DE60212179T2

DE60212179T2 - Kontaktpotentialdifferenzsensor zur überwachung von öleigenschaften

Info

Publication number: DE60212179T2
Application number: DE60212179T
Authority: DE
Inventors: Steven Atlanta DANYLUK; Anatoly Zharin
Original assignee: Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Current assignee: Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: ATE329244T1; WO2002079754A3; EP1451551A4; US7019654B2; EP1451551A2; AU2002247430A1; EP1451551B1; US20020140564A1; WO2002079754A2; DE60212179D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein Verfahren und ein System zur Überwachung von Öleigenschaften gerichtet. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Verfahren und ein System gerichtet, die einen Kontaktpotentialsensor zum Überwachen der Eigenschaften von strömendem Öl verwenden.
Hintergrund der Erfindung
Eine Vielfalt mechanischer Systeme, wie z.B. Motoren, benötigt Einrichtungen zum Überwachen der Qualität des zur Schmierung und für andere Funktionen verwendeten Öls. Eine Anzahl herkömmlicher Verfahren existiert für die Durchführung dieser Funktion, einschließlich beispielsweise (1) einem Wegstreckenmonitor, um die Nutzlebensdauerablauf von Öl auf der Basis allgemeiner Lebensdauerannahmen zu begrenzen, (2) einem Magnetfeldsensor zum Erfassen der Dichte ferromagnetischer Partikel in dem Öl, (3) einem Partikeltrenngerät zum Bewerten der Größe und Anzahl von Verschmutzungspartikeln, (4) einem Schwellenwert-Öltemperatursensor, (5) einem korrodierbaren Sensor, welcher eine elektrische Schaltkreisunterbrechung erleidet, wenn das Öl zusammenbricht oder eine Verschmutzung erleidet, (6) einer chemische Vorhersagevorrichtung, um den Säureanteil in dem Öl zu bewerten und (7) einem Lichtabsorptionssensor auf der Basis von Lichtabschwächung durch Partikel in dem Öl.
Yano D. et al., "Nonvibrating Contact Potential Difference Probe Measurement of an Nanometer-Scale Lubricant on a Hard Disk "Journal of Tribology, American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, US, Vol 121 No. 4 Pages 980–983 offenbart die Verwendung einer Kontaktpotentialdifferenzsonde, um das Vorhandensein eines sehr dünnen 10 nm dicken Ölschicht auf einer Oberfläche auf einer festen Scheibe zu detektieren, indem eine bestimmte Änderung in den gesamten dielektrischen Eigenschaften in dem Luftspalt zwischen der Sonde und der Scheibenoberfläche aufgrund des Vorhandenseins des Films in Nanometer-Größenordnung detektiert wird.
US 5 136 247 (Hansen Wilford N) offenbart ein Verfahren zum Durchführen einer kalibrierten Messung der Kontaktpotentialdifferenz zwischen einer Sondenelektrode und der Oberfläche einer Probenoberfläche. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung eines aus einer Elektrolytlösung bestehenden Bezugsstandards in elektrischem Kontakt mit einer elektrochemischen Halbzelle und ermöglicht die Bestimmung der absoluten Austrittsarbeit einer Probenoberfläche aus in einer Gasatmosphäre erhaltenen Messwerten.
DE 4 224 218 (Siemens) offenbart einen schnellen Gassensor zur Ermittlung von Komponentenkonzentrationen in einem Gasgemisch. Der Sensor weist eine Kelvin-Sonde auf, deren Schwingung durch die adsorbierbare Zusammensetzung des zu bewertenden Gasgemisches beeinflusst wird.
Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Systeme leiden unter einigen Nachteilen, wie z.B. einer allgemeinen Unempfindlichkeit gegenüber kritischen Betriebsbedingungen, welchen das Öl unterworfen ist, der Unmöglichkeit eines Einsatzes in vielen Anwendungen aufgrund der Aufbaugröße oder geometrischer Einschränkungen, der Unfähigkeit andere als fenomagnetische Verunreinigung in dem Öl zu detektieren, und dass sie zu speziell ein Maß der Ölverschlechterung sind und dabei viele anderen Anzeichen des Ölzustandes ignorieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung chemischer Änderungen eines Fluids bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen eines nicht-schwingenden Kontaktpotentialdifferenzsensors; Vorbeiströmenlassen eines Fluids an den Sensor in einem geschlossenen Kreislauf, um einen zu einem Kontaktpotential in Beziehung stehendem Strom zu erzeugen; und charakterisieren des Kontaktpotentials als ein Maß der chemischen Änderungen des Fluids.
Ferner wird ein System zur Überwachung von betrieblichen chemischen Veränderungen eines Fluids bereitgestellt, wobei das System aufweist:
einen nicht-schwingenden Kontaktpotentialsensor; ein in einem geschlossenen Kreislauf angeordnetes Fluid; und eine Ausgabevorrichtung, um die betrieblichen chemischen Veränderungen des Fluids anzuzeigen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der Zeichnungen der detaillierten Darstellungen und Ansprüchen, welche die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung darstellen, ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine Skizze eines Kontaktpotentialdifferenzsensors dar;
2 stellt eine Form eines elektrischen Schaltkreises für den Sensor von 1 dar;
3 stellt ein System mit einem an dem Kontaktpotentialdifferenzsensor von 1 vorbei strömenden Ölstrom dar;
4 stellt schematisch die Trennung molekularer Komponenten des Öls in dem System von 2 dar;
