ES2903348T3 - Sistema de monitorización de fluido - Google Patents

Abstract

Un sistema de sensor (1) para inspeccionar aceite, que comprende una célula micromecánica (10) formada por un primer elemento (101) y un segundo elemento (102), definiendo dichos elementos primero y segundo una cavidad (12), estando la célula micromecánica (10) configurada para permitir la entrada del aceite (5) dentro de dicha cavidad (12) y la salida del aceite (5) desde dicha cavidad (12) a través de la entrada (11a) y la salida (11b) respectivas, comprendiendo el sistema de sensor (1) dentro de dicha célula micromecánica (10): - un primer medio de protección transparente (13a) configurado para aislar la parte interior de dicho primer elemento (101) de dicha cavidad (12) que va a ocuparse con aceite (5); - un segundo medio de protección transparente (13b) configurado para aislar la parte interior de dicho segundo elemento (102) de dicha cavidad (12) que va a ocuparse con aceite (5); - una fuente de luz (14) dispuesta en dicho primer elemento (101) y configurada para emitir luz incoherente hacia dicho aceite (5) dispuesto dentro de dicha cavidad (12); - un sensor de imagen (17) dispuesto en dicho segundo elemento (102) situado en el lado opuesto de la cavidad (12) con respecto a dicho primer elemento (102) y configurado para capturar una secuencia de imágenes del aceite dispuesto dentro de dicha cavidad (12); estando el sistema de sensor caracterizado por que comprende, además: - una placa opaca (16) dispuesta entre dicha fuente de luz (14) y dicho primer medio de protección transparente (13a), teniendo dicha placa (16) un estenopo (165) configurado para permitir el paso de la iluminación hacia dicha cavidad (12) que va a ocuparse con aceite (5), estando dicho estenopo (165) situado a una primera distancia (z1) de un plano de enfoque (F) definido por dicha cavidad (12), estando dicho sensor de imagen (17) situado a una segunda distancia (z2) de dicho plano de enfoque (F) definido por dicha cavidad (12); y - un difusor (19) dispuesto entre dicha fuente de luz (14) y dicha placa (16) que define el estenopo (165), estando dicho difusor (19) dispuesto adyacente a la placa (16), estando dicho difusor (19) configurado para proporcionar una iluminación homogénea a dicha cavidad (12).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de monitorización de fluido

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo de la monitorización de fluido para determinar el estado general de los fluidos desde el punto de vista de su degradación y contenido de partículas. Más específicamente, se refiere al campo de la monitorización de aceite, en particular, aceites lubricantes, con el fin de conocer su estado de degradación y obtener información sobre la maquinaria lubricada por dichos aceites en función de su contenido de partículas.

Antecedentes de la invención

El aceite lubricante es uno de los componentes clave en muchas máquinas industriales y proporciona mucha información sobre el estado de la máquina. El calentamiento del aceite, por ejemplo, puede ser una señal de que la máquina no está operando en óptimas condiciones, y la presencia de partículas en el aceite puede indicar un fallo futuro o un desgaste considerable de los componentes lubricados. Incluso podría apuntar a la existencia de grietas o fallos en las juntas que podrían permitir la entrada de contaminantes externos. Algunos de los parámetros que son interesantes de monitorizar en el aceite lubricante son los siguientes: determinación de partículas (por ejemplo, cuantificación, clasificación de tamaño o determinación de forma), contenido de burbujas en el sistema o degradación del aceite en función del color.

Con el fin de evitar paradas y fallos en la maquinaria industrial debidos a razones relacionadas con la lubricación, actualmente se usan diferentes técnicas. Algunas de estas técnicas son metodologías de medición "fuera de línea" (análisis de muestras de aceite en el laboratorio). Sin embargo, a menudo no proporcionan una detección suficientemente temprana del proceso de degradación debido a la baja frecuencia con la que suelen tomarse estas mediciones. Asimismo, en muchos contextos (transporte, industrial, energía...) esta metodología de control conlleva una carga logística y financiera significativa.

Para hacer frente a este inconveniente, se han desarrollado tecnologías alternativas basadas en sensores para analizar el estado de la máquina en tiempo real. Entre estos detectores, son notables los basados en el análisis de imágenes. A modo de ejemplo, la patente US5572320 describe un detector de análisis de imágenes que incluye un sistema de iluminación basado en un láser pulsado. La detección se lleva a cabo por medio de una matriz plana de fotodiodos o fototransistores sensibles a la luz. Sin embargo, este sistema no es capaz de discriminar entre formas de partículas. Además, su célula de medición consiste en una parte móvil que coloca el aceite en un lugar específico, y esto complica el desarrollo y puede ser una fuente importante de errores.

A su vez, la patente US7385694B2 describe un detector a través de análisis de imágenes que incluye un sistema de iluminación basado en un láser pulsado y una cámara para recoger imágenes del aceite sometido a dicha iluminación. Sin embargo, el dispositivo de esta patente no permite que se proporcione una iluminación homogénea sobre un área de inspección que sea mayor que el propio haz de luz. Además, el dispositivo requiere una bomba con el fin de bombear el fluido a la zona de medición.

La solicitud de patente internacional WO97/40360 desvela un aparato basado en un sensor óptico para determinar la contaminación en el desgaste de la máquina midiendo las partículas de desgaste en un fluido usado en la máquina.

Además, la solicitud de patente internacional WO2014/154915A1 desvela un sistema para inspeccionar aceite basado en un sistema de iluminación, un sistema de captura de imágenes y una lente dispuesta entre el sistema de captura de imágenes y el flujo de aceite.

Las divulgaciones mencionadas anteriormente se basan en sistemas complejos que requieren muchos componentes; son voluminosos y difíciles de implementar en aplicaciones de destino en entornos industriales. Teniendo en cuenta que deben sumergirse en aceite e instalarse en el campo, el riesgo de fallo es alto, lo que implica trabajos y costes de mantenimiento y posibles fallos en la máquina bajo supervisión. Adicionalmente, las partes móviles requieren una muestra semiestática con el fin de obtener una imagen adecuada, que no es compatible con una muestra en ejecución.

