JP2005521862A - 可視および近ｉｒスペクトル域の光を使用した潤滑油のオンラインモニタリングの改良された方法 - Google Patents
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Abstract
燃焼生成物にさらされる潤滑油以外の潤滑油において、油の経年変化および微粒子蓄積が、約０．５ｃｍを超える光路長にわたり潤滑油を透過した、少なくとも１つ、好ましくは２つ以上の予め選択された波長の光を検出することにより、モニタされ、１つの波長が近赤外スペクトルにあり、および／または、１つの波長が可視または近赤外スペクトルにある。検出された光が、所定の値と比較されて、潤滑油の状態を表示する。
Description
本発明は、潤滑油の微粒子汚染をモニタする方法、および潤滑油の経年変化を検出する方法に関する。より詳しくは、本発明は、燃焼生成物と接触する潤滑油以外の潤滑油の品質をオンラインでモニタする光学的方法に関する。
工業用油などの潤滑油は、多種多様な機械的システムの重要な構成要素であり、この場合、潤滑油が、可動部を潤滑すること、機械的システムに力またはエネルギーを移送すること、パーツを摩耗から保護すること、あるいは、さらにこれらの組合せなどの機能を提供する。
使用時間の経過に伴い、例えば、機械的システム中への水などの異物の進入により、機械的摩耗など、並びに、潤滑油に使用される基油および添加剤の酸化分解、から生ずるもののような粉粒体により、これらの潤滑油が、潤滑油が接触する物質で汚染されることがある。最終的な結果が、潤滑油の性能特性が低下することであり、同時に潤滑油を使用する機械的デバイスに悪影響が伴う。
したがって、多くの工業環境では、一般的な実験室法により定期的に潤滑油を分析することが標準的な手続きである。このため、潤滑油からサンプルを取り出し、分析のために、通常用地外にそれを移送することが必要になる。この手続きには通常は少なくとも丸３日かかり、その後、必要な分析が完了し、レポートを得ることができる。こうしたタイムラグは、非常に好ましくない。
当技術分野には、潤滑油、特にエンジン油のオンライン評価に関して提案された方法およびデバイスが溢れており、その多くが、光学的技術に基づいている。ディーゼル油などのエンジン油は、吹抜けガスおよび煤などの燃焼生成物にさらされるので、激しく黒ずむ。例えば、多くのエンジン潤滑油が、特に潤滑油の耐用年数の限界近くで、数ミリメートルを超える光路長で光学的に不透明になる。
したがって、エンジン油のオンライン評価に関して提案された光学的技術では、通常数ミリメートル未満の光路長を有する薄いセルを使用する。
工業用潤滑油では、エンジン潤滑油に比べて、しばしばかなりの分量で使用され、それらは燃焼生成物にはさらされない。したがって、煤で黒ずむことは重大な問題ではない。しかし、工業用潤滑油の状態をより正確に表示することを可能にするためには、エンジン潤滑油に関して提案されたような、薄い光学セルを使用してモニタできるものに比べて、潤滑油のより代表的なサンプルをモニタすることができる必要性がある。さらに、これらの光学セルを使用することから生ずる流体流れの絞りを回避する必要がある。
したがって、工業用潤滑油の状態を決定する場合には、改良の必要性が依然として存在する。
したがって、本発明の目的は、オンライン、リアルタイムで、工業用油などの、燃焼生成物にさらされない潤滑油の状態をモニタする方法を提供することである。
これらの目的および他の目的は、以下の記載から明らかになるだろう。
本発明は、特定の波長範囲から予め選択された波長で、潤滑油を透過した光を検出することにより、燃焼生成物にさらされる潤滑油以外の潤滑油において、油の経年変化および微粒子蓄積をモニタする方法を提供する。本発明の他の実施形態では、約０．５を超える光路長にわたり２つ以上の予め選択された波長で、潤滑油を透過した光を検出することにより、燃焼生成物にさらされる潤滑油以外の潤滑油において、油の経年変化および微粒子蓄積をモニタする方法が提供され、この場合、１つの波長が可視光スペクトルまたは近赤外スペクトルにあり、１つの波長が近赤外スペクトルにあり、それによって、検出した光の量が油の状態を表示することを可能にする。
本発明は、可視または近ＩＲスペクトルの光を使用して、潤滑油の酸化および全体の劣化を測定する改良された方法を提供する。より詳しくは、本発明により、いくつかの油劣化パラメータを同時に測定することにより、オンラインで潤滑油の状態のより代表的な決定を行うことが可能になる。
本発明の一実施態様では、可視または近ＩＲスペクトル（約４００ｎｍ〜８５０ｎｍ）の潤滑油を通過した光を測定することにより、潤滑油の経年変化、品質および酸化が決定される。別の実施形態では、機械的システムを経て循環する工業用油が、０．５を超える光路長を有する光学セルを通過し、セル中の油が、２つの波長、一方が約４００ｎｍ〜８５０ｎｍ、他方が８７５ｎｍ〜約１１００ｎｍの光に暴露され、油を通過する光が検出され、所定の値と比較して、油の劣化および微粒子状態が決定される。
