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Dokumentenidentifikation DE69721751T2 25.03.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000890099
Titel VORRICHTUNG ZUR LUFTVERSCHMUTZUNGSÜBERWACHUNG
Anmelder Honeywell International Inc., Morristown, N.J., US
Erfinder FOX, Richard, Mesa, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69721751
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.03.1997
EP-Aktenzeichen 979162005
WO-Anmeldetag 26.03.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/US97/04770
WO-Veröffentlichungsnummer 0097036176
WO-Veröffentlichungsdatum 02.10.1997
EP-Offenlegungsdatum 13.01.1999
EP date of grant 07.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.03.2004
IPC-Hauptklasse G01N 31/00
IPC-Nebenklasse G01N 33/00   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren zur Feststellung von Verschmutzungen in der Luft und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Feststellung von Verschmutzungen in der Abzapfluft, die dem Umgebungsregelsystem des Flugzeugs von den Triebwerken des Flugzeugs zugeführt wird.

STAND DER TECHNIK

Schubtriebwerke und Hilfstriebwerke stellen zwei Ausführungen von in Flugzeugen verwendeten Gasturbinentriebwerken dar. Diese Triebwerke verfügen über Kompressoren, aus denen Hochdruckluft zur Verwendung im Umgebungsregelsystem des Flugzeugs abgezapft wird. Innerhalb dieser Triebwerke werden Dichtungssysteme verwendet, um zu verhindern, daß Treibstoff- oder Schmiermittelspurenelemente in Form von Leckagen in die Abzapfluft gelangen. Derartige Dichtungssysteme sind jedoch nicht immer vollkommen wirksam, und als Folge davon können Treibstoff- oder Schmiermittelleckagen in die Abzapfluft gelangen, die sich entzünden und in der in die Kabine einströmenden Luft Rauch entwickeln können.

Bisher angewendete Verfahren zur Messung von Verschmutzungen in der Triebwerksabzapfluft haben sich entweder als nicht überzeugend erwiesen oder zu falschen Ablesewerten geführt. Ein derartiges Verfahren beinhaltet einen Polyvinylchloridfilter zum Sammeln einer Probe der Abzapfluft mit anschließender Überprüfung auf das Vorhandensein von Öl mittels eines Schwarzlichts, das die Öltröpfchen fluoreszieren läßt. Ein anderes Verfahren beinhaltet die Verwendung einer auf etwa –100°F tiefgekühlten großen Spule aus nichtrostendem Stahl, um die in der Abzapfluft enthaltene Substanz zu kondensieren. Die kondensierte Substanz wird dann aus der Spule herausgespült, mit einem Lösemittel (Freon) verdampft und gewogen. Bei einem dritten Verfahren wird die Abzapfluft durch Absorptionsrohre geleitet, in denen der Rückstand an Silikagel, Holzkohle oder Molekularsieben gesammelt und anschließend mittels Gaschromatographie/Massenspektroskopie ausgewertet wird. Der Rückstand kann auch dadurch analysiert werden, daß er mit einer organischen Substanz verbrannt und das gebildete Kohlendioxid mit einem Flammenionisationsdetektor gemessen wird.

Es wird also ein einfaches, tragbares, hochempfindliches Echtzeitverfahren benötigt, um den Bedürfnissen der Luftfahrtindustrie zu entsprechen. Das Gerät muß einfach sein, so daß Bedienungskräfte problemlos ausgebildet werden können. Die Tragbarkeit ist wichtig, weil das Gerät an einer Vielzahl von Orten, wie beispielsweise in Testzellen, an Bord des Flugzeugs sowie in den Flugzeugabteilungen von Reparatur- und Überholungseinrichtungen, verwendet werden kann. Hohe Empfindlichkeit und Echtzeitdaten sind notwendig, damit zwischen Veränderungen der Kohlendioxidkonzentration, die auf Öl- und Schmiermittelleckagen im Bereich von mehreren ppm hinweisen, unterschieden werden kann, wenn sich die Qualität der Abzapfluft mit sich ändernden Betriebsbedingungen des Triebwerks verändert.

