DE69027331T2

DE69027331T2 - Strömungswächter

Info

Publication number: DE69027331T2
Application number: DE69027331T
Authority: DE
Inventors: Dominic Barnard; David Button; John PRATT; Paul Staff
Original assignee: UCC Corp Switzerland
Current assignee: Parker Hannifin Manufacturing UK Ltd
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1990-12-04
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2010-12-05
Also published as: EP0504215B1; CA2066052A1; US5619333A; ES2090295T3; DE69027331D1; JPH05503150A; CA2066052C; GB8927371D0; EP0504215A1; AU639967B2; AU6900691A; ATE139030T1; WO1991008467A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das überwachen einer Partikelverunreinigung von Fluiden und insbesondere auf die Verunreinigung von Fluiden, wie eines Hydraulikfluids.
Das Überwachen von Verunreinigungspegeln in einem Hydraulikfluid, das in einer Einrichtung, wie einen Erdbewegungsgerät, Werkzeugmaschinen und dergleichen, verwendet wird, ist wichtig, um sicherzustellen, daß das Hydraulikfluid ausgetauscht wird, bevor eine Verunreinigung einen Pegel erreicht, bei welchem ein Schaden an oder eine Fehlfunktion der hydraulischen Einrichtung auftreten kann. Eine Verunreinigung eines Hydraulikfluids kann sich aus Sandpartikeln, die von den Gießvorgängen übriggeblieben sind, welche zum Herstellen von Strömungssteuerventilen, Hydropulsoren etc. verwendet werden, aus Metallpartikeln, welche von den verschiedenen Hydraulikkomponenten weggebrochen oder abgearbeitet wurden, und aus Gummipartikeln ergeben, welche von Dichtungen, Schläuchen und dergleichen wegbrechen. Eine Partikelverunreinigung kann einen vorzeitigen Ausfall von Komponentenelementen zur Folge haben, und das Problem ist schwerwiegend genug, daß ein Internationaler Standard (ISO 4406) eingerichtet worden ist, um zu ermöglichen, daß Verunreinigungspegel quantifiziert werden, wobei somit den Herstellern hydraulischer Komponenten erlaubt bzw. ermöglicht wird, zulässige Systemreinheitspegel zu spezifizieren.
Herkömmlicherweise werden Proben eines Hydraulikfluids durch geeignete Entnahmestellen aus Systemen extrahiert, in "sauberen" Behältern gesammelt und für eine Analyse zu einem Labor weggebracht, um Verunreinigungspegel zu bestimmen. Die Messung von Verunreinigungspegeln auf diese Weise hat jedoch schwerwiegend Nachteile. Zuerst bedeutet die Notwendigkeit, Fluid aus dem Hydrauliksystem zu entziehen bzw. zu entnehmen, daß Entnahmestellen sorgfältig positioniert werden müssen, um sicherzustellen, daß das Fluid, welches analysiert wird, eine realistische Probe des Fluids in dem System ist. Dies kann schwierig zu erreichen sein, insbesondere falls Fluid nur entnommen werden kann, wenn das Hydräulikfluid nicht unter Druck steht. Zweitens bedeutet die Anforderung, das Fluid für eine Laboranalyse zu entfernen, daß Ergebnisse nicht unmittelbar verfügbar sind, so daß ein fortgesetztes Arbeiten der Einrichtung, während eine Laboranalyse stattfindet, einen zu langen Betrieb des Hydraulikkreises zur Folge haben kann, während bedenkliche Verunreinigungspegel vorliegen, was eine Beschädigung von Hydraulikkomponenten zur Folge hat. Mit anderen Worten sind die Ergebnisse für eine Verwendung nicht unmittelbar verfügbar. Drittens ist eine absolute Sauberkeit von Sammelbehältern, Rohren, etc. wesentlich, um sicherzustellen, daß die genommenen Proben nur Systemverunreinigungen enthalten.
Systeme sind bekannt, die eine Bestimmung von Schmutzstoffen "vor Ort" ermöglichen, aber diese Systeme sind mit einem Fluiddurchgang durch eine Membran verbunden, durch welche die Flüssigkeit durchgehen kann, die Schmutzstoffe aber nicht. Die Membran wird entfernt, nachdem eine vorgegebene Fluidmenge durch sie durchgegangen ist oder nachdem eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, und die Membran mit den darauffestgehaltenen Schmutzstoffen wird dann mit einem Standardsatz von Scheiben oder Dias verglichen, die Verunreinigungsgrade angeben, wobei ein Vergleich mit dem menschlichen Auge vorgenommen wird, um festzustellen, welcheroder welches der Standardscheiben oder -dias dem der entfernten Membran am meisten ähnelt. Zweifellos sind derartige Systeme für eine beträchtliche Ungenauigkeit anfällig, zeitraubend und natürlich nicht selbsttätig bzw. automatisch.
Andere bekannte, direktgekoppelte (Online) elektronische Partikelzähler verwendende Verfahren sind verfügbar, sind aber gewöhnlich für eine Anwendung vor Ort nicht ausreichend tragbar oder robust.