本発明は、燃焼生成物にさらされる油以外の、機械的システムで使用中の工業用油において、油の劣化および微粒子蓄積をオンライン、リアルタイムでモニタするのに適用可能である。
過去においては、潤滑油の酸化の程度を決定する一般的な手段は、約１７００〜１７５０ｃｍ−１でのカルボニル官能基による吸光度の増加を測定することであった。これは、電磁スペクトルのうちの中部赤外線部分である。しかし、予想外にも、本発明者は、スペクトルの可視〜近ＩＲ領域（４００ｎｍ〜８５０ｎｍ）で酸化を測定できることを見出した。このことは、スペクトルのこの部分における幅広いスペクトルの特徴が、特定の化学官能基の振動または電子遷移によらず、したがって、特定の化学官能基の情報を提供しないので、予想外である。スペクトルのこの領域で測定することの利点は、より長い光路を有する強力な測定技術をこれらの波長で使用できることである。例えば、通常は１ｃｍの光路長を使用できるが、一方、スペクトルの中部ＩＲ部分では、放射線の全体吸収を回避するには、２００ミクロン未満の光路長が必要になるだろう。光路長が大きいと、スラッジおよび微粒子により閉塞を受けることがあまりない。更に、スペクトルの中部ＩＲ部分は、非常に熱い油からの黒体放射のノイズに影響されやすい。本発明の好適な波長では、これはほとんど問題にならない。
本発明の一実施例によれば、工業用油が、機械的システムで使用状態の下で、機械的システム内の任意の都合のよい位置に配置されている光学セルを通って循環される。例えば、セルは、油がそこを通って循環するマニホールドの一部分であってもよく、またはバイパス管路の一部としてあってもよい。本発明の好適な光学セル１０の斜視図が、図１に示されている。セル１０は、光が透過する上部壁１１および底部壁１２それぞれを有し、例えばガラスまたは石英から作られる。セル１０には、側壁１４および１５が設けられている。矢印１６および１７で示すように、セル１０の両端部が開いており、油がセルを通って流れるのを可能にする。流体連通の中にセル１０を組み入れる手段（図示せず）が設けられており、油が機械的システム（やはり図示せず）を通って循環する。側壁１４および１５の高さ、したがって上部１１および底部１２の間の間隔は、約０．５ｃｍを超え、０．５〜１．５ｃｍの間が望ましい。
図２に示されるように、少なくとも１つの、および、ここで示すように２つの異なる予め選択された波長の光を、上部１１に対して垂直に放射する手段２１が、光学セル１０の上部１１に配置される。手段２１は、１個または２個の別々の光源であってもよく、あるいは、代わりにフィルタを備えた広帯域光源であってもよく、それによって放射される光が、１つの、または２つの異なる、予め選択された波長になるだろう。少なくとも１個の、および、この図に示すように、２個の光検出器２２および２３が、セル１０の底部１２に配置され、該光検出器が、放射されて油を通過した光それぞれの各波長を検出し、検出した光に応答して電気的な信号を生成するように整列配置される。実際には、電気的な信号を使用して、透過度または吸光度のうちの１つを算出する。透過度は、もちろん油を透過する光のパーセントであり、一方、吸光度はｌｏｇ（透射光／入射光）に等しい。いずれにしても、光源２１は、予め選択された波長の光を放射できる少なくとも１個の発光ダイオードを含んでなり、また、この実施例で示されるように、光源２１は、予め選択された波長の光を放射できる２個の発光ダイオードを含んでなる。前に注意したように、光源２１はまた、フィルタを備えた広帯域光源であってもよい。検出器は、一般に入手できるソリッドステート光検出器である。
光源手段２１および検出器２２および／または２３は、電気的な信号、そして好ましくは透過度または吸光度を、油の既知の劣化および微粒子状態についての所定の値に対して比較するために、電源２５およびデータプロセッサ２６に操作可能に接続される。当業者には自明であるが、種々の検出器の任意の組合せとともに、広帯域または別々の光源手段の任意の組合せを使用することができる。
本発明の一実施態様では、可視または近ＩＲ領域の１波長単独の光を放射することが可能になる。正確な波長は、モニタされている潤滑油によって決まるが、発明者は、予想外にも、可視〜近ＩＲスペクトルの４００ｎｍ〜８５０ｎｍ領域が、油の酸化、経年変化および品質を決定するのに有用であることを見出した。本発明の別の実施形態では、光が、２つの異なる、予め選択された波長で放射される。これらのうちの一方は可視または近赤外スペクトルにあり、他方は近赤外スペクトルにある。正確な波長は、モニタされている潤滑油によって決まることになる。一般に、一方の波長が約４００ｎｍと８５０ｎｍの間にあり、他方の波長が８７５ｎｍと約１１００ｎｍの間にあるだろう。種々の工業用油に対する好適な波長は、使用される基油および添加剤の組合せに応じて変化する。しかし、抄紙機油の中の微粒子蓄積を判断するのには、約９７５ｎｍの波長が好ましい。
