CN106537113A

CN106537113A - 粒子计数器和分类系统

Info

Publication number: CN106537113A
Application number: CN201580030497.4A
Authority: CN
Inventors: P·F·亨宁; E·J·奥尔森; J·加布森
Original assignee: Spectro Inc
Current assignee: Spectro Scientific Inc
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: EP3132248A4; US9274041B2; WO2015160725A3; EP3132248A2; US20150293009A1; EP3132248B1; WO2015160725A2; CN106537113B

Abstract

粒子计数器和分类系统包括被配置为确定样品单元内的流体中的预定尺寸以上的粒子的尺寸和形貌的成像子系统。第一段磁力计传感器子系统被调谐为检测和确定铁类和/或导电粒子的尺寸。任选的第二段磁力计传感器子系统被调谐为检测流体的总铁类粒子含量。处理器子系统被配置为根据它们的特征形貌、铁类和/或导电粒子的数量以及流体的总铁类含量计算并且报告流体中的多个尺寸范围中的粒子的数量、它们的形貌和它们的作为特定粒子类型的分类。

Description

粒子计数器和分类系统

(相关申请)

根据35U.S.C.§§119、120、363、365和37C.F.R.§§1.55和§1.78，本申请要求在2014年4月15日提交的美国专利申请系列No.14/253354的优先权，在这里加入其作为参考。

技术领域

本发明涉及粒子计数器、磁力计和通过粒子成像的流体中的微粒的分类。

背景技术

流体样品中的粒子的数量、它们的尺寸和形状(形貌)可通过例如在美国专利No.5572320、No.7385694、No.5627905、No.5959668、No.6049381、No.6104483、No.6501504、No.6873411、No.7019834、No.7184141、No.7307717、No.7385694、No.7921739、No.8056400和No.8079250中表示的成像装置被确定，在这里通过引用并入它们。但是，一般不对磁性和非磁性粒子进行区分。该信息对于维护人员来说是重要的。

磁力计可被用于确定油中的铁磁性粒子的总百分比或者提供关于大于某最小尺寸阈值的单个粒子的尺寸和磁性性质(铁磁性或非铁磁性)的信息。参见例如美国专利No.5001424、No.5315243、No.5444367、No.5404100、No.5811664和No.6051970，在这里通过引用并入它们。但是，这些器件不根据形貌将磁性粒子分类。另外，这些器件一般供给铁磁百分比或者关于单独观察微粒的信息之中的任一个，但不是两者。

发明内容

具有成像装置和磁力计类型器件的粒子计数和分类系统使得例如用户能够确定给定形状或尺寸的哪些粒子为(1)铁磁性、(2)非铁磁性且导电性或(3)非铁磁性且非导电性。

在一个例子中，粒子计数和分类系统确定磁性和导电粒子的尺寸和形状、量化磁性和导电粒子，并且，在一个例子中，单独地分析非金属粒子。

在一个优选的实施例中，双段磁力计位于与粒子成像装置相关的分析单元(cell)后面。以这种方式，来自相同流体的粒子可被成像和计数。这些相同的粒子可然后通过使用双段磁力计对于它们的单个磁性和导电含量被表征。最后，双段磁力计可报告流体的总磁性含量，这使得能够考虑太小以至于不能单独地成像或表征的粒子。

特征是粒子计数和分类系统，该粒子计数和分类系统包括被配置为确定样品单元内的流体中的预定尺寸以上的粒子的尺寸和形貌的成像子系统。流体的第一段磁力计传感器子系统被调谐为检测和确定预定尺寸以上的流体中的铁类和/或导电粒子的尺寸。流体的第二段磁力计传感器子系统被调谐为检测流体的总铁类粒子含量。处理器子系统响应于成像子系统、第一段磁力计传感器子系统和第二段磁力计传感器子系统。处理器子系统被配置为根据它们的特征形貌、所述尺寸范围中的铁类和/或导电粒子的数量、以及流体的总铁类含量计算并且报告流体中的多个尺寸范围中的粒子的数量、它们的形貌和它们的作为特定粒子类型的分类。

成像子系统可包含将电磁辐射引导到样品单元中的光源，并且检测器对从样品单元发射的电磁辐射进行响应。第一段磁力计传感器子系统可包含样品单元上游或下游的附近具有小直径感测线圈的小直径流体导管，并且，第二段磁力计传感器子系统可包含样品单元下游的附近具有较大直径感测线圈的较大直径流体导管。较大直径流体导管可处于小直径流体导管下游。小直径感测线圈的填充因子优选对于能够通过成像子系统成像的铁类和/或导电粒子被优化。大直径感测线圈的填充因子优选对于所述预定尺寸以上和以下的铁类粒子尺寸被优化。第一段磁力计传感器子系统还可包含被配置为检测小直径感测线圈的电压的振幅和相位的阻抗监测器。第二段磁力计传感器子系统还可包含被配置为检测较大直径感测线圈的电压的振幅和相位的阻抗监测器。在一种设计中，小直径导管的直径处于250微米与750微米之间，并且，较大直径导管的直径处于1500微米与15000微米之间。

