AT510327A1 - Verfahren und vorrichtung zur zustandsbestimmung eines öls für einen ölsensor - Google Patents

Description

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Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Zustandsheshiimnung eines Öls für einen Ölsensor 5

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ölzustands anhand einer Reihe physikalischer Parameter, beispielsweise zur Bestimmung des Verschmutzungsgrads, der Alterung, der Oxidation und der Vis-10 kosität.

Schmieröle gehören zu den wichtigsten technischen Schmier-stoffen. Im Wesentlichen wird zwischen Maschinen-, Motor-, Getriebe-, Ketten- und Hydraulikclen sowie ölen für feinwerk-15 technische Geräte und Kühlschmiermitteln unterschieden.

Motoröle sind beispielsweise in Verbrennungsmotoren unverzichtbar, da sie insbesondere für die Schmierung aller beweglichen Teile des Motors sorgen und so die mechanische Reibung 20 reduzieren, indem sie einen Gleitfilm zwischen bewegten Flächen bilden. Außerdem fällt es den Motorölen zu, die Wärmeab-fuhr von thermisch stark beanspruchten beweglichen Teilen, die durch das Kühlmittel nicht erreicht werden, zu gewährleisten. 25

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist, dass sich der Zustand von Schmierölen, insbesondere beim Einsatz in Motoren mit der Zeit verschlechtert. Die Erfindung beschränkt sich allerdings nicht auf Motoröle. Als Naturprodukt reagie-30 ren Öle in einer Oxidationsreaktion mit dem Luftsauerstoff, was im Allgemeinen als „natürliche Alterung" bezeichnet wird. Dadurch verändert sich beispielsweise die Viskosität des Öls, was zu einem Schmierfilmabriss führen kann. Weiterhin erfah- 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @004 MON/13/SEP/201Ο 17:16

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ren Schmieröle Verunreinigungen, zum Beispiel durch atmosphärische Staubpartikel oder mikroskopische Metallspäne resultierend aus mechanischem Abrieb, die die Schmierfähigkeit herabsetzen, wodurch die Reibung beispielsweise in einem Motor 2unimmt. 10

Verändert sich der 2ustand eines Schmieröls etwa durch natürliche Alterung oder Verunreinigung mit Premdpartikeln, können sie die Schmierung sowie die Kühlung nicht mehr sicher gewährleisten, weshalb ein Ölwechsel unbedingt erfolgen muss. 15

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur möglichst einfachen Überwachung und Beurteilung des Ölzustands zur Verfügung zu stellen, um insbesondere Auskunft über die Notwendigkeit eines Ölwechsels bei kritischem Ölzustand zu geben. 20

Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Verdeutlichende beispielhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. 25

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des ölzustands offenbart. Gemäß einem Beispiel der Erfindung wird (Schritt A) eine Menge physikalischer Parameter (z.B, Temperatur, Trübung, Wassergehalt, Leitfähigkeit, relative Permittivität, etc.), die den ölzustand repräsentieren, festgelegt. Für jeden dieses physikalischen Parameter wird je ein Referenzwert festgelegt, der einen Sollwert für den jeweiligen physikalischen Parameter zu einem Referenzzeitpunkt (2.B. unmittelbar nach einem Ölwechsel) darstellt. Eine (Schritt B) den ölzustand repräsentierende Maßzahl wird auf einen Referenzwert (z.B, Null) initialisiert, Des weiteren (Schritt C) wird für jeden physikalischen Parameter zu bestimmten AbtastZeitpunkten je- 13/09 2010 MD 17:16 [SE/EH NR 5167] @005 MON/13/SEP/2010 17:16

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* * 4 * * * ·« i · * * * weils ein Messwert aufgenommen. Abhängig (Schritt D) von dem korrespondierenden Messwert sowie dem zugehörigen Referenzwert wird eine den Ölzustand mitbestimmende Einflussgröße ermittelt. Die den Ölzustand repräsentierende Maßzahl wird 5 (Schritt E) um den Wert sämtlicher Einflussgrößen sowie um eine die Zeit (z.B. Betriebsstunden) repräsentierende Einflussgröße inkrementiert, um so die Maßzahl für den Ölzustand zu aktualisieren. Schließlich werden (Schritt F) die Schritte C, D und E nach Ablauf einer.vorgegebenen Zeitspanne (z.B. 10 einem Abtastintervall) seit dem letzten Abtastzeitpunkt wiederholt .

Obwohl es zweckmäßig sein kann, die Schritte A bis F in der durch die Bezugszeichen vorgegebenen Reihenfolge auszuführen, 15 ist dies nicht zwingend notwendig.

Die Maß2ahl für den Ölzustand wird nach jedem Durchlauf der Schritte C, D und E um die Summe der aus den physikalischen Parametern errechneten Einflussgrößen inkrementiert, so dass 20 die Maßzahl mit jedem Durchlauf durch die Schleife ansteigt, was einer Veränderung bzv, einer Verschlechterung des Ölzustands über der Zeit entspricht. So wird auf relativ einfache und damit robuste Weise eine Quantifizierung des ölzustands ermöglicht, was ein Vorteil gegenüber den gebräuchlichen 25 Methoden ist, die häufig nur Momentaufnahmen des Ölzustandes zu dessen Beurteilung heranziehen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des oben vorgestellten Verfahrens können für die den Ölzustand beschreibenden Maßzahl 30 mindestens zwei Schwellwerte definiert werden. Die Schwellwerte können beispielsweise experimentell für verschiedene Ölsorten und Anwendungen ermittelt werden. Erreicht oder ü-berschreitet die Maßzahl jeweils einen ersten (den unteren) 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] 0006 0¾

EP/2010 17:16 WESTTHAL,MUSSGNUG&PA GUN004AT FAX Nr. :+49 89 54403080 • · · * S. 007 4 • fr » * • · i · • fr · « ·· »« schwellwert, sc wird dies auf geeignete Weise signalisiert. Bei Überschreitung eines zweiten (des oberen) Schwellwerts kann dies durch ein entsprechendes Alarmsignal ebenfalls signalisiert werden. Beispielsweise ist bei Überschreiten der 5 zweiten Schwelle der Zustand des Öls derartig schlecht, dass die Maschine nicht mehr weiterbetrieben werden sollte, ohne vorher einen Ölwechsel durchzuführen.

