DE4341466A1 - Vorrichtung zur Erkennung zustandsfremder Beimengungen in fließenden Gasen oder Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Kleinstbeimengungen eines anderen Aggregatzustandes in fließenden Gasen oder Flüssigkeiten in einem transparen­ ten Behältnis, z. B. einem transparenten Schlauch.

Im Anwendungsgebiet von sehr schnell rotierenden Teilen besteht an Lagerstellen die Notwendigkeit einer permanen­ ten Schmierstoffzufuhr, da die auftretenden Fliehkräfte zur schnellen Abgabe an die Umgebung führen. Um schädli­ che Emissionen in die Umwelt kostengünstig zu reduzieren, ist es geboten, die Schmierstoffzufuhr stabil auf den geringen unmittelbaren Verbrauch abzustimmen.

Bei Unterbrechung der Ölzufuhr treten Schädigungen der Lager ein, da die Restmenge des Schmiermittels rasch ab­ nimmt.

Es ist bekannt, daß bei der umweltschonenden Öl/Luft- Schmierung durch spezielle Dosiervorrichtungen tropfen­ weise ein Schmiermittel im Abstand von einigen Sekunden in einen Schlauch gegeben wird. Die Flüssigkeit benetzt die innere Oberfläche. Ein starker Luftstrom verteilt das Öl auf einen längeren Abschnitt des Schlauches und för­ dert es unabhängig von der Wirkung der Schwerkraft zur Schmierstelle. Dabei werden an der Innenwandung des Schlauches sich langsam bewegende und dünnschichtige wellenförmige Strukturen gebildet.

Die Schichtdicke des Ölfilmes an der Innenwandung liegt in der Größenordnung einiger Hundertstel- bzw. Zehntel­ millimeter, der übrige Innenraum wird vom fördernden Luftstrom ausgefüllt.

Als Ergebnis fließen nahezu kontinuierlich geringste Men­ gen des Schmiermittels über eine Öffnung am Ende des Transportschlauches an die Lagerstelle.

Eine zuverlässige Überwachung der Kontinuität des gerin­ gen Flüssigkeitsstromes ist somit im Interesse hoher Le­ bensdauer der Lagerstellen sowie eines kostengünstigen Umweltschutzes.

Das u. a. aus DE-OS 28 18 264 (G 01 P 13/10) bekannte opti­ sche Verfahren nach dem Prinzip der Transmissionsgrad­ überwachung (Absorbtion) mit Lichtschranken bestehend aus gegenüberliegendem Sender und Empfänger ist zum Nachweis dieser fließenden Ölschicht ungeeignet, da

• - die leichten Schmiermittel einen Transmissionsgrad nahe 100% aufweisen,
• - die Schichtdicke extrem dünn ist und
• - die Lage der dünnen Flüssigkeitsschicht an der Innen­ wandung des Schlauches unbekannt ist.

Dies betrifft alle lichtschrankenähnlichen Verfahren, welche mit gebündeltem Licht arbeiten und wo Sender und Empfänger sich gegenüberstehen oder sich in ihrer Wirkung in örtlich begrenzten Teilen des Innenraumes kreuzen.

Die Vielzahl der bekannten mechanischen (z. B. DE 3608 296 A1/G01P 13/00) und kalorimetrischen (z. B. DE 35 06 430 A1/G01P 13/00) Verfahren scheiden für diese Anwendung aus, da eine zuverlässige Differenzierung des Transportmediums von der extrem geringen Beimengung un­ möglich ist.