另一特征是粒子计数和分类方法。流体中的粒子被成像以确定它们的尺寸，并且，对于预定尺寸以上的粒子，确定它们的形貌。预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子被检测，并且，对于预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子，多个尺寸范围中的铁类和/或导电粒子的数量被计数。方法还包括检测预定尺寸以上的铁类粒子和预定尺寸以下的铁类粒子并且计算流体的总铁类粒子含量。检测所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子可包含使流体通过具有附近具有小直径感测线圈的小直径流体导管的第一段磁力计传感器子系统，并且，检测预定尺寸以上和以下的铁类和/或导电粒子包含使流体通过具有附近具有较大直径感测线圈的较大直径流体导管的第二段磁力计传感器子系统。检测所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子可包含检测小直径感测线圈的电压的振幅和相位。检测预定尺寸以上和以下的铁类粒子可包含检测较大直径感测线圈的电压的振幅和相位。

另一特征是粒子计数和分类系统，该粒子计数和分类系统包括：被配置为确定样品单元内的流体中的预定尺寸以上的粒子的尺寸和形貌的成像子系统；被调谐为检测和确定所述流体中的所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子的尺寸的用于所述流体的第一段磁力计传感器子系统；以及被配置为根据它们的特征形貌和所述尺寸范围中的铁类和/或导电粒子的数量计算并且报告流体中的多个尺寸范围中的粒子的数量、它们的形貌和它们的作为特定粒子类型的分类的响应于成像系统和第一段磁力计传感器子系统的处理器子系统。

系统还可包括被调谐为检测流体的总铁类粒子含量的用于所述流体的第二段磁力计传感器子系统。处理器子系统被配置为基于所述成像子系统的输出在不同的尺寸范围中将所述粒子初始分类并且基于所述第一段磁力计传感器子系统的输出调整所述初始分类。

但是，其它实施例中的主题发明不需要实现所有这些目的，并且，其权利要求不应限于能够实现这些目的的结构或方法。

附图说明

本领域技术人员从优选实施例和附图的以下描述可以想到其它目的、特征和优点，其中，

图1是表示与根据本发明的粒子计数和分类系统的例子相关的主要部件的框图；

图2是表示与图1所示的系统相关的第一和第二段磁力计传感器子系统的多个部分的示意性截面图；

图3是表示由图1的处理器子系统产生的在图1所示的显示器上显示的报告的示意图；

图4是图1的驱动电路和阻抗监测电路的例子的示意图；

图5是示出与图1所示的处理器子系统的编程相关的主要步骤的流程图；

图6是总系统的一个实施例的机械图。

具体实施方式

除了以下公开的优选实施例或实施例以外，本发明能够为其它实施例并且以各种方式被实施或实现。因此，应当理解，本发明在其应用上不限于在以下的描述中阐述或者在附图中示出的部件的结构和布置的细节。如果这里仅描述一个实施例，那么其权利要求不限于该实施例。并且，除非存在表明某种排除、限制或放弃的清楚和令人信服的证据，否则不要限制性地阅读其权利要求。

图1示出包含成像子系统12的粒子计数和分类系统100的例子，该成像子系统12具有流体(例如，油)样品穿过的流体单元14。样品可以是通过机器(例如，引擎或电动机)中的旁路导管分流(divert)的流体，或者可以是通过机器获得并且被传输给分析器的样品。如本领域已知的那样，激光器16将电磁辐射引导到样品单元14中，并且，检测器(例如，包含CCD)将单元的内容成像。

由检测器18输出的关于流体中的粒子的数量、尺寸和形状的电子信号由响应于检测器18的处理器子系统20处理。处理器子系统20可以是计算机、基于微处理器的电子子系统、适当编程的现场可编程门阵列或应用特定集成电路等。在一些例子中，处理器子系统可分布于各种器件和/或电路之中。

成像子系统12被配置为(如果必要的话，通过使用光学器件)适当地聚焦于一般为20微米～100微米的某些关注的尺寸粒子上。对于某些粒子尺寸范围，成像子系统12可检测粒子、确定它们的尺寸、确定它们的形貌(形状)，并且，处理器子系统20可包含将粒子(例如，通过切割磨损产生的粒子和通过滑动磨损产生的粒子等)分类的算法。如果必要的话，可以配置和/或调整鲜明地将关注粒子成像所需要的场深。但是，成像子系统也可检测和确定诸如4微米～20微米的粒子的更小粒子的尺寸。但是，对于这些粒子，成像子系统一般不能确定它们的形状，也不能将它们分类。

