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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der fluidangetriebenen Systeme
und insbesondere einen Sensor zur Bestimmung des Anteils der Partikelschmutzstoffe
in einem Systemfluid.
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Verunreinigte
Fluide können
einen fehlerhaften Betrieb oder einen Totalausfall von Pumpen, Ventilen
und Aktuatoren, die in hydraulischen Steuersystemen verwendet werden,
hervorrufen. Viele Flugzeugkraftstoffsysteme verwenden eine Technik
auf Servobasis, in der eine Verunreinigung zu gefährlichen
Ausfällen
führen
kann. Dies wird oftmals durch die Tatsache verschlimmert, daß es sich
hierbei typischerweise um ”Totalverlust”-Systeme
handelt.
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Die
Fluidreinheit ist schwer zu überwachen. Schmierölsysteme
für hochwertige
Betriebsanlagen und Maschinen wie etwa Gas- und Dampfturbinen müssen mit
einem außerordentlich
hohen Standard gewartet werden, wenn eine große Beschädigung und ein Produktionsverlust
vermieden werden sollen. Die herkömmliche Überwachung der Ölreinheit
ist unbequem und teuer, außerdem
sind die Ergebnisse erst mit einer erheblichen Verzögerung verfügbar.
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Die
Verunreinigungsempfindlichkeit verschiedener Elemente eines Fluidantriebssystems
ist sehr gut spezifiziert. Für
Pumpen und Motoren gibt es einen kritischen Bereich für die Partikelgröße, die
die meisten Beschädigungen
hervorruft. Ein Servoventil kann jedoch einen fehlerhaften Betrieb
und einen beschleunigten Verschleiß bei auf das Ventil einwirkenden
Partikeln zeigen, die nur wenige Mikrometer groß sind und sich um die Stege
eines Ventilschiebers ansammeln. Eine Antwort auf und ein Schutz
vor diesen möglichen
Fehlerarten werden durch besondere Entwurfsmerkmale geschaffen,
die in das Servoventil eingebaut werden. Gleiches gilt für andere
Komponenten in dem System. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß noch immer
eine starke Korrelation zwischen der Reinheit des Fluids und der
Zuverlässigkeit
des Systems, in dem es verwendet wird, besteht.
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Fortschritte
bei den Fluiden, der Filterung und dem Komponentenentwurf haben
Verbesserungen ergeben. Daher sind stabile Hydrauliksysteme im allgemeinen
zuverlässig,
Probleme entstehen jedoch dann, wenn Parameter geändert werden.
Beispielsweise könnte
eine Pumpe ausfallen und eine Abriebmehlwolke durch das System schicken.
Das Fluid kann überhitzen
und viele winzige harte Partikel erzeugen. Dem Tank zugeführtes neues
Schmieröl könnte nicht
so rein wie beabsichtigt sein. Kraftstofföl (z. B. Flugzeugkraftstoff)
wird nicht in das System zurückgeführt, so
daß nicht
die Möglichkeit
besteht, daß es
sich nacheinander durch verschiedene Filter bewegt. Solche Ursachen
können
selbst das System mit dem besten Entwurf zerstören und können, da sie prinzipiell unerwartet
und zufällig
sind, sowohl die Betriebsanlage als auch die Sicherheit in unvorhersagbarer
Weise gefährden.
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Bisher
ist die Reinheit durch Nehmen einer Probe des Fluids und dann durch
Schätzen
der Anzahl und der Größe der Schmutzstoffpartikel
in einer solchen Probe überwacht
worden. Dies kann entweder manuell (z. B. unter Verwendung eines
Mikroskops) oder automatisch (z. B. wie üblich durch Verwenden der Lichtblockiertechnik)
geschehen. Beide Techniken sind sehr arbeitsaufwendige Prozeduren. Die
meisten dieser Instrumente sind zwar tragbar und können in
einigen Fällen
sogar direkt mit dem zu prüfenden
Fluidsystem verbunden werden, keines ist jedoch klein und robust
genug, um dauerhaft installiert zu bleiben.
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Daher
wird davon ausgegangen, daß ein
Bedarf an einem Schmutzstoffsensor besteht, der klein, robust und
für eine
dauerhafte Installation in einer hochwertigen und/oder sicherheitskritischen
Anlage geeignet ist. Ein System, das diese Merkmale möglicherweise
bietet, ist zwar von anderen entwickelt worden, wegen der notwendigen
Größe des erforderlichen
Strömungsmeßkolbens
hat es jedoch noch immer unhandliche Abmessungen.
