DE102008019500A1 - Anorndnung, method and sensor for detecting liquid parameters - Google Patents
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Abstract
Es ist eine optische Messanordnung zur Erfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern einer Flüssigkeitsprobe offenbart. Diese Messanordnung umfasst eine Infrarotlichtquelle, einen im Strahlengang der Infrarotlichtquelle angeordneten 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. Der Spektralapparat weist einen Linearfilter auf.An optical measuring arrangement for detecting physical and / or chemical parameters of a fluid sample is disclosed. This measuring arrangement comprises an infrared light source, a sample container arranged in the beam path of the infrared light source with the liquid to be examined, a spectral apparatus arranged behind it for selecting and / or blanking single or multiple wavelength ranges, and an infrared detector coupled to an evaluation unit. The spectral apparatus has a linear filter.
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. In particular, the invention 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 Oil status control problem has been around for some 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 for This area relevant to the invention is primarily the lubricants assigned, in particular engine oils, transmission oils and hydraulic oils. However, the invention can be basically also for the analysis of other liquids apply. The oils mentioned are used in mechanical systems primarily to reduce friction and thus dissipation as well as the material wear used. In addition serve they transmit power, reduce noise and allow 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 Lubricating oil forms between moving surfaces Sliding film. Worsen due to thermal and mechanical stress With lubricating oils, this will gradually change over time 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 poorer flow properties (i.e., reduced viscosity). Aged lubricants are often no longer able to meet the desired requirements to be fully satisfied. To prevent damage, The lubricant must therefore be renewed regularly and be exchanged. The time of the exchange is here but always from a variety of different factors dependent. In known oil parameters, comparable Machines and given number of operating hours different operating conditions to a different Cause aging behavior. So lets, for example, more often Full load operation will age the oil faster than a more frequent 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 within certain limits changed over time cycles, in particular with regard to manufacturer recommendations. In vehicle engines, such an exchange after a certain Driving performance or after a certain time interval required eg in order not to jeopardize warranty claims. For this reason, lubricants are still very common sufficient lubrication properties changed prematurely, thereby valuable resources are wasted 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 to determine the actual oil condition the oil at the right time, d. H. after his actual Wear, change. Other related aspects are a cost savings due to reduced amounts to be disposed of Waste oil, a cost saving through reduced fresh oil consumption, reduced machine downtime and possibly early detection of transmission damage or imminent damage to 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 There are different procedures. As one of the common methods Infrared spectroscopy has become commonplace carried out in analytical laboratories. Infrared spectroscopy is a physico-chemical analysis method that, in addition to a qualitative analysis also relevant for the quantitative determination Substances can be used. The infrared wavelength range (0.8-1000 μm) can be subdivided in the near infrared (NIR 0.8-2.5 microns), in the medium or classic or "normal" infrared (MIR 2.5-25 μm) and in the so-called far infrared (FIR 25-1000 μm). In each case, different phenomena cause the Absorption of the radiation. In the MIR, for example, molecule rotations absorb and molecular vibrations, which 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, the transmission is a measure of the permeability of an excitation radiation used. It is applied upwards increasingly to the vertical axis (areas low transmittance of the IR radiation give a Rash down).
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
A substance to be investigated, here mineral oil, consists of a multiplicity of different molecules. The irradiation of these molecules with electromagnetic waves of the (middle) infrared range leads to the vibrational excitation of the molecular bonds. In this case, excitation takes place only at the wavelength characteristic for molecule binding. As a result, energy of this wave wavelength is absorbed, so that the detector registers a decrease in the radiation intensity. Based on the characteristic wavelengths of a substance, it can be identified and analyzed. The IR spectroscopy is thus structural clarifying. In the schematic representation of
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.About that There are also many different wavelengths available, their significance in terms of aging of the oil is still to be checked.
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 in the art known. 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 complex procedures are required. Into this system group especially grating spectrometers, prism spectrometers and fast Fourier transform spectrometers, which are partly associated with high acquisition costs. About that In addition, such systems are only conditionally for use suitable in technical production processes, as complex mechanical Movements are required whose mechanical instabilities in sufficient reproducibility and high maintenance result.