Die den Ölzustand repräsentierende Maßzahl kann zu diskreten 10 Zeitpunkten bestimmt und jeweils in einem geeigneten Speicher, z.B, einem Flash- oder EEPROM-Speicher, protokolliert werden, bevor die Inkrementierung erfolgt. Die Maßzahl kann dabei zusammen mit den Messwerten für die verwendeten physikalischen Parameter und einem korrespondierenden "Zeitstem-15 pel" in einem Speicher abgelegt werden, so dass später Information über die Veränderung bzw. Verschlechterung des Ölzustands über der Zeit abgefragt und ausgewertet werden kann.

Die Maßzahl wird aus physikalischen Parametern ermittelt, die 20 den Ölzustand repräsentieren. Dabei kann zumindest einer der folgenden Parameter verwendet werden: Die Temperatur, die Trübung, die elektrische Leitfähigkeit, die relative Permit-tivität bzw. den Wassergehalt b2W. die Feuchte sowie die dynamische und kinematische Viskosität. 25

Es ist nicht zwingend, zwei Schwellwerte für die den Ölzustand beschreibende Maßzahl festzulegen. Zwei Schwellwerte bieten jedoch die Möglichkeit, drei Ölzustände zu definieren, beispielsweise 30 - einen ersten unbedenklichen Ölzustand {Maßzahl ist kleiner als der erste, untere Schwellwert), 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM HR 51G7] @007 MON/13/SSP/2010 17:16

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GUN004AT - einen zweiten schlechten Öl2ustand (Maßzahl ist grö-ßer als der erste Schwellwert, jedoch kleiner als der zweite, obere Schwellwert) und - einen dritten kritischen Ölzustand (Maßzahl ist grö- 5 ßer als der zweite Schwellwert), bei dem ein Ölwech sel dringend erfolgen muss.

Es kann in einigen Fällen durchaus zweckmäßig sein, noch weitere Ölzustände festzulegen, was zusätzliche Schwellwerte er-10 fordert. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf zwei Schwellwerte (und folglich drei Ölzustände) beschränkt. Ist der Ölwechsel durchgeführt, wird die Maßzahl auf einen Referenzwert zurückgesetzt, wobei der Referenzwert in der Regel Null ist. 15

Die den Ölzustand repräsentierende Maßzahl wird über verschiedene Einflussgrößen ermittelt, die aus korrespondierenden physikalischen Parametern errechnet werden. Jede Einflussgröße kann z.B. aus einem linearen und einem exponen-20 tiellen Term gebildet werden. Dadurch lässt sich ein linearer sowie ein exponentieller Beitrag zur entsprechenden Einfluss-große jedes physikalischen Parameters abbilden. Dem linearen und exponentiellen Term jeder Einflussgröße wird zusätzlich ein Gewichtungskoeffizient zugeordnet, um die Beiträge zur 25 Maßzahl· gewichten zu können. Die Gewichtungskoeffizienten für jede Einflussgröße werden beispielsweise experimentell abhängig von der ölsorte und der Anwendung bestimmt.

Zur Realisierung des Ölsensors ist eine geeignete Vorrichtung 30 notwendig, die eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, das beschriebene Verfahren, insbesondere das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1, auszuführen. 13/09 2010 KD 17:16 [SE/EM NR 5167] @008 MON/13/SEP/2010 17:16

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Die Vorrichtung weist insbesondere Sensoreinheiten auf, die geeignet und dazu ausgebildet sind, die vorn Ölzustand abhängigen und diesen charakterisierenden physikalischen Parameter zu messen, aus denen anschließend die korrespondierenden Ein-5 flussgrößen und schließlich die den ölzustand beschreibende Maßzahl berechnet werden können. Außerdem weist die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den ölzustand anzuzeigen, wobei insbesondere signalisiert wird, ob sich das Öl in einem unbedenklichen, in einem noch akzep-10 tablen oder bereits in einem kritischen Zustand befindet. Die Signalisierung kann dabei optisch oder akustisch oder auf beide Weisen erfolgen.

Der Ölsensor kann so beschaffen sein, dass er beispielsweise 15 in der Auslassöffnung eines Ölbehälters bzw. einer ölwanne bzw. einer ölführenden Leitung befestigt werden kann. Häufig sind die Auslassöffnungen mit einem Gewinde versehen, so dass sie mit einer Verschlussschraube verschlossen werden können. Die Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, dass sie anstelle 20 einer Verschlussschraube die Auslassöffnung einer ölwanne verschließt. Das bietet zum einen den Vorteil, dass der Ölsensor einfach zu montieren ist und zum andern, dass während des Betriebs der Maschine, die mit Schmieröl versorgt wird, der Zustand des Schmieröls jederzeit abgefragt werden kann. 25

Die vorliegende Erfindung wird anhand der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine beispielhafte räumliche Darstellung des 30 erfindungsgemäßen Ölsensors,

Figur 2 eine schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten des Ölsensors, 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @009 89 54403080 S. 013 * · 9 * * i «4 · · » · 4 < X0N/13/SEF/2G10 17:16 WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49

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Figur 3 ein Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des ölzustands und Figur 4 eine beispielhafte Schaltung mit einem Differenzverstärker zur Messung der elektrischen 5 Leitfähigkeit.

