CN1295250A - 采用螺旋布置的电极监测流体状况 - Google Patents
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Abstract
一可通过充满监测流体的容器外壁插入的探头具有可浸入流体中的延伸体,一对电极丝以一定间隔排列成螺旋形缠绕其上。在一个实施例中电极以等间距缠绕,在另一个实施例中以密间距区和疏间距区缠绕,在第三个实施例中一对电极以平行间隔盘旋缠绕,其缠绕间距要大于电极对的两电极间距离。热敏电阻置于延伸体上提供流体的温度信号。电极循序地被具有分数赫兹频率(小)或赫兹频率(高)的低电压激励,进行测量电流和温度。
Description
本发明涉及对容器中流体状况的实时监测，如对内燃机储油槽或动力传动装置中油的监测。这种装置的一个例子在罗伯特A．保尔(Robert A．Bauer)等人的共同未决申请“流体状态监控器”中给出图示和介绍，其申请号为09／220，556，提交日期为1998年12月23日，并已转让给本发明的受让人。
前述保尔等人的申请所介绍的流体状况监测，是通过具有间隔的平行电极，最好是平行板式电极的探针，以第一次赫兹频率，第二赫兹频率的电压循序地激励探针，并测量电流在第一激励和第二激励时的电流差值，所测电流的差值然后与已知流体状况电流差值检查表中储存值进行比较，流体的状况可以即时确定。若所测的流体状况处于预先设定的，例如不宜继续使用的临界值，微型计算机会发出信号。
前述保尔等人申请的平行板式探针，虽然总的来说是有效的，但在安装到某些密封的液体容器，如发动机油槽和动力传动箱时，已经发现有一些麻烦和困难。因为探针必须要求有足够的电极表面积，要求有坚固可靠的密封防止油料损失，要求能够耐受发动机和动力传动装置润滑油的高温。已经发现前述平行板式探针应用在监测发动机和动力传动润滑油时尺寸过大，因为已规定电极板表面积要小，这同时产生了发动机的油槽或动力传动箱不能为探针插入开较大口或孔的限制。
所以，希望能有用于电阻抗流体监测的探针装置，尤其是能用分数或次赫兹频率的低电压来激励探针。探针要足够小和足够坚固能够插入流体容器特别是发动机油槽和传动箱的很小开口。
本发明提供一种探针，用于低电压、小电流、电-阻抗监测流体状况，用分数赫兹频率激励探针进行探针电流测量。
本发明探针装置的外形可使探针经小孔或小开口插入，因此特别适于安装在发动机油槽或动力传动箱。本发明的探针用一对电极丝围绕支撑体或芯轴螺旋缠绕，该支撑体或心轴通过容器上的小孔浸入待监测的流体。电极的端部连接到穿过支撑体延伸的导线，支撑体结构最好是带螺纹的探头形式，可以插入流体的容器上的开口并在此被密封。在一实施例，盘绕的电极丝以螺旋间隔缠绕。在不同实施例中，盘旋缠绕有第一平均间距区，另一个区则以大约两倍于第一区间距的第二平均间距缠绕。在另一个实施例，双电极丝以确定的均匀间距以平行间隔排列均匀地一起缠绕。
图1是本发明的一个实施例的侧视图；
图2是图1实施例的顶视图；
图3是本发明安装到容器内的另一个实施例的截面图；
图4是图1实施例的局部放大图；
图5是本发明的另一个实施例类似于图4的放大图；
图6是本发明的又一个实施例类似于图4的放大图；
图7是图1中实施例的等效电气图；
图8是一个应用本发明的以分数赫兹(低)频率和赫兹(高)频率低电压激励探针的系统方框图；
图9是用于图8中系统的控制器的程序流程图；
图10是图5中本发明的螺旋缠绕电极置于合成机油中得到的作为频率的函数的阻抗值曲线图；和
图11是根据用本发明螺旋探针测量含1％防冻液(ATF)的发动机冷却液污染时得到的，作为激励电压频率的函数的未污染流体的百分比变化图。
本发明涉及罗伯特A．保尔等人的共同未决申请“流体状态监控器”中主要内容，其申请号为09／220，556，提交日期为1998年12月23日，已转让给本发明的受让人。该内容在此被结合引用。