5 stellt eine schematische Aufzeichnung des Kontaktpotentials von durch einen Sensor von 1 gemessenen Öl als eine Funktion der Zeit der Ölnutzung dar;
6 stellt ein Beispiel der Anwendung des Kontaktpotentialdifferenzsensors in der Umgebung eines Ölablaufstopfens dar;
7A stellt Kontaktpotentiale für ausgewählte Zeitperioden eines Stroms ungebrauchten Öls durch ein System dar; und
7B stellt Kontaktpotentiale für ein gebrauchtes Öl dar, das einem Strom durch ein System unterliegt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Darstellung der zum Überwachen der Eigenschaften von Öl, weiteren Fluiden und sogar spezieller gasförmiger Umgebungen angewendeten Prinzipien ist schematisch in 1 dargestellt. Ein Kontaktpotentialsensor ist dargestellt, in welchem ein erstes leitendes Material 20, wie z.B. ein erstes Metall, elektrisch über eine Verbindung 25 mit einem zweiten leitenden Material 30, wie z.B. einem zweiten Metall, verbunden ist. Der Sensor 10 ist eine nicht-schwingende Kontaktpotentialdifferenzsonde. Ein elektrisches Feld s entsteht zwischen dem ersten leitenden Material 20 und dem zweiten leitenden Material 30, wenn die zwei Materialien elektrisch verbunden werden, und das elektrische Feld ε → bildet sich aus, wenn die Fermi-Energien der zweiten Materialien 20 und 30 ins Gleichgewicht gebracht werden. Die Stärke des elektrischen Feldes ε → hängt von den dielektrischen Eigenschaften, einer relativen Dielektrizitätskonstante ε, des in dem Spalt 35 zwischen den zwei Materialien 20 und 30 angeordneten Materials ab. Im Allgemeinen kann der Sensor so arbeiten, dass er dielektrische Eigenschaften von Fluiden, wie z.B. Öl und sogar von durch den Sensor 10 strömenden dichten Gasen, erfasst.
Die ersten und zweiten leitenden Materialien 20 und 30 bilden, wenn sie elektrisch verbunden werden, eine elektrochemische Zelle, und ein elektrischer Strom 110 ergibt sich, wenn Öl 46 und/oder eines seiner zwischen den Materialien 20 und 30 angeordneten Bestandteile elektrische Ladung leitet. Da das Öl 46 an den zwei Oberflächen des Materials 20 und 30 vorbeifließt, trennt das elektrische Feld ε → die Ladungen des Öls 46, wobei die positiven Ladungen zur negativen Oberfläche tendieren und umgekehrt. Die Stromdichte hängt von den Grenzflächen-Elektronenübertragungsreaktionen des Öls 46 und seiner Bestandteile, von der Temperatur und der Kontaktpotentialdifferenz zwischen den Materialien 20 und 30. Die Stromdichte kann geschrieben werden als: i = K1TεK2ε →/kTwobei i die Stromdichte (A/cm²), K₁ eine Konstante ist, T die Temperatur ist, K₂ eine weitere Konstante ist, ε → das von der Kontaktpotentialdifferenz erzeugte elektrische Feld ist und k die Boltzmann-Konstante ist. Sie kann auch so geschrieben werden, dass v, die Anzahl von pro Zeiteinheit auf die Elektroden auftreffenden Ionen ist: v = i/Fwobei F die Faraday-Konstante ist, und i der Strom in dem Schaltkreis 38 ist, der eine Schaltkreiskomponente 42, wie z.B. einer Alarmanzeige, einer Anzeigeeinrichtung oder dergleichen aufweist und auch einen Schalter 44 (siehe 2) enthalten kann.
3 stellt schematisch den Sensor 10 dar, wobei Öl 46, das Moleküle 45 enthält, an den innerhalb eines Rohres 50 angeordneten zwei Materialien 20 und 30 vorbeiströmt. 3 und 4 stellen konzeptionell die Trennung der Ölmoleküle 45 dar, welche auf die Wände 60 und 65 der Materialien 20 bzw. 30 auftreffen. Ein resultierendes Kontaktpotential V entwickelt sich und ist schematisch in 5 als eine Funktion der Zeit der Ölnutzung dargestellt. Die Darstellung kann dem chemischen Zustand des Öls 46 zugeordnete Signaturen liefern. Chemische Änderungen können die Verschlechterung des molekularen Aufbaus des Öls 46 und Kontamination durch andere Materialien in Kontakt mit dem Öl 46 beinhalten. Im allgemeinsten Sinne kann der Sensor einen Fluid- oder Gasstrom überwachen, welcher ein ausreichendes Kontaktpotential für die Überprüfung und Analyse durch einen Benutzer erzeugt.
Ein spezifisches kommerzielles Beispiel der Nutzung des Sensors 10 ist in 6 dargestellt. Ein Abschnitt einer Ölwanne 70 enthält einen Ölablassstopfen 80 in einem Automobilölsystem. Da sich das Öl 46 in der Nähe des Sensors 10 bewegt und sich die dielektrischen Eigenschaften ändern, zeigt der Sensor 10 eine Veränderung an, welche durch das gemessene Kontaktpotential manifestiert wird.
7A und 7B stellen einen experimentellen Betrieb des in den 1–3 dargestellten Sensors 10 dar. Neues und gebrauchtes Motoröl einer üblichen Marke wurden durch den Sensor 10 überwacht und die Ergebnisse sind in den 7A bzw. 7B dargestellt. Eine Vielzahl wichtiger elektrischer Änderungen kann in dieser Weise charakterisiert werden und stellt deutlich den Nutzen des Sensors 10 bei der Überwachung eines Fluids wie z.B. eines Öls oder eines anderen derartig charakterisierbaren Materials dar.
Der dargestellte Sensor 10 hat Anwendungen in jedem System mit offenen oder geschlossenen Kreisläufen, in welchen Fluid durch den Sensor 10 geführt werden kann, was die Charakterisierung der chemischen Eigenschaften des Fluids ermöglicht. Beispiele ohne Einschränkung umfassen Automobilsysteme, chemische Anlagen, ausgewählte Hochdruckgasumgebungen, wie z.B. Turbinenumgebungen und Umweltmonitore.

