用于监测液压流体中的化学污染的在线传感器

摘要

用于监测液压流体中化学污染的在线传感器(1)，具有用于将要监测的流体的接收单元(4)，该接收单元(4)在两个相对侧具有观察窗(3)，其特征在于，该在线传感器(1)具有红外发射器(2)和红外探测器(5)，该红外探测器(5)具有至少两个、最好四个用于红外光谱分析的探测器区域，红外发射器(2)和红外探测器(5)彼此相对地相对于两个观察窗(3)设置。由此提供了一种传感器，该传感器能在线获得磷酸酯基液压流体的、与维护相关的参数，即不需要从飞机液压液系统中抽取液压流体作样本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的、用于监测液压流体中的化学污染的在线传感器。

背景技术

航空用的液压流体通常是吸湿的。因而它们的寿命在很大程度上难以预知。因为飞机的整个液压系统会受到液压流体状态的影响，没有察觉到的液压流体的劣化具有可能从损坏液压系统达到全部损失的严重后果。迄今为止，在航空中所使用的用于确定飞机液压系统中液压流体状态的方法是费力、耗时且昂贵的。因此，对于液压流体的检测通常也不会很频繁，不会超过一年一次。如果液压流体的使用寿命不按计划地终结并且因此必须暂停飞机运行，则会带来提高费用的高风险。

现在对液压流体的检测通常是“离线”的，也就是采样后在实验室里进行。对此，必须在维护支持点从系统中抽取液压流体，送到专业实验室去进行此类分析。则只能在等待数天时间后，等从实验室返回分析结果以后进行维护工作。

其中感兴趣的液压流体的参数特别是酸含量，因为这个关键参数决定液压流体的使用寿命。尤其是过高的酸含量会腐蚀液压系统，即泵、阀和管道。酸含量以中和值TAN标示。此外，溶解在液压流体中的水也是一个重要的参数，通过水解(作用)会缩短液压流体的使用寿命。除此之外，游离水会使泵因缺乏润滑而破坏或冻结，从而使泵卡住。另外一个重要参数是溶解在液压流体中的气体，在系统压力降低时该气体会产生气泡，并由于气穴现象而导致液压流体的传输力的损失。还有一个决定性参数是氯含量，因为氯溶液会腐蚀液压系统的系统部件。除此之外，还会因此出现不希望有的电化学反应。最后还有电特性，即导电性和电阻参数，这些参数反映液压流体的多重变化。

这些参数的重要性源于航空用的液压流体中存在的磷酸酯是有极性的并且因此有吸收水分的倾向。溶解的水又能够导致磷酸酯分子分解，该分解沿着三条反应路径发生：氧化作用、高温分解和水解。添加剂按照以下等式形成弱酸：

酯+H₂O→醇+-COOH

磷酸酯按照以下等式形成强酸：

H₂O→醇+H₃PO₄

由醇最终能够产生气泡，该气泡会对液压流体的力传输性能产生不利影响。另一方面，磷酸分子和溶解的水发生反应产生引起腐蚀的H₃O⁺离子。

基于上述原因，在线监测和观察飞机液压流体的相关参数的变化具有重大意义。

现有技术中已知有用于观察液压流体状态变化的监测传感器。US 5,071,527描述了一种传感器，该传感器具有测量所要观察的液压流体样本的电学特性的电极。这种传感器与评估单元连接，评估单元使得导电性测量的结果与液压流体的某些状态对应。在此情况下，该传感器单元较小，从而可既可离线应用又可在线应用该传感器单元。然而，电阻测量只给出不精确且整体上不符合要求的结果，因此在此必须动用额外的实验室检测。

另外，US 4,013,953描述了一种用于监测液压流体状态的光学传感器，其测量尤其是在减弱和分散通过所要监测的液压流体样本的可见光线的基础上进行。在此所描述的传感器单元设计得成本很高，由于其中所包含的移动部件而使其自身极为需要维护。因所描述的传感器单元重量约1kg，所以在此主要用于离线监测。