In der Patentschrift US-A-5 279 970 wird eine Vorrichtung zur Messung der Teilchenkonzentration im Dieselabgas oder in anderen Gasproben beschrieben. Die Teilchen werden gefiltert und in einer sauerstoffreichen Umgebung erhitzt, um den Kohlenstoff innerhalb der Teilchen zu Kohlendioxid zu oxidieren, dessen Menge gemessen wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Feststellung synthetischer Schmiermittel und anderer Kohlenwasserstoffe in der Triebwerksabzapfluft bereitzustellen, die einfach, tragbar und hochempfindlich ist sowie eine Echtzeitfeststellung ermöglicht.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Echtzeitfeststellung synthetischer Schmiermittel und anderer Kohlenwasserstoffe in der Triebwerksluft bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Aufgabe durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung, wie im Anspruch 1 definiert. Ein im Probenerhitzer montiertes Heizelement bewirkt, daß beliebiges Öl und andere Kohlenwasserstoffe in CO2 und H2O zersetzt werden. Die aus dem Probenerhitzer austretende Luft wird mittels einer Vakuumpumpe durch die Überwachungsvorrichtung zu einem Kohlendioxidanalysator gezogen. Die Reaktion des Analysators wird mittels eines mit Registrierstreifen oder papierlos arbeitenden Schreibers aufgezeichnet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung gemäß der vorliegenden Erfindung;

1B ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung der 1A;

2 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung der 1A und 1B;

3A ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung gemäß der vorliegenden Erfindung;

3B ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung der 3A.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie aus den 1A und 1B ersichtlich, ist eine Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 beinhaltet einen allgemein mit der Bezugszahl 12 bezeichneten Probenerhitzer, der die Probenluft zunächst aufnimmt und erhitzt.

Im Kern des Erhitzers 12 befindet sich ein zur Aufnahme der Probenluft vorgesehenes Metallrohr 14 mit einem Innendurchmesser von 1/16 Zoll (0,159 cm). Das Rohr 14 besteht, um eine rasche Wärmeleitung sicherzustellen, aus Metall, vorzugsweise aus einer auf Nickel basierenden Legierung-, wie beispielsweise Inconel 600, um Betriebstemperaturen von 900 bis 1600°F (482 bis 871°C) widerstehen zu können. Außerhalb des Metallrohrs 14 und konzentrisch damit befindet sich ein Keramikrohr 16 mit einem Durchmesser von 1/2 Zoll (1,27 cm), das eine Bohrung 17 zur Aufnahme des Rohrs 14 aufweist. Die Bohrung 17 hat einen Innendurchmesser, der groß genug ist, um für einen radialen Zwischenraum um das Rohr 14 herum zu sorgen. Am Keramikrohr 16 ist ein Elektrowiderstandsheizelement 18 montiert. Das Heizelement 18 besteht aus einer Länge einer um das Keramikrohr 16 gewickelten Nichromdrahtspule mit genügend Windungen, um die gewünschte Wattdichte sicherzustellen. Ein herkömmlicher Temperaturregler 36 wird verwendet, um die maximale Temperatur der Probenluft zu regeln und zu begrenzen; alternativ kann ein Thermoschalter im Bereich der gewünschten Temperatur eingesetzt werden. Der Erhitzer ist von einer Abdeckung aus Glasfaserisolierung 19 umhüllt, um den Wärmewirkungsgrad zu verbessern und auch eine Verwendung des Erhitzers 12 als Handgerät zuzulassen. Die Isolierung 19 kann alternativ aus jedem geeigneten Wärmeisoliermaterial bestehen, das einem direkten Kontakt mit dem Heizelement 18 widerstehen kann. Die Länge des Erhitzers 12 beträgt vorzugsweise etwa 12 Zoll, muß allgemein aber lang genug sein, damit die gewünschte Verbrennung der Verschmutzungen in der Probenluft erfolgen kann, während die Probenluft durch das Rohr 14 strömt. Der Erhitzer kann einen Katalysator, wie beispielsweise einen Platindraht 15, innerhalb des Metallrohrs 14 beinhalten, um den erwähnten Verbrennungsvorgang weiter zu erleichtern.

