DE102017204304A1

DE102017204304A1 - Vorrichtung zur Messung der Menge von metallischen Teilchen in einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102017204304A1
Application number: DE102017204304.0A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schäfer; Daniel Wolf; Marton Kurucz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-03-16
Also published as: DE102017204304B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Menge von metallischen Teilchen in einer Flüssigkeit.Es wird eine Anordnung von mindestens einem Spulenpaar (1, 2) vorgeschlagen, welches jeweils einen ersten und einen zweiten hufeisenförmigen Magnetkern (3, 5) mit einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) sowie eine erste und eine zweite Magnetspule (4, 6) zur Aktivierung und Deaktivierung der Magnetkerne (3, 5) aufweist, wobei die Magnetkerne (3, 5) sich gegenüber liegend unter Belassung von Spalten (7, 8) zwischen Nordpolen (N) und Südpolen (S) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Menge von metallischen Teilchen in einer Flüssigkeit.
Durch die US 2005/0212533 A1 wurde eine Vorrichtung zur Messung der Verunreinigung eines Schmieröls durch metallische Teilchen bekannt. Das Schmieröl, welches beispielsweise der Schmierung eines Getriebes dient, enthält metallische Teilchen, welche durch Abrieb zwischen den Zahnrädern des Getriebes entstehen, durch das Schmieröl mitgeführt und zum Teil im Ölsumpf einer Ölwanne abgelagert werden. Die bekannte Vorrichtung weist einen Sensorkopf mit einem Permanentmagneten, einer ersten als Kappe ausgebildeten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche als eine Vielzahl von auf dem Umfang des Sensorkopfes angeordneten Leiterstäben ausgebildet ist. An den Sensorkopf ist ein Voltmeter zur Messung einer veränderlichen Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeschlossen. Zwischen der Kappe und den Leiterstäben sind Abstände belassen, innerhalb welcher sich die metallischen Teilchen, angezogen durch die Wirkung des Permanentmagneten, ablagern und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode herstellen. Je nach der Stärke des Ablagerungsgrades vermindert sich der elektrische Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, was über das Voltmeter gemessen wird. Die gemessene Spannung ist somit umgekehrt proportional zur Menge der abgelagerten metallischen Teilchen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.
Die Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist eine Anordnung von mindestens zwei hufeisenförmigen Magnetkernen mit Magnetspulen vorgesehen, wobei sich die hufeisenförmigen Magnetkerne gegenüber liegen und jeweils einen Spalt zwischen ihren Polen bilden. Durch Aktivierung der Magnetkerne, d. h. Bestromung der Magnetspulen wird im Bereich der Spalte zwischen Nord- und Südpolen ein magnetisches Feld erzeugt, in welchem die in der Flüssigkeit enthaltenen metallischen Teilchen gesammelt und ausgerichtet werden. Aufgrund der Ansammlung der metallischen Teilchen wird der Spalt zwischen den Polen überbrückt und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen hergestellt; der elektrische Widerstand der Überbrückung ist abhängig von der Menge der metallischen Teilchen. Damit kann festgestellt werden, ob und gegebenenfalls in welchem Ausmaß metallische Teilchen in der Flüssigkeit enthalten sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anordnung eine Messeinrichtung zur Messung des elektrischen Widerstandes zwischen den Polen der Magnetkerne im Bereich der Spalte zugeordnet. Die Messeinrichtung umfasst einen Stromkreis und misst den Strom, welcher zwischen den Polen aufgrund der Überbrückung durch metallische Teilchen fließt, bzw. den Spannungsabfall. Je mehr Teilchen sich in dem Spalt angesammelt und eine elektrisch leitende Verbindung aufgebaut haben, umso größer ist der zwischen den sich gegenüber liegenden Polen der Magnetkerne fließende Strom.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung elektrisch leitend mit den Magnetkernen, die aus einem magnetisierbaren und elektrisch leitenden Material bestehen, z. B. Eisen verbunden. Der Spalt und angrenzende Teile der Magnetkerne liegen somit im Stromkreis der Messeinrichtung.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung eine Anzeigevorrichtung, welche im Stromkreis angeordnet ist und bei Erreichen eines bestimmten Schwellwertes ein Signal ausgibt. Bei der Anzeigevorrichtung kann es sich in einer einfachsten Ausführung um eine Glühbirne oder eine LED handeln, welche bei Erreichen des Schwellwertes aufleuchtet. Die Glühbirne dient somit als optisches Signal für den Gehalt an metallischen Teilchen. Es ist in alternativen oder ergänzenden Ausführungen auch möglich, sonstige Anzeigemittel, beispielsweise ein Display, vorzusehen. Hier können dann unterschiedliche Zustände, Verläufe und Hinweise in Bezug auf die Menge metallischer Teilchen in der Flüssigkeit dargestellt werden. Auch kann die Anzeigevorrichtung zur Fernüberwachung geeignet sein, indem ein Signal zur Anzeige mittels Datenübertragung (kabelgebunden oder kabellos) an eine entfernte Anzeigevorrichtung, beispielsweise in einem zentralen Leitstand, übertragen wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Spulenpaare vorgesehen, welche jeweils unterschiedliche Spaltweiten aufweisen. Damit wird eine Differenzierung der gesamten Messvorrichtung erreicht: die Spalte mit der geringeren Spaltweite werden sich schneller zusetzen als die Spalte mit einer größeren Spaltweite. Damit kann die Messung gestuft erfolgen. