DE102008019500B4 - Anorndnung, method and sensor for detecting liquid parameters - Google Patents
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Abstract
Optische Messanordnung zur Erfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern einer Flüssigkeitsprobe, mit einer Infrarotlichtquelle, und mit im Strahlengang der Infrarotlichtquelle angeordnetem Probenbehälter mit der zu untersuchenden Flüssigkeit, einem dahinter angeordneten Spektralapparat mit einem Linearfilter zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder mehrerer Wellenlängenbereiche sowie einem Infrarotdetektor, der mit einer Auswerteeinheit gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Probenbehälters in Richtung des Strahlengangs variabel einstellbar ist.Optical measuring arrangement for detecting physical and / or chemical parameters of a liquid sample, with an infrared light source, and arranged in the beam path of the infrared light source sample container with the liquid to be examined, a downstream arranged spectral apparatus with a linear filter for selection and / or suppression of single or multiple wavelength ranges and an infrared detector, which is coupled to an evaluation unit, characterized in that the thickness of the sample container in the direction of the beam path is variably adjustable.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, ein Verfahren sowie einen Sensor zur Erfassung von Flüssigkeitsparametern. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Infrarotspektrometer zur Ölzustandsanalyse sowie eine entsprechende Messanordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung von Flüssigkeitsparametern mittels Infrarotspektroskopie.The The present invention relates to an arrangement, a method and a sensor for the detection of fluid parameters. The invention particularly relates to an infrared spectrometer for oil condition analysis as well as a corresponding measuring arrangement. Furthermore, the invention relates a corresponding method for the detection of liquid parameters by means of infrared spectroscopy.
Stand der TechnikState of the art
Das Problem der Ölzustandskontrolle wird seit längerem diskutiert. Da die Ressourcen an mineralischen Brenn- und Schmierstoffen begrenzt sind, werden die Kosten für diese Brenn- und Schmierstoffe in den kommenden Jahren und Jahrzehnten stark ansteigen. Der für diese Erfindung relevante Bereich ist primär den Schmierstoffen zugeordnet, insbesondere Motorenöle, Getriebeöle und Hydrauliköle. Allerdings lässt sich die Erfindung grundsätzlich auch zur Analyse anderer Flüssigkeiten anwenden. Die genannten Öle werden in mechanischen Systemen vorrangig zur Verringerung der Reibung und damit der Dissipation sowie des Materialverschleißes verwendet. Zudem dienen sie der Kraftübertragung, reduzieren die Geräuschentwicklung und ermöglichen eine Wärmeabfuhr.The Problem of oil condition control will be for a long time discussed. Because the resources of mineral fuels and lubricants are limited, the cost of these fuels and lubricants increase sharply in the coming years and decades. The one for this Invention relevant area is primarily associated with the lubricants, in particular engine oils, gear oils and hydraulic oils. However, lets the invention basically also for the analysis of other liquids apply. The oils mentioned are used in mechanical systems primarily to reduce friction and thus the dissipation and the material wear used. In addition, they serve the power transmission, reduce the noise and allow a heat dissipation.
Ein Schmieröl bildet zwischen bewegten Flächen einen Gleitfilm. Aufgrund thermischer und mechanischer Beanspruchung verschlechtern sich bei Schmieröle mit der Zeit allmählich diese Schmiereigenschaften. Daraus resultieren ein höherer Verunreinigungsgrad, die Bildung neuer Substanzen im Öl, der Verbrauch von Zusatzstoffen (sog. Additiven) im Öl und schlechtere Fließeigenschaften (d. h., reduzierte Viskosität). Gealterte Schmierstoffe sind oftmals nicht mehr in der Lage, den gewünschten Anforderungen in vollem Umfang zu genügen. Um Schäden vorzubeugen, muss das Schmiermittel deshalb regelmäßig erneuert und ausgetauscht werden. Der Zeitpunkt des Austausches ist dabei aber stets von einer Vielzahl unterschiedlicher Einflussfaktoren abhängig. Bei bekannten Ölparametern, vergleichbaren Maschinen und gegebener Anzahl von Betriebsstunden können unterschiedliche Betriebsbedingungen zu einem unterschiedlichen Alterungsverhalten führen. So lässt bspw. oftmaliger Volllastbetrieb das Öl schneller altern als ein häufiger Betrieb der Maschine unter Teillastbedingungen.One oil forms between moving surfaces a sliding film. Due to thermal and mechanical stress worsen with lubricating oils gradually over time these lubricating properties. This results in a higher degree of contamination, the formation of new substances in the oil, the consumption of additives (so-called additives) in the oil and worse flow properties (i.e., reduced viscosity). Aged lubricants are often no longer able to desired Requirements in full. To prevent damage, the lubricant must be therefore regularly renewed and be exchanged. The time of the exchange is here but always from a variety of different factors dependent. For known oil parameters, comparable machines and given number of operating hours can different operating conditions to a different Cause aging behavior. So leaves, for example frequent full load operation the oil Aging faster than a more common one Operation of the machine under partial load conditions.
Dennoch werden bei vielen Anwendungen Schmieröle innerhalb bestimmter zeitlicher Zyklen gewechselt, insbesondere im Hinblick auf Herstellerempfehlungen. Bei Fahrzeugmotoren wird ein solcher Austausch nach einer bestimmten Fahrleistung oder nach einem bestimmten Zeitintervall verlangt, bspw. um Gewährleistungsansprüche nicht zu gefährden. Aus diesem Grund werden sehr häufig Schmierstoffe mit noch ausreichenden Schmiereigenschaften vorzeitig gewechselt, wodurch wertvolle Ressourcen in großem Umfang verschwendet werden.Yet For many applications, lubricating oils are used within certain time limits Cycles changed, especially with regard to manufacturer recommendations. In vehicle engines, such an exchange after a certain Driving performance or after a certain time interval required for example, not to warranty claims to endanger. Because of this, being very common Lubricants with sufficient lubricating properties prematurely changed, wasting valuable resources on a large scale.
Aufgrund der zunehmenden Ressourcenverknappung und der individuellen Schmierstoffalterung ist es sinnvoll, Methoden zu entwickeln, die es ermöglichen, den tatsächlichen Ölzustand festzustellen, um das Öl zum richtigen Zeitpunkt, d. h. nach seiner tatsächlichen Abnutzung, zu wechseln. Weitere damit im Zusammenhang stehende Aspekte sind eine Kosteneinsparung durch verringerte Mengen zu entsorgenden Altöls, eine Kosteneinsparung durch verringerten Frischölverbrauch, reduzierte Maschinenstillstandszeiten und ein möglicherweise frühzeitiges Erkennen von Getriebeschäden bzw. sich anbahnenden Schäden an anderen Maschinenteilen.by virtue of the increasing scarcity of resources and the individual lubricant aging does it make sense to develop methods that make it possible to the actual oil condition determine the oil at the right time, d. H. after its actual wear, change. Other related issues are cost savings through reduced amounts of waste oil to be disposed of, a cost saving by reduced fresh oil consumption, reduced machine downtime and possibly early Detecting transmission damage or imminent damage on other machine parts.