US-A-3 177 706 offenbart einen direktgekoppelten Fluidverunreinigungswächter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Es besteht daher ein Bedarf, ein praktischeres Verfahren zu schaffen, um eine Fluidverunreinigung vor Ort zu überwachen, und gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein direktgekoppelter Fluidverunreinigungswächter geschaffen mit: einem Mittel, um den Wächter mit einem Fluidkreis zu verbinden; einem Mittel, um Fluid aus dem Kreis zu entnehmen; und einem optischen Mittel, um das aus dem Kreis entnommene Fluid zu betrachten und den Verunreinigungspegel durch Beobachtung der Partikel darin zu bestimmen, wobei das optische Mittel das Fluid durch ein Fenster mittels einer Lichtquelle betrachtet, die angeordnet ist, um Licht durch das Fenster und das Fluid zu projizieren, und einen Lichtsensor aufweist, der auf der entgegengesetzten Seite des Fensters von der Lichtquelle angeordnet und eingerichtet ist, um Partikel in dem Fluid festzustellen, die das Fenster passieren bzw. an ihm vorübergehen; gekennzeichnet durch
ein Mittel, um das aus dem Kreis entnommene Fluid durch das optische Mittel bei einer vorbestimmten Rate durchzulassen; und
ein Mittel, um die Dauer und das Ausmaß einer durch Partikel in dem Fluid verursachten Lichtverdunkelung zu messen.
Der Lichtsensor ist vorzugsweise eine durch einen Schlitz teilweise maskierte Photodiode, damit nur ein ausgewählter Teil des Lichts, das durch das Fluid und Fenster durchgelassen und auf die Photodiode durch eine geeignete Linse fokussiert wird, auf die Photodiode auftrifft. Die Größe des Schlitzes wird durch die minimale Partikelgröße, die gemessen werden soll, und die Empfindlichkeit des elektrischen Systems bestimmt. Vorzugsweise werden die Dauer und das Ausmaß einer durch Partikel in dem Fluid verursachten Lichtverdunkelung bestimmt, indem sowohl die Länge als auch die Amplitude des Sensorsignals gemessen wird. Eine Entnahme eines Fluids bei einer vorbestimmten Rate für ein vorbestimmtes Volumen wird bevorzugt, so daß die Feststellung von Partikeln durch Messen der Dauer und des Ausmaßes einer Verdunkelung in eine Messung einer Partikelgröße und -konzentration genau umgewandelt werden kann.
Das Fluid wird vorzugsweise bei einer vorbestimmten Rate entnommen, indem ein vorbestimmtes Fluidvolumen in einer vorbestimmten Zeit entnommen wird, und dies kann mittels einer Zylinder- und Kolbenanordnung erreicht werden, die eingerichtet ist, so daß der Kolben über eine vorbestimmte Distanz, wie die Länge des Zylinders, durch einen Motor angetrieben wird.
Vorteilhafterweise, und um die Zeit zu reduzieren, die zum Ausführen eines Verunreinigungstests in Anspruch genommen wird, wird eine Kolben/Zylinder- und Motorantriebseinheit einen doppeltwirkenden Kolben aufweisen, wodurch ein zu überwachendes Fluid in jeweils ein Ende des zugeordneten Zylinders hineinund aus dem anderen herausgezögen werden kann, wobei wie erforderlich ein geeigneter Ventilbetrieb vorgesehen ist. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, kann das System mit zwei Öffnungen zur Anbringung an einen Hydraulikkreis versehen werden, wobei die Öffnungen mit den entsprechenden Öffnungen eines typischerweise UCC "System 20"-Drucksensors (siehe EP-B-0124218 und EP-B-0119038) verbunden werden und ein Umgehungsweg um den Sensor herum geschaffen wird, wobei Fluid aus dem Umgehungsweg genommen wird, durch das optische Betrachtungsmittel, durch ein Richtungsventil, zu der Zylinder/Kolbenanordnung, zurück durch das Richtungsventil und dann zurück über den Umgehungsweg und in die stromabwärtige Seite des "System 20"-Sensors durchgelassen wird. Hierdurch kann ein Differenzdruck über den Wächter sehr niedrig eingerichtet werden, und Fluid kann in den Hydraulikkreis, nachdem es für eine Verunreinigungsüberwachung verwendet worden ist, zurückgeführt werden. Wenn der nächste Verunreinigungstest ausgeführt wird, können eine Bewegung des Kolbens in die entgegengesetzte Richtung zu der des vorherigen Tests und eine entsprechende Umstellung des Richtungsventils genutzt werden, um Fluid durch den optischen Sensor zu ziehen.
Um eine hohe Auflösung bei dem optischen Fenster zu erreichen, kann das optische Betrachtungsmittel einen zwischen einem Paar transparenter Platten definierten Strömungskanal aufweisen, wobei das Fenster durch einen in den Platten gebildeten schmalen Kanal oder durch einen Schlitz in einer zwischen den Platten angeordneten opaken bzw. lichtundurchlässigen Folie definiert wird.
Eine geeignete Vergrößerung des Bildes, welches Licht verdunkelt, das von der Lichtquelle durch das Fenster und durch das Fluid durchgeht, kann mittels einer geeigneten Linse erreicht werden, um ein vergrößertes Bild auf dem Schlitz zu erzeugen, der vor der als ein Lichtsensor verwendeten Photodiode angeordnet ist. Alternativ könnte die Photodiode durch ein Diodenfeld, eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) oder eine ähnliche Vorrichtung ersetzt werden.
Ein besonderer Vorteil des Systems der Erfindung ist, daß die Tests ohne Umgebungskontakt ausgeführt werden können, wobei folglich die Genauigkeit erhöht wird, indem eine Verunreinigung durch Schmutzstoffe von außerhalb des Hydrauliksystems, das untersucht wird, vermieden wird.
Ein Beispiel eines Verunreinigungswächters gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