Vorrichtungen zur Erkennung einer geringen gasgeförderten Flüssigkeitsmenge sind nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist eine alterungsunempfindliche, kompakte und einfach nachrüstbare optische Vorrichtung zur Erkennung auch extrem geringer Anteile zustandsfrem­ der, optisch schwer unterscheidbarer und auch gut licht­ durchlässiger Beimengungen in fließenden Gasen oder Flüs­ sigkeiten an beliebiger Stelle innerhalb eines transpa­ renten Behältnisses.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Beleuchtungseinrichtung das transparente Behältnis in einer Ebene größtenteils umschließt und homogen hin­ sichtlich Richtung und Betrag ortsgebunden die sich im Transportmedium befindlichen Beimengungen beleuchtet. Durch sich verändernde Brechungsprozesse an den Grenz­ flächen zwischen dem fließenden Transportmedium und den Beimengungen wird das Licht so abgelenkt, daß es auf ei­ nen größtenteils das Behältnis umschließenden in einer angrenzenden Ebene befindlichen und homogen hinsichtlich Betrag und Richtung wirkenden optoelektrischen Licht­ wandler trifft. Durch Vergleich mit vorgegebenen Grenz­ werten wird in einer Auswerteeinheit eine Ergebnisinfor­ mation gebildet, welche das Vorhandensein einer zustands­ fremden Beimengung signalisiert. Weitere Einzelheiten sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zei­ gen:

Fig. 1 Die Prinzipdarstellung der Vorrichtung im Schnitt;

Fig. 2a Auszugsweise Lichtverteilung ohne Beimengung;

Fig. 2b Auszugsweise Lichtverteilung mit Beimengung 8 und Bildung von in Fließrichtung wandernden Bereichen er­ höhter Lichtstärke durch Lichtbrechung an einer Flüssig­ keits/Gas-Grenzfläche außerhalb des Wirkungsbereiches des Lichtwandlers 3;

Fig. 2c Auszugsweise Lichtverteilung mit Beimengung 8 und Bildung von in Fließrichtung wandernden Bereichen er­ höhter Lichtstärke durch Lichtbrechung an einer Flüssig­ keits/Gas-Grenzfläche innerhalb des Wirkungsbereiches des Lichtwandlers 3.

Der prinzipielle Aufbau, in Fig. 1 im Schnitt aus seit­ licher Sicht dargestellt, besteht neben dem transparenten Transportschlauch 1 aus einer Beleuchtungseinrichtung 2, einem Lichtwandler 3, welcher das elektrische Informati­ onssignal 5 bereitstellt und dem Lichtschutzgehäuse 4. Die Auswerteeinheit 6 verstärkt und wertet die nicht kon­ stante und die konstante Komponente des Informationssi­ gnals 5 aus und bildet eine Ergebnisinformation 9.

Die Beleuchtungseinrichtung 2 besteht aus einem geformten Lichtleiter mit integrierter Lichtquelle 10. Der Licht­ wandler 3 besteht aus einem geformten Lichtleiter mit in­ tegriertem Photoelement 11. Die Lichtquellenstromversor­ gung 12 versorgt die Lichtquelle 10.

Da die Lage der Beimengung 8 an der Innenwandung des Schlauches im allgemeinen nicht bekannt ist, wird als we­ sentliches Merkmal der Vorrichtung zweckmäßigerweise eine ringförmige Gestaltung von Beleuchtungseinrichtung 2 und Lichtwandler 3 vorgeschlagen.

Die Lichtleiter zeichnen sich durch ortsunabhängige homo­ gene Wirkung hinsichtlich Richtung und Betrag bezüglich Schlauchinnenwand und Innenraum aus.

Unter Anwendung allgemein bekannter Methoden der Licht­ technik wird dies durch Ausformung und Oberflächenge­ staltung der Lichtleiter gewährleistet, so daß die Licht­ stärke der Beleuchtungseinrichtung 2 und die Empfindlich­ keit des Lichtwandlers 3 an allen Punkten ihrer Arbeits­ fläche zur Schlauchoberfläche gleich ist.

Beispielsweise kann für die Form der Lichtleiter eine el­ liptische Geometrie gewählt werden, in deren Brennpunkten sich einerseits der Transportschlauch und andererseits eine rundstrahlende Lichtquelle oder ein richtungsunab­ hängig gestaltetes Photoelement befinden. Eine verspie­ gelte Oberfläche verhindert den Lichtaustritt an der üb­ rigen Oberfläche des Lichtleiters.

Als rundstrahlende Lichtquelle 10 eignet sich eine Glüh­ lampe; ein kegelförmiger Reflektor sichert die Richtungs­ unabhängigkeit eines üblicherweise einseitig wirkenden Photoelementes 11.