在穿过单元14之后，流体前进或者被传输到被调谐为检测和确定通过成像子系统12成像的流体中的铁类和/或导电粒子的尺寸的第一段磁力计传感器子系统22a。注意，流体也可首先被传输到磁性传感器子系统22a并然后被传输到单元14。在该特定例子中，第一段磁力计传感器子系统22a包含第一段磁力计头24a，在图2中一般地示出它是在周围具有驱动和感测线圈的塑料流体导管。为了清楚起见，图2仅示出一个感测线圈42a。图1的驱动电路26a将驱动线圈通电，并且阻抗监测器28a报告代表穿过小直径(例如，500微米)导管40a的铁类和/或导电粒子的存在的电压感测线圈的振幅和相位变化。图1中的该第一段磁力计传感器子系统22a可在铜感测布线上包含铜驱动布线。可关于导管包含没有流体流过它但也具有引向处理器子系统20的输出的伪线圈布置。

阻抗监测器28a向处理器子系统20提供输出信号，该处理器子系统20被配置和编程为可选地通过使用从一般处于第一段磁力计传感器子系统24a上游的成像子系统12获得的数据通过显示器30报告各种尺寸范围中的铁类粒子的数量。如图3所示，结果是包含各尺寸范围中的粒子的数量(并且可选地包含它们的形状或者其它形貌信息)以及在该尺寸范围中的这些粒子中有多少是铁类或导电粒子的报告。

图1的第二段磁力计传感器子系统22b优选位于第一段磁力计传感器子系统22a的下游，并且，如图2所示，包含在其附近具有诸如感测线圈42b的从动和感测线圈的大得多(例如，15000微米)尺寸流体塑料导管40b。驱动线圈通过图1的驱动电路26b被通电，并且，阻抗监测器28b向处理器子系统20报告电压感测线圈的振幅和相位变化。并且，可对第二段磁力计传感器子系统24b使用伪线圈布置。如图3所示，第二段磁力计传感器子系统22b被调谐为检测流体的总铁类粒子含量，并且，处理器子系统20向显示器30报告该数据。

第一段22a被特别设计为对可通过成像子系统获得形貌信息的微粒敏感。细微穿孔(miniature bore)磁力计头被设计，使得感测线圈的填充因子对特定相当圆直径范围中的粒子被优化。在一个实施例中，该装置会对具有20微米或更大的相当圆直径的粒子敏感。磁力计电子器件被设计为报告与各粒子相关的感测线圈的电压的振幅和相位。

相反，磁力计的第二段被设计，使得一般具有大得多的半径的单独和相异的一组线圈提供流体的总磁性含量的最佳读数。假定流体内的所有尺寸的微粒的分布是均匀的，则流体的总磁性含量以幂律的方式随感测线圈的半径和流过线圈的流体的增加而增加。同时，螺线管(solenoid)的单位体积的场强度不需要以这种立方的方式随感测线圈的半径的增加而减小。因此，存在包含可被选择以报告流体的总磁性含量的更大半径感测线圈的许多最佳灵敏度设计。注意，一般地，这些线圈不适于各单个微粒，原因是它们对于各单个微粒的填充因子一般小得多。在不需要成像装置的情况下，这种磁力计也可与成像子系统分开地动作。

在一个实施例中，双段磁力计对于段1包含在桥布置中与相同的激励/感测螺线管连接的2层激励/感测螺线管设计。这种4线圈系统然后通过被馈送到同步解调电路中的驱动电压被激励。一旦被调零，这种电路就由于穿过激活的螺线管的各单个粒子而产生信号的振幅和相位。通过基于由各单个微粒导致的期望的振荡轮廓通过带通电路过滤得到的信号，实现高度敏感的单个微粒监测磁力计段。对于段2，选择使用大得多的螺线管半径的相同的磁性设计。也选择同一激励/解调电路，但在这种情况下，提供流体的总磁性含量的振幅和相位的(未过滤)de信号被探测。段1和段2经由对各段被适当地调整尺寸的流管被耦合。

以这种方式，实现唯一的双段磁力计布置。这种双段磁力计相对于常规的磁力计可具有明显的优点，包括但不限于从两个段出现的信号可相互比较以对由处理器子系统20使用的粒子和总磁性含量算法提供进一步的确证和鲁棒性以确定这些量的事实。

通过使用统计技术，向图1的处理器子系统20提供来自成像子系统12、第一段磁力计传感器子系统22a以及可选的第二段磁力计传感器子系统22b的信号，并且将其编程，以计算和报告多个尺寸范围中的流体中的粒子的数量、它们的形状、这些尺寸范围中的铁类粒子的数量和流体的总铁类含量。并且，基于来自第一段磁力计传感器子系统22a和/或第二段磁力计传感器子系统22b的数据的铁类含量的计算可依赖于或者基于来自成像子系统12的数据。