Figur 1 ein schematisches Schaltungsdiagramm des an einen Hydraulikkreis angebrachten Wächters ist;
Figur 2 eine Teilquerschnittsansicht einer Meßvorrichtung mit Motorantrieb des Wächters ist;
Figur 3 eine Endansicht der Meßvorrichtung mit Motorantrieb ist;
Figur 4A eine Teilquerschnittsansicht der optischen Sensoranordnung ist;
Figur 4B eine Modifikation der optischen Anordnung zeigt;
Figur 5A ein Wellenformdiagramm einer Photodiodenausgabe zeigt, wenn keine Lichtverdunkelung vorliegt;
Figur 5B ein ähnliches Diagramm ist, das die Ausgabe infolge verschieden großer Partikel, die festgestellt werden, zeigt;
Figur 5C die Ausgangssignale von vier Komparatoren angibt, die verwendet werden, um Zählerimpulse zu erzeugen;
Figur 6 ein schematisches Blockdiagramm der einen Verunreinigungspegel berechnenden Elektronik ist.
Die Figuren 7 und 8 sind vereinfachte Schaltungsdiagramme der beim Berechnen des Verunreinigungspegels verwendeten elektronischen Komponenten; und
die Figuren 9A bis 9F geben verschiedene Signale bei Stellen in den Figuren 7 und 8 an.
Figur 1 zeigt in schematischer Form einen Hydraulikkreis, der einen Wächter gemäß der Erfindung enthält. Der Wächter 1 enthält die innerhalb der gepunkteten Linie in Figur 1 dargestellten verschiedenen Komponenten und enthält insbesondere eine Meßvorrichtung 2 mit Motorantrieb, ein Richtungsventil 3 und eine optische Sensoranordnung 4. Die verschiedenen Komponenten des Wächters 1 sind durch Rohrleitungen verbunden, wie dargestellt ist und wie später ausführlicher beschrieben werden wird. Der Wächter ist bei Öffnungen 411, 411' mit Rohrleitungen 5, 6 verbunden dargestellt, welche zusammen mit einer Umgehungsrohrleitung 7 in dem Wächter 1 ein Fluid um eine druckmessende Ventilanordnung 8 herum führen, die mit einer Hydraulikströmungsleitung 9 gekoppelt ist. Die Sensoranordnung 8 ist vorzugsweise eine UCC-"System 20"-Ventilanordnung des Tpys, der herkömmlicherweise in einem Zustandsüberwachungssystem verwendet wird, um eine Strömungsrate, einen Arbeitsdruck oder eine Temperatur zu messen. Solch ein Sensor wird oft dauerhaft in eine Fluidleitung eingebaut, um einen Aufschaltpunkt zur Prüfung des Hydrauliksystems zu schaffen.
Der Sensor enthält eine Öffnung mit variabler Fläche mit einem Paar von Meßöffnungen 81, 82, mit denen in dem Fall der vorliegenden Erfindung die Umgehungsrohrleitung 7 verbunden ist. Im Gebrauch wird eine Strömung unter der Wirkung eines Druckes über den Sensor 8 von dem Sensor 8 durch die Rohrleitung 5 in die Öffnung 411 und von dort in die Umgehungsrohrleitung 7 zu der Auslaßöffnung 411' in die Rohrleitung 6 und zurück zu der Niederdruckseite des Sensors geleitet und kehrt somit zu der Hydraulikleitung 9 zurück. Fluid wird auch durch eine Leitung 51 unter der Wirkung der Meßvorrichtung 2 (welche in bezug auf die Figuren 2 und 3 ausführlicher beschrieben werden wird) entnommen, wobei das Hydraulikfluid durch die optische Anordnung 4, das Richtungsventil 3 und in die Meßvorrichtung 2 strömt. Die Meßvorrichtung 2 enthält einen doppeitwirkenden motorgetriebenen Kolben 23 und eine Zylinderanordnung 21, in dessen ein Ende Fluid zuerst gezogen wird, wobei das Fluid von dem anderen Ende gleichzeitig durch die andere Leitung des Richtungsventus 3 und durch die andere Öffnung 411' zurück und in die Rohrleirung 6 und daher zu der Hydraulikleitung 9 durchgelassen wird. Der Motorantrieb 22 der Meßvorrichtung 2 veranlaßt den Kolben 23, sich entlang des Zylinders 24 zu bewegen, bis ein erforderliches Fluidvolumen verdrängt worden ist, wobei somit sichergestellt wird, daß ein gegebenes Fluidvolumen durch die optische Sensoranordnung 4 durchgeht. Nach der Beendigung eines Tests wird das Richtungsventil durch den Bediener umgestellt und, wenn der Motor als nächstes für eine Bewegung des Kolbens in die umgekehrte Richtung gestartet wird, wird das Hydraulikfluid in dem Zylinder zu der Hydraulikleitung 9 zurückgeführt, während neues Fluid durch die optische Sensoranordnung zur Untersuchung gezogen wird.
Ein besonderer Vorteil der dargestellten Anordnung ist, daß ein Systemdruck für die Operation bzw. Funktion unwichtig ist, weil er auf beiden Seiten des Kolbens mit einem gesteuerten niedrigen Differenzdruck wirkt. Viskosität ist ebenfalls unwichtig, weil die Strömungsrate durch die Verdrängung des Kolbens 23 und des Zylinders 24 bestimmt ist.
Die Meßvorrichtung ist in den Figuren 2 und 3 ausführlicher dargestellt. Der Motorantrieb 22 weist einen Motor 221 auf, der ein integrales Getriebe 222 enthalten kann, um eine Ausgangswelle 223 bei z.B. 60 Umdrehungen pro Minute anzutreiben. Die Motorwelle 223 trägt ein Zahnrad 224, welches durch einen Zahnriemen 225 ein größeres Zahnrad 226 antreibt. Das Zahnrad 226 treibt eine Gewindewelle 227 an, die durch den Zylinder 24 axial durchgeht und welche wiederum den Kolben 23 veranlaßt, sich entlang der Länge des Zylinders zu bewegen, wenn der Motor 221 in Betrieb ist. Die niedrige Drehgeschwindigkeit der Kolbenwelle 227 ermöglicht dem Kolben 23, sich langsam von einem Ende des Zylinders zu dem anderen zu bewegen und vermeidet die Notwendigkeit einer anderen Beschränkung einer Drehung des Kolbens 23 als die, welche durch den Druck einer O- Ringdichtung 228 hervorgerufen wird. Die Kolbenwelle 227 wird durch Endlager 229, 230 und Endplatten 231, 232 des Zylinders 24 fixiert.
