JP2001526781A

JP2001526781A - 油質の電気的測定装置及びその方法

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Publication number: JP2001526781A
Application number: JP54785098A
Authority: JP
Inventors: コリスター・クリストファー・ジョン
Original assignee: ラブリガードリミテッド
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2001-12-18
Also published as: CA2291756A1; EP0980522B1; ATE230112T1; US6459995B1; DE980522T1; WO1998050790A1; DE69810288D1; EP0980522A1; GB9709290D0; DE69810288T2; ZA983853B; KR20010012375A; AU7344198A

Abstract

(57)【要約】油の誘電係数に基づいて油質を測定する油質測定装置は、油に曝して設けられる油の容量又は放射センサ（２２）と、センサ（２２）を含む発振回路とを備える。この発振回路は、ＬＣ又は水晶発振器を備えるとともに、振幅が油の損失係数Tanδに依存する出力信号を出力する。油質測定装置は、更に、出力信号の振幅を油質基準値として応答する測定手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】油質の電気的測定装置及びその方法技術分野本発明は、ディーゼル燃料、又は、作動油、ギヤボックス油、変圧器油或いはエンジン油に適用可能であり、潤滑油に好適である油質の電気的測定の装置及びその方法に関し、特にエンジン、機械、或いはフィルタにおいて用いるのに好適な装置及びその方法に関するものである。背景エンジンの潤滑油における複素誘電率（又は誘電係数）は使用するにつれて変化する、つまり、実数部及び虚数部ともに油中の溶解・浮遊成分が変化するにつれて変化することが何年も前から知られている。この成分とは、例えば煤粒子、水、酸性燃焼生成物、グリコール、鉄金属粒子、非鉄金属粒子等である。又、油はしばしば粘着性向上剤、酸化防止剤等の添加物を含むがこれらの添加剤は継続的なエンジンの使用によって破壊される傾向にあり、この傾向は酸化や全般的な劣化を加速させる水や金属粒子が存在するときに顕著である。加えて、エンジンの信頼性及び寿命が潤滑油の品質に決定的に依存することも周知であり、油質が不適切と判断されるべき限度を検出する装置の必要性も認識されている。この装置は特に、１ミクロンの単位までの粒子を除去する二次的なバイパスエンジンフィルタと共用すると有効である。又、このようなフィルタが油ポンプからの出力の１％を通過させると仮定すると、フィルタの入力と出力における差圧は非常に低いため測定が困難である。従って、フィルタ要素が閉塞しているかどうかを知ることも困難である。しかしながら万が一閉塞が起こると、バイパスフィルタが異物を除去する効果が失われてしまい混入物の濃度が急速に上昇する。このような濃度の上昇や変化の割合は油質監視装置によって検出することができ、これいによりフィルタやフィルタ要素の交換を行うことができる。油質監視装置が油質の劣化を示した場合は、エンジン或いは機械からサンプルを抽出し、抽出したサンプルを適切な研究所や施設に送り高度な分光分析や化学分析を行って過度の煤、水、グリコール、酸化物、或いは、金属粒子が混入していないかを明らかにすることができる。又、殆どの油は酸化や電気的絶縁破壊により劣化すると、結果としてもとの油より高い極性の分子を有する生成物を生成する。基油はしばしば多くの炭化水素を有し、この炭化水素は通常僅かに極性を有するのみであるため、混入物の存在によって油の複素誘電率の実数部及び虚数部のどちらか一方或いは両方が結果的に増加する。つまり、誘電率を測定する油質監視装置は、例えば変圧器油や酸化を導きやすい高温や攪拌にさらされるギヤボックスや変速機の油における変化を測定するのに適している。変速機及び揚水機のような他の油圧装置も、ぬれたり湿ったりした環境で作動させた結果水によって汚染される可能性があるが、水は油の複素誘電率の実数部及び虚数部のどちらか一方或いは両方において増加を招くので本発明による装置で検出することが可能である。公認の研究所による油の高度な分析では、油のサンプルに対して一連のテストを行うが、テストの１つは通常誘電特性を測定する基本的な測定であり手動で行われることが多い。本発明の油質監視装置は、自動化された生産ラインに取り入れることが可能である。本発明を応用して、エンジンやオイルレベルゲージ用の孔に挿入するのに適した細長い可撓性のロッドの先端に検出ヘッドを取り付ければ、他の油質測定装置では行うことが出来ないエンジンや機械の油を取り出さずに行う油質測定が可能である。先行技術の説明 Hopkins及び他の者によるUS 3182255は、潤滑油の一滴あたりの絶縁耐力（ｓｉｃ）の変化に応じて静電容量が変化する容量型の素子を含むブリッジ回路を用いてその一辺における交流インピーダンスを測定する装置を開示する。しかしながらこの装置は、油のサンプルを実際に車両から取り出すことを必要とし、しかも測定の結果得られたパラメータが誘電率の実数部であるか虚数部であるのか区別できない。絶縁体を有するコンデンサのインピーダンスは先ず実数部に依存し次に虚数部に依存するため、例えば実数部が全く変化が無い場合であっても、例えば炭素粒子の存在が引き起こすような絶縁損失における変化があるならば誘電率の係数又は大きさに変化が生じる。