Claims

Verfahren zum Überwachen chemischer Änderungen eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines nicht-schwingenden Kontaktpotentialdifferenzsensors (10); Vorbeiströmenlassen eines Fluids (46) in einem geschlossenen Kreislauf an dem Sensor (10), um einen mit einem Kontaktpotential in Beziehung stehenden Strom zu erzeugen; und charakterisieren des Kontaktpotentials als ein Maß der chemischen Änderungen des Fluids (46).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluid (46) ein Öl aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Charakterisierungsschritt das Messen des Kontaktpotentials eines Standardfluids und den Vergleich mit dem Kontaktpotential eines Prüffluids beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt der Messung des Kontaktpotentials eines Standardfluids die Erstellung von Signaturen in Verbindung mit einem speziellen dielektrischen Zustand des Fluids beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die chemische Änderung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer molekularen Änderung in Bezug auf das Standardfluid und dem Vorhandensein eines Verschmutzungsmaterials besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die chemische Änderung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer thermisch induzierten chemischen Degeneration und der chemischen Reaktion mit einem Verschmutzungsmittel besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluid (46) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus kondensiertem Material und gasförmigem Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt der Ausgabe einer Alarmanzeige bei der Detektion dielektrischer Eigenschaften außerhalb eines akzeptablen Bereichs beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner eine Anzeigeeinrichtung zur Verwendung durch eine Bedienungsperson zum Betrachten der Alarmanzeige beinhaltet.
System zum Überwachen der betriebsbedingten chemischen Änderungen eines Fluids (46), dadurch gekennzeichnet, dass das System aufweist: einen nicht-schwingenden Kontaktpotentialsensor (10); ein in einem geschlossenen Kreislauf angeordnetes Fluid; und eine Ausgabevorrichtung (42), die dafür angepasst ist, betriebsbedingte chemische Änderungen des Fluids anzuzeigen.
System nach Anspruch 10, wobei das Fluid (46) ein Kohlenwasserstofffluid aufweist.
System nach Anspruch 11, wobei das Kohlenwasserstofffluid ein Öl aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei die Ausgabevorrichtung (42) eine Anzeigenkomponente zur Maschinenwartung aufweist.
System nach Anspruch 10, das ferner einen Computer zum Analysieren der betriebsbedingten chemischen Änderungen des Fluids (46) enthält.
System nach Anspruch 10, wobei der Computer Daten enthält, die für eine Vielzahl spezieller degradierter betriebsbedingter chemischer Änderungen des Fluids (46) charakteristisch sind.