Die Abbildungen sollen die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen verdeutlichen, jedoch in keiner Weise einschränkend aufgefasst werden, ln den Figuren be-10 zeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher Bedeutung.

In Figur 1 ist beispielhaft der Ölsensor 100 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Figur 2 zeigt die wich-15 tigsten Komponenten des Ölsensors 100 und deren funktionelles Zusammenwirken in schematischer Darstellung. Der Ölsensor 100 weist im Wesentlichen ein Sensorgehäuse 110, ein Befestigungsmittel 130, ein Gehäuse 140 zur Unterbringung einer Auswerteeinheit 220 und eine Anzeigeeinheit 150 auf. 20

Im Sensorgehäuse 110 sind Sensorelemente 210 angeordnet, die dazu ausgebildet sind, physikalische Parameter, die vom Ölzustand abhängen und daher diesen beschreiben bzw. repräsentieren, zu erfassen. Welche physikalische Parameter dabei in 25 Frage kommen wird weiter unten noch näher erläutert. Das Sensorgehäuse 110 ist während des Betriebs in das Öl, das sich in der Regel in einer Ölwanne befindet, eingetaucht. Das Sensorgehäuse 110 ist in der Regel so ausgebildet, dass eine vollständige Benetzung mit dem zu messenden öl in sämtlichen 30 Betriebszuständen gewährleistet ist. Damit die Sensorelemente 210 im Sensorgehäuse 110 mit dem Öl in Berührung kommen, sind im Sensorgehäuse Öffnungen 120 vorgesehen, durch die das öl hindurch treten kann. Die Öffnungen 120 können gemäß einer 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @010

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Ausführung in Form von gleichmäßig oder ungleichmäßig über das Sensorgehäuse 110 verteilten Bohrungen realisiert sein.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann das Sensorgehäuse 110 als Sieb beschaffen sein. Ein Vorteil eines als 5 Sieb ausgeführten Sensorgehäuses 110 besteht insbesondere darin, dass einerseits die Entstehung von Luftblasen verhindert wird und dass andererseits zu große Partikel von den Sensoren ferngehalten werden. Es kann im übrigen zweckmäßig sein, dass das Sensorgehäuse 110 zylindrisch geformt ist. 10

Das Sensorgehäuse 110 weist eine Montageseite auf, auf der ein Befestigungsmittel 130 angeordnet ist. Das Befestigungsmittel 130 kann z.B. zylindrisch geformt sein und ein Außengewinde aufweisen. Dadurch kann der Ölsensor in die Auslass-15 Öffnung einer Ölwanne anstatt einer Verschlussschraube geschraubt werden.

Weiter weist der Ölsensor 100 ein Gehäuse 140 auf, in dem eine Auswerteeinheit 220 untergebracht ist. Das Gehäuse 140 20 bietet beispielsweise auch Platz für einen oder mehrere Energiespeicher, insbesondere mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (Batterie) , so dass der Ölsensor autark, also unabhängig von einer externen Stromversorgung, arbeiten kann. 25 in dem Gehäuse 140 ist weiterhin eine von außen sichtbare Anzeigeeinheit 150 untergebracht, die dazu dient, den Ölzustand jederzeit anzuzeigen. Im Falle einer Batterieversorgung ist es vorteilhaft, Energie zu sparen. Deshalb kann am Gehäuse 140 auch ein Taster angeordnet sein, der dazu dient, die An-30 zeigeeinheit 150 auf Wunsch ein- oder auszuschalten. Insbesondere kann der Taster nur zum vorübergehenden Einschalten der Anzeigeeinheit 150 vorgesehen sein, um im Falle einer autarken Energieversorgung eine möglichst lange Lebensdauer ei- 13/09 2010 MO 17 : 16 [SE/EM NR 5197] @011 S. 012

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GUN004AT 9 10 15 20 25 nes oder mehrerer Energiespeicher zu gewährleisten. Zusätzlich kann am Gehäuse 140 eine Schnittstelle 170 angebracht sein, die geeignet ist, die Auswerteeinheit 220 zu programmieren und/oder an eine externe Spannungsversorgung anzuschließen und/oder mit einem Bussystem zu verbinden, um den quantitativ ermittelten Ölzustand für externe Geräte zugänglich zu machen. Die Schnittstelle 170 kann auch eine bekannte RS485 Signalübertragungsschnittstelle sein, die eine laufende computergestützte Überwachung des Ölzustandes, beispielsweise 2ur Verwendung in einer SP$ (speicherprogrammierbare Steuerung) , ermöglicht. Die Verwendung einer kabellosen Schnittstelle (z.B. einer bekannten GSM- oder 2igBee-Schnittstelle) ist ebenfalls denkbar. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass jede weitere geeignete Schnittstelle verwendet werden kann. Über die Anzeigeeinheit 150 kann der Qizustand abgefragt werden. In der Regel wird unterschieden zwischen einem unbedenklichen, einem verschlechterten {aber noch akzeptablen) und einem kritischen Ölzustand. Zur Signalisierung des Ölzustands kann die Anzeigeeinheit nach Art einer Verkehrsampelausge-führt sein. Dementsprechend leuchtet eine grüne LED, wenn der Ölzustand unbedenklich ist, eine orange oder gelbe LED, wenn sich das öl in einem verschlechterten, noch akzeptablen Zustand befindet, jedoch in Kürze ausgewechselt werden muss, und eine rote LED, wenn der Ölzustand kritisch ist und das öl auf jeden Fall sofort gewechselt werden muss.

