JP2013545104A - 圧力感知ホース - Google Patents

Abstract

圧力を感知するホースアセンブリ及びそれを用いる方法が開示される。１つの実施例において、圧力感知ホースアセンブリは、第１及び第２導電層を有するホース、及び、ホースアセンブリの第１及び第２導電層に電気的に接続された回路を含んだホースアセンブリを含む。この回路は、ホースアセンブリの第１及び第２導電層にわたる電気的応答を発生させる。圧力感知ホースアセンブリは、さらに、電気的応答を受信し、電気的応答に基づいてホースアセンブリ内の圧力を推定するように構成されるコンピュータシステムを含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、米国を除く全ての指定国の出願人である米国企業のイートンコーポレーション並びに米国のみの出願人であるベネズエラ市民のペレイラ、ルイス、アール，レバノン市民のアルアタット、ハッサン，及びアメリカ合衆国市民のジャズ、マーク、エイの氏名でＰＣＴ国際特許出願として、２０１１年１１月２２日に出願されたものであり、かつ、２０１０年１１月２２日に出願された米国特許出願第６１／４１５，９９１号に対する優先権を主張し、その開示内容はその全体を参照として本明細書に組み込む。

本発明の開示はホースの特性を測定するための方法及びシステムに関するものであり、具体的に言えば、本発明の開示は、圧力感知ホースに関する。

高圧力の補強された油圧ホースは、概して、機械に用いられるか、または機械内部の油圧回路のいくつかの可動部の間の可撓接続を提供するために、土木機械のような様々な油圧駆動式機械において用いられる。このようなホースは、ワイヤまたは織物のような補強材料の連続的な円筒層が、内側チューブ内で発生する半径方向及び軸方向の圧力を含むように同心円状に適用される、中空の高分子の内側チューブを含むことができる。

多くの応用では、高い破裂強度と長期の疲労抵抗の両方を備えるホース構造を要求している。従来技術を用いると、ホースの設計上の破裂強度は、ホースの柔軟性への悪影響のため実際には概して推奨されない、追加の補強材料及び／または層を付加することによってか、または、ホースの疲労抵抗を犠牲にして得ることができる各層の補強材料の引張強度を全般的に増加させることによって、上げられる。

インパルス試験は、周期的にホースに油圧圧力を作用させることによって疲労破損に対するホースの設計上の抵抗を測定する。一方で、破裂試験は、損傷するまで内部圧力を一様に増加させることによってホースの最高強度を算定するために用いられる破壊的な油圧テストである。これらのテスト及び他のテストに基づいて、製造者は、ホースが寿命の終わりに達し、交換を必要とするときを算定するために用いられるホースの寿命を推定することができる。

いくつかの状況において、非破壊的及び非分裂的な方法で、油圧ホースの不具合の可能性を検知することが望ましい。この機能を提供する１つの解決法は、米国特許第７，５５５，９３６号において検討されており、ホースの壁の２つの平行な導電層間に少なくとも部分的に監視回路を接続することが開示されている。監視回路によって観測される電気的特性における変化は、ホースの壁の間近に起こる不具合を示すホースの壁の構造の特性における変化を示すことができる。しかしながら、この解決法でさえ、変化した電気的特性が実際にホースの壁の物理的な特性における変化によるものなのかどうか、または、変化した電気的特性が感知する電子機器における変化によるものなのかどうか、監視回路をホースの壁に接続する装置の電気的特性における変化によるものなのかどうか、または、単に、ホースの壁への電気的接続の劣化によるものなのかどうか、を算定することは困難である。これらの場合において、ホースの壁の全体が危険にさらされていないときでさえ、その代わりに、ホース内部の位置または圧力の変化によって、観測される電気的特性に変化がある。これは、存在している解決法が、ホース内部の圧力を考慮していないためであり、この解決法は、監視目的か、または、不具合を感知する電気回路の圧力効果を補償するか、のどちらかのために存在している。

本発明の第１実施形態において、圧力感知ホースアセンブリは、第１及び第２導電層、及び、ホースアセンブリの第１及び第２導電層に電気的に接続された回路を有するホースを含んだホースアセンブリを含む。この回路は、電気信号に対して電気的応答を発生させるホースアセンブリの第１及び第２導電層にわたって電気信号を発生させる。圧力感知ホースアセンブリは、さらに、電気的応答を受信し、かつ、電気的応答に基づいてホースアセンブリ内の圧力を推定するように構成されたコンピュータシステムを含む。