Das Richtungsventil 3 ist von herköthmlichem Aufbau und wird in diesem Beispiel manuell betrieben und enthält (nicht dargestellte) Mikroschalter, um Signale an die Systemelektronik zu liefern, um einen korrekten Betrieb anzuzeigen.
Die optische Sensoranordnung 4 (siehe Figur 4A) weist einen Haupthalterungsblock 41 mit Einlaß- 411 und Auslaß- 412 Öffnungen auf, welche mit hydraulischen Eingangs- 51 und Ausgangs- 52 Leitungen (siehe Figur 1) koppeln. Innerhalb des Blocks 41 verbinden Durchgänge 413-416 den Einlaß 411 und Auslaß 412 mit einer Fensteranordnung 42, welche ein Paar transparenter Perspex-Fenster 421, 422 aufweist, die einen engen Durchgang 423 (in dem Beispiel mit einer Breite von 0,6 mm bei einer Dicke von 0,2 mm) definieren, durch welchen ein Hydraulikfluid zur Untersuchung durchgelassen wird. Durchgänge 424-427 in dem Perspex-Fenster 421 ermöglichen das Eintreten und Austreten eines Hydraulikfluids in die Aussparung 423, wobei O-Ringe 428, 429 das Fenster 421 gegen die Fläche 417 des Blocks 41 bzw. das Fenster 422 gegen das Fenster 421 abdichten. Auf der Seite der Fensteranordnung 42 ist dem Block 41 gegenüberliegend eine Linsenhalterung 43 vorgesehen, wobei die Linsenhalterung eine Hauptbohrung 431 und einen engen Stirnsenker 432 aufweist, der mit der Fensteraussparung 423 ausgerichtet ist, wobei die Linsenanordnung 44 in der Bohrung 431 einstellbar angebracht ist.
Der Block 41 enthält auch einen zentralen Durchgang 418, der mit der Aussparung 423 in der Fensteranordnung 42 ausgerichtet ist, und ein Lichtanschlußstück 45, das eine Birne 451 enthält, befindet sich in dem Zugang 419 zu dem Durchgang 418. Vier Befestigungsstangen 46, die an beiden Enden mit Gewinden versehen sind, werden verwendet, um die Anordnung des Blocks 41, die Fensteranordnung 42 und Linsenhalterung 43 zu halten und auch bei ihrem entgegengesetzten Ende eine Photodiodenanordnung 47 anzubringen, die ein Gehäuse 471 enthält, in welchem eine Photodiode 472 auf einer Halterung 473 angebracht ist. Ein Schlitz 474 (mit den Abmessungen 25µm×2mm) , auf den Licht von der Birne 451 fokussiert wird, welches durch die Fensteranordnung 42 durch die Linsenanordnung 44 durchgelassen wurde, ist direkt über der Fläche der Phötodiode 472 angeordnet. Der Schlitz ist unter 90º zu der Richtung einer Fluidströmung durch den Durchgang 423 orientiert.
Ein anderer Aufbau weist eine Folienmaske 491, die sich zwischen einem Paar von Perspex-Fenstern 492 befindet (wie in Figur 4B dargestellt ist), als eine Alternative zur in Figur 4A dargestellten Fensteranordnung 42 auf. Eine modifizierte Dichtungsstruktur 493 wird verwendet.
Die Welle 48 des Richtungsventus 3 befindet sich in der Strömungsleitung 416 zu dem Auslaß 412 des Blocks 41.
Im Gebrauch wird durch die optische Sensoranordnung 4 durchgehendes Hydraulikfluid auf eine Verunreinigung durch Messen der Dauer und des Ausmaßes einer Lichtverdunkelung der Photodiode 472 überwacht, die durch Partikel hervorgerufen wird, welche durch die Aussparung 423 durchgehen. Die Partikeldichte von sogar äußerst stark verunreinigtem Hydraulikfluid und die Größe der Aussparung 423 machen es sehr unwahrscheinlich, daß die Bilder von zwei Verunreinigungspartikeln über den optischen Schlitz zusammen hinweggehen können, so daß irgendeine Reduzierung in einer Photodiodenausgabe als durch den Schatten eines einzelnen Partikeis verursacht interpretiert werden kann, und dessen Größe wird den Betrag einer Signalreduzierung bestimmen. Die Aussparung 423 liefert im wesentlichen ein Tor, durch das Hydraulikfluid betrachtet werden kann.
Im Betrieb strömt Fluid durch den engen Durchgang oder die Aussparung 423 in dem Fenster, welches durch die Hochintensitätslampe beleuchtet wird. Das austretende Licht wird durch die Linse 44 fokussiert, so daß ein Bild der Verunreinigungspartikel auf den Schlitz 474 und die Photodiode 472 projiziert wird. Wenn ein Partikel einen Teil des auf den Schlitz fallenden Lichts verdunkelt, wird die elektrische Ausgabe der Diode in Relation zu der Größe des Partikels reduziert, wie unten beschrieben ist.
In der Anwendung wird das Licht, das durch die Probe durchgegangen ist, auf den Schlitz 474 fokussiert, und ein Bild irgendwelcher Partikel in dem Fluid wird auf der Oberfläche des Schlitzes gebildet. Ein Querschnitt des Bildes, der einem Ölstreifen mit einer Breite von 5 µm und einer Länge von 400 µm äquivalent ist, gelangt durch den Schlitz zu der Photodiode. Die Größe des als eine Folge durch die Photodiode erzeugten Stroms ist zu dem Licht proportional, das durch sauberes Öl durchgehen wurde, abzüglich eines durch Schmutzpartikel blockierten Lichts.