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
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.One The primary object of the invention is a device for oil analysis to provide, which the disadvantages of the state the technology avoids. The device should be particularly flexible and not limited to oils of a certain type be usable. The possibility of investigation should not limited to only one characteristic wavelength be. In addition, the device is an "online" examination while the machine is running. Another one The aim of the invention is a suitably usable To provide methods.
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 with the objects of independent Claims reached. Features of advantageous developments The invention will become apparent from the respective dependent 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 present invention relates to an optical measuring arrangement for detecting physical and / or chemical parameters of a liquid sample, comprising an infrared light source and a sample container arranged in the beam path of the infrared light source with the liquid to be examined, a spectral apparatus arranged behind it for the selection and / or suppression of one or more Wellenlän genbereiche and an infrared detector, which is coupled to an evaluation. The spectral apparatus has a linear filter which has the significant advantages of the achievable with the linear filter very fine resolution and the simplified structure. Alternative variants (prism, grating, FTIR spectrometer) are much more complex in design and must be more complicated to adjust, which has an increased vibration sensitivity result and would rule out the use, for example, in a car. Through the use of a linear filter, the entire structure of the analyzer is greatly reduced in comparison to previous variants, so that the application possibilities increase 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 obliquely arranged obliquely to the beam path, so that the variability of the measuring arrangement is improved.
Der Infrarotdetektor kann insbesondere eine hochauflösende Detektorzeile bzw. eine hochauflösende Detektormatrix umfassen. Zudem kann der Probenbehälter in seinen Abmessungen variabel einstellbar sein. So kann bspw. die Dicke des Probenbehälters in Richtung des Strahlengangs variabel einstellbar sein.Of the Infrared detector can in particular a high-resolution Detector line or a high-resolution detector matrix include. In addition, the sample container in its dimensions variable be adjustable. Thus, for example, the thickness of the sample container be 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 discs a flexible, circumferential jacket seal having, which is parallel to the beam path outer sheath of the Container forms.
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 use several parallel linear filters respectively associated aperture and / or infrared detectors be provided. In this case, at least one of the linear filter by be formed a fixed reference filter.
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, its axis of rotation perpendicular or oblique to the beam path is oriented.
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 liquid to be examined, arranged behind it Spectral apparatus for the selection and / or suppression of individual or several wavelength ranges and an infrared detector, which is coupled to an evaluation unit, is passed. According to the The present invention is in the spectral apparatus, the light through a Linear filter passed, giving the advantages already mentioned above Has. The light can also after the linear filter through a diaphragm be directed. The linear filter can be vertical or oblique be displaced to the beam path. The infrared light can, for example. by means of a high-resolution detector line or a high-resolution detector matrix are detected.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn der Probenbehälter in seinen Abmessungen variabel einstellbar ist. So kann insbesondere die Dicke des Probenbehälters in Richtung des Strahlengangs variabel einstellbar sein.Farther It may be advantageous if the sample container in his Dimensions is variably adjustable. So in particular the thickness of the sample container in the direction of the beam path variable be adjustable.
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.Farther can be provided that the infrared light through several parallel arranged linear filter with respective diaphragms directed and from several parallel infrared detectors is detected. At least one of the linear filters can be replaced by a fixed reference filter be formed. The infrared light source can optionally emit a pulsating light radiation. Farther can be provided that the infrared light by at least a rotatable interference filter is passed whose axis of rotation perpendicular or oriented obliquely to the beam path. In addition, can be provided that at the downstream of the linear filter 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 of the invention, as a non-limiting example serves and refers to the accompanying drawings. Identical components basically have the same reference numerals on and are sometimes 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 in which the Layer thickness over the length L varies. The on The substrate applied layer consists of many separate Layers. In this case, different layer structures be deposited so that an optical bandpass arises. The Central wavelength of an optical bandpass increases proportionally with its layer thickness because of the condition for constructive overlay (Interference) depending on the layer thickness for a specific wavelength is satisfied.