例如，成像子系统12可通过识别可以为导电(例如，铜)类型和/或铁磁(例如，铁)类型之中的任一个的所有磨损碎片提供初始分类。基于该分类，第一段磁力计传感器子系统22a可然后关于识别的磨损碎片的类型提供肯定的识别。磨损碎片计数和尺寸统计可然后被更新。如果作为成像子系统12的结果在25微米尺寸箱(bin)中存在62个识别的磨损粒子并且第一段磁力计子系统在25微米尺寸箱中识别出55个铁磁粒子，那么处理器子系统20可报告25微米尺寸箱中的识别的磨损碎片的88.7％是铁类的。并且，如果结果表示作为子系统22a的结果128个磨损粒子被识别为铁磁性的，那么这可表明识别的所有微粒的初始磨损碎片分类可能需要被提炼以将更多的粒子归类为磨损碎片。这可通过使用修改的分类准则触发所有微粒的重新分类，使得25微米尺寸箱中的磨损碎片的总量具有至少128个粒子。以这种方式，第一磁力计子系统22a可被反馈以提高在成像子系统12上动作的分类器的质量。在不组合来自分析流体的相同部分的子系统12和22a的数据的情况下，关于微粒的这种计算会是不可能的。处理器子系统20可将通过成像子系统12识别的单个微粒归类为切割、滑动或疲劳磨损粒子、非金属粒子、纤维、水滴或气泡之中的任一个。处理器子系统20然后又可结合由第一段磁力计传感器子系统22a提供的信息来利用该信息，以关于通过使用成像子系统12信息的处理器子系统的分析来识别的特定切割、滑动和疲劳磨损粒子提供目标铁类和导电粒子计数信息。在本例子中，处理器子系统20可将磁性粒子计数信息提供为在所有尺寸箱(20、21、25、38、50、70、100微米)中识别的切割、滑动和疲劳磨损粒子的总数的百分比。

如图3所示，图1的成像子系统12在本例子中能够在4微米与100微米之间检测和计数粒子，但只能在20微米与100微米之间对粒子进行成像、定尺寸和分类。例如，在所示的该特定方案中，存在21微米(或更大)的5个粒子，并且，基于它们的形状，如图6所示，处理子系统20归类来自切割类型磨损的这些粒子中的四个和源自滑动类型磨损的这些粒子中的一个。

图1的第一段磁力计传感器子系统22a被调谐为对几个尺寸范围中的20微米与100微米之间的铁类粒子进行计数和定尺寸。注意，与由成像子系统提供的信息组合的该信息使得分析师能够容易地看到21微米(或更大)的尺寸范围中的五个粒子中的四个是由于切割磨损引起的并且是磁性的。这可向分析师表示，例如，与来自铝或其它非铁类部分或诸如主要包含非磁性部件的油泵的子系统的切割磨损成型粒子相反，机器的钢合金轴承正在磨损。

图1的第二段磁力计传感器子系统22b被调谐为检测总磁性含量并且一般不提供尺寸信息。事实上，第二段磁力计传感器子系统22b检测小至四微米且大至100微米的粒子，并且，重要的是，提供成像子系统12和第一段磁力计传感器子系统22a不能提供的关于小尺寸铁类粒子(例如，0到若干微米)的信息。

处理器子系统20被配置为分析由成像子系统12、第一段磁力计传感器子系统22a和第二段磁力计传感器子系统感测传感器子系统22b输出的信号如下。

如果小尺寸粒子(例如，四微米)存在于流体样品中，那么，为了确定这种小粒子的形状和/或其类别，例如，粒子是否通过滑动磨损或切割磨损产生，成像子系统12可检测粒子并且确定其尺寸但不能获得足够的粒子图像。由此呈现给处理器子系统20的成像子系统12的输出信号使得处理器子系统20能够仅报告该粒子的尺寸并且将其添加到四微米(和更大)尺寸粒子的计数。

第一段磁力计传感器子系统22a一般不提供关于这种小尺寸粒子的相关数据，原因是它被调谐到可完全通过成像子系统成像的尺寸范围(例如，20微米～100微米)中的粒子。但是，第二段磁力计传感器子系统22b检测该四微米粒子，如果它是铁类粒子的话。知悉流体的体积，处理器子系统20响应于来自阻抗监测器28b的信号在总磁性含量报告中将该粒子添加到铁类粒子的浓度(例如，百万分之几)计算。

当较大粒子(例如，25微米)存在于流体样品中时，成像子系统12检测该粒子并且提供关于其尺寸和形状的信号。处理器子系统20然后基于其形状(例如，滑动磨损或切割等)将该粒子分类并且报告结果。处理器子系统20还将该粒子添加到样品中的这些尺寸粒子的计数。第一段磁力计传感器子系统22a检测该粒子是否是铁类和/或导电的，并且，如果是，则输出使得处理器子系统20能够确定粒子尺寸的信号并且将它添加到该尺寸的铁类和/或导电粒子的计数。如果该粒子是铁类的，那么第二段磁力计传感器子系统22b还向处理器子系统20报告该粒子，该处理器子系统20将其添加到总磁性含量百万分之几计算。因此，对尺寸大于20微米的粒子，第一段磁力计传感器子系统22a和第二段磁力计传感器子系统22b的输出提供一些冗余的信息，该冗余信息可被忽略或者被用于算法中以提炼由处理器子系统20提供的输出，原因是它使用冗余信息以对最终的报告进行校正。