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GB 2 112 530 A beschreibt
eine Vorrichtung zur Feststellung der Menge eines bestimmten Schmutzstoffes
in einem hydraulischen System. Das entsprechende Fluid tritt durch
einen engen Spalt zwischen einem Kolben und einer umgebenden Bohrung
hindurch. Wenn dieser Spalt von dem entsprechenden Schmutzstoff
verstopft ist, wächst
der Druck in einer Kammer stromaufwärts zum Kolben an. Wächst der
Druck auf mehr als einen vorbestimmten Wert, wird dies durch einen
entsprechenden Detektor erfasst, der sowohl eine Zähleinrichtungsträger, als auch
einen Elektromagneten betätigt,
um den Kolben zurückzuziehen
und die Verstopfung zu beseitigen. Danach wird der Kolben zurückgeführt und
ein weiterer Zyklus beginnt, in dem sich gegebenenfalls erneut eine
Verstopfung bildet. Die entsprechende Frequenz zum Lösen der
Verstopfung dient als Angabe zum Grad der Verschmutzung des Fluids.
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GB 2 141 240 A beschreibt
ein Hydrauliksystem, bei dem ebenfalls die Menge einer Verschmutzung
festgestellt wird. Ein entsprechender Kolben weist bewegbare Teile
auf, die eine Öffnung
bestimmen, durch die Fluid hindurch treten kann. Bei Bewegung des
Kolbens wird entsprechend Fluid abgegeben, bis die Öffnung durch
eine Verschmutzung blockiert ist. Der Verschmutzungsgrad kann dann
aus der Entfernung abgeleitet werden, entlang welcher der Kolben
bewegt wurde.
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US 5,358,043 A beschreibt
eine Messvorrichtung für
eine Verschmutzung in einem Fluid. Die Vorrichtung umfasst einen
Filter, durch den das Fluid hindurch tritt. Ein Testkolben wird
in Reaktion auf ein durch den Filter hindurch tretendes Fluid bewegt.
Die Bewegung des Testkolbens ändert
sich entsprechend zur Verminderung eines Durchflusses durch den
Filter.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Erfassung von Fluidverunreinigungen zu schaffen, bei der die Kolbengröße drastisch
verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur Erfassung von Fluidverunreinigungen nach Anspruch
1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß kann der
Anteil der Verunreinigungen in dem Fluid als Funktion der Strömung durch
einen Prüfkanal
während
des ersten Zyklus und von der Anzahl der Zyklen, die diese Strömung benötigt, um
auf einen vorgegebenen Minimalwert abzunehmen, bestimmt werden.
Der Prüfkanal
kann einen ringförmigen
Querschnitt besitzen, der zwischen den einander gegenüberliegenden
Oberflächen
eines Ventilschieberstegs und einer an dem Körper angebrachten zylindrischen
Hülse definiert ist.
Die Vorrichtung kann einen Kolben besitzen, der in einem Zylinder
eine dichte Gleitbewegung ausführt.
Das Ventil kann ein Entlastungsventil sein. Der Rückstellmechanismus
kann fluidangetrieben sein und die Steuereinheit kann die Kammer
dazu veranlassen, sich in Abhängigkeit
von der Strömung
durch den Kanal zyklisch zu vergrößern oder zu verkleinern.
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Daher
schafft die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung
von Fluidverunreinigungen, die an dem System, in dem das Fluid enthalten ist,
angebracht werden kann oder diesem System in anderer Weise dauerhaft
zugeordnet werden kann, die sehr genau die Kanäle simuliert, die in dem zugeordneten
Fluidsystem angetroffen werden, und die die Wirkung dieser Verunreinigungen
auf die Strömung
durch das System simulieren und vorhersagen kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die auf die Zeichnung
Bezug nimmt, in der
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1 einen
schematischen Blockschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Erfassung von Fluidverunreinigungen gemäß der Erfindung
zeigt.