In Figur 2 ist schematisch dargestellt, dass die Sensorelemente 210 sowie die Anzeigeeinheit 150 von der Auswerteeinheit 140 gesteuert, verwaltet und ausgewertet werden. Die E-nergieversorgung und weitere elektronische Komponenten, wie 13/09 2010 MO 17:18 [SE/EM NR 5187] ®012 ιίΟΝ/13/SEP/2010 17:17

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GUN004AT 10 • i« • * z.B. Verstärkerschaltungen, können in der Auswerteeinheit o-der außerhalb angeord.net sein.

Als physikalische Parameter R für die erfindungsgemäße Be-5 Stimmung des Ölzustandes können zumindest zwei der folgenden Parameter herangezogen werden; die Temperatur T, die Trübung E, die elektrische Leitfähigkeit p, die relative Permittivi-tät er, der Wassergehalt bzw. die (relative) Feuchte rH des Schmieröls, die dynamische Viskosität μ sowie die kinemati-10 Sehe Viskosität v. Für jeden verwendeten Parameter R={T, E, p, ε£, rH, μ, v, ...} ist jeweils ein geeigneter Sensor vorgesehen. Es sei erwähnt, dass das Formelzeichen für die relative Feuchte nicht verbindlich festgelegt ist. In der einschlägigen Literatur finden sich beispielsweise auch cp, f, U, 15 rH oder rF, Im Weiteren soll die relative Feuchte mit rH bezeichnet werden.

Der Permittivitätszahl εΓ des Öls wird im Wesentlichen von dem im Öl enthaltenen Wasser beeinflusst, sodass die Permit-20 tivität des Öls repräsentativ für die Menge des im Öl enthaltenen Wassers ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein zusätzlicher (z.B. auf mems basierender mikromechanischer) Sensor vorgesehen werden, um direkt im öl dessen relative Feuchte rH, also den relativen Wassergehalt 25 bezogen auf das Gesamtvolumen des mit Feuchte beladenen Öls, zu ermitteln. Damit kann zwischen der Permittivitäts- und der Feuchtemessung des Öls mittels zweier Sensoren unterschieden werden, so dass auch die aus der Permittivitäts- und der Feuchtemessung erzielten Messergebnisse bei der Ermittlung 30 der Maßzahl Q unterschiedlich gewichtet werden können. Dies kann in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein. 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] 0013

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Der Sensor zur zusätzlichen Feuchtemessung des Öls kann ein bekannter kapazitiver Sensor sein. Solche Sensoren können beispielsweise auf Siliziumchips integriert sein, wodurch eine Ausführung als Mikrosystem (engl.: microelectromechanical 5 system, kurz: MEMS) und damit die platzsparende Anordnung im erfindungsgemäßen Ölsensor möglich wird.

Die Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm 300 des erfindungsgemäßen Verfahrens zur ölzustandsbestiinmung, 10

Der Ölsensor 100 wird erfindungsgemäß in frisches öl, das sich in einem unbedenklichen Zustand befindet, getaucht. Dann werden Referenzparameter R0={To, S0, po, sro, bHo ,μο, v0, . ..> (vgl. Fig. 3, Schritt 3101 für frisches Öl zu der Menge an 15 physikalischen Parametern. R={T, E, p, εΣ, rH, μ, v, ...} bestimmt und in einem geeigneten Speicher, der beispielsweise in der Auswerteeinheit 220 angeordnet ist, hinterlegt. Ebenso hinterlegt sind Gewichtungskoeffizienten pi ,p2, mit denen die physikalischen Parameter R im Verfahren gewichtet werden. 20 Diese Gewichtungskoeffizienten sind im Wesentlichen abhängig von der Ölsorte und dem jeweiligen Anwendungsfall und werden im Vorfeld experimentell ermittelt (vgl. Fig. 3, Schritt 320). Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass insbesondere bei einer Vielzahl gleich bleibender Anwendungen die Refe-25 renzparameter Ro auch im Vorfeld durch Referenzmessungen bereits vom Hersteller des Öls ermittelt und zur Verfügung gestellt werden können.

Weiter wird über die Auswerteeinheit ein Zeitschritt At fest-30 gelegt, der den Zeitraum festlegt, der zwischen der Messung (vgl. Fig. 3, Schritt 330) eines Satzes physikalischer Parametern R verstreicht. Die Messung der Referenzparameter R0 wird nur zum Zeitpunkt to durchgeführt (oder die Referenzpa- 13/09 2010 MO 17:18 [SE/EM HR 51G7] @014

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• · • t rameter R0 sind von vornherein bekannt). Eine erste Messung (vgl. Fig. 3, Schritt 330) der Menge der physikalischen Parameter R wird zum Zeitpunkt t“to+At durchgeführt, eine zweite Messung beispielsweise zum 2eitpunkt t=to+2·At und so weiter. 5

Aus den Gewichtungskoeffizienten pi ,p2, den Referenzparametern R0 für frisches Öl und den gemessenen physikalischen Parametern R werden korrespondierenden Einflussgrößen ξκ der