Por otro lado, se ha informado de una tecnología de formación de imágenes sin lentes para aplicaciones biológicas, por ejemplo, por Sang Bok Kim et al. (Lens-Free Imaging for Biological Applications, Journal of Laboratory Automation, 17 (1) 43-49, ©2012 Society for Laboratory). La formación de imágenes sin lentes se basa en una fuente de luz que ilumina un objeto a través de un estenopo o abertura y un sensor de imagen situado en el otro lado del objeto. El objeto se enfoca correctamente gracias a los efectos de difracción generados en el estenopo cuando recibe el impacto de la luz coherente, incoherente o parcialmente coherente. Por lo tanto, no se requiere una lente de enfoque. Se ha demostrado que esta tecnología tiene aplicaciones biomédicas notables en microscopía, por ejemplo, en sistemas de diagnóstico portátiles.

A modo de ejemplo, la solicitud de patente internacional WO2012/094523A2 desvela un sistema para la formación de imágenes tridimensionales de un orgánulo contenido dentro de una muestra que incluye un sensor de imagen, un portamuestras adyacente al sensor de imagen y una fuente de iluminación que comprende luz coherente o luz parcialmente coherente. La fuente ilumina la muestra a través de al menos una abertura, cable de fibra óptica o guía de ondas ópticas, basándose en el concepto de formación de imágenes sin lentes. El sistema ilumina la muestra a través de una pluralidad de ángulos diferentes. Con el fin de lograr esta iluminación en diferentes ángulos, se hace rotar la fuente de luz. También se describe un generador de imágenes tomográfico portátil. Se basa en el mismo principio de formación de imágenes sin lentes. En lugar de hacer rotar una sola fuente de luz, se usa una pluralidad de fuentes de luz.

Además, la solicitud de patente de Estados Unidos US2015204773A1 desvela un sistema para la formación de imágenes tridimensionales de objetos móviles, tales como el esperma, basado en un sensor de imagen y un portamuestras adyacente al sensor de imagen. En este sistema, se usan dos fuentes de iluminación, cada una iluminando a una longitud de onda diferente.

Tanto el sistema desvelado en el documento WO2012/094523A2 como el desvelado en el documento US2015204773A1 implican metodologías de medición "fuera de línea" (análisis de muestras en el laboratorio). La muestra se confina dentro de un portamuestras o cámara y se aplica la técnica de formación de imágenes. Estos enfoques no son adecuados para mediciones en línea, donde se necesitan piezas mecánicas especiales para permitir un flujo continuo a través de la célula de detección. Adicionalmente, estas soluciones se basan en algoritmos con una enorme necesidad computacional para reconstruir las imágenes, lo que puede poner en peligro su aplicación en sistemas donde se necesita un alto rendimiento y una respuesta en tiempo real, por ejemplo, cuando se miden fluidos en movimiento.

Sin embargo, como ya se ha explicado, las máquinas industriales requieren un análisis de su estado en tiempo real. Por lo tanto, hay la necesidad de desarrollar nuevos sistemas para la inspección de aceite en tiempo real y con el mayor volumen de muestra posible, superando los inconvenientes citados.

Descripción de la invención

La presente invención intenta resolver los inconvenientes mencionados anteriormente por medio de un sistema de inspección de aceite con un tamaño y número de componentes reducidos con respecto a los convencionales. La reducción de tamaño mejora su portabilidad y su capacidad para implementarse en muchos más tipos de máquinas industriales, incluyendo el interior de otros componentes más grandes, como filtros o bombas. Su reducción en el número de componentes reduce el riesgo de fallos, aumenta su vida útil y facilita el montaje. Adicionalmente, es notable que la presente invención sea capaz de mejorar el área de inspección y el rendimiento óptico (contraste y aberraciones espaciales) manteniendo el mismo tamaño de detector. Esta contribución es la clave para aumentar el volumen de muestra inspeccionado por el sensor.

En un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de sensor de acuerdo con la reivindicación 1.

En una realización específica, el sistema comprende además un medio de procesamiento configurado para procesar dicha secuencia de imágenes y para determinar la presencia de partículas y burbujas y un valor de degradación del aceite.

En una realización específica, la fuente de luz comprende uno o más diodos LED.

En una realización específica, el sensor de imagen comprende un sensor CMOS o una cámara CCD.

En una realización específica, el estenopo tiene un diámetro que varía en el intervalo de 30 pm a aproximadamente 300 pm. Preferentemente, dicho diámetro varía en el intervalo de 50 pm a aproximadamente 150 pm.

En una realización específica, la primera distancia a la que se sitúa dicho estenopo desde dicho plano de enfoque está en el intervalo de 10 mm a aproximadamente 30 mm. Preferentemente, dicha distancia varía en el intervalo de 15 mm a aproximadamente 25 mm.

En una realización específica, la distancia a la que se sitúa dicho sensor de imagen desde dicho plano de enfoque está entre 1 y 3 mm. Preferentemente, la distancia varía entre 1 y 2 mm.

En una realización específica, el aceite está estático dentro de dicha cavidad. Como alternativa, el aceite está en movimiento dentro de dicha cavidad.

En una realización específica, la célula micromecánica comprende un primer elemento y un segundo elemento que definen dicha cavidad entre los mismos.

En una realización específica, la entrada y la salida están inclinadas con respecto a dicha cavidad, minimizando de este modo la separación entre el aceite situado dentro de dicha cavidad y dicho sensor de imagen.

A partir de la descripción detallada que sigue resultarán evidentes ventajas y características adicionales de la invención, y se señalarán específicamente en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran una realización de la invención, lo que no debería interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino únicamente como un ejemplo de cómo puede llevarse a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La figura 1 muestra un esquema de un sistema de sensor de acuerdo con una posible realización de la invención. La figura 2A muestra un sistema de sensor de acuerdo con otra realización de la invención.

Esta configuración tiene puntos de entrada/salida inclinados.

La figura 2B muestra un esquema del sistema de sensor de la figura 2A.

La figura 3 muestra en detalle el sensor de imagen, el plano de enfoque, el estenopo y las distancias entre el sensor de imagen y el plano de enfoque y entre el plano de enfoque y el estenopo.

La figura 4 representa un esquema general de un sistema de monitorización, incluyendo el sistema de sensor de la invención.