Figur 6 ist ein schematisches Blockdiagramm der Berechnungselektronik, das angefertigt worden ist, um die Beschreibung zu vereinfachen, wobei die genauen Einzelheiten der Schaltung in den Figuren 7 und 8 gezeigt sind. Die Photodiodenstromabgabe wird in einem Strom-Spannungs-Wandler 480 in ein 5-Volt-Signal linear umgewandelt (siehe Figur 6).
Um die Partikelgrößen berechnen zu können, ist es notwen dig, zu allen Zeiten eine Referenzspannung zur Verfügung zu haben, die zu dem nicht blockierten Licht proportional ist. Diese Spannung ist in Figur 5A ersichtlich. Diese Spannung wird in einer Berechnungsvorrichtung 481 für nicht blockiertes Licht erzeugt. Um die Flächen der das Fenster passierenden Partikel zu berechnen, werden die Ausgangsspannung des Strom-Spannungs- Wandlers 480 (siehe Figur 5B) und der Berechnungsvorrichtung 481 für nicht blockiertes Licht vier Rechteckgebern 483 zugeführt, wovon jeder eine andere Empfindlichkeit aufweist. Für ein gegebenes Partikelsignal in die Rechteckgeber liegen die Ausgaben in den unten dargestellten Verhältnissen vor:
5µm Rechteckgeber 1,00000 (1 geteilt durch 1 im Quadrat)
15µm Rechteckgeber 0,11111 (1 geteilt durch 3 im Quadrat)
25µm Rechteckgeber 0,04000 (1 geteilt durch 5 im Quadrat)
50µm Rechteckgeber 0,00100 (1 geteilt durch 25 im Quadrat)
Die Ausgabe jedes Rechteckgebers liegt wie in Figur 9E dargestellt vor. Der gleiche Vergleicher- bzw. Komparatorpegel kann dann in jedem Komparator 484 verwendet werden, wovon jeder ein Referenzsignal empfängt, das auf 75 % der Spannung von der Berechnungsvorrichtung für nicht blockiertes Licht gedämpft wurde.
Die Komparatoren 484 vergleichen die Rechteckgeberausgaben mit der Referenzspannung und, wann immer bewirkt wird, daß die Rechteckgeberspannung unter 75 % der Spannung für nicht blockiertes Licht (durch ein Partikel) fällt, gibt der jeweilige Komparator einen Zählerimpuls (siehe Figur 50) an einen entsprechenden Zähler 485 aus.
Die Zähler werden bei dem Beginn jedes Tests zurückgestellt, und die Werte der Zähler 485 können direkt oder über entweder einen ISO-Code-Wandler 487 oder einen NAS-Code-Wandler 488 in Abhängigkeit von der Einstellung eines Schalters 490 einer Anzeige 486 zugeführt werden. Die Ausgabe an die Anzeige 486 kann auf Wunsch zusätzlich einem Drucker 489 zugeführt werden, wie durch einen Schalter 491 angegeben wird.
Die Signalprozessorelektronik ist auf 3 PCBS vorgesehen, die mit dem optischen System in einem abgeschirmten Kasten innerhalb des Verunreinigungswächters angebracht sind.
Die erste Platte 500 (siehe Figur 7) trägt die Photodiode 472. Das Licht, das durch die Ölzelle und den Schlitz durchgegangen ist, wird durch die Photodiode 472 absorbiert, welche die Energie in einen Strom von etwa 1 µm umwandelt. Ein Operationsverstärker 501, der in dem Modus "Strom-Spannungs- Wandler" verwendet wird, wandelt den Strom in 1-Volt-Signal um. Die Partikel erscheinen als kurzzeitige Reduzierungen in dieser Spannung bei 'A' in Figur 7 (siehe Figur 9A). Die Größe und Dauer der Reduzierung in der Ausgangsspannung infolge eines Partikels sind proportional zu dessen Größe. Die tatsächliche Reduzierung, die in der Praxis stattfindet, ist wegen dreier Faktoren geringer als die von der Theorie vorhergesagte: (1) das optische System erzeugt kein vollkommen schwarzes Bild des Partikels; (II) für Partikel unterhalb 8 µm verursacht das begrenzte Auflösungsvermögen der Linse eine Reduzierung in dem Kontrastverhältnis des Bildes; (iii) die Größe des Schlitzes wird mit kleinen Partikeln bedeutsam (5 µm), welche das Licht nicht im Verhältnis zu ihrem Durchmesser blockieren.
Der Frequenzgang bzw. das Frequenzverhalten des Operationsverstärkers 501 wird gesteuert, um von Gleichstrom bis etwa 100kHz gepegelt zu werden. Die Ausgabe fällt dann schnell auf einen niedrigen Pegel. Die Phasenverschiebung in dem Operationsverstärker ist derartig, daß ein 10 %-Uberschwingen bei dem Ende jedes übergangs auftritt. Der Zweck des gesteigerten Ansprechens ist, den Mangel an Auflösungsvermögen in der Linse teilweise zu kompensieren. Der Anfang und das Ende der Partikel werden ebenfalls übertrieben, was bei der Bestimmung von Anfang und Ende der Partikel hilft. Dies ist einer der Hauptzwecke des Signalprozessors. Das Spannungssignal von der ersten Platte 500 (von dem Operationsverstärker) wird zu einer zweiten Platte 502 weitergeleitet (siehe Figur 7).