Form 10 (1) pi- (R—Ro) tp2*exp (R—Rq) errechnet (vgl. Fig. 3, Schritt 340), wobei pi einen linearen Beitrag und P2 einen exponentiellen Beitrag jedes der physi-15 kalischen Parameters R, Ro gewichtet. Für jeden physikalischen Parameter aus der Menge R wird gemäß obiger Formel eine Einflussgröße ξκ berechnet, wobei alle Einflussgrößen ξκ, die größer als Null sind, zu einer den Ölzustand repräsentierenden Maßzahl Q addiert werden (vgl. Fig. 3, Schritt 350). An 20 dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die Gewichtungskoeffizienten pi , p2 für jeden der verwendeten physikalischen Parameter R (Temperatur T, Permittivität ε, etc.) verschieden sein können. In obiger Gleichung 1 sind R bzw. Ro jeweils nur Platzhalter für den jeweiligen physikalischen Parameter (T, 25 ε, ...) bzw. für den jeweiligen Referenzparameter (T0, ε0,

Die gesuchte Maßzahl Q, die den Zustand des Öls repräsentiert wird dann wie folgt berechnet: Q [t0+ (n+1) · At ] =Q[t0+n-At] + ( ξτ [ t0+ (n+1) · At ] + (2) + ζε [to+(n + 1) At] + + ξε[to+(n+1) · At ] + 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM MR 5167] @015 30 N/13/S.EP/201Ü 17:17

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Dabei ist die Einflussgröße ξΐίπιβ von der Zeit At abhängig, die seit der letzten Messung vergangen ist (d.h. von der Ab-5 tastzeit At). Die Maßzahl Q zum Zeitpunkt t0 {z.B. Ölwechsel) wird auf einen Referenzwert, z.B, Q[to]=0 initialisiert.

In der in Figur 3 gezeigten Ausführung der Erfindung sind zwei Schwellwerte Q: und Cb, wobei Qi-]0; Qz[, für die Maßzahl 10 Q und folglich die Ölzustände - unbedenklich für Q<Q1, - verschlechtert für Ql^Q<Q2 und - kritisch für Qä:Q2 15 definiert (vgl. Fig. 3, Schritt 360). Beim unbedenklichen Zustand leuchtet eine grüne LED, beim schlechten eine orange und beim kritischen eine rote (vgl. Fig. 3, Schritt 370). Es ist auch denkbar, dass bei Erreichen des kritischen Zustands 20 ein zusätzliches akustisches Warnsignal ertönt. Wie die physikalischen Referenzparameter Ro werden in der Regel die Schwellwerte für die Maßzahl Q im Vorfeld für bestimmte Ölsorten und Anwendungszwecke ermittelt. 25 Erfolgt kein Ölwechsel (vgl. Fig. 3, Schritt 380), so erfolgt eine erneute Messung (vgl. Fig. 3, Schritt 330) der physikalischen Parameter R, zeitlich um At von der vorhergehenden Messung beabstandet. Die Einflussgrößen ξκ werden neu ermittelt (vlg. Fig. 3, Schritt 340) und zum. alten Wert der Maß-30 zahl Q addiert, sodass die Maßzahl· Q um die Summe der Einflussgrößen ξκ inkrementiert wird. Aufgrund der Maßzahl Q und der Schwellwerte Qi, Q2 wird erneut der Ölzustand angezeigt. 13/09 2010 MO 17:18 [SE/EM NR 5187] @016 W13/SEP/2Ü10 17:17

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Eine Iterationsschleife umfasst, Bezug nehmend auf Figur 3, die Schritte 330, 340, 350, 370 und 380 wird so oft durchlaufen, bis ein Ölwechsel (Schritt 380) durchgeführt werden muss, weil Q den Schwellwert Qz, der einen kritischen Ölzu-5 stand impliziert, erreicht oder überschritten hat.

Wird ein Ölwechsel (vlg. Fig. 3, Schritt 380) durchgeführt, wird die Maßzahl Q auf Null zurückgesetzt (Schritt 390) und, falls erforderlich, die Referenzparameter Ro erneut bestimmt. 10 Solange kein Ölwechsel (Schritt 380) nötig wird, wird die I-terationsschleife, bestehend aus den Schritten 330, 340, 350, 370 und 380, in zeitlichen Abständen At durchlaufen.

Das im Blockdiagramm 300 in der Figur 3 gezeigte Verfahren 15 wird beispielsweise in der Auswerteeinheit 220 mit Hilfe eines Signalprozessors oder eines Mikrocontrollers implementiert.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in Figur 4 20 schematisch dargstellt. Figur 4 zeigt eine Messeinheit 400 zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit p des Schmieröls. Die elektrische Leitfähigkeit ist einer der physikalischen Einflussparameter R. Die dargestellte, vierstufige Messeinheit 400 weist im Wesentlichen eine erste Stufe 410 auf, über 25 die ein Eingangssignal· 401 durchgeschaltet werden kann, eine zweite Stufe 420 die das durchgeschaltete Eingangssignal 401 verstärkt, eine dritte Stufe 430, die zwischen zwei Eingängen einer vierten Stufe 440 schaltet, wobei die vierte Stufe ein Differenzverstärker ist. Das Eingangssignal 401 liegt bevor-30 zugt als elektrische Spannung vor und wird beispielsweise von einem Sensor mit einer geeigneten Messgeometrie 413 geliefert. Ein Ausgangssignal 402 der Messeinheit 400 repräsentiert die elektrische Leitfähigkeit p. 13/09 2010 «0 17:16 [SE/EM NR 5167] @017 .0N/13/.SEP/2Q10 17:17

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Das Eingangssignal 4Dl, das von der ersten Stufe 410 bereitgestellt wird, liegt an der zweiten Stufe 420 insbesondere genau dann an, wenn ein erster digital gesteuerter Schalter 5 412 in der ersten Stufe 410 geschlossen ist. In diesem Fall wird die von einer Spannungsquelle 411 bereitgestellte Spannung an die Messgeometrie 413 gelegt. Die Messgeometrie des Leitfähigkeitssensor 413 kann zum Beispiel als kapazitiver Leitfähigkeitssensor aufgeführt sein, bei dem zu messendes 10 Schmieröl zwischen zwei Platten angeordnet ist.