Zur zuverlässigen Beurteilung von mineralischen Schmierstoffen gibt es verschiedene Verfahren. Als eine der verbreiteten Verfahren hat sich die Infrarotspektroskopie durchgesetzt, die üblicherweise in Analyselabors durchgeführt wird. Die Infrarotspektroskopie ist ein physikalisch-chemisches Analyseverfahren, das neben einer qualitativen Analyse auch zur quantitativen Bestimmung relevanter Substanzen genutzt werden kann. Der infrarote Wellenlängenbereich (0,8–1000 μm) lässt sich untergliedern in das nahe Infrarot (NIR 0,8–2,5 μm), in das mittlere oder klassische bzw. „normale” Infrarot (MIR 2,5–25 μm) und in das sog. ferne Infrarot (FIR 25–1000 μm). Dabei verursachen jeweils unterschiedliche Phänomene die Absorption der Strahlung. Im MIR beispielsweise absorbieren Molekülrotationen und Molekülschwingungen, die im NIR nur noch als Obertöne bzw. als Kombinationsschwingungen detektierbar sind.to reliable Assessment of mineral lubricants are different Method. Infrared spectroscopy has become one of the common methods enforced, usually carried out in analysis laboratories becomes. Infrared spectroscopy is a physico-chemical Analysis method, which, in addition to a qualitative analysis also for quantitative determination of relevant substances. The infrared wavelength range (0.8-1000 microns) can be subdivide into the near infrared (NIR 0.8-2.5 μm), into the middle or classical or "normal" infrared (MIR 2.5-25 μm) and in the so-called far infrared (FIR 25-1000 μm). there Different phenomena cause the absorption of the radiation. For example, in MIR, molecule rotations and molecular vibrations absorb those in the NIR only as overtones or are detectable as combination vibrations.
Die IR-Spektroskopie im mittleren Infrarot ist einer der leistungsfähigsten analytischen Techniken in der chemischen Analytik organischer Substanzen. In IR-Spektren wird die Transmission als Maß für die Durchlässigkeit einer Anregungsstrahlung verwendet. Sie wird nach oben zunehmend der vertikalen Achse aufgetragen (Bereiche geringer Durchlässigkeit der IR-Strahlung ergeben einen Ausschlag nach unten).The IR spectroscopy in the mid-infrared is one of the most powerful analytical techniques in the chemical analysis of organic substances. In IR spectra is the transmission as a measure of the permeability used an excitation radiation. It is increasing upward vertical axis (areas of low permeability the IR radiation gives a downward deflection).
Das
Prinzip der Infrarotspektroskopie lässt sich folgendermaßen beschreiben:
Eine zu untersuchende Substanz, hier Mineralöl, besteht aus einer Vielzahl
unterschiedlicher Moleküle.
Die Bestrahlung dieser Moleküle
mit elektromagnetischen Wellen des (mittleren) Infrarotbereichs
führt zur
Schwingungsanregung der Molekülbindungen.
Dabei erfolgt eine Anregung nur bei der für die Molekülbindung charakteristischen
Wellenlänge.
Infolgedessen wird Energie dieser Wellen Wellenlänge absorbiert, so dass der
Detektor eine Abnahme der Strahlungsintensität registriert. Anhand der charakteristischen
Wellenlängen
einer Substanz kann diese identifiziert und analysiert werden. Die
IR-Spektroskopie ist somit strukturklärend. In der schematischen
Darstellung der
Es
gibt eine Vielzahl charakteristischer Wellenlängen, die zur Bestimmung der
Bestandteile im Öl
herangezogen werden können.
Wichtig und von Interesse sind hierbei die Wellenlängen, bei
denen das Transmissionsspektrum signifikante Veränderungen bei alterndem Öl aufweist.
Hier eine kleine, jedoch unvollständige Aufzählung:
Darüber hinaus stehen noch zahlreiche verschiedene Wellenlängen zur Verfügung, deren Aussagekraft hinsichtlich Alterungserscheinungen des Öls noch zu überprüfen ist.Furthermore are still numerous different wavelengths available whose Significance in terms of aging of the oil still to check.
Schmieröl weist zur Verbesserung seiner Eigenschaften eine große Anzahl von sog. Additiven auf. Diese Additive werden dem Öl beigemischt und verbessern seine Eigenschaften. Derartige Additive sind z. B.:
- – Verschleißminderer (Anti Wear);
- – Reibungsminderer (Friction Modifier);
- – Fressschutzadditive (extreme pressure/ep-additives);
- – Antioxidantien (Verhindern der Ölalterung);
- – Viskositätsindexverbesserer (VI Improver);
- – Schaumverhütungsadditive;
- – Biozide.
- - wear reducer (antiwear);
- - Friction Modifier;
- - antidepressant additives (extreme pressure / ep-additives);
- - antioxidants (preventing oil aging);
- - Viscosity Index Improver (VI Improver);
- - antifoam additives;
- - biocides.
Die Infrarotölanalyse ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Viele der derzeit verfügbaren spektroskopischen Systeme zur Stoffanalyse haben den Nachteil, dass zur Erfassung der gesamten oder charakteristischer Teilausschnitte der Absorptionsspektren sehr aufwändige Verfahren erforderlich sind. In diese Systemgruppe fallen vor allem Gitter-Spektrometer, Prismen-Spektrometer und Fast- Fourier-Transform-Spektrometer, die teils mit hohen Anschaffungskosten verbunden sind. Darüber hinaus sind derartige Systeme nur bedingt für den Einsatz in technischen Produktionsprozessen geeignet, da komplexe mechanische Bewegungsabläufe erforderlich sind, deren mechanische Instabilitäten in zureichenden Reproduzierbarkeiten und in hohem Wartungsaufwand resultieren.The Infrared oil analysis is already known from the prior art. Many of the currently available spectroscopic Systems for substance analysis have the disadvantage that for the detection the whole or characteristic partial excerpts of the absorption spectra very elaborate Procedures are required. In this system group fall mainly Grating spectrometer, prism spectrometer and fast Fourier transform spectrometer, which are partly associated with high acquisition costs. Furthermore Such systems are only conditionally for use in technical Production processes suitable because complex mechanical movements required whose mechanical instabilities are in sufficient reproducibility and result in high maintenance.
Darüber hinaus
sind sog. filterbasierte spektroskopische Verfahren bekannt. Bei
diesem Ansatz finden verschieden ausgestaltete optische Filter Anwendung,
die in Wirkverbindung mit Fotodetektoren stehen. Der bekannte Stand
wird im Wesentlichen durch einfache Bandpass-Filter zur Erfassung
eines diskreten spektralen Bereichs bzw. durch die Verwendung von
Filterrädern
mit mehreren diskreten Filtern gebildet. Derartige Verfahren bzw.
Vorrichtungen sind offenbart in
Die
Aus
der
Auf
der Seite des Strahlungsempfängers
sind in der Gasmesstechnik Systeme bekannt, bei denen wellenlängenabhängig geschwächtes Licht über ein
speziell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmtes linear-variables
Filter auf einen Pixelzeilendetektor gelangt. Eine entsprechende
Anordnung ist in der
Gegenstand
der
Die
Aus
der Patentschrift
Die
Die
Ein
Vorrichtung zur automatischen Identifizierung von Gasproben mittels
einer optischen Analyse und linearer Filterung ist weiterhin aus
der
Ein
Filterspektrometer zur optischen Analyse von Material- oder Stoffproben
ist schließlich
aus der
Beschreibungdescription
Ein vorrangiges Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Ölanalyse zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Die Vorrichtung soll insbesondere flexibel und nicht auf Öle eines bestimmen Typs beschränkt einsetzbar sein. Die Untersuchungsmöglichkeit soll nicht nur auf eine charakteristische Wellenlänge eingeschränkt sein. Zudem soll die Vorrichtung eine „online”-Untersuchung während des Maschinenlaufs ermöglichen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein entsprechend einsetzbares Verfahren zur Verfügung zu stellen.A primary object of the invention is to provide an apparatus for oil analysis which avoids the disadvantages of the prior art. In particular, the device should be flexible and not limited to oils of a certain type. The possibility of investigation should not be limited to a characteristic wavelength. In addition, the device should be an "online" sub enable it during machine operation. Another object of the invention is to provide a suitably applicable method.