この大きさが、通常曖味に「誘電率」と称されるものである。同じくHopkins及び他の者による別の特許US 4064455も類似のブリッジ回路を開示するが、ここではブリッジ回路をデータ記憶装置及び計算機能と共に用いている。 Warenghem及び他の者によるEP 0291363は、静電容量が炭素粒子の濃度につれて変化する平行板コンデンサを開示する。このEP 0291363においては、静電容量は複素数として定義されておらず、係数又は大きさとして扱われているが、静電容量を実際に測定する手段については示唆していない。 Meitzler及び他の者によるUS 4733556は、シリンダブロックとフィルタの間に装着する平行板コンデンサセンサを装着し、静電容量の大きさの変化を利用して連動する発振器の周波数を変化させる技術を開示する。この周波数における変化を測定し、これを煤の含有量とではなく粘性係数に対して比較する。確かに有極性液体の複素誘電率は粘性係数と共に変化することが知られている。しかし粘性係数は煤含有量が増加するにつれて増加する傾向にあることも又周知である。粘性係数の増加は、煤粒子が分子よりも非常に大きいという点で巨視的な影響であり、誘電率の測定結果によって粘性係数を導き出すことは、煤を多く含んだ油においては信頼性に欠けると言える。 Nagy及び他の者によるUS 4345202が開示する技術では、８〜１２ＧＨｚの周波数帯のマイクロ波を用いてエンジン油の煤係数を測定し、これにより同軸伝送線における定在波の節位置をエンジンの油だめに浸漬された伝送線上に配置した複数の検出器を使って特定する。 Schmitz及び他の者のUS 5134381は、燃料／アルコール混合物が軸方向に流れるようにした同軸静電容量センサの使用を開示する。静電容量センサの測定結果により燃料のアルコール度が測定でき、又先行技術と組み合わせれば含水率も測定することができる。静電容量センサは、センサのインピーダンス及び可能であれば位相ずれを測定する目的で外部発振器により励起されるようである。この他にも、エンジン油以外の流体又は流体物質、その殆どがはっきりとした多相を呈する、における比誘電率の測定に関する装置は数多くある。例えば、US 2121920は、タバコの質量及び含水率を測定する手段を開示しており、平行板静電容量テストセルがインダクタンスと直列に配置されている。この結果得られるＲＬＣ回路を発振器を用いて手動で掃引することにより共振させその応答の大きさと周波数を測定する。 CoxによるUS 5272444は、石油流体の温度、抵抗率及び誘電率の測定することによりその含水率及び塩度（含水率）を測定する方法を開示するが、センサの機械的構成の詳細については開示していない。しかしながら、このセンサは、所定の周波数即ち１５ＭＨｚ及び３０ＭＨｚの内のどちらか一方の周波数で運転される発振器によって励起されることは明らかである。 Suh及び他の者によるUS 4932243は例えば高分子ペレット等の物質の含水量を静電容量センサを用いてオンラインで測定する手段を開示する。この静電容量センサは、３つの伝導性同心円筒を備え、測定される物質はこれを軸方向に通過する。静電容量及び誘電損失は、詳細には説明されていないが「周知の技術」を用いて測定される。 Dechene及び他の者によるUS 4288741は、一方の液体が伝導性を有すると仮定される二相流体の変位電流及び伝導電流の両方を測定し、それにより比較的少ない量でこの相を測定する方法を開示する。これは、所定の周波数を有する発振器により静電容量センサを駆動し、交流励起電圧により生じる比較的大きな伝導電流と比較的小さな容量性電流に分解することによって可能になる。 PreikischatによるUS 4181881も又、様々な物質のいわゆる誘電係数及び伝導率を測定する装置を開示する。この装置は一括テスト方法のための装置であり、静電容量センサの詳細については活性中心電極を備える接地した長方形の箱体と説明しているに過ぎない。この静電容量センサは、安定化水晶発振器により励起され、ブリッジ回路はセンサにおける電圧の位相及び振幅を測定する。 ReulendによるUS 3979581は、外部掃引発振器からの信号で静電少量センサを励起させてタバコの質量を測定する方法を開示する。この装置においては、復調器及び微分器によって周波数と振幅を振幅共鳴が発生する値に設定し、弁別器によりそのときの周波数を測定する。静電容量センサは、正確な詳細は示されていないがサイズ不明の平行板コンデンサであると見受けられ、その大きさはタバコの質量と同じ位である可能性もある。 McBreartyによるGB 2249636は、溶融ポリマの誘電係数及び損失係数を測定する積分コンデンサを用いた列設誘電センサを開示する。測定は、センサを正弦波発生器によって励起して行う。GB 2249636においては、電圧変換器とロックイン増幅器への電流を用いて結果として生じる交番電流の振幅及び位相を測定すると記述されている。 WO96/28742は、ディーゼルエンジン内の潤滑油のオンライン監視に特に適した装置を開示し、油を連続的に監視することが必要又は望ましいことについて述べている。この装置の基本的な原理は油の誘電係数を測定しサンプルから最大量の情報を抽出することにあり、電磁石を配置して鉄粒子を平板組み合わせ静電容量センサ近傍に集中させる。組み合わせコンデンサは興味深く有効な構成ではあるが、静電容量をコンデンサの寸法に関係づける所与の数式は平行板の構成を参照しているという点で不正確であると言える。コンデンサは油の誘電係数につれてその周波数が変化する発振回路の一部を構成する。