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.The orthogonal linear filter, which can be positioned in the beam path, thus acts as a tunable bandpass filter that "scans" the IR spectrum Light intensity per wavelength. In principle, the linear filter could be located in the beam path before or after the oil sample. However, it has been shown in the experimental setup that a spectral apparatus arranged after the sample window (linear filter with output gap) eliminates additional scattered light of the measurement sample. Thus, an arrangement between sample container and detector is 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, with the linear filter can be achieved and the simplified structure. alternative Variants (prism, grating, FTIR spectrometer) are essential in construction more complex and need to be adjusted more elaborately what a increased vibration sensitivity result has and exclude the use, for example, in a car would.
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 structure of the analyzer Compared to previous variants greatly reduced, so that the Possible applications increase enormously. As by the stand Technically listed, the analysis method is basically known. After detailed research, an oil analysis seems based on a linear filter in the beam path not yet known why they go down as the strongest argument of the application should.
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 embodiment, the Moving unit including measuring detector by a detector line after be replaced the linear filter, but a correspondingly high Must have resolution. Commercially available IR detector lines currently have a still too low resolution, in combination with a linear filter meaningful To be able to carry out analyzes. In the future will be but these detector resolutions are much higher so that this version is 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
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: 
Dabei bedeutet:
- T...
- Transmission
- 10...
- eingestrahlte Intensität
- I...
- resultierende Intensität
- a...
- Absorptionskoeffizient
- b...
- Schichtdicke
- c...
- Konzentration
- T ...
- transmission
- 10 ...
- 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 in the layer thickness can therefore be strongly influence the transmission, namely with the tenth Power. The thickness of the measuring chamber is now during a Measurement sequence permanently readjusted, so always an optimal signal-to-noise ratio is achieved. So it's a compromise to find between yourself more varying absorption (larger Layer thickness) and sufficient radiation intensity (smaller Layer thickness) at the detector. As the layer thickness used is known, with the above formula, the actual transmission 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 microns is used, can the most viscous oils often very difficult or not at all brought into the measuring cell or this be sufficiently filled. The variably adjustable layer thickness however, easy filling of the Measuring chamber with raised measuring cell, ie with large layer thickness. For measuring, the chamber is then at the required layer thickness fed in. Also a cleaning of the measuring cell is variable by the adjustable layer thickness significantly easier. The modulation of Layer thickness could have the improved cleaning effect still support.
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 is a modulation measurement by vibration of the measuring chamber. The used pyroelectric Detectors have the property of only changing the light to react. So you have differentiating behavior. Around To achieve change in the light, in addition to pulsing the lamp also a quick opening and closing of the chamber (lamp in continuous operation) cause a modulation of the light. A merger Both processes are also conceivable, d. H. Oscillation of Measuring chamber with pulsed lamp. A subclaim to protect this special examination therefore seems sensible.
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 that offers the variable layer thickness, is the use of the chamber as a diaphragm pump. Lead into the measuring cell doing two hoses, the first one is for 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 get an oil during operation in the transmission etc. In principle, there are two possibilities: The analysis either directly in the oil sump ("Inline" Analysis) or analysis outside the machine by the oil by means of pressure hoses in the sample chamber transported ("online" analysis). In both Cases, the viewing window of the measuring cell from IR-transparent Be material. Furthermore, it must be resistant to many years be the relatively aggressive ingredients in the oil. One currently used substance is zinc sulfide. At an extension of the long-wave Measuring range for the detection of diesel and gasoline would be the Use of zinc selenide. Can the measuring range on the other hand on the short-wave zone (see subitem "Two-zone analysis") restricted, so the use of Sapphire as a sample window.
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 For the purposes of a patent application, the range should be below 1.6 μm be protected with, as an investigation of this wavelength range possibly also meaningful results could deliver on the task. Momentary results below 1.6 microns are, however, at the present time not before.
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 with fixed accelerated characteristic wavelengths, has market maturity none yet achieved. The concept of observing fixed wavelengths would be useful if all oils after the same Criteria could be assessed. Since that is not the case would need for every oil and every one of its additives an individual sensor are constructed, the z. B. when using a other oil or modified composition of the 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 one for a variety of oils with different Additive universally applicable oil condition sensor, only the software has to be modified. Furthermore, it is possible to autonomously check after a successful oil change, whether the right oil is used for the gear etc. becomes.