Jede elektronische Schaltung, auch die in der Messeinheit 400 angeordnete, ist durch Temperaturschwankungen fehlerbehaftet. Ein Eingangssignal 401 ist durch die Temperaturschwankungen 15 mit einem beachtlichen thermischen Fehler behaftet, der das Ausgangssignal 401 verfälschen würde.

Deshalb wird in einem ersten Schritt das Eingangssignal 401 durch die erste Stufe 410 der Schaltung blockiert. Der digi-20 tale Schalter 412 ist dabei offen und der Leitfähigkeitssensor 413 liefert kein Eingangssignal 401 an die zweite Stufe 420. An einem ersten Eingang des Differenzverstärkers 410 (der vierten Stufe) liegt ausschließlich der thermische Fehler an, der in einem Kondensator 403 parallel zu dem ersten 25 Eingang gespeichert wird. Ein zweiter digital gesteuerter

Schalter 414 muss hierzu geschlossen sein. Nachdem der thermische Fehler im Kondensator 403 gespeichert ist, öffnet der Schalter 414. In einem zweiten Schritt schaltet die erste Stufe 410 das Eingangssignal 4Ö1 durch, wobei das Eingangs-30 Signal 401 in der Messeinheit 400 mit dem thermischen Fehler behaftet ist. Der erste Schalter 412 ist geschlossen. Die Schalterstufe 430 schaltet das Eingangssignal 401 an einen zweiten Eingang des Differenzverstärkers 440, in dem ein 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @018 )Ν/ί 3/&EP/2010 17:17

WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr, :+49 89 54403080 S. 019 ι ·· * · · · * ·

GUNQ04AT * * * * · * · *·«* ·*«·**·« · « ···· * « » · * *-j^ g· * · * * ·*«**»« dritter digital gesteuerter Schalter 415 geschlossen wird.

Der zweite Schalter 413 ist dabei in der Regel geöffnet. Am Differenzverstärker 440 liegt damit an einem ersten Eingang der im Kondensator 403 gespeicherte thermische Fehler und an 5 einem zweiten Eingang das Eingangssignal 401 behaftet mit dem thermischen Fehler an, wobei das fehlerbehaftete Eingangssignal 401 in einem zweiten Kondensator 404 parallel zum zweiten Eingang des Differenzverstärkers gespeichert werden kann. Der Differenzverstärker 440 bildet die Differenz aus den an sei- 10 nen beiden Eingängen anliegenden Signalen. Dadurch wird der thermische Fehler eliminiert und das Ausgangssignal 402 bildet die elektrische Leitfähigkeit p des Öls hinreichend genau und ohne Fehler durch Temperaturschwankungen in der Elektronik der Messeinheit 400 ab. 15

Die digital gesteuerten Schalter 412, 414 und 415 können im Übrigen über der», in der Auswerteeinheit 140 angeordneten Mikrocontroller angesteuert werden. 20 Die dynamische Viskosität μ und die statische Viskosität v können beispielsweise durch bekannte induktiv angeregte Membrane gemessen werden. Die Anregungsfrequenz kann dabei in einem Bereich von ca. f=0,1kHz bis £=5kKz liegen.

13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @019 3/.SEF/2010 17:17

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Im Folgenden sei das oben erläuterte Verfahren zur Bestimmung des Zustandes eines Öls noch einmal zusammengefasst: 5 10 15 20 A) Festlegen einer Menge von physikalischen Parametern/ die den Ölzustand repräsentieren sowie Messen eines Referenzwertes für jeden physikalischen Parameter; B) Initialisieren einer den Ölzustand repräsentierenden Maßzahl (Q) auf einen Referenzwert (Q=0); C) Aufnehmen eines Messwertes für jeden physikalischen Parameter zu bestimmten Abtastzeitpunkten (tO, to+At, t0+2-ht, D) Ermittlung einer den Ölzustand rr.itbestimmenden Einflussgröße zu jedem gemessenen physikalischen Parameter abhängig von dem korrespondierenden Messwert und dem zugehörigen Referenzwert; E) Inkrementieren der Maßzahl (Q) um den addierten Wert sämtlicher Einflussgrößen sowie um den Wert einer die Zeit (d.h. die Betriebsstunden) repräsentierenden Einflussgröße <ai*ßt). 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @020

Claims (29)