ブッロク図にも本文中にもインダクタが記述されていないため、この回路は静電容量センサの寄生インダクタンス或いは自己インダクタンスによる自己共鳴するタイプのものであると判断される。発明者は「センサ要素は発振回路によって駆動され、（中略）単安定マルチバイブレータを用いてセンサ要素の静電容量に対応した周波数の出力信号を発信する」と記述している。これはつまり、発振周波数は直接センサの共鳴周波数によって決定されること、或いは発振器の周波数は、センサの自己共鳴周波数と一致するまで調節されることを意味する。いずれの場合も、測定されるのは周波数であり、実際に測定されるパラメターは誘電係数（誘電率とも称される）の大きさである。周知の通り、コンデンサの静電容量を誘電体としての油を用いて測定し、よって油質と誘電係数とを相互に関係づけようと試みた装置は幾つかあるが、これらの装置はいずれもLC共振回路接続時の交流インピーダンスにおける変化、或いは周波数における変化のいずれかを測定する。しかしながらこれらの場合も実際に測定されるのは静電容量の大きさであり、これは誘電体のTanδの損失によっては僅かしか変化しないが、誘導率によって変化する。従って上記のような装置は、基油のタイプに最も敏感に左右され、Tanδ損失には二次的に左右されるのみであるという欠点を有する。発明の開示本発明は、油の誘電係数に基づいて油質を測定する油質測定装置において、油に曝して設けられる油の容量センサと、前記容量センサを含む発振回路とを備え、前記発振回路がＬＣ又は水晶発振器を備えるとともに、振幅が油の損失係数Ta nδに依存する出力信号を出力することを特徴とし、更に、前記出力信号の振幅を油質基準値として応答する測定手段とを備えたことを要旨とするものである。特に、振幅はTanδの値に反比例する。Tanδは、ε”を複素誘電率の虚数部、 ε’を実数部とした場合、ε”／ε’の比率によって表される。油はディーゼル燃料或いは他の軽鉱油であればよいが、潤滑油がより好ましい。従って、発振器の出力は誘電物質（油）の損失の変化につれて変化するが、この誘電物質の損失における変化は基本的に油の煤濃度、酸性度及び極性酸化生成物における変化によって決定される。そしてこの発振出力における振幅の変化によって油質の測定が可能になる。本発明は、ディーゼル燃料、エンジン油、或いは油圧式変速機や機械用の油、電気機械用の油など、電気的絶縁破壊或いは水分の侵入が原因となって汚染物質が油に生成される可能性がある油に適用できる。本発明は又、前記の電気的測定装置を有するエンジン又は機械に関するものである。特に前記センサは、エンジンや機械の油供給トンネル或いは油だめに適用できる。又は、前記センサを例えば油バイパスフィルタ等、エンジンに装着された油フィルタに適用することもできる。本発明は又、エンジンに装着するための油バイパスフィルタに関し、当該油バイパスフィルタは、前記の電気測定装置を含む。本発明は又、油の誘電係数に基づいて油質を測定する油質測定方法に関するものであり、本発明に係る油質測定方法は、容量センサを含む発振回路であって当該発振回路がＬＣ又は水晶発振器を備えるとともに、振幅が油の損失係数Tanδ に依存する出力信号を出力する発振回路を用いて、前記振幅を油質基準値を求めるのに使用することを要旨とするものである。前記センサは、好ましくは概ね同軸或いは半径方向に対称なセンサヘッドに組み込まれたものであり、孔又は溝をあけて油がセンサの電気的活性面上を自由に流れるようにすることが好ましい。前記センサヘッドは、典型的には直径約１０ｍｍ程で、エンジンが備える１／８"ＮＰＴ（National Pipe Thread）或いは、１／４"ＢＳＰ（British Standard Pipe）などの油圧スイッチの孔に十分挿入できる位の大きさである。発振電子装置は、センサヘッドの背後にある隙間に位置する。センサヘッドは幅約３０ｍｍ、奥行き２０ｍｍである六角形の中空ナット形状とすることができる。電気回路構成要素は油の温度とほぼ同じになるので、例えば１５０℃までの高い温度で動作する構成要素を含んでいる。誘電物質中で温度依存性の変化を考慮した補償を随意に加えても良い。温度変化がトランジスタ、インダクタ及びコンデンサなどの電子部品に影響し、そのため回路の出力が油の誘電性とは無関係に温度に左右されることは周知である。又、油の電気的性質そのものも温度に影響される。最も目を引く影響は、関心がある範囲である約３０℃から１５０℃において密度の変化が実質上線形であることである。つまり、汚染物質の濃度は体積に反比例するので、温度の上昇につれ当然低下することになる。しかしながら、油の粘性係数もそれと同時に低下するので構成分子の運動の自由がより増してしまう。液体の双極子モーメントの平均が高くなればなるほど温度に対する依存性は高くなることは理論的に示される。広い温度範囲で正確に作動するにはある種の補償が必要である。小型の温度センサが該電子装置に内蔵されており、小型の温度センサからの出力は適切な緩衝手段を介してセンサヘッドからディスプレイユニットに伝えられる。ディスプレイユニットは、発振器の出力電圧及び温度センサからの出力を入力として受け取るマイクロプロッセッサを内蔵している。適切な探索テーブル又はアルゴリズムを用いて適切な調節を行って、最終的な表示が３０℃から１５０℃ の範囲に渡り温度非依存性を示すようにすることができる。概ね、温度に対する発振器の出力を表す曲線は誘電率と温度の二変数の相関関係にあるので、完全な補償には二次元的な探索テーブル或いはアルゴリズムが必要となる。しかしながら実際は、適切な動作周波数を選択すれば曲線の傾きは汚染物質の濃度に僅かに左右されるのみになるのでより簡潔な一次元テーブルを用いることが可能になる。