发明内容

因此本发明的任务在于提供一种传感器，该传感器能在线确定磷酸酯基液压流体的与维护相关的参数，即不需要从液压流体系统中抽取液压流体作样本。对此尤其需要获取溶解在液压流体中的水分额和中和值TAN(总酸量)的信息。

该任务通过具有权利要求1特征来实现。从属权利要求详细说明了本发明的有利的其他实施例和实施方式。

根据本发明的用于监测液压流体中化学污染的在线传感器，具有用于所要监测的流体的接收单元，接收单元在两个相对侧具有观察窗，其特征在于，在线传感器包括红外(Infrarot)发射器和红外探测器，所述红外探测器具有至少两个、最好四个用于红外光谱分析的探测器区域，红外发射器和红外探测器面对于两个观察窗彼此相对地布置。

据此提供一种传感器，该传感器能够在线确定磷酸酯基液压流体的与维护相关的参数，即不需要从液压系统中抽取液压流体作样本。尤其是通过本发明的在线传感器可以获取关于溶解在液压流体中的水分和中和值TAN(总酸量)的信息。

在试验过程中发现，在红外线通过磷酸酯基的液压流体时对红外线的吸收，由于O-H分子在事先确定的红外透过波段内的振动，会给出关于液压流体状态的精确说明。因此，根据是否由于水、醇和酸而出现污染，特定波数的红外线吸收以定义好的方式变化。污染的百分比含量也以这种方式确定。此外，中和值TAN也可通过这种方式来确定。

由于根据本发明的在线传感器结构尺寸小、分量轻，可进行在线测量，即在飞机飞行期间在液压系统中进行并且以任意时间间隔(比如每天)重复。可以根据所获取的信息来确定液压流体的精确状态以及对应的变化趋势，并且可以战略性地安排维护工作，比如与其他规定的维护工作一起进行。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，在其中一个观察窗与红外探测器之间设置滤光器，该滤光器设置有至少两个、最好四个用于具有不同波数的红外透过波段的区域。由此使纯粹基于光学的、对定性和定量测量结果的评估成为可能。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，观察窗由蓝宝石玻璃制成。这使射线不分散地通过液压流体样本成为可能。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，设置用于在线评估红外探测器的电测量信号的装置。该装置可以具有计算单元和存储单元。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，针对至少两个事先确定的波数的红外透射率与液压流体中的水含量和/或醇含量之间的相关性被存储在用于在线评估的装置中。这些数据在实验中被事先确定并被存储在用于在线评估的装置的存储单元中。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，针对至少两个事先确定的波数的红外透射率与中和值TAN的相关性被存储在用于在线评估的装置中。这些数据在实验中被事先确定并被存储在用于在线评估的装置的存储单元中。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，滤光器至少具有一个针对红外透过波段的区域，该红外透过波段的波数在3300cm^-1到3600cm^-1之间，最好是3500cm^-1。该透过波段尤其适用于确定磷酸酯基液压流体的O-H的吸收峰的不对称性。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，设置用于测量在可见光范围内、最好是400nm的光通过的装置。这样可以改善强氧化区域内红外测量的效力。在这种情况下，可以考虑带有光发射器和探测器的结构，如光电二极管。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，设置用于测量流体的温度的装置。在此，例如可以将相应的温度传感器实施为热电偶。

根据本发明的在线传感器的一个有益实施方式规定，设置用于测量流体导电性的装置。这可以借助两个电极来实现。通过测量导电性同样也能确定液压流体的水含量和酸含量。这可以来检验红外测量结果。

