SchmterstolTsensor

Beschreibung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Schmierstoffsensor, umfassend ein Geh use, eine im Gehäuse angeordnete IR-Llchtquelle, einen im Gehäuse angeordneten ersten IR-Detektor und eine in eine Öffnung des Gehausee eingesetzte Scheibe, wobei die Scheibe im IR-Spektralbereich durchlassig ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Wälzlager mit einem derartigen Schmierstoffsensor.

Hintergrund der Erfindung

Üblicherweise wird ein Wälzlager mit einem Schmierstoff, z.B Fett, geschmiert, um z.B. Reibungsverluste zu minimieren. Durch den Betrieb eines Wälzlagers verändern sich jedoch die Materialeigenscheften des eingesetzten Schmierstoffes, beispielsweise durch hohe Betriebstemperaturen oder durch den Abrieb kleiner Metallpartikei an den Kontaktflächen im Walzlager, so dass seine Schmierfähigkert mit zunehmender Betriebsdauer nachlassen kann. Um Schäden am Wälzlager durch eine mangelnde Schmierung vorzubeugen, sollte die Beschaffenheit des Schmierstoffes bedarfsweise Oberwacht werden. Insbesondere bei einem schwer zugängigen Wälzlager, wie es z.B. in einer Windkraftanlage Verwendung findet, ist ea oft wünschenswert, den Schmierstoff direkt im Betrieb überwachen zu können, da aus Effizienzgründen die Entnahme einer Probe zur Analyse nur schwer realisierbar ist. Hierzu kann in einem Wälzlager ein Sensor eingebracht sein, welcher dazu ausgelegt ist, die Streuung von infrarotem Licht verschiedener Wellenlängen durch den Schmierstoff zu messen. Hierbei wird unter infrarotem Licht generell der Spektralbereich von Wellenlängen zwischen 700 nm und 1mm verstanden. Nach der Signalverarbeitung der Messwerte kann man Informationen über Wassergehalt, Trübung und Verschleiß des Schmierstoffes gewinnen Ein solcher Sensor umfasst üblicherweise eine Anzahl von LEDs als Infrarot (IRHJchtquelle und eine Anzahl von Infrarot-Detektoren. Zum Schutz vor Schmierstoffeinwirkung sind die genannten Komponenten in ein Gehäuse eingebracht, welches an einer Seite von einer IR-durchla slgen Scheibe abgeschlossen Ist, die aus einem möglichst kratzfesten und hltzebestandigen Glas oder Kristall wie z.B. Saphirglas gefertigt ist. Geeignete Materialien für die Scheibe weisen hierbei einen vergleichsweise hohen Brechungsindex auf. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes der Scheibe und der Luft im Sensorinnenraum entstehen an der inneren Grenzfläche der Scheibe selbst bei senkrechtem Lichteinfall Reflexionen. Dies führt zum einen dazu, dass Im Sensorinnen räum erzeugtes Licht teilweise sofort zurückreflektiert wird, wodurch eine hohe Offset-Lichtleistung detektiert wird. Dies bedeutet, dass unabhängig der von außen durch die Scheibe in den Sensor zurückgestreuten Lichtleistung an einem Detektor dauerhaft teilreflektiertes Ucht einfällt was zu einem konstanten Offset des Nullpunkts für die von außen durch die Scheibe einfallende Leistung am Detektor führt. Zum anderen kann am Schmierstoff gestreutes Licht, welches durch die Scheibe in den Sensor eintritt, aufgrund der Reflexion nur teilweise detektiert werden, was die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Zustandeänderungen des Schmierstoffes verringert. Eine höhere Offset-Lichtleistung sowie verringerte Sensorempfindhchkeit durch Reflexionen können auch an der äußeren Grenzfläche der Scheibe auftreten, insbesondere, wenn der Schmierstoff nicht dauerhaft in direktem Kontakt mit der Scheibe steht.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Schmierstoffsensor anzugeben, welcher eine möglichst geringe Offset-Leistung detektiert und möglichst empfindlich für am Schmierstoff gestreutes Licht Ist. Des Weiteren soll eine vorteilhafte Anwendung für einen derartigen Schmierstoff&ensor angegeben werden.