下表概括各子系统的能力：

因此，对于尺寸为20～100微米的粒子，与第一段磁力计传感器子系统组合的成像器提供关于相同流体样品的关键信息。这里，第二段磁力计传感器子系统为了冗余和鲁棒性补充第一段。

对于小于20微米、例如4～20微米的粒子，成像器检测它们并且保持各种尺寸箱中的粒子的计数，并且第二段磁力计子系统使得能够在第一段磁力计子系统不能的这些尺寸范围中实现总磁性粒子浓度的更精确计数。

图4示出本发明的电子器件。正交方波发生器50产生2位二元灰度代码。次序是00、01、11、10。每个状态持续约11.4毫秒，并且，整个序列每45毫秒重复。结果是两个脉冲群(TTLSON和TTLCOS)，每个具有22kHz的频率和50％的占空比，并因此是方波。在两个信号之间存在等于90度的相位偏移的11毫秒延迟。输出具有正常的CMOS输出电平。

振幅调节器52取得从正交方波发生器输出的方波，并且产生具有相同的定时但具有良好地限定的高电压电平和低电压电平的波形。通过产生约2.5V和7.5V的两个DC电压完成这一点，其中，这两个电压之间的电压差被精确地控制到5V。模拟开关在这两个电压之间交替，从而产生具有5Vp-p的精确受控振幅的方波。

低通滤波器54是具有1.5的增益和约15kHz的-3db点的三极Sallen-Key滤波器。该滤波器衰减输入方波的谐波，从而使得波形接近正弦波。

驱动器放大器54在反相配置中使用高功率运算放大器。它们的增益为1.47，但是可对不同的应用定制它。在它们的标准配置中，输出电压为约10V p-p。

平衡调整网络57包含用于调整线圈的输出的两个电位计，使得当没有样品引入到单元中时输出接近零。各电位计连接于线圈驱动信号与接地点(ground)之间。因此，各电位计的滑臂产生作为驱动电压的可调分数的电压。一个电位计具有从滑臂连接到两个驱动线圈的结点的电阻器。第二电位计具有从滑臂连接到两个驱动线圈的结点的电容器。当电位计通过滑臂被设定在半量程处时，将没有电流流过电阻器或电容器，原因是电阻器或电容器的两端处于驱动电压的一半，因此，跨着电阻器或电容器的电压为零。如果电位计中的一个被调整为远离该位置，那么电流将流过电阻器或电容器。由于通过电容器的AC电流处于通过电阻器的电流的前面的90度，因此，任何相位或大小的调整是可能的。

在别处描述平衡线圈。简言之，它包含一次线圈被串联连接且二次线圈被反串联连接的两个变压器。它由10V p-p驱动电压激励并且其输出在平衡条件(在单元中没有样品)下标称为零。

感测放大器58是具有约2000的增益和带通特性的三段高增益放大器。第一段是适于放大感测线圈的低阻抗输出的低噪声放大器。其增益为100并且它具有低通特性。第二段是十带通的增益，并且，第三段是二带通的增益。

各信道具有两个解调器60、62，一个用于虚部，一个用于实部。两个解调器被一起使用以确定粒子的尺寸并且确定粒子是否为铁类或导电的。各解调器包含后跟模拟多路复用器的具有-1的增益的反相放大器。各多路复用器交替地将其输出连接到反相放大器的输入或输出之中的任一个。多路复用器的控制输入通过正交方波发生器的输出被驱动。解调器的输出由此对驱动电压的频率的输入敏感，并且拒绝信号中的其它频率成分。它也是相位敏感的，从而拒绝从控制信号被相位偏移90度的信号。

低通滤波器64是具有2的增益和约100Hz的-3db点的MFB(多反馈)低通滤波器。它将解调器的输出平滑化以产生无波纹的波形。

ADC 66将滤波器的输出转换成数字形式。它是16位SAR(串行近似寄存器)转换器。微控制器68从四个ADC取得数字值、将它们格式化并且通过串行端口传送它们。

可以看出，电子器件提供使用诸如油的载体中的材料中的磁性性能的二信道仪器(分别代表一个信道的磁力计子系统22a和22b)，以确定材料的尺寸、浓度和成分。当少量的铁类或导电材料被引入到线圈内的样品单元中时，它通过感测线圈的电感的变化而工作。

希望检测最少的可能的量的材料，因此需要检测电感的小的变化。当前的实施例可检测电感的约10⁷分之一的变化。

对各信道，标称上具有与感测线圈相同的特性但不与其磁性耦合的伪线圈与感测线圈串联，并且，向串联对施加AC激励电压。因此，在没有任何铁类或导电材料的情况下，两个线圈的结点处的电压会为激励电压的一半。由于环境条件(诸如温度)导致的线圈的特性的变化一般会掩盖小的测量，但是通过匹配的线圈，输出会保持在激励的一半处。