本発明の第２実施形態において、ホースアセンブリの内部圧力を感知する方法は、電気信号をホースアセンブリに印加することと、電気信号へのホースアセンブリの応答に基づいてホースアセンブリの少なくとも１つの電気的特性を計算すること、を含む。この方法は、さらに、電気的応答に基づいてホースアセンブリ内の圧力を推定することを含む。

本発明における第３実施形態において、ホースアセンブリの内部圧力を感知する方法は、弾性絶縁層によって分離されるホースアセンブリの同心の第１及び第２導電層にわたる電圧を印加することと、ホースアセンブリにわたる電圧降下を算定すること、を含む。この方法は、さらに、ホースアセンブリにわたる電圧降下に基づいてホースアセンブリの抵抗とキャパシタンスを計算することと、抵抗値及びキャパシタンスに少なくとも部分的に基づいて、ホースアセンブリの壁厚の変化を推定すること、を含む。この方法は、さらに、ホースアセンブリ内の圧力を推定するために、ヒステリシスモデルを、推定された壁厚の変化に適用することを含む。

図１は、本発明の開示の理念に従って例となる発明の実施形態の特徴を有する故障検出器を用いている例示的なホースアセンブリの部分断面図である。 図２は、図１のホースアセンブリの使用に適している網状の導電層を用いる例示的な部分的に切り取られたホースを示す斜視図である。 図３は、図１のホースアセンブリの使用に適している螺旋状のワイヤの導電層を用いる例示的な部分的に切り取られたホースを示す斜視図である。 図４は、図１〜３のホースアセンブリモデルの概略断面図である。 図５は、図４のホースアセンブリの電気回路モデルである。 図６は、例となる発明の実施形態に従ってホースアセンブリの一部分を軸方向に切り取った概略図である。 図７は、加圧されたホースアセンブリモデルの概略断面図である。 図８は、加圧されたホースアセンブリモデルの電気回路図である。 図９は、本発明において開示される実施形態に従ってホースアセンブリ内に含まれる絶縁層の弾性応答を示しているヒステリシスモデルである。 図１０は、ホースアセンブリに印加される入力圧力波の実施例を示している図である。 図１１は、図１０の入力圧力波に応答したホースにおいて観測された電圧変化を示している図である。 図１２は、図１０の入力圧力波に基づいてホースアセンブリ内に含まれる絶縁層の反応性を示すヒステリシス曲線の実施例を示している図である。 図１３は、発明の実施形態の実施例に従って、ホースアセンブリの内部圧力を感知しかつ算出するための方法のフローチャートである。 図１４は、ホースアセンブリに印加される入力圧力波の実施例を示している図である。 図１５は、図１４の入力圧力波に反応した例示的なホースアセンブリの測定された電圧応答を示している図である。 図１６は、図１５に示される測定電圧に基づいて導電層間に位置される弾性層の推定厚みを示している図である。 図１７は、ヒステリシスモデルを、図１６に示される厚み計算に適用した後のホースアセンブリ内の推定圧力を示している図である。

本願は、添付図面において説明される本発明の開示の例示的な実施形態として詳細に作成されている。可能な限り、同一の参照番号は、すべての図を通して、同一または同等の要素を参照するように用いられている。
一般的に、本発明における開示は、ホースアセンブリの内部圧力を測定するための方法とシステムに関するものである。ここで説明される様々な実施形態に従って、同心導電層を含んだホースアセンブリは、圧力によって変化する電気的応答を有する同軸ケーブルとしてモデル化される。導電層間の弾性層がヒステリシス効果を構成することにより、経時的なホースの電気的応答に基づいてホースアセンブリ内の現在の圧力を推定することが可能である。これは、油圧ホースのユーザーが、合理的な精度で、圧力計単体または他の計器を必要とせずに、ホース内の圧力を測定することを許容する。

ここで図１を参照すると、概して参照番号１０に指定された例示的なホース圧力測定システムが示されている。このホース圧力測定システム１０は、概して参照番号１２に指定されたホースアセンブリと、ホースアセンブリ１２に電気的かつ物理的に連通した監視アセンブリ１４と、を含む。ホース圧力測定システム１０は、例えば、ホースアセンブリ１２内部の現在圧力のようなホースアセンブリ１２の現在の動作特性を算出するためか、または、ホースアセンブリ内の劣化及び／または故障を監視するために用いられる。