Zusammenfassung dar Erfindung

Die Aufgabe wird für einen Sdimierstoffsensor, umfassend ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete IR-Ltchtquelle, einen im Gehäuse angeordneten ersten IR-Detektor. und eine In eine Öffnung des Gehäuses eingesetzte Scheibe, wobei die Scheibe im IR-Spektralberelch durchlässig ist, erflndungsgemäß dadurch gelöst, dass die Scheibe zum Innenraum des Gehäuses hin zumindest für den Spektralbereich der IR-Llchtqueile antireflexbeschichtet Ist.

Oer Erfindung liegt dabei in einem ersten Schritt die Überlegung zugrunde, dass die Scheibe durch ihre Materialeigenschaften dazu ausgelegt ist, den im Gehäuse angeordneten Komponenten einen möglichst wirksamen Schutz vor Belastungen, welche außerhalb des Sensors auftreten können, bieten soll, und das« daher die Beschaffenheit der Scheibe an der Außenseite nicht verändert werden sollte. Hierbei bezieht sich die Innenseite der Scheibe auf den Innenraum des Gehäuses.

In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass eine erhöhte Offset- üchtteistung und eine verringerte Empfindlichkeit durch die Reflexion an den Grenzflächen entstehen, und somit durch eine Antireflexbeschichtung an der Räche zum Innenraum des Gehäuses hin eine verbesserte Auflösung des Schmierfettsensors ermöglicht wird. Der Reflexionskoeffizient R ist für jede senkrechte Grer flachei iurchdringung durch R * (rvl /in+l) ² gegeben, wobei n den Brechungsindex der Scheibe bezeichnet. Bei für die Scheibe geeigneten Materialien, welche im IR-durchlässig sind, kann der Brechungeindex Werte von 1.77 (Saphirglas) oder über 2.6 (Chalkogenid-Gläser) betragen. Dies führt zu einer Reflexion von 8% bzw. sogar über 20%. Von der IR-Lichtquelle emittiertes Licht wird zum durch den Reflexionskoeffizienten gegebenen Prozentsatz an der inneren Grenzfläche der Scheibe zum ersten Infrarotdetektor reflektiert und dort als Offset-Lichtielstung detektiert, während am Schmierstoff gestreutes Licht zum gegebenen Prozentsatz an der selben Fliehe vom Sensor weg nach außen reflektiert wird und somit nicht detektiert wird. Eine Antireflexbe Schichtung an der Innenseite der Scheibe kann beide Effekte auf unter 1% reduzieren.

Etwaige optische Verluste durch Reflexionen an der Außenseite der Scheibe halten sich In tolerablen Grenzen, solange die Scheibe an der Außenseite in direktem Kontakt mit einem Schmierstoff steht, da dieser einen höheren Brechungsindex als Luft aufweist. Ein typischer Wert für den Brechungsindex eines Schmierstoffes ist ca. 1.47. In Anbetracht der Tatsache, dass die Materta (eige sc atten der Scheibe an der Außenseite nicht verändert werden sollten, kann es somit ausreichend sein, den Schmierstoffsensor so zu positionieren, dass die Scheibe im Betrieb möglichst in direktem Kontakt mit dem Schmierstoff Ist.

Vorteilhafterweise ist die Scheibe aus Saphirglas gefertigt. Saphirglas Ist durch seine hohe Härte besonders kratzfest, zudem weist es im infraroten Spektralbereich einen für vergleichbare Materialien niedrigen Brechungslndex von 1.77 auf. Steht die Scheibe an ihrer Außenseite In direktem Kontakt mit dem Schmierstoff, können zudem Reflexionen dort praktisch als vernachlässigbar angesehen werden. In diesem Fall wird im Wesentlichen kein IR-Lichl von der IR-Lichtquelte von der äußeren Grenzflache der Scheibe zum ersten IR-Detektor reflektiert, und am Schmierstoff gestreutes IR-Licht, welches senkrecht auf die Scheibe auftrifft, wird Im Wesentlichen vollständig in den Innenraum des Sensors durchgelassen.

Die IR-Lichtquelle ist hierbei bevorzugt als Licht-emittierende Diode (LED) ausgebildet Dies hat den Vorteil einer kompakten Bauweise und eines geringen Stromverbrauchs.