Diese Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.These Objects of the invention are achieved with the objects of the independent claims. Features of advantageous developments of the invention will become apparent from the respective dependent ones Claims.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messanordnung zur Erfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern einer Flüssigkeitsprobe, mit einer Infrarotlichtquelle und mit einem im Strahlengang der Infrarotlichtquelle angeordneten Probenbehälter mit der zu untersuchenden Flüssigkeit, einem dahinter angeordneten Spektralapparat zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder mehrerer Wellenlängenbereiche sowie einem Infrarotdetektor, der mit einer Auswerteeinheit gekoppelt ist. Der Spektralapparat weist einen Linearfilter auf was die wesentlichen Vorteile der mit dem Linearfilter erreichbaren sehr feinen Auflösung sowie des vereinfachten Aufbaus hat. Alternative Varianten (Prisma, Gitter, FTIR-Spektrometer) sind im Aufbau wesentlich komplexer und müssen aufwendiger justiert werden, was eine erhöhte Erschütterungsempfindlichkeit zur Folge hat und den Einsatz beispielsweise in einem KFZ ausschließen würde. Durch den Einsatz eines Linearfilters ist der gesamte Aufbau des Analysegerätes im Vergleich zu bisherigen Varianten stark verkleinert, sodass die Einsatzmöglichkeiten enorm steigen.The The present invention relates to an optical measuring device for detection physical and / or chemical parameters of a fluid sample, with an infrared light source and with one in the beam path of the Infrared light source arranged sample container with the examined Liquid, a spectral apparatus arranged behind it for the selection and / or Suppression of single or multiple wavelength ranges as well as an infrared detector, which is coupled to an evaluation unit. The spectral apparatus points a linear filter on what the main advantages of using the Linear filter achievable very fine resolution as well as the simplified Construction has. Alternative variants (prism, grating, FTIR spectrometer) are much more complex in construction and more complicated to adjust what an increased vibration sensitivity entailed and exclude the use, for example, in a car. By the use of a linear filter is the entire construction of the analyzer in comparison greatly reduced to previous variants, so the possible applications rise enormously.
Dem Linearfilter kann wahlweise eine im Strahlengang angeordnete Blende nachgeordnet sein. Zudem kann der Linearfilter in senkrechter oder schräger Richtung zum Strahlengang verschiebbar angeordnet sein, so dass die Variabilität der Messanordnung verbessert ist.the Linear filter can optionally be arranged in the beam path aperture be subordinate. In addition, the linear filter in vertical or oblique Direction to the beam path to be arranged displaceable, so that the variability the measuring arrangement is improved.
Der Infrarotdetektor kann insbesondere eine hochauflösende Detektorzeile bzw. eine hochauflösende Detektormatrix umfassen. Erfindungsgemäß ist der Probenbehälter in seinen Abmessungen variabel einstellbar. So ist die Dicke des Probenbehälters in Richtung des Strahlengangs variabel einstellbar.Of the Infrared detector can in particular a high-resolution detector line or a high-resolution detector matrix include. According to the invention sample container variably adjustable in its dimensions. Such is the thickness of the sample container variably adjustable in the direction of the beam path.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Probenbehälter zwischen zwei begrenzenden Scheiben eine flexible, umlaufende Manteldichtung aufweist, welche einen zum Strahlengang parallelen Außenmantel des Behälters bildet.Farther can be provided that the sample container between two limiting Slices has a flexible, circumferential jacket seal, which forms a parallel to the beam path outer jacket of the container.
Wahlweise können auch mehrere parallel angeordnete Linearfilter mit jeweils zugehörigen Blenden und/oder Infrarotdetektoren vorgesehen sein. Dabei kann wenigstens einer der Linearfilter durch einen fest eingestellten Referenzfilter gebildet sein.Optional can Also, a plurality of linear filter arranged in parallel, each with associated aperture and / or Infrared detectors may be provided. At least one can the linear filter formed by a fixed reference filter be.
Als Infrarotlichtquelle kommt bspw. eine pulsierende Lichtquelle in Frage.When Infrared light source comes, for example, a pulsating light source in Question.
Als Filter kann bspw. ein drehbarer Interferenzfilter eingesetzt werden, dessen Drehachse senkrecht oder schräg zum Strahlengang orientiert ist.When Filter can be used, for example, a rotatable interference filter, whose axis of rotation oriented perpendicular or obliquely to the beam path is.
Die dem Linearfilter nachgeordnete Blende kann einen variabel einstellbaren Spalt aufweisen.The The downstream of the linear filter aperture can be variably adjustable Have gap.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Messverfahren zur Erfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern einer Flüssigkeitsprobe, bei dem infrarotes Licht durch einen Probenbehälter mit der zu untersuchenden Flüssigkeit, einen dahinter angeordneten Spektralapparat zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder mehrerer Wellenlängenbereiche sowie einen Infrarotdetektor, der mit einer Auswerteeinheit gekoppelt ist, geleitet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Spektralapparat das Licht durch einen Linearfilter geleitet, was die oben bereits erwähnten Vorteile hat. Das Licht kann zudem nach dem Linearfilter durch eine Blende geleitet werden. Der Linearfilter kann in senkrechter oder schräger Richtung zum Strahlengang verschiebbar sein. Das infrarote Licht kann bspw. mittels einer hochauflösenden Detektorzeile bzw. einer hochauflösenden Detektormatrix erfasst werden.The The invention further relates to an optical measuring method for detection physical and / or chemical parameters of a fluid sample, in the infrared light through a sample container with the to be examined Liquid, a spectral apparatus arranged behind it for the selection and / or Suppression of single or multiple wavelength ranges as well as an infrared detector, which is coupled to an evaluation unit, is passed. According to the present Invention is in the spectral apparatus, the light through a linear filter which has the advantages already mentioned above. The light can also be passed through the aperture after the linear filter. The linear filter can be perpendicular or oblique to the beam path be displaceable. The infrared light can, for example, by means of a high-resolution detector line or a high-resolution Detector matrix are detected.
Weiterhin ist der Probenbehälter in seinen Abmessungen variabel einstellbar. So ist erfindungsgemäß die Dicke des Probenbehälters in Richtung des Strahlengangs variabel einstellbar.Farther is the sample container variably adjustable in its dimensions. Thus, according to the invention, the thickness of the sample container variably adjustable in the direction of the beam path.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das infrarote Licht durch mehrere parallel angeordnete Linearfilter mit jeweils zugehörigen Blenden geleitet und von mehreren parallel angeordneten Infrarotdetektoren erfasst wird. Wenigstens einer der Linearfilter kann durch einen fest eingestellten Referenzfilter gebildet sein. Die Infrarotlichtquelle kann wahlweise eine pulsierende Lichtstrahlung emittieren. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das infrarote Licht durch wenigstens einen drehbaren Interferenzfilter geleitet wird, dessen Drehachse senkrecht oder schräg zum Strahlengang orientiert ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass bei der dem Linearfilter nachgeordneten Blende die Spaltweite variabel einstellbar ist.Furthermore, it can be provided that the infrared light is passed through a plurality of linear filters arranged in parallel with respectively associated diaphragms and detected by a plurality of parallel infrared detectors. At least one of the linear filters can be formed by a fixed reference filter. The infrared light source can optionally emit a pulsating light radiation. Furthermore, it can be provided that the infrared light is passed through at least one rotatable interference filter whose axis of rotation is oriented perpendicular or oblique to the beam path. In addition, it can be provided that at the line Arfilter downstream aperture the gap width is variably adjustable.