附图说明

此外，改进本发明的措施在从属权利要求被给出或者接下来与结合附图对本发明较佳实施例所做的描述一起被进一步阐明。附图示出：

图1显示了根据本发明的在线传感器的一个有益实施例的示意图；

图2为图1的发生器的、沿线II-II的视图；

图3为图1探测器的、沿线III-III的视图；和

图4为显示了在不同波数时的红外透射率的图表。

所显示的附图纯粹是举例示意性的，而非按比例的。以相同的参考数字标示相同或相似的零件。为了清楚表示，图中省略了电的和液压的输入及输出管线。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的传感器1的一个有益实施例的示意图，该传感器基本上被设计成圆柱形，并且主要包括三个组件。置于中间的组件具有用于接收所要监测的液压流体样本的样本容器4。其中样本只包含几个cm³的液压流体。样本容器4涉及薄片状的铝制容器，该铝制容器被镶嵌在蓝宝石玻璃制成的观察窗3的两个正面上。环状电极7设置在观察窗3的两个指向外的侧面上。另外，在此情况下配置成热电偶的温度传感器8被设置在样本容器4的下部区域内。

在图面中，样本容器4的左边布置有红外发射器2，其在图2中以沿图1的线II-II的视图被示出。红外发射器2是微加工(mikrobearbeitet)的热红外发射器。在图面中，样本容器4的右边画出具有四个探测器区域的圆柱形红外探测器5，同样可以参照图3中的视图得到该探测器5。在本实施例中，红外探测器5构造成热红外探测器，如构造成辐射热测量计或热敏电阻。但也可考虑使用特殊的CCD元件。

样本容器4与红外探测器5之间布置具有四个区域的滤光器6，且这四个区域每个都具有不同的红外透过波段。滤光器6的这四个区域按顺时针方向布置，包括作为基准区域的区域9、针对波数3500cm^-1的区域10、针对波数3600cm^-1的区域11和针对波数3400cm^-1的区域12。

其中液压流体内的光路长度由红外线通过的两个观察窗3的间距决定。在本实施例中，该长度是0.3mm。

由于在线传感器的尺寸小、重量轻，可以将其直接集成在飞机的液压系统中，例如集成在管线中。为了在线测量，即为了能在飞行操作期间进行测量，红外发射器2的红外线穿过观察窗3和样本容器4中的液压流体样本，并在通过具有四个透过波段9，10，11，12的滤光器6后由红外探测器5接收。在此实施例中，所发射的红外线的波长在3000nm至4000nm之间。

测量信号(即红外线的吸收)在红外探测器中被转换，并且被作为电信号传送到用于在线评估的装置(未示出)。该装置主要包括计算单元和数据存储器。通过将实时的测量结果与存储的数据进行比较，就可以马上确定液压流体的状态是否在正常范围内运动，或者水比例是否过高，或者是否形成酸。

此外，图1至图3所示的在线传感器1还设有两个用于测量导电性的电极7，以便检验通过红外测量确定的数值。其中该电极做成铂电极并被印制在陶瓷基片上。为了避免极化效应，对电极加载频率1kHz的交变电压。用温度传感器8进行的温度测量也可对测量结果进行检验并确认红外传感器的功能有效性。

可在如图4的图表中图解举例说明红外光谱分析的评估。在图中，针对波数3500cm^-1的红外透过波段的、百分比形式的红外透射率标注在横坐标上并用Tr(3500cm^-1)标示。而针对波数3600cm^-1和3400cm^-1的红外透过波段的、百分比形式的红外透射率标注在纵坐标上并用Tr(3600cm^-1)-Tr(3400cm^-1)标示。图表考虑了三个不同透过波段中的不对称性，使得最终确定液压流体的状态是处于“健康的”区域13、“不健康的”酸性区域14或者处于“不健康的”具有吸水性的区域15成为可能。

然而，本发明在其实施中并非只限定于以上所描述的较佳实施例。相反地，还可考虑即使在完全不同类型的实施方式中也能适用所图示的解决方案的一些变形例。

附图标记列表

1 在线传感器

2 红外发射器

3 观察窗

4 样本容器

5 红外探测器

6 滤光器

7 电极

8  温度传感器

9  基准滤光器

10 3500cm^-1滤光器

11 3600cm^-1滤光器

12 3400cm^-1滤光器

13 健康的区域

14 酸性区域

15 具有吸水性的区域