図２に示されているように、結果のディスプレイまたは信号モジュール２７が、データプロセッサ２６に操作可能に接続され、油の状態の表示装置または残りの耐用年数の表示を提供する。あるいは、油の状態が所定の状態に到達したとき、機械的システムを運転し続ける前に油の交換を要求する、ベルまたは警報などの信号機を設けてもよい。
信号モジュール２７、データプロセッサ２６、またはこの両方を、有線伝送手段、無線伝送手段またはインターネットを介して、システムに操作可能に接続してもよい。
実施例１
５種の異なる抄紙機油を、試験リグの中を同じ高温でおよび実質的に同じ時間、個別に循環させた。該試験リグは、抄紙機において通常数年の使用の間に生じる油の経年変化をシミュレーションするように設計されている。各油について５００ｎｍでの光の吸光度を定期的に測定した。５００ｎｍでの吸光度対試験リグの時間のプロットを図３に示す。見てわかる通り、油のうちの４種はゼロ近くの吸光度で始まり、一方、より黒ずんだ第５の油は約０．３５の吸光度で始まっている。それにもかかわらず、全てがおよそ同じ速度で黒ずみ、吸光度が油寿命の有効な指標であることを示している。
５種の異なる抄紙機油を、試験リグの中を同じ高温でおよび実質的に同じ時間、個別に循環させた。該試験リグは、抄紙機において通常数年の使用の間に生じる油の経年変化をシミュレーションするように設計されている。各油について５００ｎｍでの光の吸光度を定期的に測定した。５００ｎｍでの吸光度対試験リグの時間のプロットを図３に示す。見てわかる通り、油のうちの４種はゼロ近くの吸光度で始まり、一方、より黒ずんだ第５の油は約０．３５の吸光度で始まっている。それにもかかわらず、全てがおよそ同じ速度で黒ずみ、吸光度が油寿命の有効な指標であることを示している。
実施例２
２種の異なる工業用油を、循環リグ試験により、実験室で経年変化させた。図４のグラフでは、これら２種の次第に経年変化した油からの結果を比較している。カルボニル領域（１７１０−１／ｃｍ）に関するオフライン赤外線計測を、６００、７００および８５０ｎｍでの光のオンライン測定した吸光度と比較した。図４に示した２組のデータ（実線および破線で表される）は、タービン油および抄紙機油から得られた。試験油を異なる状態の下で経年変化するように、異なるリグ試験を設計した。
２種の異なる工業用油を、循環リグ試験により、実験室で経年変化させた。図４のグラフでは、これら２種の次第に経年変化した油からの結果を比較している。カルボニル領域（１７１０−１／ｃｍ）に関するオフライン赤外線計測を、６００、７００および８５０ｎｍでの光のオンライン測定した吸光度と比較した。図４に示した２組のデータ（実線および破線で表される）は、タービン油および抄紙機油から得られた。試験油を異なる状態の下で経年変化するように、異なるリグ試験を設計した。
グラフは、異なる潤滑油および／または状態が、異なるＶ−ＮＩＲ吸光度プロファイルを有することを示す。換言すれば、異なる潤滑油中でおよび変化する状態の下で酸化を追跡するのに、異なる（または、異なるものの組合せ）Ｖ−ＮＩＲ波長を使用することができる。
実施例３
実施例３は、第３セットのリグ状態の下での第３の潤滑油のランを示す。これらのデータは、この結果が、油を経年変化させるのに使用したリグ試験のタイプから独立していることを示す。この実施例はまた、いかに簡単なアルゴリズム（経年変化している油に対して特異的）が、Ｖ−ＮＩＲ波長と油の劣化の間の相関関係を与えることができるかを示す。これらの試験の結果を図５に示す。図５の記号（６００−ｎｍ／４５）は、６００−ｎｍでの測定値を４５倍したことを示す（単純な換算係数）。この数値は、相対的であり、かつ測定時間、波長および光路長によって決まる。
実施例３は、第３セットのリグ状態の下での第３の潤滑油のランを示す。これらのデータは、この結果が、油を経年変化させるのに使用したリグ試験のタイプから独立していることを示す。この実施例はまた、いかに簡単なアルゴリズム（経年変化している油に対して特異的）が、Ｖ−ＮＩＲ波長と油の劣化の間の相関関係を与えることができるかを示す。これらの試験の結果を図５に示す。図５の記号（６００−ｎｍ／４５）は、６００−ｎｍでの測定値を４５倍したことを示す（単純な換算係数）。この数値は、相対的であり、かつ測定時間、波長および光路長によって決まる。
実施例４