Figurenbeschreibungfigure description
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.Further Features, objects and advantages of the present invention will be apparent The following detailed description of a preferred embodiment the invention, which serves as a non-limiting example and on the attached Drawings reference. The same components basically have the same Reference numerals and are partially not explained several times.
Bei
einem Verfahren mittels Linearfilter bzw. Verlaufsfilter wird die
zu untersuchende Probe mittels eines Linearfilters analysiert. Dieser
Linearfilter wird quer zum Strahlengang zwischen IR-Quelle und Detektor eingebracht
und ist mit Hilfe eines Schrittmotors transversal verstellbar. Im
Idealfall befindet sich der Filter orthogonal zum Strahlengang.
Eine leichte Verkippung des Filters wäre aber grundsätzlich nicht
von Nachteil, da dies lediglich zu einer marginalen Verringerung
des Transmissionsgrads sowie zu einer leichten Verschiebung der
Zentralwellenlänge
führen
würde,
die ohne großen
Aufwand korrigiert werden könnte.
Dadurch sind die Anforderungen an den Justiervorgang wesentlich
geringer als bei herkömmlich
verwendeten Spektralapparaten (Prisma, Gitter, FTIR-Spektrometer).
Ein Linearfilter ist dabei wie in
Ein Linearfilter, oder allgemeiner Verlaufsfilter, ist ein länglicher rechteckiger Dünnschichtinterferenzfilter, bei dem die Schichtdicke über der Länge L variiert. Die auf dem Substrat aufgebrachte Schicht besteht dabei aus vielen separaten Schichten. Dabei können verschiedene Schichtstrukturen aufgedampft werden, so dass ein optischer Bandpass entsteht. Die Zentralwellenlänge eines optischen Bandpasses steigt proportional mit dessen Schichtdicke, weil die Bedingung für konstruktive Überlagerung (Interferenz) je nach Schichtdicke für eine bestimmte Wellenlänge erfüllt ist.One Linear filter, or general gradient filter, is an elongated rectangular thin-film interference filter, where the layer thickness over the length L varies. The applied on the substrate layer consists from many separate layers. In this case, different layer structures be deposited so that an optical bandpass arises. The Central wavelength an optical bandpass increases proportionally with its layer thickness, because the condition for constructive overlay (Interference) is met depending on the layer thickness for a particular wavelength.
Der orthogonal in den Strahlengang eingebrachte und positionierbare Linearfilter fungiert somit als durchstimmbarer Bandpass, der das IR Spektrum „abscannt”. Der Detektor nimmt nun die resultierende Lichtintensität pro Wellenlänge auf. Prinzipiell könnte sich der Linearfilter vor oder nach der Ölprobe im Strahlengang befindet. Im Versuchsaufbau hat sich jedoch gezeigt, dass ein nach dem Probenfenster angeordneter Spektralapparat (Linearfilter samt Ausgangsspalt) zusätzliches Streulicht der Messprobe beseitigt. Somit ist eine Anordnung zwischen Probenbehälter und Detektor vorteilhaft.Of the orthogonal introduced and positionable in the beam path Linear filter thus acts as a tunable bandpass, the IR spectrum "scanned". The detector now takes the resulting light intensity per wavelength. In principle, could the linear filter is in the beam path before or after the oil sample. In the experimental setup, however, it has been shown that one after the sample window arranged spectral apparatus (linear filter with output gap) additional Scattered light of the sample removed. Thus, an arrangement between sample container and detector advantageous.
In
Vorteile hierbei sind die feine Auflösung, die mit dem Linearfilter erreicht werden kann sowie der vereinfachte Aufbau. Alternative Varianten (Prisma, Gitter, FTIR-Spektrometer) sind im Aufbau wesentlich komplexer und müssen aufwendiger justiert werden, was eine erhöhte Erschütterungsempfindlichkeit zur Folge hat und den Einsatz beispielsweise in einem KFZ ausschließen würde.advantages Here are the fine resolution, which can be achieved with the linear filter and the simplified Construction. Alternative variants (prism, grating, FTIR spectrometer) are much more complex in construction and more complicated to adjust what an increased vibration sensitivity entailed and exclude the use, for example, in a car.
Durch den Einsatz eines Linearfilters ist der gesamte Aufbau des Analysegerätes im Vergleich zu bisherigen Varianten stark verkleinert, sodass die Einsatzmöglichkeiten enorm steigen. Wie durch den Stand der Technik aufgeführt, ist das Analyseverfahren grundsätzlich bekannt. Nach eingehender Recherche scheint eine Ölanalyse basierend auf einem Linearfilter im Strahlengang noch nicht bekannt, weshalb diese als stärkstes Argument der Anmeldung eingehen sollte.By the use of a linear filter is the entire construction of the analyzer in comparison greatly reduced to previous variants, so the possible applications rise enormously. As stated by the prior art, is the analysis method basically known. After detailed research, an oil analysis seems based on a linear filter in the beam path not yet known why this as the strongest Argument of the application should go.
Als weiterführende alternative Ausführung kann die Verschiebeeinheit samt Messdetektor durch eine Detektorzeile nach dem Linearfilter, ersetzt werden, die jedoch eine entsprechend hohe Auflösung aufweisen muss. Kommerziell erhältliche IR-Detektorzeilen besitzen derzeit eine noch zu geringe Auflösung, um in Kombination mit einem Linearfilter aussagekräftige Analysen betreiben zu können. Zukünftig werden aber diese Detektorauflösungen wesentlich höher sein, sodass diese Ausführung definitiv mitgeschützt werden sollte.When further alternative design the displacement unit together with the measuring detector can be controlled by a detector line after the linear filter, be replaced, but one accordingly high resolution must have. Commercially available IR detector rows currently have a still too low resolution to combine with meaningful to a linear filter To be able to carry out analyzes. Future but these detector resolutions significantly higher so be this execution definitely protected should be.
Durch
Einsatz eines derartigen Detektors ist die Momentaufnahme des kompletten
Spektrums ohne Verschieben des Linearfilters möglich. Dies reduziert bewegliche
Teile, vereinfacht so den Aufbau und verkürzt die Messzeit erheblich.
Die
≥ 7 μm: Al2O3 (Saphir)
≥ 14 μm: BaF2 (Bariumfluorid),
ZnS (Zinksulfid)
≥ 21 μm: ZnSe (Zinkselenid).By using such a detector, the snapshot of the complete spectrum without moving the linear filter is possible. This reduces moving parts, simplifying the design and significantly reducing the measuring time. The
≥ 7 μm: Al2O3 (sapphire)
≥ 14 μm: BaF 2 (barium fluoride), ZnS (zinc sulfide)
≥ 21 μm: ZnSe (zinc selenide).
Die
beiden derzeit verwendeten Linearfilter (siehe Unterpunkt „Zweizonenanalyse”) besitzen
langwellige Messgrenzen von 5,3 μm
(siehe Anhang
Weiterhin
kann mit variablen Schichtdicken gearbeitet werden. Der Doppelpfeil
am linken Fenster der Messzelle in
- – Absorptionsanpassung für optimales Messergebnis,
- – Betriebsart Modulationsmessung durch Schwingung der Messkammer,
- – Einsatz der Messkammer als Membranpumpe.
- - Absorption adaptation for optimum measurement result,
- Mode of operation modulation measurement by oscillation of the measuring chamber,
- - Use of the measuring chamber as a diaphragm pump.