Gunstigerweise emittiert die IR-Lichtquelle Licht im nahen und oder mittleren Infrarotbereich. Der nahe Infrarotbereich bezeichnet hierbei den Spektralbereich mit Wellenlängen von 700 nm bis 3 pm, der mittlere Infrarotbereich umfasst Wellenlängen von 3 pm bis 50 pm. Im Grenzbereich von nahem und mittlerem Infrarotbereich befinden sich Spektralllnien von Molekülschwlngungen, insbesondere von Streckschwingungen, welche in Kohlenwasserstoffen auftreten. Durch Ermitteln derartiger Spektrallinien im Absorptionsspektrum des Schmierstoffes lassen eich wichtige Informationen über dessen chemische Eigenschaften in Erfahrung bringen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung Ist im Gehäuse ein zweiter IR-Detektor angeordnet. Der erste IR-Detektor ist dabei bevorzugt als ein Messdetektor für am Schmierstoff gestreutes IR-ücht vorgesehen, wahrend der zweite IR- Detektor bevorzugt als ein Referenzdetektor für von der IR-Lichtquelle emittiertes Licht vorgesehen ist. Somit laset sich der bezüglich emittierten IR- Llchtes zurückgeströmte Anteil ermitteln, was eine genauere Kalibrierung ermöglicht. Vorzugsweise ist hierbei durch bauliche Anordnung der zweite IR- Detektor Im Gehäuse vor dem am Schmierstoff gestreuten, einfallenden Licht zu schützen, und der erste IR-Detektor vor direkter Bestrahlung durch die IR- Lichtquelle zu schützen. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass der erste Detektor und der zweite Detektor bezüglich durch die Scheibe einfallender Strahlen Im Wesentlichen hintereinander angeordnet sind, so dass durch die Scheibe eintretendes IR-Licht nur auf den ersten IR-Detektor trifft. In diesem Fall kann mittels weiterer Im Gehäuse angeordneter, verspiegefler Elemente Licht von der IR-Lichtquelle zum zweiten IR-Detektor geleitet werden. Günstigerweise ist im Gehäuse eine weitere IR-Lichtquelle angeordnet, wobei die Scheibe Im Spektralbereich jeder lR-LichtqueJle durchlässig ist, und wobei die Scheibe zum Innenraum des Gehäuses hin für den Spektralbereich jeder IR-Lichtquelle antiretlexbeschlchtet ist. Bevorzugt emittieren hierbei die beiden IR-Lichtquellen im Betrieb des Schmierstoffsensors In unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Dies erlaubt eine breite spektrale Auflösung der Streuung von IR-ücht am Schmierstoff. Als vorteilhaft erweist es sich weiter, wenn die oder jede IR-Lichtquelle und der oder Jeder IR-Detektor auf eine* Platine angeordnet sind. Durch die Anordnung der genannten Komponenten auf einer Platine wird eine besondere kompakte Bauweise und ein vereinfachter Einbau ermöglicht.

Bevorzugt ist hierbei die Platine flexibel ausgebildet. Somit Ist eine gewünschte kompakte Bauweise besonders einfach zu erreichen. Insbesondere laset sich über eine flexible Platine durch Faltung, ggf. mittele werterer verspiegeiter und oder IR-transparenter Elemente ein gewünschter Strahlengang vor dem Einbau aller Komponenten in das Geh use einstellen, was die Konstruktion vereinfacht

In einer weiter vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist Im Gehäuse eine Elektronik eingebracht, welche mit dem oder jedem IR-Detektor verbunden Ist. Die Elektronik kann bevorzugt dazu ausgelegt sein, Signale des oder jeden IR- Detektors zu digitalisieren und zu verstärken. Durch eine Digitalisierung und/oder Verstärkung von IR-Detektorsignafen noch im Gehäuse wird die Signa Verarbeitung unempfindlicher gegen äußere Einflüsse wie Vibrationen oder Temperaturänderungen In der Umgebung des Sensor

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wälzlager mit einem vonbeschriebenen Schmieretoffsensor gelöst. Die für den Schmierstoffsensor und dessen Weiterbildungen angegebenen Vorteile können hierbei sinngemäß auf das Wälzlager übertragen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeiapiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen;

Fig. 1. schematisch einen Schmierstoffsensor mit antireflexbeschichteter Scheibe in Querschnittdarstellung, und Fig. 2. Schema tisch ein Wälzlager mit einem Schmierstoffsensor in der axialen Draufsicht.