図９に、発振器の出力における変化を温度に対してプロットした幾つかの典型的な曲線を示す。最も上に位置する曲線は汚染されていないエンジン油についての曲線であり、下に位置する曲線ほどより汚染された油について表している。油は一般に、炭化水素と各々の油に特有の添加物との複合混合物であり、そのため発振器の出力はその厳密な組成により僅かながら異なる。この出力の変位は、（図１０に示すように）実際に様々な製造業者による様々な油を幅広く試した場合の標準偏差においてで僅か数パーセントに過ぎないことがわかっている。しかしながら、本発明の校正手段はエラーを引き起こす可能性のあるこの僅かな原因をも取り除くために設けられている。車両や機械が汚染されていない油を供給されると、マイクロプロセッサは適正な動作温度に到達すると同時に設置されたスイッチから又はコード化されたトランスミッタから入力を受け取り、このときの特定の値がメモリに格納される。これを基準ラインとして以降の読み取り値を比較する。車両や機械のバッテリーの取り外しなどによって主電源が遮断された場合でも、メモリ内に保存された内容は例えば電気的に消去・書き込み可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）に保持される。油の耐用期間は典型的には３００から５００時間であるが、上記のＥＥＰＲＯＭは又この期間にわたり抽出した数百セットの読み取り値を格納することもできる。その後、格納されたデータは引き続き行われる検査及び分析のためにコンピュータにダウンロードされるか、或いは適切な暗号化を施した後遠隔地に、例えば無線で送信される。油質測定値に加えて、装置の出力における変化もエンジンの健康状態を示唆する重要な要素であるので、出力の時間に対する傾斜が予想外に増加するとこれは汚染物質の急激な増加を示唆している場合が多く、ダメージが起こる前に早急な補修が必要とされる。データの信頼性を向上させるためには、マイクロプロセッサが例えば１０回の測定値を短い間隔をおいて受け取り最終的に表示或いは保存される値が測定値全体の算術平均になるようにようにするとよい。マイクロプロセッサの出力は、最終的には視覚的に確認できるよう警告灯或いはブザーとしてもよいし、又はテストや診断を目的とする場合には英数字で表示してもよい。本発明の好適なセンサにおいて、センサ本体はアース電位であるのに対し統合型自動車用コネクタは、出力信号用のピン、温度出力用のピンそして更に１２Ｖ又は２４Ｖの直流電流入力用のピンを有する。一実施例において二次的フィルタを装置と共用しているが、これにより一貫して高品質の油を使用することになり油の排出間隔を延ばすことができ、ひいてはコストの節約とエンジンの信頼性の向上につながる。加えて、油の分析によりエンジンの欠陥の兆候が読みとれるので早期の調整及び計画的な予防保守を行い、費用のかかる動作不能時間を回避することが可能になる。本発明による好適な装置は、例えば安価な自動車用圧力センサに比較しても非常にコストが安く小型でしかもエンジン或いは機械に殆どもしくは全く手を加える必要が無いという長所を有する。装置は、好ましくはエンジン或いは二次的フィルタに恒久的に取り付け油質をエンジン或いは機械の耐用期間を通じ継続的に監視するための装置である。本装置は又、概ね３０℃から１５０℃の範囲、作動油の場合には２０℃から１００℃の範囲、の温度変化には影響されないという長所を持ち、又製造業者の違いによる基油のタイプにも影響を受けない。実施例の装置は、直接エンジン或いは車両から１２Ｖ或いは２４Ｖの電力を供給を受け油の電気的性質につれて変化するアナログ電圧から成る出力を生成するが、この信号を使って計器盤ディスプレイを駆動して油の現状を操作者に示すようにしてもよい。又、この計器板ディスプレイにはフィルターの交換、油の交換、或いはサンプルの抽出・分析を促すための可視或いは可聴の警告手段を備えても良い。また更に他の実施例として、出力を車両搭載コンピュータに送りこのコンピュータにおいてデータを定期的に抽出・メモリに保存し、リアルタイム分析、或いは後にダウンロードして検査するのに用いることも可能である。また更に他の実施例として、センサには概ね２００から３００ＭＨｚで動作するとともに幅約８ｍｍ、長さ約２０ｍｍのプリント回路基板（ＰＣＢ）に搭載される発振器を備えることも可能である。構成要素を表面に取り付けることにより小型化が実現される。センサヘッドは、ＰＣＢに直接取り付けられ孔を穿った金属カバーで取り囲まれている。この金属カバーは機械的な保護、電気的な遮蔽、及び放射した電磁エネルギーの反射通路を供給するためのものである。又、サーミスタ等の小型の温度検知要素も取り付けることが可能であり、この場合出力はボーデンケーブルの外側部分のような可撓性の中空のチューブを通って伝送される。発振器は、分離された安定電源から中空のチューブを通して電力を供給される。発振器のバイアスポイントを慎重に選択すれば、発振器の電圧がTanδに応じて変化するにつれて電流も確実に変化するようにでき、これにより油の汚染がもたらすTanδのどんな変化も反映させることができる。温度補償も既に述べた方法で温度センサからの出力を測定しディスプレイユニットにおいて修正を施すことにより適用される。また更に他の実施例として、温度センサからの出力をデジタル化して電源リード線に搬送することも可能である。このサイズのセンサは、車両の計量棒（通常オイルレベルを調べるのに用いる）の先端に取り付けて使用するのに適しているし、或いは修理工場及び検査施設で使用する別個の装置の一部として組み込み、これを用いて停止状態にある車両や機械の油質の即時検査することも可能である。