Weiterhin kann der Absorptionsgrad angepasst werden. Die Lichtleistung, die vom Öl absorbiert wird, ist stark abhängig von dessen Schichtdicke. Im Bouguer-Lambert-Beer'schem Gesetz wird der Zusammenhang zwischen transmittiertem Licht und der Schichtdicke deutlich: Furthermore, the degree of absorption can be adjusted. The light output absorbed by the oil is highly dependent on its layer thickness. In the Bouguer-Lambert-Beer law, the relationship between transmitted light and the layer thickness becomes clear:
Dabei bedeutet:
- T
- Transmission
- I0
- eingestrahlte Intensität
- I
- resultierende Intensität
- a
- Absorptionskoeffizient
- b
- Schichtdicke
- c
- Konzentration
- T
- transmission
- I0
- irradiated intensity
- I
- resulting intensity
- a
- absorption coefficient
- b
- layer thickness
- c
- concentration
Durch eine Veränderung der Schichtdicke lässt sich also die Transmission stark beeinflussen, nämlich mit der zehnten Potenz. Die Dicke der Messkammer wird nun während eines Messablaufs permanent nachgeregelt, sodass stets ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird. Es ist also ein Kompromiss zu finden zwischen sich stärker variierender Absorption (größere Schichtdicke) und ausreichender Strahlungsintensität (kleinere Schichtdicke) am Detektor. Da die jeweils verwendete Schichtdicke bekannt ist, kann mit obiger Formel die tatsächliche Transmission bestimmt werden.By a change the layer thickness leaves that is, that the transmission is strongly influenced, namely with the tenth power. The thickness of the measuring chamber now becomes permanent during a measuring procedure readjusted, so that always achieves an optimal signal-to-noise ratio becomes. So there is a trade off between more varied ones Absorption (larger layer thickness) and sufficient radiation intensity (smaller layer thickness) on Detector. Since the layer thickness used in each case is known, can with the above formula the actual Transmission can be determined.
Die variable Schichtdicke bietet auch noch die im Folgenden genannten Vorteile. Da in der infrarotspektroskopischen Ölzustandsanalyse meist eine Schichtdicke um 100 μm verwendet wird, können die meist sehr zähflüssigen öle oftmals nur sehr schwer oder gar nicht in die Messzelle gebracht bzw. diese ausreichend befüllt werden. Die variabel verstellbare Schichtdicke hingegen ermöglicht ein leichtes Befüllen der Messkammer bei aufgefahrener Messzelle, also bei großer Schichtdicke. Zum Messen wird die Kammer dann auf die benötigte Schichtdicke zugefahren. Auch eine Reinigung der Messzelle wird durch die variabel verstellbare Schichtdicke deutlich erleichtert. Die Modulation der Schichtdicke könnte den verbesserten Reinigungseffekt dabei noch unterstützen.The Variable layer thickness also offers the following Advantages. As in the infrared spectroscopic oil condition analysis usually a Layer thickness of 100 μm is used the most viscous oils often very difficult or not at all brought into the measuring cell or this sufficiently filled become. The variably adjustable layer thickness, however, allows a easy filling the measuring chamber when the measuring cell is raised, ie with a large layer thickness. For measuring, the chamber is then closed to the required layer thickness. A cleaning of the measuring cell is also due to the variably adjustable layer thickness much easier. The modulation of the layer thickness could be the support the improved cleaning effect.
Die Absorptionsanpassung vermag der spektralen Charakteristik der Messanordnung Rechnung zu tragen. Diese wird sich während der Lebensdauer des Analysegeräts ändern und wird von folgenden Faktoren beeinflusst:
- – spektrale Abstrahlcharakteristik der Quelle,
- – spektral schwankende Detektorempfindlichkeit (auch aufgrund des Detektorfensters),
- – spektral veränderte Transmission der Zentralwellenlänge der Linearfilter,
- – Transmissionsverlauf der Mess- und Blockungsfenster,
- – Transmissionsverlauf der im Strahlengang befindlichen Umgebungsluft (Luftfeuchtigkeit, CO2-Gehalt, ...),
- – Transmissionsverlauf des Öls (verwendeter Typ und dessen Alterungsgrad),
- Spectral radiation characteristic of the source,
- Spectrally fluctuating detector sensitivity (also due to the detector window),
- Spectrally altered transmission of the central wavelength of the linear filters,
- Transmission profile of the measurement and blocking windows,
- - Transmittance curve of the ambient air in the beam path (humidity, CO2 content, ...),
- Transmission profile of the oil (type used and its degree of aging),
Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Modulationsmessung durch Schwingung der Messkammer. Die verwendeten pyroelektrischen Detektoren haben die Eigenschaft, nur auf eine Lichtänderung zu reagieren. Sie haben also differenzierendes Verhalten. Um diese Veränderung des Lichtes zu erreichen, kann neben dem Pulsen der Lampe auch ein schnelles Auf- und Zufahren der Kammer (Lampe im Dauerbetrieb) eine Modulation des Lichtes hervorrufen. Eine Fusion beider Vorgänge ist ebenso denkbar, d. h. Schwingung der Messkammer bei gepulster Lampe. Ein Unteranspruch zum Schutz dieses speziellen Untersuchens erscheint demnach sinnvoll.A another possibility consists in a modulation measurement by vibration of the measuring chamber. The used pyroelectric detectors have the property only on a change of light to react. So you have differentiating behavior. Around change to reach the light, in addition to pulsing the lamp also fast opening and closing of the chamber (lamp in continuous operation) one Cause modulation of the light. A fusion of both processes is equally conceivable, d. H. Oscillation of the measuring chamber with pulsed lamp. A subclaim to protect this particular investigation appears therefore useful.
Eine weitere Möglichkeit, die die variable Schichtdicke bietet, ist der Einsatz der Kammer als Membranpumpe. In die Messzelle führen dabei zwei Schläuche, der erste wird für die Befüllung verwendet, der zweite zum Entleeren, wobei dieser mit einem Kugelventil versehen ist. Somit kann die Kammer durch Schwingung selbstständig Öl ansaugen und wieder ausblasen. Auch ein Selbstreinigungsprozess kann damit realisiert werden.A another possibility which provides the variable layer thickness is the use of the chamber as a diaphragm pump. In the measuring cell thereby lead two hoses, the first is for the filling the second one is used for emptying, this one with a ball valve is provided. Thus, the chamber can independently suck in oil by vibration and blow it out again. Even a self-cleaning process can do so will be realized.
Die
Eine Ölzustandskontrolle
mit einstellbarer Probenwand stellt hohe Anforderungen an das Dichtungsmaterial
(in
Als
verwendbare Materialien stellten sich Implantatsilikone und Fluorelastomere
insbesondere Fluormoosgummi heraus, wobei momentan Fluormoosgummi
favorisiert wird, da dieser im Vergleich zum Implantatsilikon eine
höhere
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
dem Öl
aufweist. Eine verlässliche
Aussage bezüglich geeigneten
Dichtungsmaterials lässt
sich nur durch Langzeittests bestätigen. Falls sich dabei zeigen
wird, dass die Forderung der Temperatur- und Ölbeständigkeit nicht mit der Forderung
der Komprimierbarkeit vereinbar ist, wäre eine mantelförmige Dichtung
(aus Fluorelastomer) eine praktikable und zu bevorzugende Alternative – vgl.
An
die Dichtung der variabel verstellbaren Messzelle sind große Anforderungen
zu stellen. Neben dem chemisch aggressiven Öl sind auch hohe Temperaturen
und hohe Drücke
zu berücksichtigen.