La figura 5 muestra una imagen capturada en un primer experimento del sistema de sensor de la invención. La figura 6 muestra la configuración de un segundo experimento del sistema de sensor de la invención.

Las figuras 7A-7C muestran los resultados de un segundo experimento tomado con un diámetro de estenopo = 500 |jm.

Las figuras 8A-8C muestran los resultados del segundo experimento tomado con un diámetro de estenopo = 200 jm.

Las figuras 9A-9C muestran los resultados del segundo experimento tomado con un diámetro de estenopo = 50 jm.

Las figuras 10A-10C representan imágenes capturadas en un tercer experimento del sensor de la invención. Descripción de una realización de la invención

La figura 1 representa un esquema de un sistema de sensor 1 para inspeccionar un fluido, de la invención. El fluido puede incluir partículas no deseadas y/o burbujas no deseadas. Se inspecciona el fluido con el fin de determinar la cantidad, naturaleza y tamaño de dichas partículas y/o burbujas. Este sistema de sensor 1 se ha concebido como un sistema autónomo con un funcionamiento totalmente independiente, que aporta mediciones autointerpretables, calibradas y corregidas para todo el intervalo operativo definido.

El sistema de sensor se basa en la formación de imágenes sin lentes. El sistema de sensor 1 comprende una parte óptica 1-O y una parte electrónica 1-E (o subsistema de procesamiento y adquisición de video). La parte electrónica 1-E, representada esquemáticamente en la figura 1 a la izquierda, es una convencional. En una realización preferida, es similar a la descrita en el documento WO2014/154915A1. La figura 1 ilustra un fluido 5 del que va a formarse una imagen que está dispuesto en una cavidad, espacio o área 12 entre una fuente de luz 14 y un sensor de imagen 17. Como se describe a continuación, el sistema de sensor 1 opera en una célula micromecánica 10 a través de la que circula el fluido 5 bajo supervisión. En una realización preferida, este fluido es aceite, más preferentemente aceite lubricante. El fluido 5 está estático o en movimiento (fluido en circulación) y accede al área bajo supervisión (cavidad, área o espacio de supervisión 12) a través de dos puntos de entrada/salida 11a, 11b. En otras palabras, el fluido 5 bajo supervisión se supervisa cuando llena un área de supervisión 12 dispuesta dentro de la célula micromecánica 10. Los puntos de entrada/salida 11a, 11b no son necesariamente paralelos a la cavidad 12 en la que se supervisa el fluido 5. Como alternativa, pueden inclinarse con respecto a esta área 12. De hecho, una configuración que tiene los puntos de entrada/salida 11a, 11b inclinados, como se muestra en las figuras 2A y 2B, contribuye a reducir la separación entre la muestra y el sensor de imagen (aún no descrito).

Dos elementos 101, 102 forman la célula micromecánica 10 que define entre los mismos una cavidad, espacio o área 12 en contacto fluido con la parte de entrada 11a y la parte de salida 11b. El espacio 12 está separado del resto del interior de la célula micromecánica 10 (definida por los elementos 101, 102) por unos medios de protección transparentes 13a, 13b. En este contexto, "transparente" significa "transparente en la longitud de onda operada por la fuente de luz 14", aún no descrita, es decir, los medios de protección transparentes 13a, 13b permiten que la luz pase a través de los mismos. Los medios de protección 13a, 13b, también denominados ventanas de protección, están fabricados de cualquier material transparente adecuado. Ejemplos no limitantes de materiales transparentes adecuados son plásticos, tales como PMMA o poliestireno (PS), o vidrio, tal como borosilicato, cuarzo o zafiro. Estas ventanas transparentes 13a, 13b sellan la cavidad o espacio 12 ocupado por el fluido 5 bajo supervisión. Estas ventanas 13a, 13b actúan como un sello, de manera que el fluido no se escape hacia el equipo óptico alojado dentro de la célula micromecánica 10. En otras palabras, el fluido pasa a través (o llena estáticamente) el espacio o área 12 y el fluido se inspecciona y mide "transversalmente". La eliminación de la lente de enfoque mitiga los problemas relacionados con los aumentos ópticos que dependen de la tolerancia de montaje. Por lo tanto, el sistema propuesto puede funcionar sin una autocalibración óptica. Sin embargo, si se necesitan mediciones de tamaño aún más precisas, los sellos o ventanas 13a y/o 13b pueden marcarse con patrones de precisión para calibrar cada medición individual, como lo describen los inventores en el documento WO2014/154915A1.

La parte óptica 1-O del sistema de sensor 1 comprende una fuente de luz 14 configurada para emitir luz, de tal manera que el fluido 5 (o flujo de fluido) que llena la cavidad o espacio 12 se somete a un haz de luz. En el esquema de la figura 1, la fuente de luz 14 está incrustada o integrada dentro de una tarjeta, tal como una PCB (tarjeta de circuito impreso) 15. La fuente de luz 14 tiene capacidades de modulación de luz en términos de potencia de luz y duración de pulso de luz. En una realización preferida, la fuente de luz 14 es una fuente de luz incoherente. En otras palabras, la fuente de luz 14 suministra preferentemente un haz de luz blanca al fluido 5. En una realización específica, la fuente de luz 14 comprende uno o más diodos LED (diodos emisores de luz) que iluminan continuamente el flujo 5 que circula a través de o llena la cavidad o espacio 12 entre los elementos 101, 102. Puede disponerse un difusor o ventana esmerilada 19 delante de la fuente de luz 14. El difusor 19 se expone con detalle más adelante. En otras palabras, en esta realización, la fuente de luz es un emisor LED. Preferentemente, el sistema de emisión de luz tiene un sistema de control (control de bucle cerrado) de la polarización del emisor LED basado en cambios de temperatura que evitan fluctuaciones en la emisión debidas a dichos cambios de temperatura. Como saben los expertos en la materia, cuando la temperatura sube hay una reducción en la emisión de los LED debido a una disminución en la eficiencia de los fotones. Por medio de este control, si la temperatura sube la potencia aumenta, de manera que la luz aparente emitida permanece constante. En una posible realización, la fuente de luz 14 también comprende un fotodiodo 21 cerca de la zona de iluminación para calcular el error de ese bucle cerrado. Un procesador incrustado, no mostrado específicamente, pero, por ejemplo, integrado dentro de la PCB 15, controla preferentemente la fuente de luz 14 a través de señales de control LED y datos de compensación. En una realización alternativa, la fuente de luz 14 es una bombilla de luz convencional o una lámpara de xenón con un filtro. De hecho, podría usarse cualquier fuente de luz incoherente (por ejemplo, una fuente extendida de banda ancha). La fuente de luz 14 tiene preferentemente un ancho de banda espectral que está entre 400 y aproximadamente 700 nm, aunque el ancho de banda espectral puede ser incluso menor o mayor.