センサはエンジン中の油、作動油、ギアボックス或いは他の非極性鉱油を使用するどんな装置の油質測定にも用いることが可能である。以下に本発明の選好実施例を図を参照しながら例を挙げて説明する。図１（ａ）は、本発明によるセンサヘッドの回路図を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すセンサヘッドの測定及びディスプレイ手段との接続を示す。図２は、図１（ｂ）に示すセンサヘッドの断面を示す。図３は、外側シリンダの代わりに伝導性のピンを設けた第２の実施例によるセンサヘッドを示す。図４（ａ）は、シリンダブロックに装着したセンサを示す。図４（ｂ）は、シリンダブロックの代わりに、エンジンの油受けに装着したセンサを示す。図５は、エンジンの二次的バイパスフィルタに装着したセンサを示す。図６は、異なるタイプのエンジンから採取した種々の油について装置の出力を煤濃度に対してプロットしたグラフを示す。図７は、典型的な小型ガソリンエンジン自動車の出力変化を走行距離に対してプロットしたグラフを示す。図８は、大型ディーゼル商業車についての図７と同様のグラフを示す。図９は、汚染レベルが異なるエンジン油についての温度に対するセンサの出力を表す幾つかの曲線を示す。図１０は、異なる銘柄のエンジン油のセンサ出力の変位を示す。図１１は、全ての周波数に対する誘電率の実数部と虚数部の典型的なプロットを示す。実施の形態本発明の物理的基礎鉱物潤滑油は、抵抗が高い無極性液体の誘電体である。すなわち、鉱物潤滑油の非交番伝導電流は、これに煤その他の伝導性粒子を充填させた場合であっても、無視できる程度である。鉱物潤滑油は、誘電係数により特性づけられ、その誘電係数は、一般的に実数部と虚数部とからなる複素数で表され、次の式で表される。 ε＝ε’−ｊε” この式は、次のように表すこともできる。 ε＝ε’（１−ｊ Tanδ）ここで、ｊ＝√（−１），Tanδ＝ε”／ε’である。位相角δは、誘電体の損失基準値又は散逸因子であり、一部を形成する同調回路から得られる最大振幅を決定するものである。あらゆるコンデンサにおいて、静電容量は、εに比例するため、静電容量は、一般的に複素数で表され、次の式で表される。Ｃ＝Ｃ₀(1−ｊ Tanδ）ここで、Ｃ₀は、非損失誘電体の静電容量の値である。静電容量の強度又は係数には、次の関係がある。｜Ｃ｜＝Ｃ₀√（１+ｊ Tan²δ）上述したように検出要素が単一のコンデンサである場合には、損失誘電体については直感的に明白であり、数学的分析は簡単である。しかしながら、損失誘電体の媒体中へ放射する短アンテナの形態をとるため、その媒体特性の特性は、アンテナ上の負荷に影響を与える。この場合の分析においては、アンテナ近傍のフィールド要素は重要であり、そしてより複雑であるが、発振回路による効果は同一である。従って、電圧及び電流は媒体のTanδの値に応じて変化する。これらの変化は、油質の変化として測定され解釈される。通常の動作周波数での未使用の潤滑油においては、Tanδは通常0.01程度となり、汚染が浸透すると、その値は0.1程度にまで増加する。一方、ε’は通常2.2 5から2.45の範囲内にある。数パーセント程度の低濃度の煤では、Tanδは、ほぼ煤の濃度に比例するが、この変化に対応したε’の変化は多くても数パーセントである。このことは、Tanδが油質を示すのに最も好適であるが、クリーン油の組成の違いには影響を受けず、油の使用により、また、順次浸透する汚染により Tanδの変化率が最も大きくなることを意味する。エンジン油の煤のほか、悪影響を及ぼす汚染源として、酸化生成物が挙げられ、これは作動油中にも存在する。酸化は、特に油が熱い時に起こりやすく、銅、鉄又は水その他の触媒の存在により促進される。これらの生成物は、通常、アルコール、アルデヒド及びケトンにより構成され、濃度を変化させながら更に酸とエステルに分解される。これらの分子は、強い双極子モーメントを有するため、無極性溶媒中では、油は幾分、極性物質の希釈溶液となる。各極性分子は、所定の緩和時間又は緩和時間の分散に関連づけられるが、緩和時間及びその分散は、温度に依存する。従って、温度が上昇するにつれて粘性は低下し、これにより双極子移動度が大きくなり緩和時間が短縮される。極めて低い周波数帯域から数ＧＨｚの高周波数帯域にわたる全周波数帯域についてε”をε’に対してプロットすると、図１１に示した曲線が得られる。このデータに適合した経験的モデルは、下記のコール・ダビッドソンの式を変形して得られる。（ε−ε∞）／（ε₀−ε∞）＝（１＋（ｊωｔ）^α）^- ^β，０＜α＜１ここで、α及びβは、正の実数であり、多くの種が現れる緩和時間τの分布を反映している。β＝１のときは、曲線は円弧の形態をなす。αの効果は、虚数軸の下方へ円の中心を下げることであり、βの効果は、円の形を歪めることである。βは通常極めて１に近い値である。この式の検証により、動作周波数の選択には注意を要することがわかる。上述の式の微分により、周波数ωが低いと周波数に応じてTanδの急速な変化を招き、Tanδは、発振回路の安定性に対して過敏になる。Tanδのピーク値では、周波数に応じたTanδの変化速度はゼロであるが、これが成立するのは、所定温度にある所定の油のみであるため、非常に限られた条件以外では、当該機器は使い物にならない。より高周波数では、変化速度は低くなり、Tanδについても同様のことがいえるが、感度と正確さの観点から、又、温度と汚染物との観点から油交換が必要になる。当該機器の大きさが小さいと、高めの周波数での使用形態を受け継ぐが、この周波数の高さは不必要にコスト高な構成要素や技術が必要となるほど高いものではない。 Tanδが小さいときは、次の式で表される。 