Weil die Amplitude des Signals von der Diodenplatte 500 nicht garantiert werden kann (Variationen in der Helligkeit der Lampe und der Empfindlichkeit der Photozelle sind für den Großteil der Toleranz verantwortlich), ist die erste Stufe der zweiten Platte ein Verstärker 503 mit einer mikroprozessorgesteuerten Verstärkung. Die Verstärkung kann von 1,7 bis 27 in mehr oder weniger gleichen Schritten eingestellt werden. Der größte Schritt beträgt 33 %. Bei einem Beginn jedes Tests erhöht, kurz nachdem die Lampe 431 eingeschaltet wird und der Motorantrieb 22 für einige Sekunden laufengelassen worden ist, der Mikroprozessor die Verstärkung des Verstärkers jeweils um einen Schritt. Er beginnt bei der niedrigsten Einstellung und erhöht die Verstärkung, bis die Ausgabe eines Komparators 504, der die (Referenz-) Abgabe einer späteren Stufe des Prozessors mit 4,3 Volt vergleicht, einen Zustand geändert hat. Dies bedeutet, daß die Signalspannung an dieser Stelle immer zwischen 4,3 V und 5,7 V eingestellt ist.
An dieser Stelle sollte es sich verstehen, daß, um den Beginn, die Größe und das Ende eines Partikeis festzustellen, das blockierte Signal von der Photodiode mit dem Signal verglichen wird, das existiert haben wurde, falls das Licht nicht blockiert worden wäre. Es ist somit notwendig, eine Spannung zu erzeugen, die das nicht blockierte Licht repräsentiert. Dazu müssen bestimmte Annahmen über die Natur dieses Signals getroffen werden. Zuerst, daß das Signal nicht bei einer Rate von mehr als 1 % in 10 ms ansteigen oder fallen wird, und zweitens, daß das Licht für nicht mehr als einen kleinen Teil der Gesamtzeit blockiert wird. Für ein homogenes Öl, das keine reinen Flecke von Wasser, Kohlenstoff, Staub oder eine Oxidation oder eine übermäßige Zahl von Partikeln in ihm aufweist, sind diese Annahmen realistisch.
Die nächste Stufe ist ein Verstärker 505, in welchem der Partikelteil des Signals, aber nicht der nicht blockierte Teil des Signals um 5,1 verstärkt und invertiert wird. Eine alternative Betrachtungsweise dieses Sachverhalts ist zu sagen, daß der Verstärker eine Verstärkung von 5,1 aufweist, aber der Gleichstromanteil des Signals, der mindestens 23 V (4,3 x 5,1) geworden wäre bzw. erreicht hätte, abgestreift und durch eine Spannung ersetzt wird, die der nicht verstärkten Spannung gleich ist. Sie wird tatsächlich durch die Spannung für nicht blockiertes Licht bzw. nicht blockierte Spannung (oder "Referenz") ersetzt. Die Ausgabe bei 'B' in Figur 7 (siehe die Figuren 9B & 9C) dieser Stufe 505 wird drei Stellen direkt zugeführt:
1. einem Komparator 506, wo das Signal mit der nicht blockierten Spannung verglichen wird. Dieser Komparator hat eine Ausgleichsteuerung, die während der Herstellung eingestellt wird, um den Versatz (Offset) zu minimieren. Es sollte erkannt werden, daß das Signal einen kleinen Betrag eines thermischen Rauschens von dem ersten Operationsverstärker plus Partikeln unterhalb 5 µm enthält, die als Rauschen erscheinen. Falls, wenn das Signal nicht blockiert wird, das das Rauschen enthaltende Signal den gleichen Wert wie die nicht blockierte Spannung hat, wird die Ausgabe des Komparators viele Hochfrequenz-Zufallsimpulse aufweisen, deren Pauseverhältnis bzw. Tastverhältnis 1:1 betragen wird. Das digitale Rauschen wird einem Flip-Flop 507 zugeführt, der durch einen Taktgeber 508 bei 1 MHz getaktet wird. Die Q-Ausgabe des Flip-Flop bei 'D' (siehe Figur 9D) ist eine Zufallsreihe von 1µs breiten Impulsen. Diese Impulse dienen zwei Zwecken:
a. Die Impulse werden einem Integrator 509 mit einer Zeitkonstante von 0,4 5 zugeführt. Die Ausgabe des Integrators wird nur aufhören, sich zu ändern, wenn das digitale Rauschen bei dem Eingang ein Tastverhältnis von exakt 1:1 aufweist. Um sicherzustellen, daß dies geschieht, wird die Ausgabe des Integrators 509 zu dem anderen Eingang des Verstärkers 505 der zweiten Stufe und dem nachfolgenden Komparator 506 rückgekoppelt Diese Spannung stellt sich selbst gleich der Gleichstromkomponente des Signals ein und ist das nicht blockierte Signal (in den Schaltungsdiagrammen wird darauf als Referenz verwiesen).
b. Die Impulse werden auch verwendet, um Quadrierschaltungen bzw. Rechteckwellen erzeugenden Schaltungen mitzuteilen, wann Rechteckwellen zu erzeugen sind und wann nicht. Wenn keine Partikel vorhanden sind, die von dem Rauschen unterscheidbar sind, werden die Impulse zufällige Nullen und Einsen sein. Die Chance, daß ein Flip-Flop- Zustand als eine 0 oder eine 1 für mehr als 2 oder 3 µm jeweils gleich bleibt, ist sehr gering. Wenn jedoch ein Partikel durch das Gesichtsfeld durchgeht, wird das Ergebnis sehr verschieden sein. Das Signal wird schnell fallen, aber die Referenzspannung wird nur sehr langsam fallen. Zwischen diesen wird sich eine Differenz aufbauen, und der Flip-Flop 507 wird bei dem Q-Ausgang nur Nullen ausgeben. Wenn das Partikel durchgegangen ist, wird das Signal auf dessen ursprünglichen Wert ansteigen und den Wert der Referenzspannung übersteigen oder ihm gleich sein. Dies wird den Flip-Flop veranlassen, mindestens eine 1 zu erzeugen, und, wenn sich die Rückkopplungsschleife stabilisiert hat, eine Kette von Nullen und Einsen. Daher ist zu jeder Periode, während der die Q-Ausgabe des Flip- Flop 0 ist, ein Partikel vorhanden, und die Rechteckwellen erzeugenden Schaltungen sollten arbeiten.