Frente a la fuente de luz 14, al otro lado de la cavidad, espacio o área 12 a través de la que circula el flujo 5 (o simplemente, la cavidad, espacio o área 12 llena de líquido 5), se coloca un sensor de imagen o un sistema de captura de imágenes 17. La luz emitida por la fuente de luz 14 que no absorbe el fluido 5 se recoge por medio de un detector (por ejemplo, un fotodiodo o matriz de fotodiodos). En un sistema de inspección que implementa visión artificial, como es el caso del sistema de sensor 1, se usa iluminación de fondo, lo que significa que el elemento de receptor óptico (es decir, la matriz de fotodiodos) recoge la luz que pasa a través del flujo de fluido 5. En el esquema de la figura 1, el sensor de imagen 17 está incrustado o integrado dentro de una tarjeta, tal como una PCB (tarjeta de circuito impreso) 18. El sensor de imagen 17 está configurado para capturar una secuencia de video (es decir, un tren de imágenes) de la zona de interés 12 en el paso del fluido (preferentemente aceite). Esta captura de imágenes se lleva a cabo con una resolución espacial definida y manteniendo un criterio general de tamaño reducido y bajo coste. En otras palabras, la "resolución espacial definida" se refiere al hecho de que el sensor de imagen 17 es capaz de determinar un tamaño mínimo definido de partícula, que está en la región de 4 micrómetros sobre una cavidad de inspección o área 12 de aproximadamente 100 mm2. Esta resolución se logra optimizando varias condiciones, tales como el área a inspeccionar, el tamaño del sensor de imagen 17 y su número de píxeles. Se observa que el sistema 1 debe tener un tamaño pequeño y ser lo más compacto posible.

En una realización preferida, el sensor de imagen o el sistema de captura de imágenes 17 es una cámara, más preferentemente una cámara basada en un sensor semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) o un detector CMOS (el sensor CMOS es el componente de cámara que recibe la imagen). Por lo tanto, una cámara CMOS tiene una matriz 2D de fotorreceptores fabricados con tecnología CMOS. Por esta razón, ocasionalmente en este texto se usa la expresión "sensor CMOS" o "detector CMOS" para referirse al sensor de imagen 17. Como alternativa, el sensor de imagen 17 puede incluir, por ejemplo, una cámara del dispositivo de carga acoplada (CCD). El sensor de imagen 17 puede ser monocromático o de color. El sensor de imagen 17 tiene un tamaño de píxel pequeño y, por lo tanto, produce resoluciones más altas. En una realización específica, el tamaño de píxel del sensor de imagen 17 es inferior a 10,0 pm y preferentemente inferior a 6,0 pm (por ejemplo, 2,0 pm o menos). En una posible realización, se usa un sistema de adquisición y procesamiento de 15 fotogramas por segundo (15 FPS). Por ejemplo, puede usarse un detector Omnivision con una cámara de 14 megapíxeles. Con este sensor de imagen 17 se obtiene una resolución espacial mejor que el tamaño de píxel. Se observa que la invención propuesta es capaz de usar un área de inspección más grande que un sistema basado en lentes a las mismas distancias de colocación de objeto-detector-componente de luz.

El tamaño mínimo de partícula que debe ser posible discriminar es de aproximadamente 4 pm. El área a capturar en cada imagen por el sensor de imagen 17 debe ser tal que sea capaz de capturar partículas de 4 pm y más. En una realización preferida, el área a capturar es de varios milímetros cuadrados. En un ejemplo, dicha área a capturar es de 100 mm2 De manera deseable, la distancia z2 entre el objeto (plano de enfoque o plano de paso del fluido bajo inspección) y el sensor de imagen 17 es la mínima posible y no supera aproximadamente 5 mm, de modo que el sistema 1 es notablemente compacto y pequeño. La distancia z2 se selecciona para que sea superior a 1 mm, con el fin de dejar espacio para colocar el medio de protección transparente 13b, lo que es necesario con el fin de evitar que el fluido se escape hacia la cavidad interior del elemento 102. En particular, la distancia z2 está preferentemente entre 1 y 3 mm y más preferentemente entre 1 y 2 mm aproximadamente. El esquema representado en la figura 3 muestra en detalle el sensor de imagen 17, el plano de enfoque F situado en el fluido 5 bajo supervisión y la distancia z2.