参考图1，2和6，本发明的探针装置通常用10表示，其包括一通常用12表示的探头或基体，和螺纹基部14。探头12也希望有径向外延伸的较大直径的法兰部分16以有助于安装，探头可以有扁平的或六角的形状。而且，探头12还设置了一般是细长的从螺纹基部14轴向延长的支撑体18。参阅图2，图1的实施例的支撑部分18在横截面有肋状或十字架状的形状，但也可以有别的形状，例如将在后面介绍的管状。
参考图6，支撑体18有盘旋缠绕其上的一对分别记作20和22电极丝，以彼此分隔的螺旋状盘旋排列，其间距用参考字母P来表示。这对电极以轴向互成角度大致是等间隔来排列。电极间的间隔相当于间距P的一半，用参考字母S来表示。支撑体18的横向尺寸在图6中以参考字母D来表示。电极的厚度或电极丝20，22的直径在图6中用参考字母T来表示。在目前的本发明所选实际应用中，考虑到低电压激励探针应用到如前面提到的保尔等人申请中介绍的电-阻抗技术，支撑体由具有高电阻和低介电常数的材料制作，以减少漏电量。在目前本发明的实际应用中，本发明的探针装置期望用于监测一般用在客车发动机的如特定的5W-30合成机油状况；以及用于监测重型或轻型卡车传动及客车自动传动所用传动液体的状况。应用于监测一种客车机油(PCMO)时，所用的探针令人满意，其尺寸公布在下表1中。
| 表一 |
| L=1．5英寸(38毫米) |
| D=．289英寸(7．3毫米) |
| S=．010～．050英寸(0．25～1．27毫米) |
| P=2S |
| T=．018英寸(．46毫米) |
在本发明的实际应用中，具有表一中公布的尺寸的探针还被用于矿物基客车机油(PCMO)监测并得到满意的结果。但应当明白对上述尺寸的修正要适应支撑体所需的横向尺寸。如果采用较小的尺寸D，电极丝20，22的盘旋缠绕的长度则必须增加，以提供相同数量的电极表面积以所保证所需电气灵敏度。
若需要的话，对温度敏感的热敏电阻24固定于支撑体18，分开的导线连接热敏电阻并穿过如图1中虚线所示探头12上的孔26延伸。
参考图3，本发明的另一个实施例通常表示为100，具有通常表示为102的带螺纹的探头，其具有从那里延长的细长的支撑体104，其具有如图3所示的空心管状结构。图示的探头安装在用参考数字108表示的流体容器壁上的螺纹孔106中。探头102具有大直径的法兰盘110，其通过适当的○型圈112与外壁108的外表面密封。一对电极丝114，116盘旋缠绕于支撑体104则以截面图显示。要知道支撑体104的垂直于盘旋缠绕电极丝114，116的轴的截面的外周(未示出)形状可以是多边型或圆形。
一对电气引线118，120位于用螺纹固定于探头102法兰端接头内，并用封装材料122将导线密封在那里。各导线118，120的一端延伸进入支撑体104的孔124内，分别与电极丝114，116之一连接，如图3中虚线所示。
参考图5，探针的另一个实施例通常表示为200，其包括支撑体或杆202，两个电极丝204，206以螺旋间隔排列围绕其缠绕。先以间距P和间隔S缠绕距离L1，S最好是P的一半；电极丝继续以增大的间距，在目前的实际应用中其大约为2P，和间隔2S螺旋缠绕长度L2。实施例200的双间距螺旋布置，将间距为P，间隔为S，长度为L1图5中被标记为小间隔区的区段作为对流体和电极界面的表面阻抗敏感性高的区段；而间隔为2S，间距为2P，长度为L2在图5中被标记为大间隔区的区段对流体的体阻抗有高的敏感性。因此，图4的电极排列提供了一种提高探针对通过探针电流测量的电-化学现象的敏感性的方式。参考图7可知道电流是与常数电压激励的阻抗变化成比例，因此是全部阻抗ZAC变化的电模拟。要知道ZAC是电阻的变化产生的阻抗和探针检测到的容抗的总和，受到电流流过流体时体阻抗和电极表面作用产生阻抗变化的影响。
参考图6，另一个实施例通常表示为300，具有与探头部分(未示出)相连的支撑体或杆302，其近似于图1的探头12。杆302被一组电极丝304，306缠绕。电极以平行间隔S和间距P盘旋排列。实施例300有不同的间距，间距P大于2S或是间隔的两倍。应知道增加间距将会增加探针的长度来保证相同数量的电极。
