beleuchtung der Probe und des Bezugsmaterials steuert.

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8. 8) Vorrichtung mit Schaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch auf die Frequenz des Steuersignals ansprechende Mittel zur Anzeige der Durchflußmenge des zu überwachenden Werkstoffes.
9. 9) Vorrichtung nach Anspruch 1, mit mindestens 2 Aufnahmeräumen für das zu untersmchende Medium (Probe), gekennzeichnet durch Filter (47,48) die verschiedene Farben aas dem den beiden Proben eingegebenen Mischlicht aiaafiltern, wobei zwei Aufnahmeöffnungen für zwei verschiedene Bezugsmaterialien vorgesehen sind, deren Farbgebung auf die Filterwirkung der zugeordneten ülter an den Lichtpfaden der Proben abgestimmt sind.
10. 10) Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber folgende Merkmale aufweist:

    a) Ih einem vom zu überwachenden Medium z.B. einem Motoröl durchflossenen Baum ist ein Läufer von zylindrischer Geatalt (17) drehbar angeordnet}

    b) dieser Läufer weist an axial gegenüberliegenden

    Qcdt Stellen »«parallele Durchbohrungen von Stirnseite zu Stirnseite «of.

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    c) Durch eine dieser Durchbohrunge(22) fließt durch Pumpwirkung ständig das zu überwachende Medium, während in der anderen, diametral gegenüberliegenden Durchbohrung (22) das Bezugsmaterial (24) angeordnet ist, zweckmäßig in Form einer entsprechend gefärbten Glasstange j

    d) die stirnseitigen öffnungen der firtirch-BoMxungen (22) werden abwechselnd in Flucht mit einem Lichtpfad gebracht, der auf einer Seite eine Lichtquelle (27) aufweist und auf der anderen Seite einen Detektor

    e) von jeder Längsbohrung (22) geht nach außen eine Radialbohrung aus, durch welche optisch (44) die Streulichteigenschaften sowohl des zu untersuchen- * den Mediums als auch des Bezugsstoffes erfaßt wer

    den.
11. 11) Vorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder »ehr Paare von Längsbohrungen zur Aufnahme des zu untersuchenden Stof fes bzw. des Bezugsstoffes vorgesehen sind, wodurch die Frequenz der Messungen bei gleichbleibender Drehzahl des Läufer» (17) erhöht wird.

    ORIGINAL INSPECTED

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12. 12) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Lauf er Turbinens chauf ein (24) aufweist, so daß er von dem durch die ölpumpe durch den Meßfühler gepumpten öl gedreht wird.
13. 13) Torrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbohrungen (22) durch wel che das zu untersuchende Medium fließt, im Bereich der Ausgangsseite eine Badialöffnung zur Erhöhung der Burchflußgeschwindigkeit aufweisen.

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