Diese Geometrie ermöglicht eine allseitige und einheitli­ che Wirkung auf den Transportschlauch. Für alle Richtun­ gen ist der zurückzulegende Weg des Lichtes im Lichtlei­ ter über die elliptische Außenkontur gleich lang, so daß von nahezu gleichen Bedingungen an der Arbeitsfläche ge­ genüber dem Transportschlauch ausgegangen werden kann. (Im Sinne der allgemein bekannten Geometrie einer Ellipse kann die geradlinige Wirkung zwischen den Brennpunkten durch ein optisches Hindernis versperrt werden).

Als weiteres wesentliches Merkmal der Vorrichtung stehen sich Lichtsender und Lichtempfänger nicht wie üblich ge­ genüber, sondern umgeben den transparenten Schlauch quer zur Fließrichtung in übereinander liegenden Ebenen.

Die quer zur Fließrichtung 7 gewählte Wirkungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung 2 verringert die direkte Lichteinstrahlung in den Lichtwandler 3. Andererseits er­ möglicht die direkt angrenzende Lage des Lichtwandlers 3 zur Beleuchtungseinrichtung 2, daß bestimmte Lichtstrah­ len welche durch Brechung geringfügig von ihrer normalen Richtung abgelenkt wurden, den Wirkungsbereich des Licht­ wandlers 3 zusätzlich erreichen können. (Siehe Fig. 2a bis 2c).

Die gewählte Wirkungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung 2 gewährleistet eine hohe Lichtstärke im Innenraum des Schlauches. Bei geringerer direkter Einstrahlung in den Lichtwandler 3 wird damit das Verhältnis zu jenem Licht optimiert, welches durch Brechung auf den Lichtwandler 3 gelenkt wird.

Mit dem Informationssignal 5 des Lichtwandlers steht so­ mit eine Information zur Verfügung, die die direkte Ein­ strahlung der Beleuchtungseinrichtung 2, die Streulicht­ effekte des transparenten Behältnisses 1/der Beimengung 8, den Transmissionsgrad des Behältnisses 1/der Beimen­ gung 8 und die Brechungseffekte an der Oberfläche der Beimengung repräsentiert.

Diese Konstruktion ermöglicht eine vorteilhafte Erfassung geringster Brechungseffekte an der Grenzfläche von Flüs­ sigkeit und Luft innerhalb des Schlauches selbst bei dünnsten Flüssigkeitsschichten mit geringer Oberflächen­ krümmung.

Bewegt sich an der Innenwand des Schlauches eine tropfen- oder wellenförmige Flüssigkeitsschicht, so wird das Licht an der Grenzfläche Flüssigkeit/Gas gebrochen - auf den Lichtwandler 3 treffen somit in Korrelation zur Oberflä­ chenstruktur alternierend Bereiche höherer und geringerer Lichtstärke (Siehe Fig. 2b/2c).

Die Dimensionierung von Beleuchtungseinrichtung 2, Licht­ wandler 3, deren Abstand zueinander und des Behältnisses erfolgt so, daß eine Kompensation durch mehrere hinter­ einander folgende und somit gleichzeitig erfaßte Bre­ chungseffekte (Tropfen/Wellen) im Informationssignal 5 vermieden wird.

Während die direkte und gestreute Lichteinstrahlung der Beleuchtungseinrichtung 2 in den Lichtwandler 3 im Infor­ mationssignal 5 eine kostante Komponente darstellen (Sie­ he Fig. 2a), verändert sich die Komponente des gebroche­ nen Lichtes entsprechend der durch den Luftstrom gebilde­ ten Oberflächenform und der Lage der Beimengung 8 im Sinne einer Verringerung (Fig. 2b) oder einer Erhöhung (Fig. 2c).

Die Beurteilung des gasgeförderten Flüssigkeitsstromes kann nun durch Auswertung der sich ändernden Komponente des Informationssignals 5 in der Auswerteeinheit 6 erfol­ gen.

Mit an sich bekannten Verfahren der elektronischen Si­ gnalverarbeitung wird die schwankende Komponente des In­ formationssignals vom konstanten Teil abgetrennt und ver­ stärkt. Die Frequenz dieses Informationssignales 5 wächst mit der Fließgeschwindigkeit. Die Amplitude wächst mit ansteigender mittlerer Schichtdicke der Flüssigkeit.