在本发明目前所提出的应用中，支撑体18，104，202，302最好由具有低介电常数(高介电性能)，高体阻抗和高表面电阻，最好不小于1012欧姆-厘米，的材料制作。在目前所提出的应用中，杆的部分用聚四氟乙烯(PTFE)材料制作。应知道其它材料也可以使用，如对聚苯硫，或任何在润滑油温度高达150℃时保持稳定的材料。在目前发明的实际应用中，电极丝是由美国钢铁协会303(AISI type303)不锈钢制作，但其它合适的材料也可以用。
参考图8，所显示的系统500应用了本发明。其中本发明的探头装置10，100，200，300浸入容器501中的流体，一个对温度敏感的热敏电阻502也安放在其中。探头装置10，100，200，300受到有效值为1．0伏的恒电压从激励源506沿导线504以．04赫兹然后以1赫兹循序的激励。探头10，100，200，300通过其它的导线508连接到电流-电压转换器510的输入端，其输出沿导线512连接到包含有微计算机的控制器514的输入端。控制器514内的微计算机经导线516，518连接到一个温度传感器，如热敏电阻502，并以现有技术都掌握的方式通过测量热敏电阻502的电阻变化来测量容器501内的流体温度。虽然图8中示意性地显示热敏电阻502是分开安装。但应知道热敏电阻可以图1所显示的方式固定在探针10，100，200，300上。控制器514的输出沿导线517连接并激活状况显示器520和／或提供一输出沿线路522连接到一个操作员警报。
控制器514收到使用人员启动开关528，例如发动机点火系统开关，沿导线526发出的输入信号，然后控制器514沿导线530输出一个信号激活电压源506。
参考图9，所显示的是图8中控制器514的动作流程图，其中，探针10，100，200，300在步骤400被有效值大约为1伏的电压以较低的0．04赫兹(低)频率和较高的1～10赫兹(高)频率循序地激励。系统进行到步骤402并测量电流值I．04赫兹和I1赫兹以及流体温度TF。
系统然后在步骤404计算各测量电流IH和IL的阻抗。
系统然后进行到步骤406，用在步骤404计算出的ZL值减去步骤404计算出的值ZH，得到差动阻抗ΔZ。
系统然后进行到步骤408，进入储存有在各种已知流体状况作为温度TF的函数的ΔZ值的检查表，依据ΔZ，从步骤406得到的TF和从步骤402得到的TF找出流体状况。然后，系统进行到步骤410并作出是否步骤408中决定的流体的状况小于预定的临界值的决定。如果在410步骤所作决定是肯定的，系统退回到步骤400。但是，如果在410步骤的决定是否定的，系统在步骤412进行激活操作员警报和／或在步骤414显示流体的状况。
参考图10，用发明的如图1～4所示螺旋探针测试5W30合成客车机油(PCMO)，其新油和老化油的阻抗ΔZ的欧姆值被当作激励电流频率的函数而绘出。从图10可以看出螺旋电极在高频和低频产生了显著的和容易辨别的阻抗变化，因此是测量油状况改变的有效装置。
参考图11，用发明的螺旋探针浸入市场上买来的被百分之一(1％)含有乙二醇基抗冻液的发动机冷却液污染的自动传动液进行测量，绘出了作为激励电流频率的函数的以百分数(％)表示的阻抗ΔZ变化值。从图11可以看出在本发明使用的高频率和低频率，在被污染的和未被污染的两组测试之间出现了近乎完全的电抗性阻抗Zi改变，因此证明了螺旋电极在检测传动液污染方面的有效性。
本发明提出了独特和新颖的螺旋结构的探针用于实时测量流体状况，监测流体是通过较低电压小电流电-阻抗进行。测量是通过较低的电压和小电流以分数赫兹(低)频率然后以赫兹(高)频率电流循序地激励探针。
在低频率和高频率都测量电流，然后计算出阻抗ZH和ZL。根据ZH和ZL计算阻抗的差ΔZ。根据检查表储存的各种流体状况下作为温度的函数的ΔZ值，找出相对计算出的ΔZ和测出的温度的流体状况。如果得到的流体状况发现小于预定的阈值或临界值，该系统可以激活操作员警报和／或显示得到的流体状况。