2. einem Instrumentenverstärker 511 des Partikelzählers.
3. den Rechteckwellen erzeugenden Schaltungen - diese befinden sich auf der dritten Platte 512. Die dritte Platte 512 weist vier nahezu identische partikelzählende Kanäle auf (von denen einer in Figur 8 dargestellt ist) . Ein Kanal ist vorgesehen, um jede der Partikelgrößen 5, 15, 25 und 50 µm zu zählen.
Jeder Kanal besteht aus:
a. einem zurückstellbaren Integrator 513, um eine Rechteckwellen erzeugende Schaltung zu liefern. Das Signal minus die Referenzspannung - d.h. das Partikelsignal wird integriert, wann immer die Ausgabe des Flip-Flop 0 ist. Die Ausgabe des Integrators 513 bei 'E' in Figur 8 (siehe Figur 9E) ist der Partikelbreite in dem Schlitz (dem Abfall im Signal) multipliziert mit der Partikellänge (der Zeit, in der das Partikel in dem Schlitz sichtbar und das Signal unterdrückt ist) proportional. Jedes Partikel wird, einschließlich des Rauschens, in allen vier Kanälen integriert. Die Ausgaben der Integratoren sind eingerichtet, um von 100 % der Referenzspannung negativ anzusteigen, bis entweder das Teilchen endet und sich der Integrator zurücksteht oder die Integratorausgabe 75 % der Referenzspannung übersteigt, bei welchem Punkt sich der Integrator zurückstellt, sogar falls das Partikel noch nicht zu Ende ist. Dies wird mittels eines Komparators 514 erreicht, welcher ein Signal von 75 % der Referenzspannung von einem Spannungsteiler 515 empfängt und welcher ein Signal bei 'F' in Figur 8 (siehe Figur 9F) ausgibt, das dann einem Zählsystem zugeführt wird. Dies dient dazu, zu verhindern, daß die empfindlicheren Kanäle durch große Partikel gesättigt werden, wonach sie eine Zeit in Anspruch nehmen wurden, um sich zu erholen, und möglicherweise das nächste Partikel verpassen würden. Der Zweck einer Einrichtung einer Schwelle, bei der entschieden wird, daß ein bestimmtes Partikel gezählt werden sollte, ein Verhältnis der Referenzspannung, ist, daß die Kalibrierung der Integratoren konstant bleibt, wenn der Lichtpegel während eines Tests fluktuiert. Falls dies nicht gemacht wurde, müßte der durch die Photodiode empfangene Lichtpegel auf ± 0,05 % stabilisiert werden, um Fehler in der Kalibrierung des 5-µm-Kanals zu verhindern.
b. einem Auftast- und Zähisystem. Die Ausgabe von den Integratoren kann bei sehr schmutzigem Öl größer als 10.000 Zählimpulse pro Sekunde pro Kanal sein. Der Mikroprozessor, der andere Aufgaben auszuführen hat, kann mit dieser Rate nicht Schritt halten. Die Kosten einer Verwendung eines Mikroprozessors, der mit einem 4-Kanal-Zählersystem kompatibel ist, würden sehr hoch sein, so daß ein Kompromiß erreicht worden ist. Die Impulse von der Rechteckwellen erzeugenden Schaltung 513, welche jeweils ein Partikel repräsentieren, das diese Schwelle des Kanals überschritten hat, werden in einen 14stufigen Zähler 518 eingegeben. Der Ausgangszustand der 12. Stufe wird durch den Mikroprozessor gelesen. Jedes Mal, wenn sie den Zustand ändert, addiert der Mikroprozessor 2.048 Partikel zu der Gesamtzahl dieses Kanals. Zustandsänderungen werden nur bei einer maximalen Rate von 5 pro Sekunde pro Kanal stattfinden. Am Ende des Tests sieht sich der Mikroprozessor einem Problem gegenüber. Er hat eine Anzahl von Blöcken von 2.048 Partikeln, die gesehen wurden, aber er weiß nicht, wieviele Zählimpulse noch in der Zählerkette vorhanden sind. Der Mikroprozessor löst dieses Problem am Ende des Tests, indem er zuerst (durch ein logisches Gatter 516) irgendwelche weiteren Zählimpulse sperrt, die von den Integratoren kommen können, und dann (durch ein weiteres logisches Gatter 517) seine eigenen falschen Partikelzählimpulse in den Eingang des Zählers eingibt. Falsche Partikelzählimpulse werden eingegeben, bis die 12. Stufe ihren Zustand ändert. Die Anzahl von Partikeln, die in dem Zähler zu Beginn waren, beträgt daher 2.048 minus die durch den Mikroprozessor eingegebene Zahl. Diese Zahl wird der Gesamtzahl hinzugefügt, die schon gezählt wurde, um eine vollständige Anzahl der Partikel zu ergeben, die in diesem Test gesehen wurden. Der einzige Unterschied zwischen den 4 Kanälen ist die Integrator-Zeitkonstante die "Schwelle", welche durch Ändern der Zeitkonstante des Integrators eingestellt wird. Jeder Kanal wird dauerhaft auf die gleiche Schwellenspannung eingestellt, die überschritten werden muß, bevor ein Partikel festgestellt wird.
Die Zeitkonstanten sind einstellbar und werden während der Herstellung unter Verwendung realer Ölproben eingestellt:
5 µm Kanal 0,1 - 1,1 µs
15 µm Kanal 1,5 - 9,0 µs
25 µm Kanal 3,3 - 19,8 µs
50 µm Kanal 15,0 - 90,0 µs
Der 5-µm-Kanal läßt die Ausgabe des Integrators an das Plattenverbindungsglied ausgeben, um beim Einstellen des optischen Fokus zu helfen.
Das System enthält auch geeignete Steuerelektronikeinrichtungen für den Motor etc., die den Fachleuten alle wohlbekannt sind und welche daher nicht ausführlich beschrieben werden.