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Zunächst wird
angemerkt, daß selbstverständlich in
der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen die gleichen
Strukturelemente, Abschnitte oder Flächen bezeichnen, soweit diese
Elemente, Abschnitte oder Flächen
in dem gesamten Dokument, wovon diese genaue Beschreibung der Ausführungsformen
ein Bestandteil ist, beschrieben oder erläutert werden. Soweit nicht
anders angegeben, soll die Zeichnung in Verbindung mit der Beschreibung
gelesen werden (Schraffur, Anordnung der Teile, Verhältnisse,
Grade und dergleichen) und soll als Teil des gesamten Dokuments
angesehen werden. In der folgenden Beschreibung beziehen sich die
Ausdrücke ”horizontal”, ”vertikal”, ”links”, ”rechts”, ”oben” und ”unten” sowie
ihre adjektivischen und adverbialen Ableitungen einfach auf die
Orientierung der gezeigten Struktur, wie sie dem Leser in der besonderen
Zeichnung vorliegt. Ebenso beziehen sich die Ausdrücke ”einwärts” und ”auswärts” im allgemeinen
auf die Orientierung einer Fläche
relativ zu ihrer Erstreckungsachse oder ihrer Drehachse.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist ein verbesserter Fluidverunreinigungs-Erfassungssensor
allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Der Sensor 20 umfaßt im allgemeinen
ein solenoidbetätigtes Spülventil 21,
ein Schieberventil 22 zur Erfassung von Verunreinigungen,
einen Strömungsmeßkolben 23 und
ein Rückführungsventil 24.
Mit Druck beaufschlagtes Fluid, das eine unbekannte Menge von Schmutzstoffen
enthält,
wird dem System von einer geeigneten Quelle für diesen Versorgungsdruck PS zugeführt.
Der Versorgungsdruck PS wird über eine Leitung 25 an
das Spülventil 21 angelegt
und über eine
Leitung 26 an das Rückführungsventil
angelegt. Die Leitung 26 weist eine Einschnürungsblende 28 auf.
Das Spülventil 21 und
das Rückführungsventil 24 sind
jeweils elektrisch betätigte
Zweistellungsventile des Solenoidtyps, die in 1 im
aberregten Zustand gezeigt sind.
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Das
Schmutzstoff-Erfassungsventil 22 umfaßt einen Ventilschieber, der
in einem Körper
eine dichte Gleitbewegung ausführt.
Dieses Ventil besitzt einen rechten abdichtenden Steg 29,
einen linken abdichtenden Steg 30 und einen dazwischenliegenden nicht
abdichtenden Ablagerungssteg 31, der in geringem Abstand
zu einer einwärts
gerichteten Körper- oder
Hülsenoberfläche angeordnet
ist. In der linken Schieber-Stirnkammer ist eine Feder 32 funktional angeordnet
und wirkt zwischen dem Körper
und dem Ventilschieber. Diese Feder bewirkt eine ununterbrochene
Vorbelastung auf den Ventilschieber nach rechts relativ zum Körper, bis
eine Noppe 33, die sich von der rechten Schieber-Stirnfläche nach
rechts erstreckt, an der linken Stirnwand der rechten Stirnkammer
anschlägt.
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Der
Versorgungsdruck PS in der Leitung 26 wird über eine
Leitung 34 auch dem ringförmigen Raum zwischen dem dazwischenliegenden
Ablagerungssteg 31 und dem rechten Steg 29 bereitgestellt. Das
verunreinigte Fluid von der Quelle kann dann durch die ringförmige Blende 48,
die zwischen dem Ablagerungssteg 31 und der gegenüberliegenden Körperfläche definiert
ist, in die ringförmige
Kammer zwischen dem Ablagerungssteg 31 und dem linken Steg 30 strömen. Diese
Kammer steht über
eine Leitung 35, die ein Entlastungsventil 36 enthält, mit
einem Fluidsammelbehälter,
in dem ein Rückleitungsdruck
R herrscht, in Verbindung. Das Fluid in der Leitung 35 wird über die
Leitung 38 der rechten Stirnkammer 47 der Strömungsmeßkolben/Zylinder-Baueinheit 23 zugeführt. Diese
Baueinheit enthält
einen Kolben 39, der in einem Zylinder 40 eine
dichte Gleitbewegung ausführt.