虽然本发明已在上文介绍了有关的图示的实施例。应当知道本发明可以修改和变化，但要被下面的权利要求所限制。
Claims (17)
1．一传感器探针装置，可以次赫兹(低)频率和赫兹(高)频率进行低电压，小电流，电-阻抗循序的测量，用于监测具有开口的容器内流体的状况，其包括，
(a)用于固定的基体结构，可作为所述容器开口的封盖，包括实现所述开口的密封的操作装置；
(b)支撑结构，从所述基体结构延伸浸入容器内的流体；和
(c)一对相互间隔大致是平行的导体盘旋缠绕于所述支撑结构，还包括穿过所述基体结构延伸的导线装置，供从所述容器外电气连接到所述导体，其中各个所述导体电气连接到各所述导线装置。
2．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，所述支撑结构包括一个有多尖截面的心轴，所述一对导体以大致均匀平行间隔螺旋缠绕其上。
3．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，所述探头有可以螺纹连接到所述开口的螺纹部分。
4．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，还包括位于所述支撑结构的热敏电阻，和通过所述基体结构连接到所述热敏电阻的导线装置。
5．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，所述导体以螺旋式互成角度布置。
6．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，所述供实现密封的操作装置包括一个弹性环形元件。
7．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，所述基体结构包括一个具有螺纹部分的探头，及从那里延伸的所述支撑结构，和远离所述支撑结构并带有从其延伸的导线装置的大直径法兰部分。
8．如权利要求7所述探针装置，其特征在于，所述导线装置延伸到所述大直径法兰部分的外部。
9．如权利要求1所述探针装置，其特征在于，所述支撑结构包括与所述导体接触而有较低介电常数的表面。
10．一种通过电-阻抗测量监测容器内流体状况的方法，包括，
(a)将探头布置在所述容器的开口，支撑体从所述探头延伸浸入所述容器的所述流体并绕所述开口密封；
(b)将一对互相间隔的导体以螺旋排列于所述支撑体，从其连接导线装置并穿过所述探头进行外部连接；
(c)测量容器内流体的温度，并提供那里状况的可指示的电气信号；
(d)用较低的交流电压循序地以分数赫兹(低)频率和赫兹(高)频率激励所述电极；
(e)测量所述分数赫兹频率激励时的电流并据此进行一个参数的计算；
(f)将所述参数和温度与已知流体状况时作为温度的函数的参数值比较并决定所述容器内的流体状况。
11．如权利要求10所述方法，其特征在于，所述排列一对导体的步骤包括螺旋缠绕所述导体于所述探头的所述支撑体。
12．如权利要求10所述方法，其特征在于，所述测量温度的步骤包括将一个热敏电阻放置于所述探头的向内延伸部分并将电导线穿过所述探头连接到所述热敏电阻。
13．如权利要求10所述方法，其特征在于，所述延伸支撑体的步骤包括对所述一对导体对提供有相对低的介电常数的表面。
14．如权利要求10所述方法，其特征在于，所述放置一对导体的步骤包括以平行间隔的方式螺旋缠绕所述导体于所述支撑体。
15．如权利要求10所述方法，其特征在于，所述放置一对导体的步骤包括螺旋缠绕所述导体丝，其横向尺寸为大约0．018英寸(0．46毫米)间隔大约为0．030英寸(0．762毫米)。
16．如权利要求10所述方法，其特征在于，所述放置一对导体的步骤包括螺旋缠绕所述一对导体对于所述支撑体。
17．如权利要求10所述方法，其特征在于，从所述探头延伸支撑体的所述步骤，包括形成聚四氟乙烯材料的支撑体。
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