Es hat sich gezeigt, dass sich ein wie in
Auch das Material der Probenfenster kann Einfluss auf die Messung haben. Um ein Öl während des Betriebs im Getriebe etc. untersuchen zu können, bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten: Die Analyse entweder direkt im Ölsumpf („Inline” Analyse) oder die Analyse außerhalb der Maschine, indem das Öl mittels Druckschläuchen in die Probenkammer transportiert wird („Online” Analyse). In beiden Fällen muss das Sichtfenster der Messzelle aus IR-transparentem Material sein. Weiterhin muss es langjährig resistent gegenüber den relativ aggressiven Bestandteilen im Öl sein. Ein zurzeit verwendeter Stoff ist Zinksulfid. Bei einer Ausweitung des langwelligen Messbereichs zur Detektion von Diesel und Benzin wäre der Einsatz von Zinkselenid angedacht. Kann der Messbereich hingegen auf die kurzwellige Zone (siehe Unterpunkt „Zweizonenanalyse”) eingeschränkt werden, so bietet sich die Verwendung von Saphir als Probenfenster an.Also the material of the sample window can influence the measurement. To an oil while of the operation in the transmission, etc., to be able to examine exist in principle two possibilities: The analysis either directly in the oil sump ("Inline" analysis) or the analysis outside the machine by removing the oil by means of pressure hoses transported into the sample chamber ("online" analysis). In both cases must be the viewing window of the measuring cell of IR-transparent material. Furthermore, it has to be for many years resistant to be the relatively aggressive ingredients in the oil. A currently used one Fabric is zinc sulfide. With an extension of the long-wave measuring range For the detection of diesel and gasoline would be the use of zinc selenide being considered. On the other hand, the measuring range can be set to the short-wave zone (see subitem "two-zone analysis"), Thus, the use of sapphire as a sample window offers.
Neben
seiner Transparenz im Messbereich und der Ölbeständigkeit bietet die Verwendung
von Zinksulfid noch den Vorteil der bereits in Unterpunkt „Linearfilter” angesprochenen
Blockung unerwünschter
Nebenmaxima an der langwelligen Messgrenze, da das Transmissionsspektrum
ab 11,2 μm
bzw. 890 cm–1
stark abfällt
(vgl.
Um
nun zu einer verlässlichen
Aussage bzgl. der Alterung des zu untersuchenden Mediums zu gelangen,
ist grundsätzlich
eine Zweizonen-Untersuchung
angedacht. Die
Für die Betrachtung
der einzelnen Zonen ist es wiederum vorteilhaft, unterschiedliche
Linearfilter zu verwenden, dargestellt in
Im Sinne einer Patentanmeldung sollte der Bereich unterhalb 1,6 μm mit geschützt sein, da eine Untersuchung dieses Wellenlängenbereiches möglicherweise ebenfalls aussagekräftige Ergebnisse hinsichtlich der Aufgabe liefern könnte. Momentane Ergebnisse unterhalb von 1,6 μm liegen allerdings zum jetzigen Zeitpunkt nicht vor.in the In the sense of a patent application, the area below 1.6 μm should be protected, since a study of this wavelength range may be also meaningful Could deliver results regarding the task. Momentary results below 1.6 μm are not available at the moment.
Bislang wurde die Entwicklung von Ölzustandssensoren mit festen charakteristischen Wellenlängen forciert, Marktreife hat dabei noch keine erreicht. Das Konzept der Betrachtung fester Wellenlängen wäre dann sinnvoll, wenn alle Öle nach den gleichen Kriterien beurteilt werden könnten. Da dem nicht so ist, müsste für jedes Öl und jede seiner Additivierungen ein individueller Sensor aufgebaut werden, der z. B. bei Verwendung eines anderen Öls oder veränderter Zusammensetzung der Additive unbrauchbar werden würde.So far became the development of oil condition sensors accelerated with fixed characteristic wavelengths, has market maturity none yet achieved. The concept of observing fixed wavelengths would then make sense if all oils could be assessed according to the same criteria. Since that is not the case should for every oil and every its additivities are built up an individual sensor, the z. B. when using another oil or modified composition of Additives would become useless.
Die Verwendung von Linearfiltern hingegen ermöglicht die Konzeption eines für verschiedenste Öle mit unterschiedlichsten Additiven universell einsetzbaren Ölzustandssensors, lediglich die Software muss modifiziert werden. Weiterhin ist es möglich, nach einem erfolgten Ölwechsel autonom zu Überprüfen, ob das richtige Öl für das Getriebe etc. verwendet wird.The Use of linear filters, however, allows the conception of a for a variety of oils with a variety of Additive universally applicable oil condition sensor, only the software has to be modified. Furthermore it is possible to post a successful oil change autonomously to check whether the right oil for the Gear etc. is used.
Das im Unterpunkt „Drehbarer Interferenzfilter” gezeigte Konzept steht zwischen den beiden zuletzt vorgestellten: Es werden einzelne charakteristische Wellenlängen verwendet, die aber in einem eng begrenzten Messbereich verstellt werden können.The in the subsection "Rotatable Interference filter "shown Concept stands between the two last presented: It will be single characteristic wavelengths used, but in a narrow measuring range can be adjusted.
Weiterhin kann die Ansteuerung der Infrarotstrahlungsquelle//Pulsformen variiert werden. Wie bereits erwähnt besitzen die verwendeten pyroelektrischen Detektoren die Eigenschaft, nur auf eine Lichtänderung zu reagieren. Sie haben also differenzierendes Verhalten. Um diese Veränderung des Lichtes zu erreichen, wird die Infrarotstrahlungsquelle mit einem gepulsten elektrischen Signal angesteuert, wobei zurzeit nur die steigende Flanke in die Auswertung eingeht. Eine Berücksichtigung auch der fallenden Flanke ist angedacht.Farther the control of the infrared radiation source // pulse shapes can be varied become. As already mentioned the used pyroelectric detectors have the property only on a change of light to react. So you have differentiating behavior. Around change reach the light, the infrared radiation source with a pulsed electrical signal driven, whereby currently only the rising edge is included in the evaluation. A consideration the falling flank is also being considered.
Dabei ist darauf zu achten, dass die Impulse der IR-Quelle, die durch das elektrische Signal generiert werden, zeitlich hinreichend voneinander entfernt liegen, um am pyroelektrischen Detektor aufgrund seiner zeitlichen Verzögerung ein aussagekräftiges Ausgangssignal zu erzeugen. Für eine flexiblere Messung kann es nun vorteilhaft sein, die Flankenformen der IR-Quelle, einschließlich deren Höhen, zu variieren.there Care must be taken to ensure that the impulses of the IR source, through the electrical signal are generated, sufficient time from each other lie distant to the pyroelectric detector due to its temporal delay a meaningful To produce output signal. For a more flexible measurement, it may now be advantageous, the edge shapes the IR source, including their heights, to vary.
Im
Hinblick auf eine Ölanalyse
zur Anpassung der Quelle an die Detektorempfindlichkeit (vgl. Unterpunkt
variable Schichtdicke – Absorptionsanpassung)
ist diese Maßnahme
neu. Dies könnte
in speziellen Fällen
die Einstellung der variablen Schichtdicke unterstützen und
ist somit als weiteres alternatives Ausführungsbeispiel (
Ein verlässlicher Auswertealgorithmus sollte möglichst viele der dem Messsignal hinzukommenden Störungen berücksichtigen und kompensieren. Diese Störungen können additiver oder multiplikativer Natur sein. Additive Störungen sind beispielsweise Fremdlichteinstrahlungen, multiplikative Störungen sind beispielsweise Änderungen, die die spektrale Charakteristik der optischen Komponenten betreffen (siehe Faktoren im Unterpunkt „variable Schichtdicke – Absorptionsanpassung”).One reliable Evaluation algorithm should be as possible consider and compensate for many of the interferences that are added to the measurement signal. These disorders can be additive or multiplicative in nature. Additive disturbances are For example, extraneous light, multiplicative interference for example, changes, which relate to the spectral characteristics of the optical components (see factors in subitem "variable Layer thickness - absorption adaptation ").