Der Probenerhitzer 12 kann, um Proben von druckbeaufschlagter Triebwerksabzapfluft nehmen zu können, mit der Kompressorabzapföffnung eines Triebwerks direkt oder über einen entsprechenden Rohradapter 13 indirekt verbunden sein. Der Rohradapter 13 sollte, wenn der Erhitzer 12 indirekt mit einer Triebwerksabzapfluftöffnung verbunden ist, so kurz wie möglich ausgeführt sein, um eine Ölkondensation innerhalb des Adapters 13 zu verhindern. Alternativ kann der Probenerhitzer 12 gelöst und als Handgerät für Luftprobenahmen innerhalb einer Flugzeugkabine verwendet werden.

Der Probenerhitzer 12 ist über eine flexible Leitung 20 mit einer Einlaßöffnung 21 an einem Gehäuse 38 verbunden, in dem die übrigen Bauteile der Überwachungsvorrichtung untergebracht sind. Das Gehäuse 38 kann, wie dargestellt, tragbar ausgeführt oder dauerhaft innerhalb eines Flugzeugs montiert sein.

Wie aus 2 ersichtlich, sind im Inneren des Gehäuses 38 die Vorrichtungsbauteile mit der Einlaßöffnung 21 und auch durch die aus nichtrostendem Stahl bestehende Transferleitung 28 untereinander verbunden. Alternativ kann die Leitung 28 aus einem Fluorelastopolymeren oder einem anderen inerten Kunststoffmaterial mit entsprechender Flexibilität und Haltbarkeit bestehen. Der Innendurchmesser der Leitungen 20 und 28 sollte nicht mehr als 1/16 Zoll (0,159 cm) betragen, um das interne Volumen für einen raschen Probendurchgang zu reduzieren. Die Probendurchgangszeit sollte von der Probenluftquelle bis zum Kohlendioxidanalysator 26 weniger als 1 Sekunde betragen.

Eine innerhalb des Gehäuses 38 untergebrachte Vakuumpumpe 24 dient dazu, Probenluft kontinuierlich aus einer Quelle abzuziehen, diese Luft durch die Vorrichtung 10 zu pumpen und schließlich durch eine Auslaßöffnung 42 auszutragen. Die Pumpe 24 muß über eine Kapazität verfügen, die für eine ausreichende Strömung zum Kohlendioxidanalysator 26 sorgt, so daß er in Echtzeit arbeiten kann, d.h. der Analysator 26 braucht nicht zu warten, bis sich eine entsprechende Probengröße angesammelt hat. Die Pumpe 24 muß auch eine ausreichende Vakuumleistung besitzen, damit sie in einer Situation mit reduziertem Druck arbeiten kann, beispielsweise bei Probenahmen in einer Höhe von 40.000 Fuß (12.200 m). Die Pumpe muß außerdem einen niedrigen Stromverbrauch haben und zwecks Tragbarkeit ein geringes Gewicht aufweisen.

Ein digitaler Mengenregler 30, der sich in Fließrichtung hinter der Pumpe 24 befindet, dient dazu, die Luftströmung zum Kohlendioxidanalysator 26 zu regeln. Der Mengenregler 30 muß in der Lage sein, für eine präzise Druck- und Strömungsmengenregelung bei einer konstanten Probenluftströmungsmenge von 350 ml pro Minute zu sorgen. Wahlweise kann ein optischer Mengenregler 32 vorgesehen werden, um die in den Analysator 26 einströmende Luftströmung zu überprüfen.