Diese linke Stirnkammer der Strömungsmeßzylinder-Baueinheit
steht über
eine Leitung 41 mit dem Rückführungsventil in Verbindung,
das seinerseits über
eine Leitung 42 mit dem Spülventil 21 in Verbindung
steht. Die Leitung 43 stellt zwischen dem Spülventil 21 und
der rechten Schieber-Stirnkammer des Erfassungsventils 22 eine Verbindung
her. Die Leitung 42 steht mit dem Fluidrückleitungsdruck
R über
eine Leitung 45 in Verbindung. Die Leitung 46 stellt
eine Verbindung zwischen der linken Schieber-Stirnkammer und der
Leitung 45 her.
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Die
Position des Kolbens 39 relativ zum Zylinder 40 wird
durch eine Positionserfassungsvorrichtung wie etwa einen linearen
variablen differentiellen Umformer (LVDT, von ”linear variable differential transformer” im Englischen) 44 ununterbrochen überwacht.
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Nun
wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
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Es
wird angenommen, daß das
Rückführungsventil 24 und
das Spülventil 21 wie
gezeigt zunächst
aberregt sind, so daß eine
Strömung
von der Quelle mit Druck PS blockiert ist.
In diesem Zustand strömt
ein mit dem Druck PS beaufschlagtes verunreinigtes
Fluid von der Quelle über
die Leitungen 26 und 34 zu der ringförmigen Kammer
auf der rechten Seite des Ablagerungsstegs 31 und dann
durch den ringförmigen
Prüfkanal 48 und
das Entlastungsventil 36 zur Fluidrückleitung R. Das Entlastungsventil 36 besitzt
jedoch eine Feder, die eine Kugel in die geschlossene Stellung vorbelastet,
so daß die
Strömung
durch das Ventil einen geringfügig
erhöhten Gegendruck
erzeugt. Wenn daher das Rückführungsventil 24 aberregt
ist, so daß die
linke Stirnkammer des Strömungsmeßventils 23 mit
der Fluidrückleitung
R über
die Verbindungsleitungen 41 und 45 in Verbindung
steht, bewirkt eine Druckdifferenz, daß das Fluid in der Leitung 35 in
die rechte Stirnkammer 47 der Strömungsmeß-Zylinderbaueinheit anstatt
zur Fluidrückleitung
R strömt.
Die Druckdifferenz über dem
Kolben 39 treibt den Strömungsmeßkolben 39 nach links
an. Die Stellung dieses Kolbens wird durch den LVDT 44,
der über
die Leitung 49 an eine Steuereinheit 50 ein elektrisches
Signal ausgibt, ununterbrochen überwacht.
Die Steuereinheit erzeugt auf den Leitungen 51 bzw. 52 wahlweise
Ausgangssignale für
das Rückführungsventil
und das Spülventil.
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Wenn
der Strömungsmeßkolben
nach links zu seinem Hubende verschoben worden ist, regt die Steuereinheit 50 das
Solenoid des Rückführungsventils
in seine alternative Stellung an. In diesem Zustand kann der Versorgungsdruck
PS von der Quelle über die Leitung 26 und
die nun miteinander verbundenen Leitungen 26 und 41 auf
die linke Stirnkammer des Strömungsmeßkolbens
einwirken. Dieser Druck zwingt den Strömungsmeßkolben zu einer Bewegung nach
rechts, wodurch Fluid in der rechten Stirnkammer 27 durch
die Leitung 38 und das Entlastungsventil 36 hinaus
und zur Rückführungsleitung
R gezwungen wird. Dadurch steigt der Druck in der Leitung 35 auf
den obenerwähnten
etwas erhöhten
Gegendruck an. Da dieser Gegendruck im Vergleich zu dem Druckabfall über dem
Prüfkanal 48 sehr gering ist,
erfolgt über
dem Ablagerungssteg 31 keine deutliche Abnahme des Druckabfalls.
Daher tritt keine deutliche Änderung
der Strömung
von verunreinigtem Fluid oder der Verstopfungsrate auf. Sobald sich der
Strömungsmeßkolben
ausreichend weit nach rechts bewegt hat, aberregt die Steuereinheit 50 das Solenoid
des Rückführungsventils 24,
wodurch das Rückführungsventil
in seine gezeigte Stellung zurückkehren
kann. In diesem Aufbau strömt
das durch die Blende 48 sich bewegende Fluid erneut über die Leitungen 35, 38 zur
Eintrittskammer 47 und treibt den Strömungsmeßkolben nach links an, wodurch Fluid
in der linken Stirnkammer dazu gezwungen wird, über die nun verbundenen Leitungen 41 und 45 zur
Fluidrückleitung
R zu strömen.