ω＝ω₀（１−１／４ Tan²δ）従って、Tanδの変化が小さいと、これに対応してωの変化が小さくなる。 Δω＝−１／２ω₀Tanδ．Δ（Tanδ） Tanδの変化に起因する周波数の相対変化は、次の式で表される。 Δω／ω＝−１／２ Tanδ．Δ（Tanδ）この式から、Tanδの値が小さいと（通常の場合）、周波数の変化が小さくなることがわかる。 Tanδの決定 Tanδは、種々の方法によって検出されるが、そのうちの一つの方法として図１に示した同調回路での電位差を測定する方法がある。並列のＬＣ又はＲＬＣ回路のインピーダンスが励振周波数が共振周波数に近づくにつれて高くなること、及び同調回路の電位又は電圧が同じ割合で増加することは周知である（Tanδが小さい場合、位相共振及び振幅共振は、ほとんど同一である。前者はリアクタンスの点又はインピーダンスの虚数部で定義されるものでありゼロをとる。一方、後者は振幅が最大となる点で定義される。）。見かけ上の増幅は、回路の共振の鋭さを示す"Ｑ"によって表され、これは一般的にはＲＬＣ回路のリアクタンスと抵抗との比であるが、損失誘電体に関する項は、単に1/Tanδである。仮に同調回路のインダクタに抵抗がないと仮定すると、インダクタ及びコンデンサのインピーダンスはそれぞれ次の式で表される。Ｚ_L＝ｊωＬ１／Ｚ_c＝ｊωＣ₀（１−ｊ Tanδ）ここで、ωは回路の電流の角周波数である。位相共振は二つのインピーダンスが等しい場合に起こる。すなわち、次の式が成り立つ場合である。 ω₀ ²＝１／（ＬＣ₀）この周波数においてはインピーダンスの強度は次の式で表される。｜Ｚ｜＝√（Ｌ／Ｃ₀）．１／Tanδ そして、回路の電圧はTanδに反比例し、全ての他の損失は無視される。Tanδ の変化が小さいと、電圧の変化割合はTanδの変化割合に比例する。すなわち、次の式が成り立つ。 ΔＶ／Ｖ＝−Δ（Tanδ）／Tanδ 従って、上述の式の負の符号により、Tanδの増加は、電圧Ｖの減少を意味する。Tanδに応じた周波数の変化について上述した分析と比較すると、電圧の相対変化は、Tanδの値が小さいのに対して大きいことに留意すべきである。従って、振幅（周波数よりもむしろ）を選択すれば、最適な調整ができることがわかる。同調回路の電圧が変化すると仮定すると、同調回路及びその発振回路の電流は、両者とも変化する。電流の変化は、発振回路の電圧変化を反映したものであるため、この値はTanδ、ひいては油質を示すのに利用することができる。このことを利用すれば、センサから二本のワイヤ線を引けば済む。すなわち、一本は電源用（そこで電流が測定される）、もう一本は温度センサの出力用である。これら二本の出力はデュプレックス形態にしてもよく、そうすれば、センサ本体をグランド接続して一本のワイヤ線を使用するのみで足りる。本発明に係る一実施形態の説明図１（ａ）に示したように、センサヘッドＨの検出要素であるコンデンサ１は、１ｐＦ〜５０ｐＦの静電容量を持ち、インダクタ２（高いＱ値を示す）に同軸コンダクタ９を介して並列接続されている。インダクタ２の交流電圧はトランジスタ３のベースへ直列／結合コンデンサ４を介して印加され、この直列／結合コンデンサ４はインダクタ２の直列電流を遮断すべく設けられている。トランジスタ３は、フィードバック要素が設けられており、回路は、例えば、コルピッツ発振器からなる。この場合においては、直列コンデンサ４及びフィードバックコンデンサ５，６は検出値を増加させるべく検出コンデンサ１に対向して設けられている。すなわち、共振周波数は１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの値となるように検出コンデンサだけでなく、拡張素子であるコンデンサ４，５，６によっても決定される。バイアス抵抗７，８の値は、回路の全"Ｑ"に対する効果が小さくなるように選択される。発振回路からの出力は、トランジスタ３のエミッタから取り出され、これにより、低インピーダンス出力が保証され検出回路１０へ流れこむ。その直流出力は、トランジスタのベースの振幅信号値に比例し、その高周波数成分はフィルタリングにより除去される。次に直流信号は、低出力インピーダンス増幅器１１へ流れ、この低出力インピーダンス増幅器１１によってゲインが絞られ、更に、検出器と出力との間でのバッファリングがしやすくなる。他の実施形態においては（図示省略）、センサ出力は、単に発振回路による電流のみでもよく、安定化定電圧源を含む表示手段において測定すればよい。更に他の実施形態においては、温度センサからの出力は電源供給線上でデュプレックス構成としてもよい。増幅器のフィードバックループには、更に、温度検知要素、例えば、ダイオードやサーミスタなどが設けられる。これらは、所定の油サンプルの温度とは無関係にほぼ一定出力を維持するために用いられる。本実施形態においては、センサは、温度センサ１２を含む。温度センサ１２は、その出力が表示板へ直接流れ、そしてソフトウエアによる温度補償を行うことによって読み取られ解釈される。図１ａに示したように、回路への供給電圧＋Ｖは、電圧安定器１３から取り出され、電圧安定器１３もまた温度に依存する要素である。当該機器に対する電源投入は、１２Ｖ又は２４Ｖがよく、自動車の電圧供給に際して予期される１２０Ｖまでの電圧上昇に対してはサージサプレッサにより保護される。電源投入端子ＩＮ及び信号出力端子ＯＵＴは、ＥＭＣ／ＲＦフィルタ１４ａ，１４ｂによるＥＭＣ防護を組み込んだものである。これにより、当該機器の高周波数エネルギー出力が回避されるほか、外部発振源からの高周波放射による影響が回避される。図１ｂは、マイクロプロセッサ１５に接続されたセンサヘッドＨ、及び表示板１６を示したものであり、マイクロプロセッサへの入力は、温度に依存する電圧ＴＥＭＰとセンサからの出力電圧ＯＵＴである。