この実施例では、抄紙機油の２５種のサンプルを、運転している抄紙機から集めた。サンプルは、使用の期間およびタイプにおいて様々であった。粘性、摩耗金属および添加金属に関してサンプル全てを分析した。油のうちの４種については、摩耗、低添加量および低粘性のうちの一つもしくはそれ以上のために、分析に失敗した。やはり５５０ｎｍでの各油の吸光度を決定した。粘性（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）、摩耗（ｗｅａｒ）または添加（ａｄｄｉｔｉｖｅ）試験に失敗した４種すべての油は０．６を超える吸光度を有しており、一方、許容範囲内の１８種の油は０．６未満の吸光度を有していた。これらの試験の結果を図６に示す。
この実施例では、抄紙機油の２５種のサンプルを、運転している抄紙機から集めた。サンプルは、使用の期間およびタイプにおいて様々であった。粘性、摩耗金属および添加金属に関してサンプル全てを分析した。油のうちの４種については、摩耗、低添加量および低粘性のうちの一つもしくはそれ以上のために、分析に失敗した。やはり５５０ｎｍでの各油の吸光度を決定した。粘性（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）、摩耗（ｗｅａｒ）または添加（ａｄｄｉｔｉｖｅ）試験に失敗した４種すべての油は０．６を超える吸光度を有しており、一方、許容範囲内の１８種の油は０．６未満の吸光度を有していた。これらの試験の結果を図６に示す。
実施例５
図７は、実際の現地試験からの第４の潤滑油の可視〜近赤外測定に対する、１７１０ｃｍ−１での赤外線吸光度の相関関係をグラフで例示する。この現地試験を約２年の期間にわたり実施した。油は、最初のすり合せ運転期間の後、酸化に対して非常に抵抗力があった。
図７は、実際の現地試験からの第４の潤滑油の可視〜近赤外測定に対する、１７１０ｃｍ−１での赤外線吸光度の相関関係をグラフで例示する。この現地試験を約２年の期間にわたり実施した。油は、最初のすり合せ運転期間の後、酸化に対して非常に抵抗力があった。
図７は、現実の世界の応用分野において、酸化がＶ−ＮＩＲ分光法によりいかに適切に追跡されるかを示すだけでなく、それはまた、いかに全体的な潤滑油劣化が、Ｖ−ＮＩＲ測定により、単一の赤外線測定に比べて、一層代表的に追跡されるかを例示する。図７のより黒い平滑な曲線が、規定時間を超えた油の段階的な劣化を、赤外線測定から観察されるより様々な変化と比較して、例示する。
実施例６
実施例４の抄紙機油の現場サンプルの１組を、微粒子レベルに関して分析した。微粒子レベルを、２、５、および１５ミクロンを超える、３つのサイズ・カテゴリで測定した。５５０ｎｍでのこれらのサンプルの吸光度を、２ミクロンを超える、および、５ミクロンを超える粒子数と対照してプロットした場合、相関関係が見出されなかった。
実施例４の抄紙機油の現場サンプルの１組を、微粒子レベルに関して分析した。微粒子レベルを、２、５、および１５ミクロンを超える、３つのサイズ・カテゴリで測定した。５５０ｎｍでのこれらのサンプルの吸光度を、２ミクロンを超える、および、５ミクロンを超える粒子数と対照してプロットした場合、相関関係が見出されなかった。
９７５ｎｍでのこれらのサンプルの吸光度をさらに測定し、２ミクロンを超える粒子数と対照してプロットした。得られたプロットを図８に示す。このプロットは、特に多項式を使用してデータポイントを合わせた場合、高いレベルの相関関係を示す。
Claims (17)
- 燃焼生成物にさらされる潤滑油以外の潤滑油において、油の経年変化および微粒子蓄積をモニタする方法であって、
前記潤滑油を透過した、予め選択された波長の光であって、前記波長が可視または近赤外スペクトルにある光を検出するステップと、
検出された光を、それぞれの波長毎に所定の値と比較し、それによって油の経年変化および微粒子蓄積をモニタするステップと、
を含んでなることを特徴とする、方法。 - 前記光を、約０．５ｃｍを超える光路長にわたり透過させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記光の波長が、約４００ｎｍ〜約８５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
- 前記光路長が、約１．５ｃｍ未満であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
- 燃焼生成物にさらされる潤滑油以外の潤滑油において、油の経年変化および微粒子蓄積をモニタする方法であって、
前記潤滑油を透過した、２つ以上の予め選択された波長の光であって、少なくとも１つの波長が可視または近赤外スペクトルにあり、１つの他の波長が近赤外スペクトルにあり、約０．５を超える光路長にわたり透過させる光を検出するステップと、
検出された光を、それぞれの波長毎に所定の値と比較し、それによって油の経年変化および微粒子蓄積をモニタするステップと、
