CN104487818B - 用于流动流体系统的远程多传感器光学颗粒监测器 - Google Patents

Abstract

一种用于拍摄流动流体中残余物和其他颗粒的光学流体监测系统。该系统可以具有多个连接到单个、位于远程的激光器和计算机的传感器(照相机和观察口)。该系统还可以包括位于流体中不同位置的多个激光器、观察口和照相机，每个传感器被配置为拍摄不同的粒度范围。系统可以同时拍摄在不同设备段中流动的流体。

Description

用于流动流体系统的远程多传感器光学颗粒监测器

技术领域

本申请涉及用于对悬浮在流动流体中的物质进行光学监测的系统，尤其涉及用于监测油液或其他流体中是否存在残余物以及残余物的尺寸的颗粒监测系统。

背景技术

Reintjes等人的美国专利US5572320和US6049381公开了用光学近场拍摄装置识别流动流体中的颗粒的原位流体取样器。这些系统中，单个激光照明器与单个观察口和单个电子照相机设置在一起，通过单个计算机处理器对照相机的输出进行分析，以获取流体的颗粒内容。Reintjes等人的美国专利US6049381公开了一种使用脉冲准直光源产生流动流体中的颗粒的一系列图像的实时悬浮颗粒监视器。Fjerdingstad等人的美国专利US7921739公开了一种具有自动在线瓶取样操作的实时光学监视系统。

Reintjes等人的美国专利US8056400公开了一种在高压或高流速流体流动系统中用于取样夹带颗粒的流体的系统。

这些取样系统可以识别流体中颗粒的数量、形状和尺寸。例如，关于存在于润滑液体中的金属或其他颗粒的信息可以提供关于被润滑的机械装置或其他系统中磨损的有价值信息。

发明内容

一种用于拍摄至少一个传输流动流体的管道中颗粒的光学流体监测系统，包括沿着所述至少一个管道放置的多个光学传感器，每个传感器布置为以与流动方向交叉的方向将激光光学能量发送到流体流动管道上的透明观察窗，每个传感器具有用于接收穿过流动流体的光学能量和用于拍摄流动流体中的颗粒的光学拍摄系统。

在一个示例中，每个光学传感器包括一个激光器。每个光学传感器中的激光器具有不同的波长。在一些示例中，每个光学传感器包括至少一个配置为将激光器的光能量传输到透明观察窗的光纤。在一些示例中，所述系统包括可操作地耦合到所有光学传感器的单激光器。在一些示例中，多个光纤将激光器的光能量输出传输到透明观察窗。

在一些示例中，每个拍摄系统包括照相机和设置在所述照相机和管道上的观察窗之间的透镜。在一些示例中，多个传感器以串联方式沿着单管道排列，其中，多个传感器中的一个上游传感器被配置为拍摄较大尺寸颗粒的范围，多个传感器中的一个下游传感器配置为拍摄较小尺寸颗粒的范围，并且每个传感器处的管道厚度使得在被拍摄的尺寸范围内的颗粒处在拍摄系统的光学近场内，并且上游传感器管道的管道厚度比下游传感器管道的厚度大。在一些示例中，至少一个过滤器尺寸被设置为使得大于预定尺寸的颗粒不能到达下游传感器。

在一些示例中，多个传感器排列在并行的管道上，其中多个传感器的第一个被配置为拍摄较大尺寸颗粒的范围并且多个传感器的第二个被配置为拍摄较小尺寸颗粒的范围，并且每个传感器处的管道厚度使得在被拍摄的尺寸范围内的颗粒处在拍摄系统的光学近场内，并且第一传感器管道的管道厚度比第二传感器管道的厚度大。并行管道在相同分支点和相同返回点连接到主流通道。

在一些示例中，系统还可以包括可操作地连接以从所有的拍摄系统中接收图像的单个计算机处理器，该计算机处理器具有根据从拍摄系统接收的图像对颗粒形状和尺寸进行分类的程序指令。计算机处理器可以远离光学传感器。