Ein Kohlendioxidanalysator 26 ist in Fließrichtung unmittelbar hinter dem Mengenregler 30 montiert. Der Kohlendioxidanalysator 26 ist ein herkömmlicher Analysator, der nach dem Prinzip der nicht-dispersiven Infrarotabsorption von Kohlendioxid arbeitet. Der Analysator 26 ist empfindlich genug, um Konzentrationen des Kohlendioxidgehalts in der Größenordnung der in Atemluft gefundenen Konzentration genau zu messen und dennoch so schnell zu reagieren, daß ständig aktualisierte Ausgabedaten oder Echtzeitausgabedaten zur Verfügung gestellt werden. Der Analysator 26 ist zwischen 0 ppm und 1000 ppm Kohlendioxid kalibrierbar. Ein Niedrigvolumenfilter 22 ist in Fließrichtung vor dem Analysator 26 vorgesehen, um Teilchenmaterial aus der Probenluft zu entfernen, so daß eine Verschmutzung des optischen Sensorabschnitts des Analysators 26 ausgeschlossen wird.

Das Ausgabesignal vom Analysator 26 ist mit einem Display 40 zur Anzeige des CO2-Gehalts in ppm verbunden. Das Display 40 kann eine beliebige geeignete analoge oder digitale Vorrichtung sein, die den CO2-Gehalt in Echtzeit anzeigen kann. Die Analysatorausgabe ist weiterhin mit einem Schreiber 34 verbunden, der dazu dient, den CO2-Gehalt in Abhängigkeit von der Zeit auf einem sich bewegenden Registrierstreifen aufzuzeichnen. Es können andere geeignete Mittel zur Aufzeichnung des Ausgabesignals verwendet werden, wie beispielsweise ein Magnetband oder eine Digitalaufzeichnung. Eine Speicherbatterie und ein Stromwechselrichter können auch im Gehäuse 38 montiert sein, so daß die Notwendigkeit einer externen Stromquelle entfällt.

Das Prinzip, auf dem die vorliegende Erfindung beruht, besteht darin, daß Öl und andere Kohlenwasserstoffe CO2 und H2O als die Endprodukte der Verbrennung bilden. Diese Zersetzung der Verschmutzungen wird vom Erhitzer 14 induziert. Die Menge des nach dem Erhitzen in der Luft enthaltenen CO2-Verbrennungsprodukts ist proportional dem Verschmutzungsgehalt in der Probenluft. Somit wird deutlich, daß durch Messung des CO2-Gehalts in der erhitzten Luft die Menge des in der Probenluft vorhandenen Öls und anderer Kohlenwasserstoffe bestimmt werden kann. Im Betrieb erfolgt die gewünschte Verbrennung, während die Pumpe 24 bewirkt, daß die Probenluft den Erhitzer 14 durchströmt. Da die Strömungsmenge der Probenluft durch die präzisen Strömungserfordernisse des CO2-Analysators weitgehend vordefiniert ist, wird eine ordnungsgemäße Verbrennung der Verschmutzungen in erster Linie durch den Betrieb des Temperaturreglers 36 erzielt.

Eine alternative Ausführungsform zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist aus der in 3 dargestellten Konfiguration einer Dualüberwachungsvorrichtung 110 ersichtlich. Die Dualvorrichtung 110 ist in der Lage, die Luft von zwei Luftquellen unabhängig zu analysieren und zusätzlich die dazwischen bestehende Differenz zu berechnen und anzuzeigen. Dies wird dadurch erreicht, daß in einem einzelnen Gehäuse 138 zwei separate Überwachungsvorrichtungen gemeinsam untergebracht sind, wobei es sich bei jeder Vorrichtung um eine komplette Überwachungsvorrichtung 10, wie hierin vorstehend beschrieben, handelt, die eine Luftprobe unabhängig analysieren kann.

Um die Differenz im Verschmutzungsgrad zwischen den beiden Luftquellen zu berechnen, beinhaltet die Dualvorrichtung weiterhin einen (nicht dargestellten) herkömmlichen Subtraktionsschaltkreis. Der Subtraktionsschaltkreis ist mit den beiden Vorrichtungen 10 verbunden, die die Dualvorrichtung 110 umfassen, wobei die Ausgaben von den beiden separaten CO2-Analysatoren, zusätzlich zu ihrer Verbindung mit den jeweiligen Digitaldisplays 140 und 141 und mit separaten Spuren im Schreiber 34, mit dem Subtraktionsschaltkreis verbunden sind. Der Subtraktionsschaltkreis berechnet die Differenz zwischen den beiden Luftsignalen und übermittelt das Resultat an ein drittes Display 143 sowie an eine dritte Aufzeichnungsspur im Schreiber 34.