Las imágenes (por ejemplo, la secuencia de video) capturadas por esta cámara se procesan en un procesador incrustado de la parte electrónica 1-E (por ejemplo, integrado dentro de la PCB 18). En una realización preferida, el procesador incrustado no mostrado es un dispositivo DSP (procesador de señal digital). Este procesador incrustado es el que analiza para cada imagen si hay burbujas y partículas, y las cuenta. En otras palabras, el procesador es responsable de extraer la imagen del CMOS y procesarla. Para hacer esto, tiene una memoria intermedia para su procesamiento posterior. En una posible realización, esta memoria intermedia es una memoria externa DDR2. En la figura 1, la parte electrónica 1-E comprende, además del medio de procesador y de memoria incrustado, unos sistemas auxiliares tales como una interfaz de comunicación, una fuente de alimentación, una memoria, un sensor de temperatura, entre otros. Además, hay una parte de software, formada por el grupo de algoritmos encargados de la detección y clasificación de partículas, la detección de burbujas y la determinación de la degradación. Detalles sobre la adquisición de video, el procesamiento de imágenes y el recuento de burbujas y partículas quedan fuera de la presente invención. Esta adquisición y procesamiento es preferentemente similar al descrito en detalle en el documento WO2014/154915A1. En una realización específica, en la que se requiere más precisión, la unidad de adquisición y procesamiento es responsable de aplicar algoritmos para la calibración dimensional de la medición. Básicamente, la autocalibración se basa en la identificación usando las marcas del sensor de imagen 17, de un tamaño conocido, hechas en las ventanas 13a y/o 13b, que también funcionan como ventanas de calibración, de manera que, a continuación, pueda escalarse cualquier imagen identificada. Se usan algoritmos de visión artificial, que usan directamente la imagen capturada por el sensor de imagen, en lugar de requerir una reconstrucción de la imagen o un preprocesamiento de la imagen usando técnicas holográficas. Esta autocalibración hace posible disminuir los efectos de la tolerancia mecánica y de montaje sobre el tamaño de las imágenes de partículas captadas en la cámara. La autocalibración permite, al contrario de los sistemas de supervisión de aceite convencionales, la compensación automática de estas diferencias en los tamaños de los objetos capturados debido a la dispersión de fabricación y montaje. También significa que no es necesario calibrar dimensionalmente cada unidad del equipo. Además, hace que el sistema sea más robusto frente a posibles degradaciones que se produzcan en la máquina. En otras palabras, los algoritmos de autocalibración imponen la precisión requerida del sistema a las marcas de autocalibración y no a todo el sistema micromecánico, aunque en la práctica el resultado equivale a imponer dichos requisitos de precisión a todo el sistema.

Entre la fuente de luz 14 y el medio de protección 13a (el medio de protección más cercano a la fuente de luz o, en otras palabras, el medio de protección que separa el elemento 101 de la cavidad, área o espacio de supervisión 12), hay una lámina, placa o filtro espacial 16. La lámina o placa 16 es opaca. En el contexto de la presente invención, "opaco" significa "opaco en la longitud de onda operada por la fuente de luz 14". La lámina, placa o filtro espacial 16 puede fabricarse de cualquier material, tal como plástico o metal. La lámina o placa 16 tiene una abertura o estenopo 165 contenido en la misma que está configurado para permitir el paso de la iluminación (por ejemplo, abertura o estenopo espacial). El estenopo 165 puede tener cualquier sección. En una realización específica, se ha implementado con una sección circular. El estenopo 165 tiene un diámetro que está normalmente en el intervalo de 30 pm a aproximadamente 300 pm. Más preferentemente, varía en el intervalo de 50 pm a aproximadamente 150 pm. Cuanto más pequeño es el agujero, más se mejora la calidad del haz, pero más se reduce la potencia. Si, por el contrario, se selecciona un agujero demasiado grande, es posible que la calidad del haz no se mejore tanto como se desea.

Gracias al uso de la abertura o estenopo 165, no es necesario usar una lente para transportar la imagen del objeto (el fluido 5) al sensor de imagen 17, como se requería en los sistemas de detección convencionales. En otras palabras, gracias al estenopo 165, el sensor de imagen (cámara) 17 es capaz de enfocar adecuadamente el objeto. El diámetro del estenopo 165 también afecta a la profundidad de campo, pero con los diámetros propuestos, la presente invención es capaz de ofrecer una profundidad de campo mayor que una solución basada en lentes. Se observa que evitar el uso de una lente, que en esta aplicación era normalmente una lente macro, ahorra una gran cantidad de espacio en el sistema de sensor 1 a la vez que mantiene un volumen de muestreo y una calidad de imagen aún mayores. Por lo tanto, se logra una reducción de tamaño, un aumento en la compacidad y una mejora en el volumen de muestreo y la calidad de imagen en todo ese volumen.

Como se ve en la figura 1, la abertura o estenopo 165 se sitúa a una distancia z1 del plano de enfoque o plano de paso del fluido bajo inspección (plano del área o espacio 12 ocupado por el fluido 5 bajo supervisión). La distancia z1 entre el objeto (plano de enfoque o plano de paso del fluido bajo inspección) y el estenopo 165 es, de manera deseable, la mínima posible, debido a que permite una reducción del tamaño de la célula 10. El esquema representado en la figura 3 muestra en detalle el estenopo 165, el plano de enfoque F situado en el fluido 5 bajo supervisión y la distancia z1. En una realización específica, la distancia z1 está en el intervalo de 10 mm a aproximadamente 30 mm. Más preferentemente, varía en el intervalo de 15 mm a aproximadamente 25 mm.

Los valores de z1, z2 y el diámetro del estenopo Dph pueden variar dependiendo de la aplicación para la que se use el sistema de sensor. En general, cuanto mayor es el diámetro del estenopo Dph, se necesita menos potencia de luz, pero se requiere una mayor z1 y se logra una menor z2. Por el contrario, reducir el diámetro del estenopo Dph, requerirá aumentar la potencia de luz aplicada, pero podría alcanzarse una menor z1 y una mayor z2, permitiendo un vidrio de protección más grueso entre la muestra y el detector, y permitiendo un sistema completo mucho más compacto. Como aproximación, puede usarse la siguiente relación:

Diámetro de objeto mínimo en el detector = Diámetro de estenopo * z2/z1

La selección de estos valores también depende del fluido bajo supervisión. Por ejemplo, si el fluido es estático, puede elegirse un estenopo de menor diámetro, debido a que, aunque pasa menos cantidad de luz a través del estenopo, el obturador del sensor de imagen (cámara) 17 puede permanecer abierto durante más tiempo sin poner en riesgo la calidad de la imagen tomada (debido a que el fluido no se mueve sustancialmente). Por el contrario, si el fluido está en movimiento, cuanto mayor sea su velocidad, mayor debe ser el diámetro del estenopo, con el fin de dejar pasar más luz a través del estenopo, minimizando de este modo el tiempo requerido para que el obturador del sensor de imagen esté abierto para capturar la imagen. Adicionalmente, la cantidad de luz que se permite pasar a través del diámetro del estenopo puede compensarse con un aumento de potencia en la fuente de luz.