尽管伪线圈使被测量的信号稳定化，但仍需要在大的电压(伏特)上测量非常小的电压变化(微伏特)。这会要求测量系统稳定到亚ppm水平，这是不现实的。为了缓解这种要求，各线圈通过大致的磁性耦合具有缠绕在一次绕组的顶部上的二次绕组。因此，二次绕组产生大致与一次绕组的反EMF成比例的电压。由于这些二次线圈不与一次线圈电连接，因此感测线圈的二次线圈可通过与伪线圈的二次线圈反串联的方式被接线。该对的净输出是两个线圈的反EMF之间的差值。

由于两个线圈的匹配，因此，如果不存在铁类或导电材料，那么该输出电压会为零。实际中，两个线圈不会完美地匹配，因此，输出会与匹配成比例地偏离零。还在线圈中存在使线圈对失衡的寄存电容。实际中，输出应匹配到1％的小数。即使该小的不平衡也为要被测量的信号的许多倍大。这种不平衡在电子器件中被校正。

铁类粒子改变线圈的电感，而导电粒子改变线圈的电阻。因此，线圈的输出电压的变化对两种类型的粒子来说相位相差90°。通过适当的信号处理，电压变化的相位可被测量，并且，两种类型的粒子可被区分。图4中的框图表示电子器件的主要功能部分。除非注明，描述指的是与线圈对#1相关(与磁力计子系统22a相关)的电路。

线圈通过22kHz伪正弦波被激励。正交方波发生器50产生两个数字方波TTLSIN和TTLCOS。在振幅调节器52中，TTLSIN被用于产生具有极其稳定振幅特性的另一方波。该方波穿过使方波的谐波衰减的低通滤波器54。由于谐波没被完成去除，因此波形不确切为正弦，由此标注正弦。该信号被馈送到改变电压并且提供高电流驱动能力以驱动线圈对的驱动器放大器54。线圈对#2(与磁力计子系统22相关)具有其自身的放大器56，该放大器56可具有不同的增益以向线圈对#2提供不同的驱动电压。

驱动放大器与线圈的串联对连接。如上所述，线圈对可能失衡并且对空的样品单元产生非零输出。平衡调整电路通过将小的可调整AC电流注入到两个线圈之间的结点中来消除这种失衡。失衡可具有任意的相位，因此，两个独立可调整电流被注入。一个通过电阻器被注入，而另一个通过电容器被注入。电流的相位彼此相差90°，因此，通过改变它们的振幅，任何失衡可被消除。

如上所述，线圈一次被串联并且二次被反串联。这通过与失衡调整组合提供一般处于0～1毫伏峰对峰的范围中的输出信号。感测放大器58具有低的几千的增益，并且另外提供高通和低通滤波的几个段。

感测放大器的输出通过使用反相放大器和模拟开关在60处被解调。反相放大器具有-1的增益，从而产生感测放大器输出的180°相位偏移版本。模拟开关由TTLSIN信号驱动，该TTLSIN信号在与放大器输出相同的频率处为方波。当TTLSIN为高时，放大器输出被选择，而当TTLSIN为低时，反相输出被选择。因此，没有DC成分的来自放大器的AC信号被转换成与AC振幅成比例的脉冲DC电平。

第二解调器62被用于检测与TTLSIN同相位的信号，并且不会产生来自第一解调器的输出。它以与第一解调器相同的方式工作，但由相位与TTLSIN相差90°的TTLCOS驱动。两个解调器的输出提供描述感测放大器输出的大小和相位的复数的实部和虚部。

低通滤波器64被用于消除解调器的输出中的脉冲。它是具有100Hz拐点(knee)和2的DC增益的二极滤波器。

ADC 66转换低通滤波器的输出。它是具有内部2.5V基准和0～2.5V的信号范围的16位、8信道SAR型ADC。ADC对各信道以500采样/秒的速率转换所有的四个滤波器输出(2000采样/秒的总采样率)。由于它是具有多路复用器的单个ADC，因此，获取不是同时的。简单地通过连续取得四个样品中的每一个，基于编程考虑，方便地使得偏斜(skew)少。

微控制器接收ADC采样并且将四个16位值格式化成逗号分开的以<cr><>lf终止的ASCII流。该流在没有握手的情况下从USB端口发出。该USB端口将数据从磁力计子系统22a和22b发送到图1的处理器子系统20。在微控制器接通时，传送开始。

图5表示与图1的处理器子系统20的编程相关的主要步骤。在一个例子中，在将各粒子分类为磨损(切割、滑动、疲劳)、非金属、纤维、水或空气时，图像处理器利用从已知粒子类型的库构建的k最近邻(k-NN)分类技术。图像处理器然后将各单个粒子归入相当的圆直径的尺寸箱。通过从图像自身计算粒子的测量面积然后计算具有相当的面积的圆的直径来实现这一点。结果是各粒子被标记上相当的直径和类型分类两者。来自第一段磁力计的输入可用作对k-NN的反馈，以例如增加通过1分类的最近邻的数量。成像的粒子可然后被重新分类，以确定这种调整是否增加分类为磨损碎片的粒子的数量。可重复该过程，直到至少由成像器提供的数量和由第一段磁力计提供的数量一致。