Claims

1. Ein direktgekoppelter Fluidverunreinigungswächter mit:

einen Mittel (411, 411'), um den Wächter mit einem Fluidkreis zu verbinden;

einem Mittel (2), um Fluid aus dem Kreis zu entnehmen; und einem optischen Mittel (4) , um das aus dem Kreis entnommene Fluid zu betrachten und den Verunreinigungspegel durch Beobachtung der Partikel darin zu bestimmen, wobei das optische Mittel das Fluid durch ein Fenster (42) mittels einer Lichtquelle (45) betrachtet, die angeordnet ist, um Licht durch das Fenster und das Fluid zu projizieren, und einen Lichtsensor (47) aufweist, der auf der entgegengesetzten Seite des Fensters von der Lichtquelle angeordnet und eingerichtet ist, um Partikel in dem Fluid festzustellen, welche das Fenster passieren; gekennzeichnet durch

Mittel (21, 22, 23), um das aus dem Kreis entnommene Fluid durch das optische Mittel (4) bei einer vorbestimmten Rate durchzulassen; und

Mittel, um die Dauer und das Ausmaß einer durch Partikel in dem Fluid hervorgerufenen Lichtverdunkelung zu messen.

2. Ein Wächter nach Anspruch 1, worin der Lichtsensor eine Photodiode (472) ist, welche durch einen Schlitz (474) teilweise maskiert wird, damit nur ein ausgewählter Teil des Lichts, das durch das Fluid und Fenster durchgelassen und auf die Photodiode durch eine geeignete Linse (44) fokussiert wird, auf die Photodiode auftrifft.

3. Ein Wächter nach Anspruch 2, worin die Größe des Schlitzes durch die minimale Partikelgröße bestimmt wird, die gemessen werden soll.

4. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Dauer und das Ausmaß einer durch Partikel in dem Fluid hervorgerufenen Lichtverdunkelung bestimmt wird, indem sowohl die Länge als auch die Amplitude eines Signals von dern Sensor gemessen wird.

5. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin Fluid bei einer vorbestimmten Rate für ein vorbestimmtes Volumen entnommen wird, damit die Feststellung von Partikeln durch Messen einer Dauer und eines Ausmaßes einer Verdunkelung in eine Messung einer Partikelgröße und -konzentration genau umgewandelt werden kann.

6. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Strömungsrate genau gemessen wird, um veränderliche Strömungsraten durch den Wächter anzupassen.

7. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin Fluid durch das optische Mittel (4) durchgelassen wird, indem ein vorbestimmtes Fluidvolumen in einer vorbestimmten Zeit entnommen wird.

8. Ein Wächter nach Anspruch 7, worin Fluid mittels einer Zylinder- und Kolbenanordnung (21, 22, 23) entnommen wird, die so eingerichtet ist, daß der Kolben (23) über eine vorbestimmte Distanz, wie die Länge des Zylinders (21), durch einen Motor angetrieben wird.

9. Ein Wächter nach Anspruch 8, worin, um die Zeit zu verringern, die in Anspruch genommen wird, um einen Verunreinigungstest auszuführen, die Kolben/Zylinder- und Motorantriebseinheit einen doppeitwirkenden Kolben (23) aufweist, wodurch zu überwachendes Fluid durch ein Richtungsventil (3) in jeweils ein Ende des zugeordneten Zylinders (21) hinein- und aus dem anderen herausgezogen werden kann.

10. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, welcher zwei Öffnungen (411, 411') zur Anbringung an einen Hydraulikkreis enthält.

11. Ein Wächter nach Anspruch 10, worin die Öffnungen (411, 411') mit den entsprechenden Öffnungen eines Drucksensors verbunden sind und einen Umgehungsweg um den Sensor herum bei Gebrauch schaffen, wobei Fluid von dem Umgehungsweg genommen wird, durch das optische Betrachtungsmittel, durch ein Richtungsventil, zu einer Zylinder/Kolben-Anordnung gelangt, deren verdrängtes Volumen durch das Richtungsventil und dann durch den Umgehungsweg zurück und in die stromabwärtige Seite des Drucksensors zurückgelangt.

12. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, worin, um eine hohe Auflösung bei dem optischen Fenster zu erreichen, das optische Betrachtungsmittel einen zwischen einem Paar transparenter Platten (421, 422) definierten Strömungskanal (423) aufweist, wobei das Fenster durch einen in den Platten gebildeten schmalen Kanal oder durch einen Schlitz in einer zwischen den Platten angeordneten lichtundurchlässigen Folie definiert wird.

13. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, worin eine Vergrößerung des Bildes, welches Licht verdunkelt, das von der Lichtquelle (45) durch das Fenster (42) und durch das Fluid durchgeht, mittels einer Linse (44) erreicht wird, um ein vergrößertes Bild auf einer Photodiode (472) zu erzeugen, die als ein Lichtsensor verwendet wird.

14. Ein Wächter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, worin der Lichtsensor ein Diodenfeld oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) aufweist.