在一些示例中，每个光学传感器包括可操作地连接到光学传感器中的拍摄系统的计算机处理器，每个计算机处理器具有根据从拍摄系统接收的图像对颗粒形状和尺寸进行分类的程序指令。

在一些示例中，单个激光器可操作地耦合到全部光学传感器，并且单个计算机处理器可操作地连接以从所有拍摄系统接收图像，计算机处理器具有根据从拍摄系统接收的图像对颗粒形状和尺寸进行分类的程序指令。

在一些示例中，光学流体监测系统适用于在至少两个传输流动流体的不同管道中拍摄颗粒，该系统包括沿着每个不同管道放置以拍摄该管道中流体内的颗粒的至少一个光学传感器。该系统可以具有沿着每个不同管道放置以拍摄该管道中流体内的颗粒的至少两个光学传感器。每个管道可以是不同设备段的部分。

附图说明

图1例示在多个不同位置监测流体的光学颗粒监测系统。

图2例示适用于在用于流体的光学颗粒监测系统中使用的光学传感器头。

图3示出用于流体的光学颗粒监测系统，其中激光器和计算机处理器远离观察窗和管道。

图4示出用于流体的光学颗粒监测系统，其中激光器和计算机处理器靠近观察窗和管道。

图5例示了具有多个传感器头的光学颗粒监测系统。

图6A、图6B例示了选择观察单元厚度以监测不同粒度范围的选项。

图7例示用于流体的光学颗粒监测系统，其中各个传感器头/观察单元分别连接到主流体中。

图8例示了用于流体的光学监测系统，其中单个传感器头/观察单元并行连接到主流体。

图9例示了用于流体的光学监测系统，其中单个激光器将光学脉冲提供给位于若干设备段上的多个传感器头。

具体实施方式

图1例示了与本发明具体实施例对应的用于流体的光学颗粒监测系统。系统包括多个光学传感器或“传感器头”10、11、12，每个传感器被配置为拍摄管道14、15、16内的流动流体中的颗粒。每个流体可以但不限于是油液或其他润滑剂。传感器可以位于沿着单流动流体的不同点上，例如，位于沿着传输用于单个航空引擎的冷冻剂的管道上的不同位置。可选地，传感器可以被放置以监测不同零件或装置中的不同流动流体。传感器头10、11、12可以位于远离操作者工作站和计算机的位置。该示例中，每个传感器头包括光源21(例如激光器)。光穿过管道上的观察窗并被拍摄系统24接收。

图2例示了适合于在用于流体的光学流动颗粒监测系统中使用的传感器头。首先参见传感器头10，管道14具有允许光穿过管道的光学透明部分22(“观察单元”或“窗”)。在管道的另一侧上，光源21的光能量穿过窗22到达流动流体28中。观察单元22是一个在通道两侧具有两个窗的通道，其允许光通过这两个窗、穿过流体、并穿出管道到达拍摄系统24。

拍摄系统24放置在观察单元22的另一侧来接收并拍摄穿过流动流体的光能量部分。由于流动流体内的颗粒通过观察单元，光源21照亮颗粒，使得拍摄系统24检测到产生的阴影。该示例中，光源21是靠近观察单元的激光器，激光通过光纤23传输到观察窗。

在示例中，拍摄系统24可以包括一个拍摄透镜25和一个电子照相机26，二者放置为使得该透镜将图像聚焦到照相机的检测器上。透镜25还可以放大阴影以允许实现期望的空间分辨率。照相机26将图像发送给用于图像分析的计算机处理器20，该图像分析用于识别颗粒的数量、尺寸和其他相关颗粒信息。电子图像信息通过线缆27发送给计算机，其既可以是导体或光纤也可以是无线信号传输。

在一个具体实施例中，设置管道大小以使得单元中任意位置的颗粒将于拍摄系统的近场内(范围适用于菲涅耳衍射(Fresnel diffraction))，并受限于粒度范围、光源的波长和流体的折射率。