マイクロプロセッサは、メモリ１７と、データとキャリブレーション値とを記憶する記憶手段と、温度補償用の参照テーブルとを含む。容量センサセンサは、図２の断面図に示したように、同軸コンデンサの形態をなし、通常その直径は１０ｍｍ程度である。また、シリンダ２２，３３間の環状スペースで油が自由に流れるように、センサには外側シリンダ３３内に貫通孔又は溝３０が設けられる。他の実施形態では（図示省略）、内側シリンダ２２に貫通孔を設けてもよい。油の流れは少なくともほぼセンサの角度に対して９０度をなす。センサＨの金属製本体２０の一部をなす外側シリンダ３３は、グランド電位にあり、内側シリンダ２２との環状ギャップの大きさは、フリンジ効果を含む静電容量がほぼ１ｐＦ〜５０ｐＦとなるように選ばれる。内側シリンダ２２は、センサＨの本体２０内の細軸又はスクリューと同様に後方へ伸び、プリント回路基板（ＰＣＢ）２３に電気的に接続されている。ＰＣＢ２３と検出ヘッドとの間のスペースは、エンジンからＰＣＢ仕切部への油流入を防止できるように設計されており、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又はＰＥＥＫ（ポリエチルエチルケトン）その他の絶縁性物質による弾性圧縮シール材又は"Ｏ"リング３１及び／又はブッシュ２５が組み込まれている。外部の電気的接続は、例えば、くわ型コネクタや成形自動車用コネクタ２６によってなされる。ＰＣＢ２３は、止めスクリュー３２によって所定位置に固定されている。外側シリンダ３３には、保護用の孔開き遮蔽又は金網が設けられている。もっとも、金網は設けなくてもよい。動作周波数の波長は一般的にはセンサのディメンジョンよりも非常に大きいため、貫通孔又は溝の効果は小さく、高い空隙率が可能となる。同心コンデンサの環状領域においては、電界は実質的に均一であり、電極間の体積に制限される。誘電媒体におけるあらゆる変化は、対応する複素静電容量の変化に影響される。コンデンサの外側のアースされた部分が完全に除去されると、内側の要素が誘電媒体に対して放射することになる。電気的には短アンテナのように振る舞うこの要素のインピーダンスは、そのディメンジョン、動作周波数及び媒体の電気的特性に依存することになる。従って、検出要素は、電界全体を含むコンデンサの形態をとることは必須ではなく、スタブ形態であってもよい。試験用センサの導関数を導くには、洗浄が簡単になるようにできるだけ検出要素が開いているとよいが、放射エネルギーは最小限で済むようにする必要がある。また、容器内で使用されるセンサの位置や物質の変化には、センサ自体が影響を受けないことが必要である。この要求仕様は、アクティブ又は通電状態の検出要素の近傍にある一又は複数のグランドピン又はグランド素子によって満たせばよい。第二実施例においては、外側シリンダにある検出ヘッドは、垂直ピンと置き換えてもよく、この場合には、ピンが設けられた中央コンダクタリンクの周りの交流電磁界が垂直ピンと連結されるようにすればよい。図３は、同軸外側コンダクタに４本のグランドピン５０を設けたセンサの外観を示したものである。中央コンダクタ５２は、誘電媒体へ放射する短アンテナのような効果をもたらす。第三実施例においては、検出ヘッド（図示省略）は、グランド接続された外側部分が全くない点で異なった構成をとる。そのためその外側部分は、エンジン部分に設けられることになる。この第三実施例においては当該機器のパフォーマンスは、上述のハードウエアの正確な位置に従うことになり、動作周波数は主として結合・フィードバックコンデンサ４，５，６によって決定されることになる。更に他の実施例においては、機械的損傷を回避すべく、金属製の孔開き遮蔽や金網によって電磁遮蔽（センサ周辺は影響を与えないように）や電磁防護を設けるようにしてもよい。仕切部２７は、電気的素子を含み、円柱状の形態をなし、六角ナットのような六角形状の棒の中に形成され、エンジンやマシンへの取付がしやすくなっている。それは、通常幅３０ｍｍ、深さ１８ｍｍの大きさであり、例えば、真鍮で組み立てられている。ゴミや水分の流入に対する防御として、また、衝撃や振動に対する防御として、仕切部２７は、シリコンゴムやエポキシ樹脂その他の適切な充填化合物で満たしておくとよい。更なる防御としては、内部的又は外部的に生成されるＲＦエネルギーに対する遮蔽を設けることが挙げられる。図４ａは、本発明に係る装置の応用例を示したものであり、センサＨは、エンジン６０の高圧油供給ポート６２へ直接取り付けられている。この油供給ポートは、第一油フィルタ６４の近くにあり、エンジン６０は、通常、電源へ通じる少なくとも一つのタップ接続された孔を有しており、しばしば、油圧スイッチや送信器の取付に使用される。同時に作動する油圧スイッチや送信器用のアダプタを取り付けることを条件として、油質センサは、上述の開口のうち一つを利用することができる。更なる応用例によれば、センサを油流に曝した状態で、Ｔ型部材を油冷却器やターボチャージャーへの油供給源に設けてもよい。図４ｂは、本発明に係る装置の更なる応用例を示したものであり、本発明に係る装置は、エンジン６０の油溜め６６に取り付けられている。大型ディーゼルエンジンは、通常の排出プラグに加え、通常少なくとも一の他の油溜めプラグが設けられており、例えば、油溜めヒータとして利用される。本発明に係る装置は、これらの油溜めプラグのどれかに収まる。これらのプラグは、通常、油溜めの片側にあり、油質センサＨは、油に対して水平方向にあることになる。油ポンプの動作に起因して油が所定の流れを示すため、センサの検出範囲で油が流れないという危険はない。センサには、貫通孔や溝が設けられているからである。