Somit kann die Steuereinheit 50 in der Weise arbeiten,
daß der
Strömungsmeßkolben
hin und zurück
oszilliert, wodurch das Volumen der Kammer 47 zyklisch
vergrößert und verkleinert
wird. Ein Zeitgeber 53 ist so angeordnet, daß er ununterbrochen
die Zeiten dieser Oszillationen erfaßt. Wenn daher die Blende 48 durch
das Vorhandensein der Schmutzstoffe im Fluid allmählich verstopft
wird, nimmt die Zeit, die für
die Erhöhung des
Volumens der Kammer 47 von einem ersten Volumen zu einem
zweiten Volumen erforderlich ist, allmählich zu. Dies zeigt die verringerte
Strömung durch
die allmählich
verstopfte Blende 48 an.
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Die
Vorrichtung arbeitet auf diese Weise zyklisch, bis die Zykluszeit
angibt, daß die
Strömung durch
die Blende 48 einen vorgegebenen Minimalwert erreicht hat,
wobei an diesem Punkt die Prüfung angehalten
wird und der Verunreinigungsanteil aus den Werten der Anfangsströmung und
der Endströmung
sowie aus der Anzahl der Zyklen in der Prüfung berechnet wird.
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Die
Prüfung
kann durch Reinigen des verstopften Kanals und durch Wiederholen
der Prüfzyklen
erneut ausgeführt werden.
Hierzu schickt die Steuereinheit ein geeignetes Signal an das Solenoid des
Spülventils 21.
Dadurch wird das Spülventil
zu einer Bewegung in die alternative Position veranlaßt, in der
der Versorgungsdruck über
die nun verbundenen Leitungen 25, 43 für die rechte
Erfassungs-Schieberstirnkammer angelegt wird. Dadurch wird der Erfassungsschieber
in seinem Körper
nach links bewegt, indem er die Vorbelastungskraft der Feder 32 überwindet.
Durch Bewegen des Ablagerungsstegs 31 in einen Bereich 53 mit
größerem Durchmesser
des Körpers
werden die Verstopfungen, die durch die angesammelten Schmutzstoffe
aus dem vorhergehenden Zyklus verursacht werden, beseitigt, indem
ihnen ermöglicht
wird, zur Fluidrückleitung
gespült
zu werden. Somit arbeitet das Spülventil
in der Weise, daß im
wesentlichen alle Schmutzstoffe aus der Blende 48 entfernt
werden und daß die
Vorrichtung für
die nächste
Reihe von zyklischen Strömungsmessungen bereit
ist.
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Die
Strömung
durch den ringförmigen
Zwischenraum der Prüfblende
ist zwar von der Fluidtemperatur abhängig, diese Wirkung wird jedoch
aus den Berechnungen des Verunreinigungsanteils im wesentlichen
beseitigt, indem die Berechnung auf dem Verhältnis des Anfangswertes zum
Endwert der gemessenen Strömung
anstatt auf den Absolutwerten der Strömung basiert und indem die
Meßzeit
verhältnismäßig kurz
gehalten wird, so daß die
Temperatur während
dieser Zeit im wesentlichen konstant bleibt. Um diese Zeit auf ein
Minimum zu verringern, kann eine alternative Prüffolge aufgebaut werden, um
die endgültige
Strömungszeit
zu bestimmen, woraufhin die Prüfblende
gespült
wird und die Prüfung
erneut begonnen wird, um die anfängliche
Strömungszeit
zu bestimmen.
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Abwandlungen
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Die
Erfindung umfaßt
viele Abwandlungen. Obwohl die Vorrichtung beispielsweise schematisch so
dargestellt worden ist, daß sie
solenoidbetätigte Zweistellungsventile
umfaßt,
könnte
die Ventilanordnung ohne weiteres wie gewünscht geändert oder abgewandelt werden.
Der Aufbau und die Funktionsweise der verschiedenen Komponenten
des verbesserten Sensors können
wie gewünscht
geändert
oder abgewandelt werden. Selbstverständlich wird die beigefügte Zeichnung
zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips des verbesserten Sensors
verwendet, ohne daß beabsichtigt
ist, den Aufbau zu beschränken,
der die notwendigen Funktionen ausführen könnte und der durch die verschiedenen
Ansprüche definiert
ist.