Entre la fuente de luz 14 y el fluido 5 bajo supervisión, se coloca un difusor 19. El difusor 19 está situado entre la fuente de luz 14 y la lámina, placa o filtro espacial 16 que define el estenopo 165. De acuerdo con la invención, el difusor 19 se coloca adyacente a la lámina, placa o filtro espacial 16. La misión principal del difusor 19 es difundir la cantidad de luz emitida por la fuente de luz 14 con el fin de obtener una iluminación homogénea en toda la cavidad o área 12 (cantidad de fluido 5) que se está inspeccionando. En otras palabras, el difusor 19 aumenta la incoherencia de la luz emitida por la fuente de luz 14. El difusor 19 está fabricado de un material transparente que deja pasar la luz. Por lo tanto, la fuente de luz 14 puede iluminar el fluido 5 adecuadamente, y por medio del sistema de detección (sistema de imagen 17) es posible visualizar la zona iluminada y capturar la imagen del fluido. En una realización preferida, el difusor 19 está fabricado de vidrio, por ejemplo, un vidrio esmerilado. Gracias a este difusor 19 es posible iluminar el área bajo inspección de una manera aún más homogénea. Se ha observado que esto es importante con el fin de obtener resultados fiables (detección óptima de partículas). Como se muestra en la realización representada en la figura 1, es deseable dejar una cierta distancia d1 entre la tarjeta (por ejemplo, PCB) 15 y la superficie más cercana del difusor 19 con el fin de no calentar el difusor 19 por encima de una temperatura determinada. Teniendo en cuenta los valores típicos de potencia de la fuente de luz 14, se ha observado experimentalmente que la distancia d1 puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 mm. Más preferentemente, puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 3 mm (por ejemplo, 2 mm). El espacio dentro de la célula micromecánica 10 que no está ocupado por ningún componente está ocupado por aire libre. Este espacio se denomina 20 en la figura 1.

En resumen, el sistema de sensor 1 propuesto es muy compacto y de tamaño reducido. Se ha desarrollado un prototipo que tiene una longitud total de 45 mm aproximadamente. Esta longitud incluye la longitud L-O de la parte óptica 1-O y la longitud L-E de la parte eléctrica 1-E, en donde L-O = 31 mm aproximadamente y L-E = 14 mm aproximadamente. La anchura del sistema de sensor 1 es de 20 mm aproximadamente. Su altura es de 23 mm aproximadamente.

La figura 4 representa un esquema general de un sistema de monitorización o inspección en el que puede incluirse el sistema de sensor 1 de las figuras 1 y 2A-2B. Además del sistema de sensor 1 ya descrito, el sistema completo está compuesto por una serie de subsistemas conectados entre sí y contenidos dentro de un receptáculo o recipiente 50. Este sistema de monitorización o inspección es similar al descrito en el documento WO2014/154915A1. Los subsistemas son los siguientes:

un subsistema de acondicionamiento hidráulico, compuesto por componentes para el control de flujo 52, control de flujo de aceite por medio de la electroválvula 51, el control de presión 53, el filtro de seguridad 54 y las tuberías de entrada 55i y salida 55o. La lectura y operación de los elementos hidráulicos activos se lleva a cabo desde un subsistema electrónico 56. Cabe destacar que el subsistema de acondicionamiento hidráulico no incluye ninguna bomba. En una realización preferida, el sistema de la invención está diseñado para instalarse en un baipás del sistema de lubricación de determinada maquinaria. La instalación aprovecha las diferencias de presión para que el fluido circule hacia el módulo de medición 1 (sistema de sensor) donde tendrá lugar la inspección de aceite.

El subsistema electrónico 56 está formado por una plataforma electrónica incrustada para gestionar todos los subsistemas activos y gestionar los canales de datos. Esta plataforma electrónica incrustada realiza la gestión global de la información y el control de los subsistemas hidráulicos y de medición. Se considera que este subsistema incluye las tecnologías de conexión interna y externa y el sistema de potencia 57.

El recipiente y sistema de sujeción 50 incorpora las conexiones hidráulicas y eléctricas externas y el sistema de sujeción (no mostrado en la figura 4) al lugar de destino de la instalación. El sistema 50 está diseñado específicamente para su integración directa en los sistemas de lubricación de la maquinaria, pero sin influir en las condiciones operativas de la misma. Esto se logra por medio los subsistemas hidráulicos del sensor que hacen posible llevar a cabo muestreos controlados con bajo contenido en aceite lubricante. El contenedor y sistema de sujeción 50 aloja e integra los diferentes elementos de manera adecuada y permite la comunicación externa para la entrada y salida del fluido, a través de la entrada 55i y salida 55o respectivas (ya que la medición se lleva a cabo en el subsistema de medición 1) y proporciona las interfaces de comunicación y la fuente de alimentación 57 con el fin de poder llevar los resultados del sensor a la máquina en cuestión o donde se requiera.

Los subsistemas hidráulicos a su vez permiten acondicionar el fluido a medir, reduciendo de este modo los efectos de las condiciones o factores externos en el resultado final. El sistema también se ha desarrollado para evitar la influencia de factores ambientales como los cambios de temperatura. En este sentido, el sistema de sensor tiene unos medidores de temperatura que activan la intensidad del diodo emisor de luz y, por lo tanto, evitan las diferencias de emisión relacionadas con los cambios de temperatura.

Como puede observarse en la figura 4, el fluido entra en el recipiente 50 a través de la entrada 55i. El flujo de fluido sigue la dirección de la línea de flecha de puntos. El fluido circula por el interior del recipiente 50 a través de medios de canalización adecuados, tales como tuberías. A través de los accesorios de entrada y salida y los subsistemas es posible llevar a cabo un muestreo representativo del fluido (por ejemplo, aceite) y acondicionarlo para obtener medidas representativas de su estado real.

El control de flujo 52 hace posible que el sistema obtenga un flujo fijo que hace posible conocer la cantidad de fluido que se está midiendo y, de este modo, obtener la concentración de partículas en el mismo. En otras palabras, el control de flujo 52 hace posible dar valores de, por ejemplo, 100 partículas por mililitro. De otro modo, solo podría decirse que se detectaron 100 partículas, en términos absolutos.