図５は、本発明に係る装置の更なる応用例を示したものであり、その装置は、油バイパスフィルタ６８の入口側に取り付けられている。このように第二のフィルタを設ける目的は、１ミクロンまでの微粒子物質を取り除くためである。古いエンジン又は煤けたエンジンにおいては特に、このようなバイパスフィルタは、急速に動きが鈍くなり、この状態を検出する他の効果的な手段がない。従って、油質センサは、バイパスフィルタ６８、油質センサＨ、部品７０及びハードウェア（図示省略）からなる全体のパッケージの一部を形成するようにするとよい。図６は、煤濃度に対して当該機器出力信号の振幅をプロットした散布図である。種々の供試体は、広範囲にわたる別々の供給源から取り出したものである。エンジンの種類は広範囲にわたるからであり、使用した油は、全て別々の製造元による別々の粘性を備えたものである。全供試体の大きさは比較的小さいが、煤濃度とセンサ出力振幅との相関関係は良好であり、その相関係数は約９１％となった。煤濃度は、通常の技術、例えば、反射分析や重量分析による油分析により得られたものである。図６によれば、出力振幅は、煤の量にかなり影響を受ける。図７及び図８によれば、出力振幅は、ガソリンエンジン車両やディーゼルエンジン車両の走行距離（使用状態）にも影響を受けることがわかる。

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Claims

【特許請求の範囲】１．油の誘電係数に基づいて油質を測定する油質測定装置において、油に曝して設けられる油の容量センサと、前記容量センサを含む発振回路とを備え、前記発振回路がＬＣ又は水晶発振器を備えるとともに、振幅が油の損失係数Ta nδに依存する出力信号を出力することを特徴とし、更に、前記出力信号の振幅を油質基準値として応答する測定手段とを備えたことを特徴とする油質測定装置。２．前記発振回路は、油の損失係数Tanδに応じて変化する電流を流し、油質基準値を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の油質測定装置。３．前記振幅は、Tanδに略反比例するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の油質測定装置。４．前記容量センサは、エンジンへの取付用のセンサヘッドに組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の油質測定装置。５．前記発振回路は、前記センサヘッドに組み込まれていることを特徴とする請求項４に記載の油質測定装置。６．温度センサは、前記センサヘッドに組み込まれるとともに、前記測定手段へ通じる温度出力信号を生成し、当該温度出力信号を温度補償用としたことを特徴とする請求項４又は５に記載の油質測定装置。７．前記測定手段は、プロセッサとメモリとを組み込んだものであり、前記メモリは、温度補償値の参照テーブルを組み込んだものであり、前記参照テーブルは、前記プロセッサによって受信された前記出力信号と温度出力信号とに基づいて当該プロセッサによりアクセスされるものであることを特徴とする請求項６に記載の油質測定装置。８．前記容量センサは、供試油の注口への挿入に適した長孔フレキシブルプローブの端部に取り付けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の油質測定装置。９．前記測定手段は、キャリブレーション手段を含み、前記キャリブレーション手段により、前記出力信号の基準値が記憶手段に保存され、順次得られる出力信号から油質の決定においてその基準値が参照され得ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の油質測定装置。１０．前記記憶手段は、電源が切れた場合に既に記憶した値を保持するものであることを特徴とする請求項９に記載の油質測定装置。１１．前記出力信号に基づいた多数の連続値は、その後のダウンロード用に前記記憶手段に保存されることを特徴とする請求項１０に記載の油質測定装置。１２．前記測定手段は、油質呈示用のディスプレイを備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の油質測定装置。１３．前記出力信号は、データバスとのインタフェースに適していることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の油質測定装置。１４．前記容量センサは、開口付きの一又は複数のキャパシタ板を備え、これにより、油流入を容易にしたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の油質測定装置。１５．一対の同心キャパシタ板を備えたことを特徴とする請求項１４に記載の油質測定装置。１６．前記容量センサは、短アンテナ又は誘電プルーブのように前記油の誘電媒体へ放射するものであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の油質測定装置。１７．請求項１乃至１６のいずれかに記載の油質測定装置に組み込まれたエンジン又は機械。１８．請求項１乃至１３のいずれかに記載の油質測定装置に組み込まれたエンジンへの取付用の油バイパスフィルタ。１９．油の誘電係数に基づいて油質を測定する油質測定方法において、容量センサを含む発振回路であって当該発振回路がＬＣ又は水晶発振器を備えるとともに、振幅が油の損失係数Tanδに依存する出力信号を出力する発振回路を用いる油質測定方法であって、前記振幅を油質基準値を求めるのに使用することを特徴とする油質測定方法。