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, gezielt nach kleinen oder größeren Teilchen zu suchen, indem für die Messung Anordnungen mit geringeren oder größeren Spaltweiten eingesetzt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit ein metallische Teilchen enthaltendes Öl, vorzugsweise ein Schmieröl, welches sich in einer Ölwanne eines Getriebes sammelt. Die metallischen Teilchen fallen beispielsweise als metallischer Abrieb von miteinander kämmenden Zahnrädern an, werden vom Schmieröl mitgeführt und teilweise im Ölsumpf abgelagert. Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung, insbesondere in Verbindung mit einem Handhabungsarm kann die Anordnung in das Öl eintauchen und gezielt die Konzentration der metallischen Teilchen im Schmieröl feststellen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Handhabungsarm respektive die Betätigungseinrichtung eine Kraftmesseinrichtung auf, mit Hilfe derer das Gewicht der zwischen den Polen angesammelten Metallteilchen feststellbar ist. Die Kraftmessung kann entweder durch Messung der Trägheitskräfte beim Beschleunigen des Handhabungsarms oder durch eine Wiegemesszelle ermittelt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Darstellung und/oder Messung der zwischen den Polen angesammelten Metallteilchen mit optischen Mitteln, z. B. einer Kamera erfolgen. Damit ist eine Inspektion möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Spalte der erfindungsgemäßen Anordnung im Bereich einer Ölströmung angeordnet werden. Dadurch ist es möglich, die Konzentration der metallischen Teilchen, welche von einem Ölstrom mitgeführt werden, zu messen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Ölstroms kann dabei an die Messeinrichtung angepasst werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können.
Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von zwei Magnetspulenpaaren 1, 2, auch kurz Spulenpaaren 1, 2 genannt. Das erste Spulenpaar 1 weist einen ersten hufeisenförmigen Magnetkern 3 mit einer ersten Magnetspule 4 sowie einem Südpol S und einem Nordpol N auf. Ein zweiter hufeisenförmiger Magnetkern 5 mit einer zweiten Magnetspule 6 ist dem ersten Magnetkern 3 gegenüberliegend angeordnet, wobei zwischen den Polen des ersten Magnetkerns 3 und des zweiten Magnetkerns 5 Spalte 7, 8 jeweils mit einer Spaltweite s1 belassen sind. Den beiden Magnetkernen 3, 5 ist ein Stromkreis 9 mit einer Messeinrichtung 10 zugeordnet, wobei die Messeinrichtung 10 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Glühbirne 10 ausgebildet ist. Der Stromkreis 9 umfasst eine Spannungsquelle 9a, einen ersten mit dem ersten Magnetkern 3 verbundenen Leitungszweig 9b sowie einen zweiten mit dem zweiten Magnetkern 5 verbundenen Leitungszweig 9c. Die Spalte 7, 8 mit der Spaltbreite s1 liegen somit innerhalb des Stromkreises 9. Das zweite Spulenpaar 2 ist analog wie das erste Spulenpaar 1 ausgebildet, mit dem Unterschied, dass die Spaltweite s2 zwischen Nord- und Südpol kleiner ist als die Spaltweite s1 beim ersten Spulenpaar 1.
Die dargestellte Anordnung der beiden Spulenpaare 1, 2 wird erfindungsgemäß zur Erkennung und Messung von metallischen Teilchen in einer Flüssigkeit, vorzugsweise in einem Öl, insbesondere in einem Schmieröl verwendet. Dazu werden die Spulenpaare 1, 2 - was nicht dargestellt ist - an einer Betätigungseinrichtung oder einem Handhabungsarm befestigt, so dass die Spulenpaare 1, 2 in das Öl eingetaucht und an einer gewünschten Stelle, z. B. im Ölsumpf einer Ölwanne eines Getriebes positioniert werden können. Bei einer Aktivierung der Magnetkerne 3, 5 durch Bestromung der Magnetspulen 4, 6 wird ein magnetisches Feld in den mit Öl gefüllten Spalten 7, 8 erzeugt. Für den Fall, dass sich in dem Öl metallische Teilchen befinden, werden diese in Richtung der Spalte 7, 8 wandern und sich dort sammeln, bis eine Überbrückung der beiden Pole S, N, d. h. eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt ist. Liegt an der Spannungsquelle 9a eine Spannung an, so beginnt im Stromkreis 9 und zwischen den Polen N, S ein Strom zu fließen, welcher zu einem Aufleuchten der Glühbirne 10 führt bzw. zu einem Ausschlag eines alternativen Messgeräts. Die Größe des Ausschlags am Messgerät ist ein Maß für die Menge der angesammelten metallischen Teilchen und damit für die Konzentration der metallischen Teilchen im Öl.