在具有多于一个观察单元的系统中，拍摄透镜的放大倍数应该选择适合于每个尺寸范围，并且对于每个观察单元也可以不同。

相干光源是优选的，因为虽然可以使用非相干光源，但是对于相同的粒度范围，相干光源允许的观察窗厚度大于非相干光源允许的厚度。

可以选择相干光源波长以检测到足够的光线量，并且充足的光线必须能够被流体中的颗粒物质吸收或偏转，使得在拍摄的具有颗粒的流体部分与拍摄的没有颗粒的流体部分有可分辨的不同。选择可以位于流体合理透明区域中的光源波长。对于机械装置(例如航空器或柴油机引擎、传动装置或变速箱)中经常使用的油液和润滑剂，大于800nm的波长允许足够的光线量穿过油液。较佳波长范围在800到1000nm之间，但也可以选择其他使得流体透明的波长。波长为830nm的单模二极管激光可以用于对航空器引擎中使用的油液进行照明。

对于其他在其他波长范围内透明的流体，可以选择用于照明激光器的不同波长，来适应流体的透明度的要求和合适的图像检测器的可用性。

在操作中，对传感器头中光源施以脉冲使得可以创建腔室中流动流体的“停止运动”的图像。对于每个传感器头，利用每个脉冲，可以在光学检测器上创建流体腔室中流体的新图像。根据流体的流动速度和流体的光学传输选择脉冲持续时间和脉冲重复速率。脉冲的持续时间要足够短以在脉冲期间使得颗粒不移动超过期望的空间分辨率。使用具有二维图像的短脉冲持续时间，允许在不用了解或控制流体速率的情况下获得对粒度的可靠的测量。

光源可以是一个脉冲激光器，或与激光调制器组合的连续波激光器以产生相干光的光脉冲。如果具有足够快速快门成像的照相机可用，也可以使用没有调制器的连续波激光器并对拍摄系统中的图像进行快门成像。

在图2所示的示例中，激光器21位于靠近于观察单元22的位置。在图3的另一个示例中，激光器21位于远离观察窗的位置并且光纤23将光线传输到观察单元22。计算机处理器20也位于远离观察窗和管道的位置。传感器头30包括光纤23的末端、观察单元22以及包括透镜25和照相机26的拍摄系统。图4中，激光器21和计算机处理器20都位于靠近观察窗和管道的位置，作为传感器头40的一部分。

在每个示例中，小光束扩展器29可放置在靠近观察窗的光纤的一端以在光线进入到观察窗之前将光束放大到适合要求的分辨率和照相机尺寸的尺寸。

图5例示了包括多个用于评估穿过管道的流体、和用于在比使用近场光拍摄技术的单传感器拍摄的范围大的尺寸的范围内拍摄颗粒的传感器头的系统50。可以选择单元厚度的组合以适合每个粒度范围，其中各个单元对应的粒度范围可以具有重叠，或这些范围可以是不连续的、在尺寸范围内不重叠。优选的是顺序排列单元，使得流动流体先遇到最大观察单元厚度，然后遇到逐渐变小的单元。筛网(Screen mesh)或其他过滤器可以分布在单元之间以防止较大颗粒堵塞较小单元。同时监测流体中各种尺寸的颗粒的能力在机械系统的状态监测中是非常有用的，其中初期的磨损与较小颗粒的相关联，并且进一步的磨损由是否存在较大颗粒指示。

在该示例中，具有多光纤复用的单激光照明器21向传感器头52、53和54提供照明。光纤61连接在激光器和传感器头之间并将光线提供给每个传感器头中的观察单元。可选地，每个传感器头可以包括激光器。虽然可以在每个传感器头中设置个人计算处理器，但是每个传感器头中的照相机将图像发送给用于处理图像和分析粒度的计算机处理器20。

在该示例中，选择每个传感器头中的观察单元的厚度以容纳要拍摄的粒度的特定范围，使得整个单元中的物质处在光学近场内。可以选择单元厚度的组合以覆盖比单个单元所能提供的粒度大的整个范围。单元厚度的顺序被排列以使得流动流体首先遇到最大单元然后再遇到逐渐较小的单元。筛网过滤器分布在单元之间以防止较大颗粒阻塞较小单元。