1. ,0N/13/SEP/2010 17:17 WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49 89 54403080 S. 021 SUN004AT IS* f·«· · · ♦ Patentansprüche 5 IC 15 20 25 l. Verfahren zur Bestimmung eines Ölzustands mit den folgenden Schritten: (A) Festlegen einer Menge von physikalischen Parametern, die den Ölzustand repräsentieren sowie Messen eines Referenzwertes für jeden physikalischen Parameter; (B) Initialisieren einer den Ölzustand repräsentierenden Maßzahl (Q) auf einen Referenzwert (Q—0); (C) Aufnehmen eines Messwertes für jeden physikalischen Parameter zu bestimmten Abtastzeitpunkten (tO, t o+At t to+2* At (D) Ermittlung einer den Ölzustand mitbestimmenden Einflussgröße zu jedem gemessenen physikalischen Parameter abhängig von dem korrespondierenden Messwert und dem zugehörigen Referenzwert; (E) Inkrementieren der Maßzahl (Q) um den addierten Wert sämtlicher Einflussgrößen sowie um den Wert einer die Zeit repräsentierenden Einflussgröße (ai'At).
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiter folgenden Schritt aufweist: {F) Wiederholen der Schritte C, D und E nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne (At) seit dem letzten AbtastZeitpunkt.
3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das weiter folgende Schritte aufweist: - Vergleichen der aktuellen Maßzahl (Q) für den ölzu- 30 stand mit einem ersten Schwellwert (Qi); - Signalisieren, wenn die aktuelle Maß2ahl (Q) für den Ölzustand den ersten Schwellwert (Qi) erreicht oder überschreitet. 13/09 2010 M0 17:16 [SE/EM NR 5167] @021 N/13/SSP/20IQ 17:18 WESTPHAL,MUSSGNUC&PA FAX Nr. :+49 89 54403080 S. 022 * «· · · * * · GUN004AT • I t « · · • «» · ·· * 19·*
4. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, das weiter folgende Schritte aufweist: - Vergleichen der aktuellen Maßzahl (0) für den Ölzu- 5 stand mit einem zweiten Schwellwert (Ck) ; - Signalisieren, wenn die aktuelle Maßzahl (Q) für den Ölzustand den zweiten Schwellwert (Q2) erreicht oder überschreitet.
5. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die die Zeit repräsentierende Einflussgröße (ai'At) von der Zeitspanne abhängt, die seit der letzten Messung vergangen ist.
6. 6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Menge der den Ölzustand beeinflussenden und charakterisierenden physikalischen. Parametern zumindest einen der folgenden umfasst: Temperatur (T), Trübung (E), elektrische Leitfähigkeit 20 (σ) , relative Permittivität (sr) oder Wassergehalt bzw. relative Feuchte (rH), dynamische Viskosität (μ), kinematische Viskosität (v). 25
7. 7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei einem Ölwechsel die aktuelle Maßzahl (Q) auf einen Referenzwert (Q=0) zurück gesetzt wird.
8. 8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das weiter folgenden Schritt aufweist: - Prüfen, ob alle Einflussgrößen größer oder gleich Null sind. 13/09 2010 MO 17: 1G [SE/EM NR 51G7] @022 30 ION/13/SEP/2010 17:18 WESTPHAL, MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49 8S 54403080 S. 023 GUN004AT ** 2σ*
9. 9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Beitrag der einzelnen aus den physikalischen Parametern ermittelten Einflussgrößen zur Maßzahl (Q) durch geeignete empirische Gewichtungskoeffizienten gewichtet 5 wird.
10. 10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die physikalischen Parameter und/oder die Einflussgrößen und/oder die Maßzahl (Q) in Abhängigkeit der die Zeit 10 repräsentierenden Einflussgröße (ai-ht) in einem geeig neten Speicher protokolliert wird.
11. 11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei neben der Messung der relativen Permittivität (es) 15 eine zusätzliche Messung des Wassergehalts bzw. der re lativen Feuchte (rH) des Öls erfolgt, und wobei das zusätzliche Messergebnis, das die relative Feuchte des Öls charakterisiert, in die Bestimmung der Maßzahl (Q) mit einbezogen wird. 20
12. 12. Vorrichtung zur Bestimmung eines Ölzustands, aufweisend folgende Komponenten: Sensorelemente 210 zur Erfassung von den Ölzustand bestimmenden physikalischen Parametern, die dazu 25 ausgebildet sind, Messsignale zu liefern; eine Auswerteeinheit 140 mit einem Mikrocontroller oder Signalprozessor, die dazu ausgebildet ist, die Messsignale aus den Messeinheiten auszuwerten und zu verarbeiten und ein Verfahren zur Bestimmung des ölzu- 30 Standes durchzuführen, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: (A) Festlegen einer Menge von physikalischen Parametern, die den Ölzustand repräsentieren sowie Bestimmen ei- 13/09 2010 MQ 17:16 [SE/EM NR 5167] @023 ÜOK/13/SEP/2010 17:18 WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49 89 54403080 S. 024 GUN004AT • · « · • · · · • · · · « 21 - 5 10 15 20 25 nes Referenzwertes für jeden physikalischen Parameter; (B) Initialisieren einer den Ölzustand repräsentierenden Maßzahl (Q) auf einen Referenzwert (Q=Ö); (C) Aufnehmen eines Messwertes für jeden physikalischen Parameter zu bestimmten Abtastzeitpunkten (tO, t0+Atr to+2-Ät, (D) Ermittlung einer den Öl2ustand mitbestimmenden Einflussgröße zu jedem gemessenen physikalischen Parameter abhängig von dem korrespondierenden Messwert und dem zugehörigen Referenzwert; (E) Inkrementieren der Maßzahl (Q) um den addierten Wert sämtlicher Einflussgrößen sowie um den Wert einer die Zeit repräsentierenden Einflussgröße (ai*At).