Beispielhaft sind in der Zeichnung zwei Spulenpaare 1, 2 mit unterschiedlichen Spaltweiten s1, s2 dargestellt und oben beschrieben. Möglich sind auch mehr als zwei Spulenpaare 1, 2 mit unterschiedlichen Spaltweiten oder nur ein Spulenpaar. Das Spulenpaar 2 mit der geringeren Spaltweite s2 wird sich zuerst zusetzen, und zwar mit kleineren metallischen Teilchen, während das Spulenpaar 1 mit der größeren Spaltweite s1 eine größere Zeitspanne benötigt, bis eine elektrisch leitende Überbrückung hergestellt ist. Bei einer Anordnung von mehreren Spulenpaaren, beispielsweise fünf bis zehn kann anhand der zugesetzten Spalte der einzelnen Spulenpaare auf den Verschmutzungsgrad, d. h. den Gehalt an metallischen Teilchen geschlossen werden.
Möglich sind unterschiedliche Suchstrategien: Man wählt einen permanenten Betrieb in einem vom Öl durchströmten Bereich, so dass sich alle Spulenpaare gleichmäßig mit metallischen Teilchen anreichern und entsprechend ihren Spaltweiten nacheinander ansprechen. Oder man wählt einen intermittierenden Betrieb der gesamten Anordnung oder einzelner Spulenpaare. So könnte z. B. beim Abtasten des Ölsumpfes von groß nach klein gesucht werden, die jeweils nicht benötigten Spulenpaare könnten ausgeschaltet werden.
Es besteht ferner die Möglichkeit, die Menge der zwischen den Polen festgehaltenen metallischen Teilchen zu wiegen, indem an dem Handhabungsarm eine entsprechende Kraftmesseinrichtung vorgesehen ist, welche entweder die Beschleunigungskräfte beim Anheben des Handhabungsarmes misst oder als Wiegezelle ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die Menge der angesammelten metallischen Teilchen mittels - nicht dargestellter - optischer Mittel, z. B. einer Kamera festgestellt werden. Damit kann der Konzentrationsgrad der metallischen Teilchen im Öl visuell dargestellt und durch Inspektion erkannt werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, das oben beschriebene und in der Zeichnung dargestellte mindestens eine Spulenpaar durch einen einzelnen Elektromagneten mit einem Magnetspalt zu ersetzen. Dabei würde der einzelne Elektromagnet einen etwa ringförmig ausgebildeten Magnetkern mit einem Magnetspalt aufweisen, bei welchem sich Nordpol und Südpol gegenüber liegen. Der Magnetkern könnte also die Form eines offenen Kreisringes oder Ovals aufweisen, d. h. C-förmig ausgebildet sein, wobei die Magnetspule auf der dem Magnetspalt gegenüber liegenden Seite angeordnet wäre.
Bezugszeichenliste

1: erstes Spulenpaar
2: zweites Spulenpaar
3: erster Magnetkern
4: erste Magnetspule
5: zweiter Magnetkern
6: zweite Magnetspule
7: erster Spalt
8: zweiter Spalt
9: Stromkreis
9a: Spannungsquelle
9b: erster Leitungszweig
9c: zweiter Leitungszweig
10: Messeinrichtung
s1: Spaltweite
s2: Spaltweite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2005/0212533 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Messung der Menge von metallischen Teilchen in einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch eine Anordnung von mindestens einem Spulenpaar (1, 2), welches jeweils einen ersten und einen zweiten hufeisenförmigen Magnetkern (3, 5) mit einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) sowie eine erste und eine zweite Magnetspule (4, 6) zur Aktivierung und Deaktivierung der Magnetkerne (3, 5) aufweist, wobei die Magnetkerne (3, 5) sich gegenüber liegend unter Belassung von Spalten (7, 8) zwischen Nordpolen (N) und Südpolen (S) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Magnetkernen (3, 5) eine Messeinrichtung (10) zur Messung des elektrischen Widerstandes zwischen den Polen (N, S) der Magnetkerne (3, 5) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (10) elektrisch leitend mit den Magnetkernen (3, 4) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (10) eine Anzeigevorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mehrere Spulenpaare (1, 2) mit unterschiedlich bemessenen Spaltweiten (s1, s2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein metallische Teilchen enthaltendes Öl ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spulenpaar (1, 2) mittels eines Handhabungsarmes in der Flüssigkeit respektive dem Öl positionierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Handhabungsarm eine Kraftmesseinrichtung zur Messung des Gewichts der metallischen Teilchen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der metallischen Teilchen mit optischen Mitteln darstellbar und/oder messbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spulenpaar (1, 2) in einem Ölstrom angeordnet ist.