在图5中，第一传感器头52是第一个遇到管道51中的流体的传感器头。可以将过滤器(图中未示出)置于第一传感器头的上游以将超过尺寸阈值的颗粒滤除。管道尺寸可以减小以确保观察窗厚度t1是期望的厚度，该期望厚度确保期望拍摄尺寸的颗粒处在光学近场内。

第二传感器头53置于第一传感器头的下游。第二传感器头具有厚度为t2<t1的观察单元，虽然由第一、第二传感器头拍摄的颗粒范围有一些重叠，但第二传感器头适合于拍摄比第一传感器头小的颗粒范围。在传感器头52和53之间的管道处示出了管道减小适配装置56，以将管道直径减小到第二传感器头53的观察窗的期望厚度t2。

可将一个过滤器58放置在第一和第二传感器头之间的管道内，以从进入到观察窗的物质中滤除不需要的大颗粒(例如，那些大到足以堵塞下游观察单元的颗粒)。

在传感器头53的下游提供第三传感器头54。该传感器头54被配置为拍摄甚至比传感器头53中观察单元拍摄的小的颗粒。将一个管子减小装置57放置在上游传感器头53和下游传感器头54之间，以将管道尺寸从较大的t2厚度减小为较小的t3厚度来匹配期望的观察单元厚度。一个过滤器59可以包括将大到足以阻塞观察单元的颗粒排除的网格尺寸(meshsize)。应该注意到可以选择过滤器的网格尺寸以将粒度限制为可以由下游观察窗拍摄的最大尺寸。管道51中的流体可以返回到位于下游位置60的主流动流体55中。

应该理解，根据被监测系统的复杂度，传感器头的数量可以多于或少于图5中的数量。

在一个具体实施例中，计算机处理器从传感器头接收图像并通过分类器模块执行图像处理。计算机处理器可以从所述图像中确定关于每个传感器头位置处流动流体内的颗粒数量的有用信息。该信息包括每个粒度范围内的颗粒数量和其他量，例如但不限于气泡浓度、水泡、非金属颗粒、纤维、磨损颗粒(切割、滑动、老化)以及生物体。

图6A、图6B示出了如何选择可能的单元厚度组合以适合每个粒度范围。图6A示出了选择单元厚度以确保各个单元的粒度范围存在重叠。图6B示出了选择单元厚度以使得粒度图像不连续，拍摄的粒度范围不重叠。

在一个具体实施例中，内置在计算机处理器20指令中的图像处理系统可以选择每个传感器较感兴趣的特定尺寸范围。粒度范围可以不连续或可以提供重叠选择度，其用于登记从一个单元到下一个单元的颗粒计数结果。应该注意到，如果整个粒度范围在各个单元中出现非连续，则在监测的粒度中会产生缝隙。

图7例示了另一个示例，该示例中，单个传感器头/观察单元被分别连接到主流体线上，并与过滤器组合以使得较大颗粒不会流过选择用于监测较小颗粒的单元。该示例中，主流动流体76在两个不同的位置分流以向管道75、77提供流体。每个管道包括具有将不需要的大颗粒从传感器头74、79中的观察单元排除的网格尺寸的过滤器73、78。如上所讨论的，可以选择具有不同尺寸的观察窗尺寸和过滤器以提供更大粒度拍摄能力或也可以设置为相同尺寸，提供冗余的性能。虽然在图7中示出了两个传感器头74、79，但是应该明白，可以包括更多的传感器头以提供额外的能力。

图8示出了实施例流体监测系统，该系统中多个传感器头63、64被排列在具有一个单分流点65和回到主流动流体62的单返回点66的并行管道上。该示例中，设置传感器头中的观察单元的尺寸以拍摄不同的粒度范围。图8的并行结构需要的总压降比串联布置传感器头的压降小。此外，在并行排列中，如果一个滤波器发生堵塞，只有在该并行分支的单元失效。

