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Innovative Sensorssysteme zur Öl-Zustandsüberwachung und Fluidcharakterisierung

Abbildung 1: fluidFOX, der kompakte Fluidanalysator von Micro Resonant für den industriellen Einsatz.Das Online Condition Monitoring System fluidFOX von Micro Resonant überwacht zuverlässig zahlreiche physikalische Eigenschaften von Maschinenölen. Als Informationsträger liefern diese Daten über den Zustand von Anlagen und Maschinen. Der fluidFOX leistet somit einen Beitrag zur Reduktion von ungeplanten Stillständen und Wartungskosten im Rahmen einer modernen und effektiven voraus-schauenden Instandhaltung.

Der clevere online Fluid Analysator

Der fluidFOX misst die wichtigen physikalischen Parameter Viskosität und Dichte, die elektrischen Eigenschaften, sowie die Ölfeuchte. Unter der Vielzahl der gemessenen Parameter kommt der Viskosität dabei eine besondere Bedeutung zu, da diese in direktem Zusammenhang mit der Tragfähigkeit des Schmierfilms steht. Durch Messung der objektiven physikalischer Größen besteht keine Notwendigkeit das Messsystem im Falle geänderter Ölrezepturen neu „anlernen“ zu müssen, wie dies beispielsweise bei etablierten spektroskopischen Verfahren erforderlich ist. Das Messsystem beinhaltet darüber hinaus eine exakte Temperierung (einstellbar im Bereich 0-100°C) und misst zuverlässig bei hohen Hydraulikdrücken, wodurch alle Größen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck ermittelbar sind.

Grundlagen der Technologie

Um mechanische Flüssigkeitseigenschaften zuverlässig zu bestimmen ist eine mechanische Messmethode erforderlich. Resonante Messverfahren, bei denen die Flüssigkeit durch Vibration permanent bewegt wird, haben dabei einen entscheidenden Vorteil: Auf drehbare Teile und die dazu nötigen Dichtungen kann verzichtet werden. Dies macht diese Methode wartungsfreundlich und erlaubt vor allem kompakte und robuste Sensorlösungen, die sogar in Hochdruck-Anwendungen eingesetzt werden können.

Diese resonanten Messverfahren, an denen Micro Resonant in Kooperation mit dem Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik an der Johannes Kepler Universität in Linz forscht und entwickelt, erreichen mittlerweile Genauigkeiten, die mit Laborgeräten vergleichbar sind. Die Messung basiert auf einem vibrierenden Sensorelement, welches in einer temperaturgeregelten Durchflussmesszelle von der Flüssigkeit umgeben ist. Aus den Veränderungen der Resonanzeigenschaften dieses Sensorelements wird mit einem spezifisch entwickelten Modell die Dichte und Viskosität der Flüssigkeit berechnet.

Abbildung 2 Die Resonanzfrequenz und Güte der Schwingung des kleinen Sensorelements verändern sich abhängig von Dichte und Viskosität des Messfluids. Mittels moderner Signalverarbeitung können Dichte und Viskosität des Fluids aus den Sensorsignalen berechnet werden, hier exemplarisch für einige technisch relevante Flüssigkeiten gezeigt.

Abbildung 2 Die Resonanzfrequenz und Güte der Schwingung des kleinen Sensorelements verändern sich abhängig von Dichte und Viskosität des Messfluids. Mittels moderner Signalverarbeitung können Dichte und Viskosität des Fluids aus den Sensorsignalen berechnet werden, hier exemplarisch für einige technisch relevante Flüssigkeiten gezeigt.

Anwendungsbereiche

Neben Dichte und Viskosität können folglich auch Abhängigkeiten von Druck und Temperatur bestimmt werden. Die Temperaturgänge der Viskosität bei Umgebungsdruck sind in Datenblättern erfasst und werden z.B. zur Bestimmung des VI-Index von Motoröl herangezogen.  Es wird jedoch oft übersehen, dass die Viskosität einer starken Druckabhängigkeit unterliegt. Messungen mit diesem System zeigen zum Beispiel, dass sich der Viskositätswert eines Hydrauliköls bei 300 bar verdoppelt. Weitere, in Hydraulikanlagen interessante, Größen sind z.B. die Öl-Kompressibilität, der Gasgehalt und der Wäremausdehnungskoeffizient, welche allesamt mit dem fluidFOX aus den Dichteverläufen bestimmt werden können. Die gleichzeitige Ermittlung dieser Vielzahl an Messgrößen ist bisher mit keinem anderen Einzelsystem möglich. Auch Mischungsverhältnisse lassen sich schnell und unkompliziert bestimmen. Anwendungen umfassen z.B. in der KFZ-Technik die Bestimmung des Biodieselanteils in Treibstoffen, die Harnstoffkonzentration in AdBlue Zusätzen, oder den Ruß- und Dieselanteil im Öl eines Verbrennungsmotors. Durch die geringe Schwingfrequenz und das ausgedehnte Fluidströmungsprofil um das Sensorelement herum, ergibt sich eine hohe Robustheit gegenüber störenden Ablagerungen auf dem Messelement. Ein wartungsfreier Langzeitbetrieb ist daher problemlos möglich und das System ist somit für die kontinuierliche Zustandsüberwachung prädestiniert.


Autoren:

Thomas Voglhuber-Brunnmaier¹⁺², Alexander O. Niedermayer², Bernhard Jakoby¹

¹ Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik, Johannes Kepler Universität, Linz

² Micro Resonant Technologies GmbH

Weitere Informationen: www.micro-resonant.at

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