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 subitem "Rotatable interference filter" concept shown stands between the two last presented: There are individual characteristic wavelengths used, but in one 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 the property, only on a light change to react. So you have differentiating behavior. Around Changing the light becomes the infrared radiation source driven with a pulsed electrical signal, where 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 output signal to create. For a more flexible measurement, it may now be advantageous be, the flank forms of the IR source, including theirs 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 many of the disturbances added to the measurement signal and compensate. These errors can be more additive or multiplicative nature. Additive disturbances are For example, extraneous light, multiplicative interference are, for example, changes that affect 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 is necessary, before the actual "oil measurement" to perform an "air measurement", that is, that First, a recording of the same series of measurements when empty Measuring cell is made. Because multiplicative disorders by a rather sluggish course, the result is the "air measurement" saved (see subitem EEPROM) and can be used for a longer period of time become.
Theoretisch
erfolgt eine Auswertung nach folgendem Algorithmus: 
- TÖI (λ)...
- Transmission des Öls
- MessÖl(λ)...
- Messsignal Ölmessung
- AddÖl(λ)...
- Additive Störeinflüsse bei Ölmessung
- Messluft(λ)...
- Messsignal Luftmessung
- AddLuft,(λ)...
- Additive Störeinflüsse bei Luftmessung
- TÖI (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 additive disturbances subtracted from the measured signal or multiplicative disturbances be shared by the measurement signal.
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 is measuring signal and reference signal when filled Measuring container resumed. By means of described Algorithm will now be the additive and multiplicative disturbances excluded in the evaluation unit.
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 whose Gain factors are digitally adjustable, preprocessed and finally converted into digital signals. The amplification factors are thereby using digital resistors of the evaluation set so that in the end the analog-to-digital converter at any time receive optimal input signals, d. H. highest possible Values to achieve the highest possible resolution but not too high, leading to an overflow 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 Transmission attenuation of the measurement signal is to be expected, would be without a readjustment of the gain factor the resolution of the displayed measured value continues to increase decline.
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 continues to be the earliest digitization possible and / or short signal paths. Through an early digitization the sensor output signals (detectors, temperature sensors) can Interference reduced and a faulty transmission be largely prevented. Advantageous is therefore an earliest possible Digitization, for example by using sensors that already provide an analog-to-digital conversion on the chip side and thereby having digital output signals. An increase in noise immunity is also characterized by a circuit design with the lowest possible Reached signal paths.
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 depends on the wavelength is 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.Possible is still a linear filter continuous measurement (transmission spectrum and first derivative). As already mentioned in the subsection "variable Layer thickness ", have used the pyroelectric Detectors the property, only changes in light intensity take. So you have differentiating behavior. To one To achieve change in the light intensity In addition to pulsing the lamp can also be a continuous process of the linear filter (lamp in continuous operation) cause this modulation. The first recorded signal corresponds to the first one Derivative of the transmission spectrum used in infrared spectroscopy is often used. At the same time can by simple Add up the transmission spectrum to be obtained.
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. Of the Disadvantage of this type of detector is their vibration and sound sensitivity. Therefore, for use in mobile devices the use of thermopiles may be the better alternative. These are less susceptible to vibrations but have a larger size 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 an expansion to other technical areas makes sense and possible can be. The invention described initially relates to a lubricating oil analysis. At the same time the oil becomes characteristic Components were examined and evaluated. This analysis leaves basically to all conceivable liquids expand. The only important thing is that the wavelengths the liquid components should be known. liquids could include all sorts of oils, water, acids etc. However, especially in the field of oil analysis seems such a system is still unknown. The system described is, however used so flexible that only the wavelengths known must be tested. In one Datastores are stored universally retrievable.
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 kinds Application areas, as mobile analysis device (motor vehicle etc.), where extreme conditions (strong temperature fluctuations, etc.) prevail, or in large plants (machines, wind turbines, Turbines etc.). The system can be both stand-alone, ie one independent device into which samples are introduced be, as well as a small sensor, for example, in a transmission (Inline, online). Thus, assemblies (power supply, sampling, Evaluation unit, etc.) possibly in extra housing parts accommodated.
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 are mentioned. As a generic term light conversion unit or conversion unit (of light in electrical voltage) can be selected.
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 limited. Rather, a variety of variants and Modifications conceivable that of the invention Use your thoughts and therefore also in the protection area fall.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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