ホースアセンブリ１２は、概して参照番号１６に指定された多層構造を有するホースを含む。本発明における実施形態において、ホース１６は、概して、柔軟性があり、かつ、天然ゴムまたはプラスチックのようなポリマー材料、または、第１導電層２０、中間層２２、第２導電層２４、及び外側カバー２６の特定の適用の必要要件に応じた他の材料でできている内部チューブ１８を含む。第１，２導電層２０，２４は、キャパシタンス，インダクタンス及び／または抵抗（インピーダンス）のようなホースアセンブリ１２の電気的特性を定める。

本発明における実施形態において、第１導電層２０は内部チューブ１８を覆い、かつ、中間層２２は第１導電層２０を覆う。第２導電層２４は中間層２２を覆う。第１，２導電層２０，２４は、補強層として構成されている。外側カバー２６は、第２導電層２４を覆い、かつ、例えば、天然ゴムまたはプラスチックの押出層を含むことができる。外側カバー２６は、それ自体に補強層を含むことができる。

中間層２２は、第１，２導電層２０，２４を互いに少なくとも部分的に電気的に絶縁するように機能する。中間層２２は、あらゆる様々な構造を有することができる。例えば、中間層２２は、電気的な抵抗材料から成る単一層で構成することができる。中間層２２は、さらに、少なくとも一つの層が電気的な絶縁特性を示す多層で構成することができる。ポリマー材料に結合された繊維織物のような特定の複合材料が、さらに、中間層２２において用いられる。様々な他の構造を有する複合材料がさらに用いられる。複合材料は、さらに、中間層２２を形成するように他の材料と結合して用いられる。

第１，２導電層２０，２４は、概して、ホースの全長にわたって伸び、かつ、ホースの全周に及ぶ。これは、概して、導電層が、さらに、補強層として機能するときの場合である。中間層２２は、さらに、ホースの全長及び全周にわたって伸びることが可能である。しかしながら、第１，２導電層２０，２４の少なくとも一つが、ホース長の一部分、及び／または、ホースの全周の一部分にわたってのみしか伸びていない場合がある。その場合においては、中間層２２が、さらに、導電層２０，２４を部分的に含んでいるホースの部位にわたって概して伸びるように構成されている。部分的な中間層２２は、第１，２導電層２０，２４を互いに隔てるようにホース内に位置されている。

ここで図２，３を参照すると、第１，２導電層２０，２４は、例えば、図２に示されているような導電性のある網状の補強材料、または、図３に示されているような導電性のある螺旋状の補強材料を含むことができる。この網状の補強材料は、単一層から構成されるか、または、多層を含むことができる。２本のワイヤでの螺旋状の補強配置が図３に描写されているが、４本かつ６本のワイヤ配列のような他の形態でも用いられることは理解されたい。

第１，２導電層２０，２４は同一の形態を各々有することができ、または、各層は異なった形態で構成される。例えば、第１，２導電層２０，２４は、図２に示されている網状の材料を各々含むことができる一方で、他の形態の第１，２導電層２０，２４は、図３に示されている螺旋状の材料を各々含むことができる。また、第１，２導電層２０，２４は、単一層または多層の補強材料を含むことができる。第１，２導電層２０，２４は、選択された材料に導電性がある、金属ワイヤ、天然または人工の繊維及び編物、及び他の補強材料から構成される。

図１を再び参照すると、ホースアセンブリ１２は、ホース１６を他の部品に流体連結させるための概して参照番号３０に指定されたホース継手を含む。このホース継手３０は、特定の適用の必要要件に応じたあらゆる様々な構造を、少なくとも部分的に有することができる。
本発明の実施形態において、ホース継手３０は、ホース１６の内側をはめ込む概して参照番号３２に指定されたニップル、及び、ホース１６の外側をはめ込む概して参照番号３４に指定されたソケットを含む。このニップル３２は、ホース１６の内側チューブ１８をはめ込む細長い円筒端部３６を含む。ソケット３４の円筒形状端部３８は、ホース１６の外側カバー２６をはめ込む。ソケット３４及びニップル３２は、導電性材料から構成されている。

ソケット３４及びニップル３２は、ホース１６を覆っているソケット３４の終端部３８に波形をつけることによって、ホース１６を確実に固定することができる。この波形処理は、ソケット３４の端部３８を変形させるため、ニップル３２とソケット３４との間のホース１６を圧迫する。本発明の実施形態において、ホース１６をはめ込むニップル３２及びソケット３４の一部分は、ホース継手３０をホース１６に確実に固定することを促進するためにソケット３４が波形をつけられる場合に、比較的柔らかいホース材料に少なくとも部分的に深く留まる一連の鋸歯形状を含む。この鋸歯形状は、鋸歯形状が内側チューブ及び外側カバーを貫通して第１，２導電層２０，２４に接触することを防止するように構成されている。