Die Dualvorrichtungskonfiguration wird typischerweise verwendet, um Probenahmen durchzuführen und die Triebwerkseinlaßluft mit der Triebwerkskompressorabzapfluft zu vergleichen. Ein Vorteil der so angeschlossenen Dualvorrichtung besteht darin, daß die Menge der Verschmutzung, die der Außenumgebungsluft durch das Flugzeugtriebwerk hinzugefügt wird, bestimmt werden kann. Die Triebwerksabzapfluft enthält nicht nur die auf den Triebwerkskompressionsvorgang zurückzuführende Verschmutzung, sondern auch die bereits in der Umgebungsluft vorhandenen Verschmutzungen, die über den Triebwerkseinlaß aufgenommen werden. Die Menge der durch das Flugzeugtriebwerk hinzugefügten Verschmutzung stellt dann die Differenz zwischen den Verschmutzungsgraden der Triebwerksabzapfluft und der Einlaßluft dar.

Somit stellt das Dualsystem Informationen zur Verfügung, die nützlich sind, um die Quelle von Verschmutzungen in der Flugzeugkabinenluft identifizieren und auch Korrekturmaßnahmen einleiten zu können.

Eine Dualvorrichtung kann, abhängig von den Erfordernissen der jeweiligen Installation, entweder mit einem oder mit zwei Probenerhitzern 12 betrieben werden. 3B zeigt eine typische tragbare Konfiguration, bei der ein einzelner Probenerhitzer 12 beide Metallrohre 14 enthält. In anderen Anwendungen, wenn beispielsweise die Distanz zwischen den beiden Probenluftquellen groß ist, können separate Probenerhitzer verwendet werden.

Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es einleuchtend, daß verschiedene zusätzliche Modifizierungen und Änderungen an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können. Daher hat diese Beschreibung der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaften Charakter und stellt hinsichtlich des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen ausgeführt, keine Einschränkung dar.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung (10), die folgendes umfaßt:

    ein Probenrohr (14) zur Aufnahme einer Luftprobe;

    ein Heizelement (18) zur ausreichenden Erhitzung der im Probenrohr befindlichen Luft, so daß eine darin enthaltene beliebige Verschmutzung in Kohlendioxid und Wasser zersetzt wird;

    Mittel (26) zum Nachweis des Kohlendioxids;

    eine Pumpe (24) zum Abziehen der Luft aus dem Probenrohr in das Nachweismittel zuzuführen; und

    eine Transferleitung (22, 28) zur Verbindung der Pumpe mit dem Probenrohr und dem Nachweismittel,

    wobei die Transferleitung einen Innendurchmesser von nicht mehr als 1/16 Zoll (0,159 cm) aufweist.
  2. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 1, bei der das Probenrohr aus Metall besteht, wobei das Probenrohr einen Innendurchmesser von nicht mehr als 1/16 Zoll (0,159 cm) aufweist.
  3. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 2, die weiterhin einen im Probenrohr eingesetzten Katalysator umfaßt.
  4. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 3, bei der der Katalysator ein Platindraht (25) ist.
  5. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 2, die weiterhin ein Keramikrohr (16) mit einer Bohrung (17) zur Aufnahme des Probenrohrs umfaßt, wobei das Heizelement an dem Keramikrohr montiert und das Keramikrohr von einer Wärmeisolierungsaußenumhüllung umgeben ist.
  6. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 5, bei der das Heizelement eine Elektrowiderstandsheizspule ist.
  7. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 1, die weiterhin ein Mittel (36) zur Steuerung der Lufttemperatur im Probenrohr umfaßt.
  8. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 1, die weiterhin ein Mittel (30) zur Steuerung der Probenluftströmungsmenge zum Nachweismittel umfaßt.
  9. Vorrichtung zur Luftverschmutzungsüberwachung nach Anspruch 1, bei der die Pumpe und das Nachweismittel in einem einzelnen tragbaren Gehäuse (38) montiert sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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