El presostato 53 es un sistema de presión que garantiza que haya presión en el sistema y, por lo tanto, garantiza que haya un flujo de fluido (por ejemplo, aceite). Por lo tanto, es un presostato diseñado para identificar bajas presiones. El problema es que las máquinas en las que está instalado el sistema de sensor 1 no funcionan de manera continua, y cuando se detienen no hay presión de aceite, lo que significa que no hay entrada de aceite en el sistema de sensor, lo que da como resultado que la medición finalmente tomada no sea representativa, debido a que no se mide el aceite. Con el presostato 53 se detecta presión cuando hay y cuando no hay presión, con el fin de validar una medición tomada y, de este modo, garantizar de que se está midiendo aceite y no aire.

La electroválvula de entrada 51 realiza la función de permitir o no la entrada de aceite. Cuando la electroválvula está "ENCENDIDA", el sistema está abierto para que pase el aceite; y cuando la electroválvula está "APAGADA", el sistema está cerrado y el aceite no entra. Esto se lleva a cabo de manera que el aceite no fluya continuamente a través del sistema, por dos razones importantes: (1) llevar a cabo muestreos controlados e interferir lo menos posible con los sistemas de lubricación de la máquina; (2) garantizar que los subsistemas hidráulicos no se vean influidos por la suciedad que podría generar el flujo continuo de aceite.

Las flechas de ENCENDIDO/APAGADO indican con respecto a los componentes junto a los que aparecen en la figura 4, que estos componentes están controlados electrónicamente. Específicamente, en la electroválvula 51, la flecha de ENCENDIDO/APAGADO indica la apertura y el cierre de la entrada al aceite; y en el presostato 53, la flecha de ENCENDIDO/APAGADO proporciona una indicación del nivel de presión en el sistema. El presostato 53 está "ENCENDIDO" cuando se supera un valor de presión específico y, a continuación, se supone que ha entrado aceite.

A continuación, se explican algunos experimentos. Se han monitorizado estableciendo una conexión USB entre la tarjeta 18 y un ordenador.

Experimento 1

El objetivo de este experimento es ilustrar el rendimiento general del sistema mostrado en las figuras 2A-2B en términos de su capacidad para generar una imagen útil de la muestra de fluido para su procesamiento posterior. La muestra de fluido usada es aceite lubricante contaminado con restos de desgaste y burbujas de aire y agua.

La figura 5 representa una imagen capturada en este experimento usando un prototipo de acuerdo con las figuras 2A-2B. La fuente de luz era un LED blanco que tenía una abertura de haz de 60°. La placa que define el estenopo se colocó a una distancia de 1 mm del LED. El diámetro del estenopo era de 150 pm. Junto a la placa se colocó un difusor de 3 mm de espesor. En el prototipo, el aceite lubricante se aisló del sistema de sensor mediante dos ventanas de protección de 1 mm de espesor fabricadas de cuarzo. El aceite lubricante se introdujo en esa cavidad con una bomba hidráulica auxiliar a un caudal de 0,5 l/minuto. La distancia z1 desde la cavidad hasta el estenopo se seleccionó en 19 mm. El sensor de imagen era un sensor CMOS de 5 megapíxeles. La distancia z2 desde el sensor CMOS hasta la cavidad se seleccionó en 2,1 mm.

Como puede observarse en la figura 5, el sistema es capaz de capturar una imagen válida del fluido en movimiento donde las partículas de desgaste y las burbujas son reconocibles.

Experimento 2

El objetivo de este experimento es ilustrar el efecto del diámetro del estenopo 165 y de las distancias z1/z2 en los aumentos del sistema y la profundidad de campo. La configuración del experimento se describe en la figura 6. La configuración del experimento muestra una cámara CMOS de 10 megapíxeles 17, un objeto de muestra 25 situado a una distancia z2 de la cámara CMOS 17, una placa que tiene un estenopo 165 colocado a una distancia z1 del objeto 25, un difusor (3 mm de espesor/material PMMA) 19 colocado inmediatamente después del estenopo 165 y una fuente de luz parcialmente incoherente (LED blanco) 14 a 1 mm del difusor 19. El objeto de muestra 25 es una ventana transparente de cuarzo de 1 mm de espesor en la que se han micromecanizado 8 círculos (con un diámetro = 200 pm) en sus superficies interior (4 círculos) y exterior (4 círculos). En el esquema de la figura 6 solo se muestran dos círculos 250.

En el experimento, se combinan diferentes diámetros de estenopo con diferentes distancias z1/z2 para ilustrar el impacto en el plano de enfoque y en la profundidad de campo que se hace evidente en la nitidez de los círculos y su diámetro aparente en la imagen capturada. En particular, se han usado diferentes configuraciones de estenopos (500pm, 20o pm y 50 pm), con el fin de observar el comportamiento de cada uno de los mismos. Para cada configuración de estenopo, se han probado diferentes valores de distancias z1 y z2. En primer lugar, el objeto de muestra 25 se ha situado cerca de la cámara CMOS 17 (z2 = 0) y se ha determinado el valor óptimo de z1, en términos de lograr el mejor enfoque. Una vez que se ha determinado z1, se colocan la fuente de luz 14 y el estenopo 165. A continuación, se modifica la posición del objeto de muestra 25, obteniendo de este modo nuevos valores para z1 y z2. En cada posición se toma una captura de la imagen. Basándose en la fórmula:

Diámetro de objeto mínimo en el detector = Diámetro de estenopo * z2/z1

Se ha observado que:

- Dado un objeto de muestra y que tiene una determinada distancia z2, cuanto mayor es el diámetro del estenopo, mayor es la distancia z1 a la que se enfoca el objeto de muestra.

- Dado cada estenopo y dado un objeto de muestra, si se aumenta la distancia z2, también aumenta la distancia z1 a la que se enfoca el objeto de muestra. Este aumento es linealmente proporcional.

Las figuras 7A-7C muestran los resultados obtenidos con un diámetro de estenopo = 500 pm. La figura 7A muestra la imagen tomada cuando z2 = 0 mm y z1 z2 = z1 = 35 mm (enfoque óptimo). La figura 7B muestra la imagen tomada cuando z2 = 2,45 mm y z1 = 35 - 2,45 = 32,55 mm. La figura 7C muestra la imagen tomada cuando z2 = 4,9 mm y z1 = 35 - 4,9 mm = 30,1 mm.