应该理解，取决于监测系统的复杂度和要拍摄的颗粒的类型和大小种类，传感器头的数量可以大于图7、8中示出的两个传感器头的数量。

应该理解，图7和图8所示的系统包括激光器、计算机处理器加上任何必要的光学和电子传输链路。图7和图8的光学流体监测系统可以配置为具有耦合到所有传感器头的单激光器，或者每个传感器头配备一个激光器。每个系统可以配置为具有耦合到所有传感器头的单计算机处理器，或者每个传感器头配备一个计算机处理器。

图9示出了一个示例流体监测系统，该系统中，单激光器21向位于多个不同流动流体管道中的多个传感器头提供光脉冲。该示例中，封闭系统流动流体80的一部分流入到用于拍摄和分析颗粒的管道81中，并且封闭系统流动流体90的一部分流入到用于拍摄和分析颗粒的管道91中。传感器头82、83以之前讨论的方式拍摄导管81中的流体，传感器头92、93以之前讨论的方式拍摄导管91中的流体。该系统可以包括过滤器和管道减小适配装置，或者传感器头82、83可以是与图5所示的例子和之前讨论的相类似的冗余系统。

在之前讨论的单激光器将激光器光能量提供给多个传感器的每个示例中，用于多传感器的激光信号的复用可以通过将进入到通向每个观察单元或传感器头的光纤中的激光区分出不同的光学能量来实现。可选地，可以在使用合适的开关电路顺序照明不同单元中使用时间复用，在该时间复用中整个脉冲导入单个单元。对于具有返回信号的时间复用的多传感器头系统，可以设置脉冲重复率以允许顺序传输来自传感器头的信号。

在此描述的系统可以方便地提供关于比现有技术的近场光学流体颗粒监测系统更大的粒度范围的信息。此外，在设备故障时可以提供备份，尤其对于难以接入或接入有危险的设备。

适合光学监测的流体示例包括但不限于润滑和动力传动液、冷却液、水和水合物、燃料和汽油。

在此描述的系统可以同时监测不同流体系统中是否存在颗粒。作为一个示例，舰船、站台或平台可以包括各种设备，它们中的每一个可以具有一种或多种需要监测的流体(例如，船舶、航空器、石油钻井平台或其他诸如发电站等工业装置上的引擎、传动装置和轴承中的流体)。单激光照明器和计算机处理器可被用于监测船舶、航空器、石油钻井平台或其他诸如发电站等工业装置上的多个引擎、传动装置、轴承。

在多个示例中，系统组件(例如激光器、计算机处理器、用户控制台)可以位于远离管道和传感器头的位置。例如，激光器和传感器头中的观察窗之间的距离可以是几千米或者更远，并只受限于组件间光纤的传输能力。同样地，计算机处理器可以距离传感器头中的拍摄系统几千米或更远。

这些示例中，出于说明性的目的示出了假设的取样系统，其中具有来自主流通道的简单管道适配装置。应该理解，Reintjes等人的美国专利US6049381、Fjerdingstad等人的美国专利US7921739和Reintjes等人的美国专利US8056400中描述的取样系统都适用于这些系统。这些文献在此整体并入本发明。

以上参照特定的优选实施例对本发明进行了描述。然而应该理解，本发明不限于之前讨论的优选实施例，并且其修改和变型都落在附加的权利要求的保护范围内。

Claims (18)

1.一种用于拍摄至少一个传输流动流体的管道中的颗粒的光学流体监测系统，包括：

至少一个流体流动管道；以及

沿着所述至少一个流体流动管道放置的多个光学传感器，所述多个光学传感器沿着单个流体流动管道串联排列或者排列在多个流体流动管道上，每个光学传感器布置为以与流动方向交叉的方向将激光光学能量发送到流体流动管道上的透明观察窗，每个光学传感器具有用于接收穿过流动流体的激光光学能量和用于拍摄流动流体中的颗粒的光学拍摄系统，其中，所述多个光学传感器中的第一光学传感器被配置为拍摄较大尺寸范围的颗粒，并且所述多个光学传感器中的第二光学传感器被配置为拍摄较小尺寸范围的颗粒。