本発明の実施形態において、ソケット３４は、ホース１６の端部４４に隣接したソケット３４の端部４２近くに位置される内部に伸びる環状突起４０を含む。この突起４０は、ソケット３４をニップル３２に確実に固定するために、突起４０に対応するニップル３２において形成された環状スロット４６をはめ込む。突起４０を有するソケット３４の端部４２は、ソケット３４がニップル３２に取付けられることを可能にするために、予めニップル３２より大きく形成されている。組立工程の間に、ソケット３４の端部４２が波形をつけられ、ソケット３４を変形させ、かつ、突起４０を、突起４０に対応するニップル３２のスロット４６にはめ込ませる。ソケット３４は、突起４０にスロット４６をはめ込む部位においてソケット３４とニップル３２との間に電気的に絶縁するカラー４８を配置することによって、ニップル３２と電気的に絶縁されている。
ホース継手３０は、さらに、ニップル３２に取付けられるナット５０を含む。このナット５０は、ホースアセンブリ１２を他の部品に確実に固定するための手段を提供する。

第１導電層２０は、ホース１６の内側チューブ１８の端部を超えて伸びるように構成されている。第１導電層２０は、ニップル３２と第１導電層２０との間に電気的接続をするためにニップル３２にはめ込ませることができる。同様に、第２導電層２４は、ホース１６の外側カバー２６の端部を超えて伸びるように構成されている。第２導電層２４は、ソケット３４と第２導電層２４との間に電気的接続をするためにソケット３４にはめ込ませることができる。

ホース１６の端部を超えて伸びる第１，２導電層２０，２４の一部分が互いに接触することを防止するために、電気的絶縁スペーサ５２が、第１，２導電層２０，２４の露出された端部の間に配置されている。このスペーサ５２は、ソケット３４をニップル３２から電気的に絶縁するために用いられるカラー４８の一部として一体化して形成されている。スペーサ５２が、さらに、内側チューブ１８及び外側カバー２６の端部を超えたホース１６の中間層２２を延長した付近に形成されている。スペーサ５２は、さらに、カラー４８及びホース１６の中間層２２と区別された単体の部品として構成されている。

監視アセンブリ１４は、あらゆる様々な構造を有することができる。概して、監視アセンブリ１４は、図１に具体的に示されているホースアセンブリ１２の一部分に接続可能である。監視アセンブリ１４は、ホースアセンブリに組み込まれた場合、ホースアセンブリ１２、特にニップル３２とソケット３４の各々に物理的かつ電気的な接続を形成する。概して、監視アセンブリ１４は、ニップル３２及びソケット３４への接続を確認しながら、ホースアセンブリ１２の電気的特性を検知する。例示的な監視アセンブリ１４が、図４〜１７と関連して以下でより詳細に記述される。

ここで図４，５を参照すると、ホースアセンブリ１２、及び、監視アセンブリ１４内に含まれる監視回路の概略図が提供されている。図４において、概略的に具現化した図であるホースアセンブリ１００が示されている。このホースアセンブリ１００は、同心の第１，２導電層１０２，１０４を各々備えた同軸ケーブルの外観を概略的に持つ。この第１，２導電層１０２，１０４は、本発明の実施形態において上記の図１〜３の層２０，２４に相当する。
弾性層１０６は、第１導電層１０２と第２導電層１０４との間に存在し、これら２つの層を電気的に隔てる絶縁体として機能する。従って、図５に示されているように、ホースアセンブリ１００は、コンデンサ１４０と抵抗１２０の並列回路（つまり同軸ケーブルの配置にモデル化されている）として表現される。

図４において、弾性層１０６によって分離される導電層１０２，１０４の表面部分が、分離された抵抗要素と分離された蓄電板として機能することが示されている。その結果、図５に示されているように、監視回路２００は、第１導電層に印加される電圧（Ｖ_sensor）２０２及び抵抗（Ｒ_sensor）２０４という形をとることができ、応答は、第２導電層において検知される。そのようなものとして、抵抗２０４とホースアセンブリ１００との間の箇所の電圧（Ｖ_hose）（抵抗１２０とコンデンサ１４０の並列回路によって概略的に表現されている）は、抵抗（Ｒ_sensor）２０４の抵抗値の低下またはホースアセンブリ１００に起因する全体の電圧（Ｖ_sensor）２０２の比率を示している。