13. 13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Sensorelemente 210 dazu ausgebildet sind, eine Menge der den Ölzustand beeinflussenden und charakterisierenden physikalischen Parametern zu messen, wobei die Menge dieser Parameter zumindest einen der folgenden umfasst: Temperatur (T), Trübung (E), elektrische Leitfähigkeit (σ), relative Permittivität (ε^), Wassergehalt oder relative Feuchte (rH), dynamische Viskosität (μ), kinematische Viskosität (v).
14. 14, Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Auswerteeinheit 140 einen Speicher zur Protokollierung der physikalischen Parameter und/oder der Einflussgrößen und/oder der Maßzahl (Q) in Abhängigkeit der die Zeit repräsentierenden Einflussgröße (ai'At) aufweist und wobei dieser Speicher ein Flash- und/oder EEPROM-Speicher ist. 13/09 2010 K0 17:16 [SE/EM NR 5167] ®024 30 !0Η/13/ΞΕΡ/2010 17:18 WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49 89 54403080 S. 025 GUN004A? 2?
15. 15. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 mit einem Sensorelement zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit (c), wobei dieses Sensorelement einen Sensor 413 und eine Verstärkerschaltung 400 aufweist, wobei diese Verstärkerschal- 5 tung 400 zumindest einen Differenzverstärker 440 ent hält und wobei der Sensor ein Eingangssignal 401 zur Verfügung stellt.
16. 16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der Differen2ver- 10 stärker 440 des Sensorelements zumindest zwei Eingänge aufweist und wobei parallel zu einem ersten Eingang ein Kondensator 403 geschaltet ist.
17. 17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei parallel zu einem 15 zweiten Eingang des Differenzverstärkers ein zweiter Kondensator 404 geschaltet ist.
18. 18. Vorrichtung gemäß Anspruch 15 ,16 oder 17 mit einem Sensorelement, das dazu ausgebildet ist, die elektri- 20 sehe Leitfähigkeit (σ) in mindestens zwei Schrirren zu messen, wobei in einem ersten Schritt das Eingangssignal 401 aus dem Sensorelement über einen ersten digital gesteuerten Schalter 412 blockiert wird, wobei der thermische Fehler über einen zweiten digital gesteuer-25 ten Schalter 414 an den ersten Eingang des Differenz verstärkers gelegt wird und wobei der Fehler in dem Kondensator 403 des ersten Eingangs des Differenzverstärkers 440 gespeichert wird.
19. 19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei in einem zweiten Schritt das Eingangssignal 401 aus dem Sensor 413 bis zu einem zweiten Eingang des Differenzverstärkers 440 über einen dritten digital gesteuerten Schalter 415 an 13/09 2010 MO 17:16 [SE/EM NR 5167] @025 £OH/13/SEP/2010 17:18 GUN004AT WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49 89 54403080 ♦ · • · • · 2Γ3 den zweiten Kondensator 404 durchgeschaltet wird während der zweite digital gesteuerte Schalter 414 offen ist, wobei der Differenzverstärker 440 dazu ausgebildet ist, aus dem Eingangssignal 401 und dem gespeicherten 5 thermischen Fehler , die an den beiden an den Eingängen des Differenzverstärkers Kondensatoren 403, 404, anlie-gen, eine die elektrische Leitfähigkeit (p) repräsentierende Differenz zu bilden und wobei der erste und der zweite Schritt auch in umgekehrter Reihenfolge 10 durchgeführt werden kann.
20. 20. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Sensor ein kapazitiver Sensor ist.
21. 21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, auf- weisend ein Sensorgehäuse, ein Gehäuse zur Unterbringung der Auswerteeinheit sowie ein Befestigungsmittel, wobei das Befestigungsmittel dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung in einer Auslassöffnung einer Ölwanne zu 20 befestigen.
22. 22. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 21, auf weisend eine Anzeigeeinheit, wobei die Anzeigeeinheit von der Auswerteeinheit gesteuert wird und wobei die 25 Anzeigeeinheit dazu ausgebildet ist, optisch und/oder akustisch den Ölzustand anzuzeigen.
23. 23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, wobei die Auswerteeinheit weiter ein rotes, ein gelbes oder oranges sowie 30 eine grünes Leuchtmittel aufweist, wobei das rote Leuchtmittel einen kritischen, das orange oder gelbe einen verschlechterten und das grüne einen unbedenklichen Ölzustand anzeigt. 13/09 2010 MO 17:10 [SE/EM NR 5107] @026 MOW/13/SEP/2010 17:18 WESTPHAL,MUSSGNUG&PA FAX Nr. :+49 89 54403080 S. 027 | »ft·····*·· • » · »ft · * · ft * · GUN004AT .* :
24. 24. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei die Leuchtmittel Leuchtdioden sind.
25. 25. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei das Sensorgehäuse gleichmäßig oder ungleichmäßig über dessen Umfang verteilte Öffnungen aufweist, die groß genug sind, um das öl hindurchströmen zu lassen.
26. 26. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 25 mit ei nem elektrischen Energiespeicher zur autarken Energieversorgung .
27. 27. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei 15 das Sensorelement zur Messung der dynamischen Viskosi tät (μ) und kinematischen Viskosität (v) eine niederfrequente, induktiv angeregte Membran aufweist.
28. 28. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei 20 zusätzlich zum Sensor zur Messung der relativen Permit- tivität (sr) ein weiterer Sensor zur zusätzlichen Messung der relativen Feuchte des Öls im Sensoxgehäuse (110) angeordnet ist.
29. 29. Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der zusätzliche Sensor zur Messung der relativen Feuchte des Öls ein kapazitiver, auf einem Siliziumchip integrierter Sensor ist. 13/09 2010 NO 17:16 [SE/EM NR 5167] @027