Detailliert« Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist schematisch ein Sdimierstoffsensor 1 dargestellt. In einem Gehäuse 2 ist eine flexible Platine 4 eingebracht, auf welcher ein erster IR- Detektor 6. ein zweiter IR -Detektor 8 und zwei LEDs 10, 12 angeordnet sind. Der erste IR-Detektor 6 ist hierbei als ein Mesedetektor. der zweite IR-Detektor a)& ein Referenzdetektor ausgebildet. An der Platine 4 ist weiter eine Elektronik 14 angeordnet. Der Innenraum 16 des Gehäuses 2 ist in einer Richtung von einer Scheibe 20 aus Saphirglas begrenzt, welche mit einer Antireflexschlcht 22 versehen. Die flexible Platine 4 ist In diesem Ausführungsbeispiel derart gefaltet, dass Im Innenraum 18 parallel zur Scheibe 20 zwei Platinenflachen 24, 26 einlegen, welche durch einen Steg 28 miteinander verbunden sind. Auf der ersten Platinenflache 24 ist, zur Scheibe 20 hin gewandt der erste IR-Detektor 6 angebracht, während auf der bezüglich der Scheibe 20 dahinter liegenden zweiten Plaünenflache 26, ebenfalls zur Scheibe 20 hin gewandt, der zweite IR- Detektor 8 und die beiden LEDs 10, 12 angeordnet sind. Auf der anderen Seite der Ptatinenfläche 26 Ist die Elektronik 14 angebracht. Die LED 10 emittiert im Betrieb des Schmiefstoffsensocs 1 IR-Llcht 30, 32, wobei der Strahlengang 30 durch eine nicht näher dargestellte Öffnung in der Platinenfläche 24 zur Scheibe 20 gelangt. Aufgrund der Antireftexoeschichtung 22 der Saphirglas- Scheibe 20 verlässt das IR-Lteht 30 den Schmierstoffsensor 1 und trifft vor der Scheibe 20 auf einen Schmierstoff 34. Ein Teil 36 des IR-Llchtes 30 wird vom Schmierstoff 34 durch die Scheibe 20 zurück in den Schmierstoffsensor 1 gestreut und trifft dort auf den ersten IR-Detektor 6. Der Strahlengang 32 wird an einem SpiegeleJemenl 38 auf der Rückseite der Ptatinenflache 24 direkt zum zweiten IR-Detektor 8 gespiegelt. Für die LED 12, welche andere Wellenlängen als die LED 10 emittiert gelten ähnliche Strahlengänge wie 30. 32 für die LED 10. Der erste IR-Detektor 6 und der zweite IR-Detektor 8 sind mit der Elektronik 14 verbunden, welche jeweils die Detektionsslgnale digitalisiert und verstärkt. Aus den Signalen des ersten IR-Detektors 6 und des zweiten IR- Detektors 8 können In einer nicht näher dargestellten Auswerteeinheit Informationen über die Beschaffenheit des Schmierstoffes 34 gewonnen werden. In Fig. 2 ist In schematischer Draufsicht ein Wälzlager 40 mit einem Schmierstoffsensor 1 dargestellt. Das Wälzlager umfasst einen Innenring 42, einen Außenring 44 und einen Wälzkorperkäflg 46 mit darin angeordneten Wälzkörpern 48. In diesem Ausführungsbeispiel Ist der Au Henri rvg 44 des Wälzlagers 40 als drehend und der Innenring 42 als fest stehend eingesetzt. An einer Stirnfläche des Innenrings 42 ragt schräg, also in radial-axialer Richtung, der Schmierstoffsensor 1 in den Zwischenraum 50 zwischen Innenring 42 und Außenring 44. ohne dabei jedoch die Bewegung der 46 Wälzkörper zu beeinträchtigen. Während der Rotation des Außenrings 44 kann so der Schmierstofrsensor 1 einen Schmierstoff 34 untersuchen und Messdaten an eine nicht näher dargestellte Auswerteinheit senden.

Bezug »zeichen liste

1 Schmlerstoffsensor

2 Gehäuse

4 flexible Platine

6 erster IR-Detektor

8 zweiter IR-Oetektor

10 erste LED als IR-Llchtquelle

12 zweite LED als IR-Llchtquelte

14 Elektronik

16 Innenraum des Schmierstoffsensors

20 Scheibe

22 Antireflexbeschlchtung

24 erste Platinenflache

26 zweite Platlnenflache

28 Steg an der Platine

30 IR-Licnt (aus dem Schmierstoff sensor emittiert)

32 IR-Lkht (zum IR-Referer detektoc geleitet)

34 Schmierstoff

36 IR-Lteht (am Schmierstoff gestreut)

38 Spiegelelement

40 Walzlager

42 Innenring

44 Außenring

46 Welzkörperkafig

48 Wälzkörper

50 Zwischenraum zwischen Innen- und Außenring