图5描述在通过获取关于粒子装载流体的信息的三个子系统中的每一个获取的数据上采取的主要步骤。对于成像子系统20，产生通过子系统检测的比20微米大的各单个粒子的图像地图。这种地图构成所有粒子图像的依次列表。有了它，为了将地图中的各粒子分类为磨损产生、非金属、纤维、水或空气，下一步骤是参照特定类型库使用系统的分类方案。根据系统的需要，也可产生其它的这种分类族。然后，将该分析的结果以及通过计算图像的相当圆直径的粒子的尺寸的确定馈送到总括显示中。

对于第一段磁力计子系统22a，产生检测的粒子事件的列表。粒子事件一般由子系统22a的输出电压的短期(～0.1秒)增加来表征。这种事件由阈值算法确定，该阈值算法对事件检查高于子系统22a的静态输出的标准偏差的数量，并且，如果它们的特性电压对时间签名明显与典型的噪声签名不同(在输出上动态确定)，那么将它们认证为实际的事件。根据事件的电磁性质将这些事件分类，即，确定事件是来自一次铁磁粒子还是来自高度导电粒子。通过检查电子器件的2信道输出并且简单地注明信号是出现于虚拟信道(并由此是铁磁性的)上还是真实信道(并因此是导电的)上实现这一点。从事件的该列表，通过对粒子的相当圆直径的净峰值输出电压的固定存储校准，确定各粒子的相当圆直径。结果是列出粒子事件、各事件的尺寸和电磁性质，然后它们可被馈送到总括显示。

对于第二段磁力计子系统22b，确定流体的总共百万分之几份(ppm)重量。通过在将流体注入到通过线圈的流线时在虚拟(铁磁)输出信道上记录磁力计22b的平均输出电压(在约10秒的周期上)，实现这一点。然后，流体被冲洗出流线并被已知类型的干净流体(诸如电子22溶剂)替代。虚拟输出信道上的22b的输出电压被再次记录并且在约10秒的周期上被平均化。从这两个电压的不同，流体的总ppm重量对该得到的电压的存储的线性校准提供被输出到总括显示的ppm。

然后，利用总括显示以通过融合该内容的方式从所有的三个测量子系统20、22a和22b提供信息，以向用户提供尽可能广泛的信息。在图3中表示示例性显示。对于各尺寸箱，提供以下的信息：(1)相当圆直径大于或等于该箱的尺寸的粒子的总数；(2)(如果大于20微米)的(1)的图像分类概括统计；(3)该相同尺寸箱中的铁磁和导电粒子的数量(或百分比、或者两者)。还代表流体的总铁类型含量(单位为ppm)。也可为了观察给出各单个粒子的图像。典型的机器磨损情况示出以这种方式融合信息的效用：可在启动时在新引擎的油中存在由大的机器上的引擎产生的明显的量的磨损碎片连同少量的脏物。一般会在小尺寸箱中的升高的总粒子计数以及被分类为磨损碎片和非金属的粒子的升高数量中反映这一点。在启动时识别的磨损碎片粒子将是铁磁和导电的混合，因此，磨损粒子的总数应是铁磁和导电粒子之间的分割(split)。总铁类ppm读数可在20ppm的读数处稍微升高。当引擎趋于破坏时，粒子的增加的总数连同作为百分比相对于较小直径粒子箱中的数量的较大尺寸箱中的粒子的增加的数量会被注意到。总铁类ppm读数将连续升高并且可达到100mmp的水平。较大粒子是引擎自身产生大量的滑动和切割磨损碎片粒子的征兆。这与可从已进行明显量的服役但没开始破坏模式的引擎看到的轮廓形成对比。由于其重度使用和密封的老化，引擎油常常累积明显的量的脏物。在这种情况下，所有总粒子计数水平以及总铁类ppm读数(100ppm)可能是类似的。但是，即使在该相同箱中存在明显的升高的总计数，包括分类为磨损碎片的粒子，我们也将在铁磁粒子计数中看到清楚的指示，它可以是给定箱中的粒子的总数的20％。

图6表示通过磁力计和流动单元成像器的流体部分。来自样品瓶69的流体可经由第一段磁力计22a、流动单元14和第二段磁力计22b通过泵70被促压。阀71在需要时可由压力传感器72、73实现，以一般绕过高流过限制流动单元14以实现最佳的清洁。

因此，虽然在一些附图而没有在其它附图中表示本发明的特定特征，但这仅是为了方便，原因是各特征可根据本发明与其它特征中的任一个或全部组合。这里使用的词语“包括”、“包含”、“具有”和“带有”要被广泛和综合性地解释并且不限于任何物理互连。并且，在本申请中公开的任何实施例不应被视为仅有的可能的实施例。

另外，在本专利的专利申请的执行中给出的任何修改不是在提交的申请中给出的任何权利要求要素的放弃：本领域技术人员不能合理地被指望撰写会在文字上包含所有可能的等同的权利要求，许多等同在修改时会是不可预见的并且超出要放弃的公平解释(如果有的话)，修改的基本原理可承载不大于与许多等同的次要关系，并且/或者存在申请人不能被指望描述修改的任何权利要求要素的某些无实体的替代的许多其它原因。