Las figuras 8A-8C muestran los resultados obtenidos con un diámetro de estenopo = 200 pm. La figura 8A muestra la imagen tomada cuando z2 = 0 mm y z1 z2 = z1 = 28 mm (enfoque óptimo). La figura 7B muestra la imagen tomada cuando z2 = 2,45 mm y z1 = 28 - 2,45 = 25,55 mm. La figura 7C muestra la imagen tomada cuando z2 = 4,9 mm y z1 = 28 - 4,9 mm = 23,1 mm.

Las figuras 9A-9C muestran los resultados obtenidos con un diámetro de estenopo = 50 pm. La figura 9A muestra la imagen tomada cuando z2 = 0 mm y z1 z2 = z1 = 15 mm (enfoque óptimo). La figura 9B muestra la imagen tomada cuando z2 = 2,45 mm y z1 = 15 - 2,45 = 12,55 mm. La figura 9C muestra la imagen tomada cuando z2 = 4,9 mm y z1 = 15 - 4,9 mm = 10,1 mm.

Experimento 3: El efecto del diámetro de estenopo en el plano de enfoque y la profundidad de campo

Las figuras 10A-10C representan imágenes capturadas en este experimento. Para este experimento, incluso si se ha usado el mismo sistema prototipo que en el experimento 1, en este caso, la muestra de fluido lubricante se reemplaza por una muestra sólida transparente con un patrón micromecanizado en la misma. La muestra sólida tiene 1 mm de espesor y el patrón tiene 100 pm de profundidad. El patrón está boca arriba, por lo tanto, colocado a una distancia de 900 pm del plano interior de la ventana de protección. Con este prototipo configurado, el experimento evalúa la imagen capturada usando diferentes diámetros de estenopo (1,5 mm en la figura 10A, 0,5 mm en la figura 10B y 150 pm en la figura 10C). Puede observarse que cuanto menor es el diámetro del estenopo, se logra el mejor enfoque de imagen debido al desplazamiento del plano de enfoque y al aumento de la profundidad de campo.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de sensor (1) para inspeccionar aceite, que comprende una célula micromecánica (10) formada por un primer elemento (101) y un segundo elemento (102), definiendo dichos elementos primero y segundo una cavidad (12), estando la célula micromecánica (10) configurada para permitir la entrada del aceite (5) dentro de dicha cavidad (12) y la salida del aceite (5) desde dicha cavidad (12) a través de la entrada (11a) y la salida (11b) respectivas,

comprendiendo el sistema de sensor (1) dentro de dicha célula micromecánica (10):

- un primer medio de protección transparente (13a) configurado para aislar la parte interior de dicho primer elemento (101) de dicha cavidad (12) que va a ocuparse con aceite (5);

- un segundo medio de protección transparente (13b) configurado para aislar la parte interior de dicho segundo elemento (102) de dicha cavidad (12) que va a ocuparse con aceite (5);

- una fuente de luz (14) dispuesta en dicho primer elemento (101) y configurada para emitir luz incoherente hacia dicho aceite (5) dispuesto dentro de dicha cavidad (12);

- un sensor de imagen (17) dispuesto en dicho segundo elemento (102) situado en el lado opuesto de la cavidad (12) con respecto a dicho primer elemento (102) y configurado para capturar una secuencia de imágenes del aceite dispuesto dentro de dicha cavidad (12);

estando el sistema de sensor caracterizado por que comprende, además:

- una placa opaca (16) dispuesta entre dicha fuente de luz (14) y dicho primer medio de protección transparente (13a), teniendo dicha placa (16) un estenopo (165) configurado para permitir el paso de la iluminación hacia dicha cavidad (12) que va a ocuparse con aceite (5), estando dicho estenopo (165) situado a una primera distancia (z1) de un plano de enfoque (F) definido por dicha cavidad (12), estando dicho sensor de imagen (17) situado a una segunda distancia (z2) de dicho plano de enfoque (F) definido por dicha cavidad (12); y - un difusor (19) dispuesto entre dicha fuente de luz (14) y dicha placa (16) que define el estenopo (165), estando dicho difusor (19) dispuesto adyacente a la placa (16), estando dicho difusor (19) configurado para proporcionar una iluminación homogénea a dicha cavidad (12).

2. El sistema (1) de la reivindicación 1, que comprende además un medio de procesamiento configurado para procesar dicha secuencia de imágenes y para determinar la presencia de partículas y burbujas y un valor de degradación del aceite.

3. El sistema (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha fuente de luz (14) comprende uno o más diodos LED.

4. El sistema (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho sensor de imagen (17) comprende un sensor CMOS o una cámara CCD.

5. El sistema (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho estenopo (165) tiene un diámetro que varía en el intervalo de 30 pm a aproximadamente 300 pm.

6. El sistema (1) de la reivindicación 5, en donde dicho diámetro varía en el intervalo de 50 pm a aproximadamente 150 pm.

7. El sistema (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha primera distancia (z1) a la que está situado dicho estenopo (165) desde dicho plano de enfoque (F) está en el intervalo de 10 mm a aproximadamente 30 mm.

8. El sistema (1) de la reivindicación 7, en donde dicha distancia (z1) varía en el intervalo de 15 mm a aproximadamente 25 mm.

9. El sistema (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha primera distancia (z2) a la que está situado dicho sensor de imagen (17) desde dicho plano de enfoque (F) está entre 1 y 3 mm.

10. El sistema (1) de la reivindicación 10, en donde dicha distancia (z2) varía entre 1 y 2 mm.

11. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho aceite (5) está estático dentro de dicha cavidad (12).

12. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde dicho aceite (5) está en movimiento dentro de dicha cavidad (12).

13. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichas entrada (11a) y salida (11b) están inclinadas con respecto a dicha cavidad (12), minimizando de este modo la separación entre el aceite (5) situado dentro de dicha cavidad (12) y dicho sensor de imagen (17).

14. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha fuente de luz (14) está incrustada dentro de una tarjeta (15) y la distancia entre dicha tarjeta (15) en la que está incrustada la fuente de luz (14) y dicho difusor (19) está en el intervalo de 1 mm a 5 mm.