Zur
Kompensation additiver Störeinflüsse ist
es nötig,
ein Referenzsignal bei einer festen Wellenlänge mit aufzunehmen, bei der
keine Änderungen
während
der Alterung auftreten (siehe „Messbereich”). Ein
zusätzlicher
Filter, der nicht verstimmt wird, lässt Licht dieser Referenzwellenlänge (beispielsweise
bei 2000 cm–1)
durch.
Zur Kompensation multiplikativer Störeinflüsse ist es nötig, vor der eigentlichen „Ölmessung” eine „Luftmessung” durchzuführen, d. h., dass zunächst eine Aufnahme der gleichen Messreihe bei leerer Messzelle vorgenommen wird. Da sich multiplikative Störungen durch einen eher trägen Verlauf auszeichnen, wird das Ergebnis der „Luftmessung” abgespeichert (siehe Unterpunkt EEPROM) und kann für einen längeren Zeitraum verwendet werden.to Compensation of multiplicative disturbances is it necessary perform an "air measurement" before the actual "oil measurement", d. h. that first a recording of the same series of measurements made with empty cell becomes. Because multiplicative disorders by a rather sluggish Mark the course, the result of the "air measurement" is stored (see subitem EEPROM) and can be used for a longer period of time.
Theoretisch
erfolgt eine Auswertung nach folgendem Algorithmus: wobei AddÖl(λ) = RefÖl(λ) – 〈RefÖl(λ)〉
und
AddLuft(λ)
= RefLuft(λ) – 〈RefLuft(λ)〉 ist.
- TÖl(λ)
- Transmission des Öls
- MessÖl(λ)
- Messsignal Ölmessung
- AddÖl(λ)
- Additive Störeinflüsse bei Ölmessung
- MessLuft(λ)
- Messsignal Luftmessung
- AddLuft,(λ)
- Additive Störeinflüsse bei Luftmessung
and Add air (λ) = Ref air (λ) - <Ref air (λ)>.
- Toil (λ)
- Transmission of the oil
- Measuring oil (λ)
- Measurement signal oil measurement
- AddÖl (λ)
- Additive disturbances during oil measurement
- Measuring air (λ)
- Measuring signal air measurement
- AddLuft, (λ)
- Additive disturbing influences with air measurement
Dahinter verbirgt sich die Theorie, dass additive Störgrößen vom Messsignal subtrahiert bzw. multiplikative Störgrößen vom Messsignal geteilt werden.behind it hides the theory that subtracts additive disturbances from the measurement signal or multiplicative disturbances of Measurement signal to be shared.
Die
Praxis, durchgeführt
in der Auswerteeinheit dieser Erfindung umfasst nun zwei Phasen:
Zunächst werden
ein Messsignal und ein Referenzsignal bei einer „Luftmessung”, d. h.
einem leeren Probenbehälter
aufgenommen und abgespeichert.The practice performed in the evaluation unit of this invention now comprises two phases:
First, a measurement signal and a reference signal in an "air measurement", ie recorded and stored an empty sample container.
Im zweiten Schritt werden Messsignal und Referenzsignal bei befülltem Messbehälter erneut aufgenommen. Mittels beschriebenen Algorithmus werden nun die additiven und multiplikativen Störgrößen in der Auswerteeinheit herausgerechnet.in the second step, the measuring signal and reference signal are again when the measuring container is filled added. By means of the described algorithm now the additive and multiplicative disturbances in the evaluation unit eliminated.
Alternativ
zu einem verschiebbaren Linearfilter sind auch ein oder mehrere
drehbare Interferenzfilter denkbar, deren Zentralwellenlänge den
charakteristischen Wellenlängen
des Öls
entspricht. Wie aus
Die
Die Detektorsignale werden in Verstärkerschaltungen, deren Verstärkungsfaktoren digital verstellbar sind, vorverarbeitet und abschließend in digitale Signale umgewandelt. Die Verstärkungsfaktoren werden dabei mittels digitaler Widerstände von der Auswerteeinheit derart eingestellt, dass am Ende die Analog-Digital-Converter jederzeit optimale Eingangssignale erhalten, d. h. möglichst hohe Werte, um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen, aber keine zu hohen Werte, die zu einem Überlauf führen würden.The Detector signals are used in amplifier circuits, their amplification factors are digitally adjustable, preprocessed and finally in converted digital signals. The amplification factors become thereby by means of digital resistors set by the evaluation unit such that in the end the analog-to-digital converter receive optimal input signals at all times, d. H. preferably high values to one as possible high resolution to achieve, but not too high values, leading to an overflow to lead would.
Da beispielsweise durch die Alterung des Öls eine permanente Transmissionsschwächung des Messsignals zu erwarten ist, würde ohne eine Nachregelung des Verstärkungsfaktors die Auflösung des dargestellten Messwerts immer weiter sinken.There for example, due to the aging of the oil, a permanent weakening of the transmission Measuring signal is expected, would without a readjustment of the amplification factor the resolution of the displayed measured value continue to fall.
Die Auswerteeinheit verfügt über einen EEPROM, der zur Speicherung folgender Daten verwendet wird:
- – „Luftspektrum” – siehe Unterpunkt „Auswertealgorithmus”.
- – Temperaturcharakteristik des Analysegeräts – um mit Hilfe geeignet platzierter Temperatursensoren den Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis zu berücksichtigen.
- – Soll-Spektrum – wird z. B. nach einem Ölwechsel mit dem Ist-Spektrum korreliert, um eine Aussage zu treffen, ob Öltyp und dessen Qualität passend gewählt wurden.
- – Ist-Spektren vorhergehender Messungen – um außergewöhnliche Veränderungen festzustellen und dadurch Schäden frühzeitig zu erkennen.
- – Charakteristische Wellenlängen und Grenzwerte für eine aussagekräftige Analyse.
- - "Air Spectrum" - see sub-item "Evaluation Algorithm".
- - Temperature characteristic of the analyzer - to take into account the influence of temperature on the measurement result by means of suitably placed temperature sensors.
- - Target spectrum - z. B. correlated after an oil change with the actual spectrum to make a statement as to whether the oil type and its quality were chosen appropriately.
- - Actual spectra of previous measurements - to detect extraordinary changes and to detect damage early.
- - Characteristic wavelengths and limits for a meaningful analysis.
Sinnvoll ist weiterhin eine frühest mögliche Digitalisierung und/oder kurze Signalwege. Durch eine frühe Digitalisierung der Sensorausgangssignale (Detektoren, Temperatursensoren) können Störeinflüsse vermindert und eine fehlerbehaftete Übertragung weitestgehend unterbunden werden. Vorteilhaft ist deshalb eine frühestmögliche Digitalisierung, beispielsweise durch Verwendung von Sensoren, die bereits eine Analog-Digitalwandlung chipseitig bereitstellen und dadurch digitale Ausgangssignale aufweisen. Eine Steigerung der Störunempfindlichkeit wird auch durch einen Schaltungsentwurf mit möglichst geringen Signalwegen erreicht.meaningful is still one of the earliest possible Digitization and / or short signal paths. Through an early digitization Sensor output signals (detectors, temperature sensors) can reduce interference and a faulty transmission be largely prevented. It is therefore advantageous to have the earliest digitization possible, for example, by using sensors that already have an analog-to-digital conversion provide chip side and thereby have digital output signals. An increase in noise immunity is also a circuit design with the lowest possible signal paths reached.