2.如权利要求1所述的光学流体监测系统，其中每个光学传感器包括一个激光器。

3.如权利要求2所述的光学流体监测系统，其中每个光学传感器中的所述激光器具有不同的波长。

4.如权利要求2所述的光学流体监测系统，其中每个光学传感器包括至少一个配置为将激光器的光能量传输到透明观察窗的光纤。

5.如权利要求1所述的光学流体监测系统，进一步包括：

可操作地耦合到所有光学传感器的单个激光器。

6.如权利要求5所述的光学流体监测系统，进一步包括：

将激光器的光能量输出传输到透明观察窗的多个光纤。

7.如权利要求1所述的光学流体监测系统，其中每个光学拍摄系统包括照相机和透镜，所述透镜设置在所述照相机和流体流动管道上的透明观察窗之间。

8.如权利要求1所述的光学流体监测系统，其中多个光学传感器沿着单个流体流动管道串联排列，其中多个光学传感器中的一个上游光学传感器被配置为拍摄较大尺寸范围的颗粒并且多个光学传感器中的一个下游光学传感器被配置为拍摄较小尺寸范围的颗粒，并且每个光学传感器处的管道厚度使得在被拍摄的尺寸范围内的颗粒处在光学拍摄系统的光学近场内，并且其中上游传感器管道的管道厚度比下游传感器管道的管道厚度大。

9.如权利要求8所述的光学流体监测系统，进一步包括：流体流动管道中的过滤器，其尺寸被设置为使得大于预定尺寸的颗粒不能到达下游光学传感器。

10.如权利要求1所述的光学流体监测系统，进一步包括：

可操作地连接以从所有光学拍摄系统中接收图像的单个计算机处理器，该计算机处理器具有根据从光学拍摄系统接收的图像对颗粒形状和尺寸进行分类的程序指令。

11.如权利要求1所述的光学流体监测系统，其中每个光学传感器包括可操作地连接到光学传感器中的光学拍摄系统的计算机处理器，每个计算机处理器具有根据从光学拍摄系统接收的图像对颗粒形状和尺寸进行分类的程序指令。

12.如权利要求10或11所述的光学流体监测系统，其中计算机处理器远离光学传感器。

13.如权利要求1所述的光学流体监测系统，进一步包括：

可操作地耦合到所有光学传感器的单个激光器；和

可操作地连接以从所有的光学拍摄系统中接收图像的单个计算机处理器，该计算机处理器具有根据从光学拍摄系统接收的图像对颗粒形状和尺寸进行分类的程序指令。

14.如权利要求1所述的光学流体监测系统，其中光学流体监测系统适用于在至少两个传输流动流体的不同流体流动管道内拍摄颗粒，该系统具有沿着每个不同流体流动管道放置的至少一个光学传感器以拍摄该流体流动管道中流体内的颗粒。

15.如权利要求14所述的光学流体监测系统，该系统具有沿着每个不同流体流动管道放置的至少两个光学传感器以拍摄该流体流动管道中流体内的颗粒。

16.如权利要求14所述的光学流体监测系统，其中每个流体流动管道是不同设备段的一部分。

17.如权利要求1所述的光学流体监测系统，其中多个光学传感器排列在并行的流体流动管道上，其中多个光学传感器中的第一个被配置为拍摄较大尺寸范围的颗粒并且多个光学传感器中的第二个被配置为拍摄较小尺寸范围的颗粒，并且每个光学传感器处的管道厚度使得在被拍摄的尺寸范围内的颗粒处在光学拍摄系统的光学近场内，并且其中第一传感器管道的管道厚度比第二传感器管道的管道厚度大。

18.如权利要求17所述的光学流体监测系统，其中并行流体流动管道在相同分支点和相同返回点连接到主流通道。