Ein Unterschreiten der Amplitude bzw. ein Überschreiten der Periodendauer kann somit der Indikation eines zu ge­ ringen Flüssigkeitsstromes dienen, welcher durch die Er­ gebnisinformation 9 angezeigt wird.

Bezogen auf das o. g. Anwendungsbeispiel können somit Schäden an trockenen Schmierstellen vermieden werden, wenn durch zweckmäßige Auswertung der Ergebnisinformation entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Das o. g. Wirkungsprinzip ist auf Gasblasen in Flüssigkei­ ten als Transportmedium übertragbar. Feste Beimengungen können bei bestimmten optischen Materialeigenschaften ebenfalls durch die o.g. Vorrichtung erkannt werden.

Weiterhin ist unter dem Gesichtspunkt der zur Anwendung kommenden Materialeigenschaften (Viskosität, Oberflächen­ spannung usw.) die Einbeziehung zusätzlicher Charakteri­ stika des Kurvenverlaufes des Informationssignals 5 zur Bildung der Ergebnisinformation 9 nach allgemein bekann­ ten Verfahren möglich.

Die Beleuchtungseinrichtung 2 kann hinsichtlich ihrer Wirkung Inhomogenitäten aufweisen, wenn der Lichtwandler 3 seinerseits in seiner Wirkung entgegengesetzte Ungleichmäßigkeiten aufweist, so daß durch Kompensation beider Abweichungen keine wesentliche Beeinträchtigung des Informationssignals 5 und somit der Ergebnisinforma­ tion 9 vorliegt.

Unter Beachtung der Verfügbarkeit effizienter optoelek­ tronischer Bauelemente ist die Nutzung von Licht aus dem infraroten spektralen Bereich sinnvoll.

Unter bewußter Anwendung von Kräften der Schwerkraft und der Strömungstechnik, kann die Lage der Beimengungen so beeinflußt werden, daß Beleuchtungseinrichtung 2 und/oder Lichtwandler 3 den Schlauch nicht vollständig umgeben müssen.

Für eine konstruktive Vereinfachung der Lichtleiter kön­ nen auch mehrere Beleuchtungseinrichtungen bzw. Licht­ wandler durch Teilung in einer Ebene eingesetzt werden. Gleichermaßen sind mehrere Lichtquellen innerhalb einer Beleuchtungseinrichtung und/oder mehrere Photoelemente in einem Lichtwandler einsetzbar.

Anstelle des allgemein üblichen Schlauches kann ein fle­ xibles oder starres lichtdurchlässiges Behältnis mit un­ terschiedlich geformtem Querschnitt verwendet werden.

Im Interesse höherer Störsicherheit gegenüber Fremdlicht­ einflüssen ist die Anwendung modulierten Lichts und einer dementsprechend abgestimmten frequenzselektiven Auswerte­ einheit von Vorteil.

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit kann die Erweiterung mit zusätzlichen Beleuchtungseinrichtungen 2 und/oder Licht­ wandlern 3 in weiteren Ebenen sinnvoll sein.

Eine Richtungserkennung der strömenden Beimengungen 8 ist realisierbar, wenn eine Erweiterung der Lichtwandler in mindestens einer weiteren Ebene und eine geeignete Aus­ wertung der Informationssignale 5 nach allgemein bekann­ ten Methoden der Signalverarbeitung erfolgt.

Während bei relativ schnell fließenden Transportmedien eher dynamische Auswertverfahren sinnvoll erscheinen, kann bei sehr langsam fließenden Transportmedien durch Anordnung von Lichtwandlern in Ebenen jeweils oberhalb und unterhalb der Beleuchtungseinrichtung 3 und durch vergleichende Auswertung der beiden Informationssignale eine in der Regel räumlich unterschiedlich verteilte Bei­ mengung statisch erkannt werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber relativ langfristigen Veränderun­ gen, so bei Vergilbung und begrenzter Verschmutzung des Schlauches.

Da die Vorrichtung auch auf einen vorhandenen Schlauch aufgeschoben werden kann, sind Störungsrisiken durch zu­ sätzliche Schlauchunterbrechungen und -verbindungen aus­ geschlossen.

Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Vorrich­ tung ist die Erkennung von kleinsten Gasblasen in strömen­ den transparenten Flüssigkeiten, da an deren Oberfläche auf das beschriebene Prinzip übertragbare Lichtbrechungs­ effekte stattfinden.

Abhängig von den optischen Eigenschaften des Transportme­ diums und der Beimengung, eignet sich die Vorrichtung auch zur Erkennung fester Beimengungen.

Bezugszeichenliste

1 Transparentes Behältnis
2 Beleuchtungseinrichtung
3 Lichtwandler
4 Lichtschutzgehäuse
5 Informationssignal
6 Auswerteeinheit
7 Fließrichtung der Beimengung
8 Beimengung
9 Ergebnisinformation
10 Lichtquelle
11 Photoelement
12 Lichtquellenstromversorgung

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Erkennung zustandsfremder Beimengungen in fließenden Gasen oder Flüssigkei­ ten an beliebiger Stelle in einem transparenten Behältnis mittels Beleuchtungseinrichtung und Lichtwandler dadurch gekennzeichnet,
daß sich bewegende zustandsfremde Beimengungen (8) in einem Transportmedium durch eine in einer Ebene angeordnete, größtenteils das Behältnis umschlie­ ßende und homogen hinsichtlich Richtung und Betrag zum Behältnis wirkende Beleuchtungseinrichtung (2) ortsgebunden so beleuchtet werden,
daß das durch sich ändernde Brechungsprozesse an einer in Form und Lage unstabilen Grenzfläche zwi­ schen Transportmedium und Beimengung (8) abgelenkte und gestreute Licht in nicht konstanter Lichtstärke auf einen in angrenzender Ebene angeordneten, größ­ tenteils das Behältnis umschließenden und homogen hinsichtlich Richtung und Betrag zum Behältnis wirkenden optoelektrischen Lichtwandler (3) trifft und durch Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten in einer Auswerteeinrichtung (6) zur Bildung eines eindeutigen Ergebnissignals (9) dient, welches das Vorhandensein einer zustandsfremden Beimengung signalisiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (2) das transparen­ te Behältnis (1) vollständig umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtwandler (3) das transparente Behält­ nis (1) vollständig umgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur begrenzte Anteile des sichtbaren und nicht sichtbaren Lichtspektrums benutzt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Licht aus dem infraroten spektralen Bereich des Lichtes benützt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das verwendete Licht moduliert ist und die Aus­ werteeinheit (6) frequenzselektiv arbeitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Beleuchtungseinrichtungen (2) durch Teilung in einer Ebene eingesetzt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Lichtwandler (3) durch Teilung in einer Ebene eingesetzt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Beleuchtungseinrichtungen (2) in minde­ stens einer zusätzlichen Ebene eingesetzt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Lichtwandler (3) in mindestens einer zusätzlichen Ebene eingesetzt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, die Beleuchtungseinrichtung (2) Inhomogenitä­ ten hinsichtlich Wirkungsrichtung und Betrag gegen­ über der transparenten Behältniswandung aufweist, die durch entgegengesetzt wirkende Inhomogenitäten des Lichtwandlers (3) und/oder der Auswerteeinheit kompensiert werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch Nutzung der Schwerkraft und/oder strö­ mungstechnischer Gesetzmäßigkeiten die Lage der Beimengungen beeinflußt und dementsprechend durch eingegrenzte Wirkung der Beleuchtungseinrichtung (2) und/oder der Lichtwandler (3) erfaßt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Frequenz des Informationssignals (5) ausge­ wertet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, durch vergleichende Auswertung der Informati­ onssignale (5) von mindestens zwei in unterschied­ lichen Ebenen angeordneten Lichtwandlern (3) eine Ergebnisinformation (9) zur Erkennung einer Beimengung (8) gebildet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch vergleichende Auswertung der Informati­ onssignale (5) von mindestens zwei in unterschied­ lichen Ebenen angeordneten Lichtwandlern (3) eine Ergebnisinformation (9) zur Erkennung der Bewegungsrichtung der Beimengung (8) gebildet wird.