を含んでなることを特徴とする、方法。 - 前記光路長が、０．５〜１．５ｃｍであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
- 少なくとも１つの透過度または吸光度を、前記検出された光から得て、所定の値と比較することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
- 前記予め選択された波長が、約４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の波長、および、約８７５ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲の波長よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
- 前記油が、機械的システムの中に含まれる光学セルを通って循環されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
- 燃焼生成物にさらされる潤滑油以外の潤滑油において、油の経年変化および微粒子蓄積を決定する方法であって、前記潤滑油が機械的システムの中に含まれ、
前記システム内に配置され、約０．５ｃｍを超える光路長を有する光学セルを通って前記潤滑油を循環するステップと、
２つ以上の予め選択された波長であって、１つもしくはそれ以上の波長が可視または近赤外スペクトルにあり、他の波長が近赤外スペクトルにある光に、前記セルの中の前記潤滑油を暴露させるステップと、
前記油を通過する前記光を、それぞれの波長毎に検出するステップと、
前記検出された光を、それぞれの波長毎に所定の値と比較し、それによって油の経年変化および微粒子蓄積を決定するステップと、
を含んでなることを特徴とする、方法。 - 前記セルが、約０．５ｃｍ〜約１．５ｃｍの光路長を有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
- 透過度または吸光度のうちの少なくとも１つが、検出され、所定の値と比較した前記光から得られることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- １つの予め選択された波長が約４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲にあり、他の波長が８７５ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
- 前記循環するステップ、透過するステップ、および測定するステップが連続していることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
- 使用中の機械的システムの中に含まれる工業用油の状態をモニタする工業用油モニタリングシステムであって、前記工業用油が燃焼生成物にさらされる油以外の油であり、
光が透過する上部および底部を有する光学セルであって、前記セルが、機械的システムが使用中の間に、油が前記セルを通って流れるのを可能にするように、前記機械的システム内に配置され、前記光学セルが約０．５ｃｍを超える光路長を有する、光学セルと、
約４００〜８００ｎｍの範囲の予め選択された波長の光に前記セルの上部を暴露する手段と、
前記セルを通過する光を検出するための前記セルの底部の上の光検出手段と、
前記検出手段により検出された光を所定の値と比較するためのデータプロセッサ手段と、
を含んでなることを特徴とする、システム。 - 使用中の機械的システムの中に含まれる工業用油の状態をモニタする工業用油モニタリングシステムであって、前記工業用油が燃焼生成物にさらされる油以外の油であり、
光が透過する上部および底部を有する光学セルであって、前記セルが、前記機械的システムが使用中の間に、油がセルを通って流れるのを可能にするように、前記機械的システム内に配置され、前記光学セルが約０．５ｃｍを超える光路長を有する、光学セルと、
２つの予め選択された波長であって、一方が約４００〜８５０ｎｍの範囲にあり、他方が８７５〜約１０００ｎｍの範囲にある光に、前記セルの上部を暴露する手段と、
前記セルを通過する光を検出するための前記セルの底部の上の光検出手段と、
前記検出手段により検出された光を所定の値と比較するためのデータプロセッサ手段と、
を含んでなることを特徴とする、システム。 - 前記データプロセッサに操作可能に接続され、前記油が所定の状態に到達した場合に信号を出力する信号手段を含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載のモニタリングシステム。
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