Möglich ist auch eine Veränderung der Spaltbreite. Die optimale Spaltbreite bei der Verwendung eines Linearfilters lässt sich anhand folgender Formel bestimmen:
- L
- physikalische Länge
- λ
- Wellenlänge
- Δλ1/2%
- prozentuale Halbwertsbreite
- λmin
- minimale Wellenlänge
- λmax
- maximale Wellenlänge
- L
- physical length
- λ
- wavelength
- Δλ1 / 2%
- percentage half width
- λmin
- minimum wavelength
- λmax
- maximum wavelength
Es ist ersichtlich, dass die optimale Spaltbreite wellenlängenabhängig ist und somit für optimale Ergebnisse während der Messung nachgeregelt werden sollte.It It can be seen that the optimum gap width is wavelength-dependent and thus for optimal results during should be readjusted to the measurement.
Zudem
kann durch Veränderung
der Breite des Blendenspalts auch eine Analyse beschleunigt werden,
indem zunächst
das IR-Spektrum mit geringer Auflösung und hoher Strahlungsintensität (d. h.
großer Spaltbreite) „abgescannt” wird,
um anschließend
anhand dieses groben Verlaufs nur noch die relevanten Bereiche mit
einer feinen Auflösung
(optimale Spaltbreite) aufzunehmen. Die
Möglich ist weiterhin eine Linearfilter-Dauermessung (Transmissionsspektrum und erste Ableitung). Wie bereits im Unterpunkt „variable Schichtdicke” angesprochen, haben die verwendeten pyroelektrischen Detektoren die Eigenschaft, lediglich Änderungen der Lichtintensität aufzunehmen. Sie haben also differenzierendes Verhalten. Um eine Veränderung der Lichtintensität zu erreichen, kann neben dem Pulsen der Lampe auch ein kontinuierliches Verfahren des Linearfilters (Lampe im Dauerbetrieb) diese Modulation hervorrufen. Das zunächst aufgenommene Signal entspricht der ersten Ableitung des Transmissionsspektrums, die in der Infrarotspektroskopie häufig Verwendung findet. Gleichzeitig kann durch einfaches Aufaddieren das Transmissionsspektrum erhalten werden.Is possible furthermore a linear filter continuous measurement (transmission spectrum and first derivative). As already mentioned in the subsection "variable layer thickness", the used pyroelectric detectors have the property only changes the light intensity take. So you have differentiating behavior. To one change the light intensity To achieve, in addition to the pulsing of the lamp, a continuous Method of linear filter (lamp in continuous operation) this modulation cause. The first recorded signal corresponds to the first derivative of the transmission spectrum, which is often used in infrared spectroscopy. simultaneously can be obtained by simply adding the transmission spectrum become.
Ein weiteres Verfahren besteht in einer Detektor-Thermopile. Für den Analyseapparat sind pyroelektrische Detektoren vorgesehen. Der Nachteil dieser Detektorart besteht in ihrer Vibrations- und Schallempfindlichkeit. Deshalb kann für den Einsatz in mobilen Geräten die Verwendung von Thermopiles die bessere Alternative sein. Diese sind vibrationsunempfindlicher, besitzen aber eine größere Temperaturabhängigkeit.One Another method is a detector thermopile. For the analysis apparatus Pyroelectric detectors are provided. The disadvantage of this Detector type consists in their vibration and sound sensitivity. That is why for use in mobile devices the use of thermopiles may be the better alternative. These are less susceptible to vibration, but have a greater temperature dependence.
Es soll an dieser Stelle betont sein, dass eine Abstrahierung der Erfindung und ein Ausdehnung auf andere technische Bereiche sinnvoll und möglich sein kann. Die beschriebene Erfindung bezieht sich zunächst auf eine Schmierölanalyse. Dabei wird das Öl auf charakteristische Bestandteile hin untersucht und bewertet. Diese Analyse lässt sich grundsätzlich auf alle denkbaren Flüssigkeiten ausweiten. Wichtig ist dabei lediglich, dass die Wellenlängen der Flüssigkeitsbestandteile bekannt sein sollten. Flüssigkeiten könnten dabei alle Arten von ölen, Wasser, Säuren etc sein. Speziell im Bereich Ölanalyse scheint indessen ein solches System noch unbekannt. Das beschriebene System ist allerdings derart flexibel einsetzbar, dass nur die Wellenlängen bekannt sein müssen, die geprüft werden sollen. In einem Datenspeicher abgelegt sind sie universell abrufbar.It should be emphasized at this point that an abstraction of the invention and extending it to other technical areas makes sense and is possible can. The invention described initially relates to a lubricating oil analysis. This is the oil examined for characteristic components and evaluated. These Analysis leaves basically on all conceivable liquids expand. It is only important that the wavelengths of the Liquid components should be known. liquids could doing all kinds of oils, Water, acids etc. Especially in the field of oil analysis However, such a system still seems unknown. The described However, the system can be used so flexibly that only the wavelengths are known have to be the tested should be. Stored in a data store, they are universal available.
Das System ist indessen angedacht für viele verschiedenste Anwendungsgebiete, als mobiles Analysegerät (Kfz etc.), wo extreme Bedingungen (starke Temperaturschwankungen etc.) vorherrschen, oder auch in Großanlagen (Maschinen, Windkraftanlagen, Turbinen etc.). Das System kann sowohl stand-alone sein, also ein eigenständiges Gerät, in welches Proben eingebracht werden, als auch ein kleiner Sensor beispielsweise in einem Getriebe (Inline, Online). Somit sind Baugruppen (Stromversorgung, Probenentnahme, Auswerteeinheit etc.) eventuell in extra Gehäuseteilen untergebracht.The system is, however, being considered for many different applications, as a mobile analysis device (automotive, etc.), where extreme conditions (strong temperature fluctuations, etc.) prevail, or even in large systems (machines, wind turbines, turbines, etc.). The system can be both stand-alone, ie an independent device, in which samples are introduced, as well as a small sensor example wise in a transmission (inline, online). Thus, assemblies (power supply, sampling, evaluation, etc.) may be housed in extra housing parts.
Wichtig bleibt dabei die Analyse mittels Linearfilter. Dieser sollte eventuell als verstimmbarer Interferenzfilter oder noch allgemeiner als optisches Element bezeichnet werden und nur in einem Unteranspruch als Linearfilter/Verlaufsfilter benannt sein.Important while the analysis remains using a linear filter. This should eventually as a tunable interference filter or even more generally as an optical filter Element be designated and only in a subclaim as a linear filter / gradient filter be named.
Als Detektor sollte auch nur in einer speziellen Form der pyroelektrische bzw. der Thermopile-Detektor Erwähnung finden. Als Oberbegriff könnten Lichtumsetzeinheit oder Umsetzeinheit (von Licht in elektrische Spannung) gewählt werden.When Detector should also only in a special form of pyroelectric or the Thermopile detector mention Find. As a generic term could Light conversion unit or conversion unit (from light to electrical voltage) chosen become.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.The The invention is not limited to the above embodiments. Much more is a variety of variants and modifications conceivable by the idea according to the invention Use and therefore also fall within the scope of protection.
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