本领域技术人员能够想到其它实施例，并且这些实施例处于所附的权利要求内。

附上的是要求保护的权利要求。

Claims

1.一种粒子计数器和分类系统，包括：

被配置为确定样品单元内的流体中的预定尺寸以上的粒子的尺寸的检测器子系统；

被调谐为检测和确定所述流体中的所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子的尺寸的用于所述流体的第一段磁力计传感器子系统；

被调谐为检测流体的总铁类粒子含量的用于所述流体的第二段磁力计传感器子系统；和

被配置为计算并且报告流体中的多个尺寸范围中的粒子的数量、所述尺寸范围中的铁类和/或导电粒子的数量、以及流体的总铁类含量的响应于检测器子系统、第一段磁力计传感器子系统和第二段磁力计传感器子系统的处理器子系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，检测器是包含将电磁辐射引导到样品单元中的光源的成像子系统的部件，并且检测器对从样品单元发射的电磁辐射进行响应。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，第一段磁力计传感器子系统包含样品单元上游或下游的附近具有小直径感测线圈的小直径流体导管，并且，第二段磁力计传感器子系统包含样品单元下游的附近具有较大直径感测线圈的较大直径流体导管。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，较大直径流体导管处于小直径流体导管的下游。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，小直径感测线圈的填充因子对于能够通过成像子系统成像的铁类和/或导电粒子被优化。

6.根据权利要求3所述的系统，其中，大直径感测线圈的填充因子对于所述预定尺寸以上和以下的铁类粒子尺寸被优化。

7.根据权利要求3所述的系统，其中，第一段磁力计传感器子系统还包含被配置为检测小直径感测线圈的电压的振幅和相位的阻抗监测器。

8.根据权利要求3所述的系统，其中，第二段磁力计传感器子系统还包含被配置为检测较大直径感测线圈的电压的振幅和相位的阻抗监测器。

9.根据权利要求3所述的系统，其中，小直径导管的直径处于250微米与750微米之间。

10.根据权利要求3所述的系统，其中，较大直径导管的直径处于1500微米与15000微米之间。

11.一种粒子计数和分类方法，包括：

检测流体中的粒子以确定它们的尺寸；

检测预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子，并且，对于所述预定尺寸以上的所述铁类和/或导电粒子，对多个尺寸范围中的所述铁类和/或导电粒子的数量进行计数；以及

检测所述预定尺寸以上和以下的铁类粒子并且计算所述流体的总铁类粒子含量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，检测包含将电磁辐射引导到样品单元中并且检测从样品单元发射的电磁辐射。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，检测所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子包含：使流体通过带有附近具有小直径感测线圈的小直径流体导管的第一段磁力计传感器子系统，并且，检测预定尺寸以上和以下的铁类和/或导电粒子包含使流体通过带有附近具有较大直径感测线圈的较大直径流体导管的第二段磁力计传感器子系统。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，较大直径流体导管处于小直径流体导管的上游或下游。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，小直径感测线圈的填充因子对于铁类和/或导电可成像粒子被优化。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，大直径感测线圈的填充因子对于所述预定尺寸以上和以下的粒子尺寸被优化。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，检测所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子包含检测小直径感测线圈的电压的振幅和相位。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，检测预定尺寸以上和以下的铁类粒子包含检测较大直径感测线圈的电压的振幅和相位。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，小直径导管的直径处于250微米与750微米之间。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，较大直径导管的直径处于1500微米与15000微米之间。

21.一种粒子计数器和分类系统，包括：

被调谐为检测和确定所述流体中的所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子的尺寸的用于所述流体的第一段磁力计传感器子系统；以及

被配置为计算并且报告流体中的多个尺寸范围中的粒子的数量以及所述尺寸范围中的铁类和/或导电粒子的数量的响应于检测器子系统和第一段磁力计传感器子系统的处理器子系统。

22.根据权利要求21所述的系统，还包括被调谐为检测流体的总铁类粒子含量的用于所述流体的第二段磁力计传感器子系统。

23.根据权利要求21所述的系统，其中，处理器子系统被配置为：基于所述检测器子系统的输出在不同的尺寸范围中将所述粒子初始分类，并且基于所述第一段磁力计传感器子系统的输出调整所述初始分类。

24.一种粒子计数和分类方法，包括：

将样品成像以确定样品单元内的流体中的预定尺寸以上的粒子的尺寸和形貌；

检测和确定流体中的所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子的尺寸；以及

根据它们的特征形貌以及多个尺寸范围中的铁类和/或导电粒子的数量计算并且报告流体中的所述多个尺寸范围中的粒子的数量、它们的形貌和它们的作为特定粒子类型的分类，包含：

基于成像在不同的尺寸范围中将所述粒子初始分类，并且基于流体中的所述预定尺寸以上的铁类和/或导电粒子的所检测和确定的尺寸调整所述初始分类。