図４，５のホースアセンブリの電気的応答を算定するために、弾性層１０６の抵抗率（ρ）、弾性層１０６の誘電率（ε）、及び、ホースの全長（Ｌ）を含めて、ホースアセンブリの様々な物理的特性が考慮される。また、導電層１０２，１０４の半径方向の位置が、（各々を距離ａ，ｂとして）さらに、考慮される。そのようなものとして、電圧（Ｖ_sensor）２０２のような直流電圧が監視アセンブリ２００において印加された場合、抵抗（Ｒ_hose）１２０とコンデンサ（Ｃ_hose）１４０は以下の式によって表現される。

そのようなものとして、ホースアセンブリ１００内部の圧力が増加するにつれて、距離ａ及びｂが変化することに基づいて、ホースアセンブリ１００の抵抗１２０の抵抗値は減少するが、コンデンサ１４０のキャパシタンスは増大する。
また、ホースアセンブリ１００の静電容量効果により、ホースアセンブリ１００は、経時的な電圧変化に応答する電気的特性を有する。具体的に言うと、ある電圧値が初めに用いられた場合、時間関数としてのホースの電圧応答は、以下に示されている分圧器とＲＣ回路の方程式によって表現される。

従って、スイッチが閉じられると、コンデンサを通過している電流は急上昇し、かつ、コンデンサが設定された（直流）電圧に完全にチャージされるまで指数関数的に減少する。コンデンサを設定電圧に完全にチャージするために要する時間は、時定数τによって決まり、このτは以下の式から定められる。

図４，５において示されているモデルは、ホースアセンブリ内の圧力が一定である場合、ホースアセンブリの電気的応答の正確な推定を提供するが、ホースアセンブリ内の圧力が変化する場合、電気的特性の変化を勘定しない。特に、流体がホースを通過する場合に、内部圧力をホースの内壁に及ぼす。この内部圧力は、ホースの内壁に圧力をもたらし、それ故に、内壁を収縮させる。図６〜９に示されているように、ホースアセンブリ１００の様々な幾何学的特性は、ホースアセンブリ内の圧力変化に伴って変化する。図６において、ホースアセンブリの一つの壁の軸方向の断面図が、ホースアセンブリの中心軸から距離ａ，ｂに位置され、かつ、弾性層１０６によって区分けされている第１，２導電層１０２，１０４を含んで示されている。ホースアセンブリ内の圧力が変化すると、第１，２導電層１０２，１０４の両方は圧迫され、それぞれ異なる値Δａ，Δｂで厚みが変化する。さらに、図７に示されているように、弾性層１０６の厚みは、導電層が圧縮された距離の半分によって調整されるように、
距離ｂとａ（つまり、ホースの中心軸から導電層１０２，１０４の各々の中心軸への距離）との差として表現される。

さらに、抵抗値及びキャパシタンスが距離の比率の自然対数（ｌｎ（ｂ／ａ））に比例するため、比例抵抗及び比例キャパシタンスは、弾性層の厚みの関数として表現される。

図７に明確に示されているように、圧力が時間ｔの関数として変化するため、経時的な弾性層の厚み変化を示すＸ_２（ｔ）を変化させる。従って、これは弾性層の厚み（Ｔ−Ｘ_２（ｔ））を変化させる。つまり、ｌｎ（ｂ／ａ）の値は、以下に示すように、圧力変化に伴って時間とともに変化する。

観測によると、圧力が増大するにつれて距離Ｘ_２は減少し、それ故に、厚み（Ｔ−Ｘ_２（ｔ））は減少する。さらに、抵抗値はΔＲ減少し、かつキャパシタンスはΔＣ増加する。特に、ホースの抵抗値は以下のように変化する。

さらに、弾性層の厚み変化は、以下のように変化する。

従って、ホースアセンブリの抵抗値及びキャパシタンスの両方は、ホースの内部圧力の変化に応じて変化する。具体的に図８を参照すると、図５で示されている配置と比較して、ホースアセンブリ１００が修正された電気的な概略モデルが示されている。図に示されているように、ΔＣとして示されている追加調整のキャパシタンス１４５、及び、追加調整の抵抗（抵抗１２０の一部としてのΔＲとして示されている抵抗）が示されている。

図８において、ホースアセンブリ１００の整定時間が、ホースの現在圧力に従って同様に変化することを意味している。特に、ホースにわたる電圧降下の整定時間は、抵抗１２０（Ｒ_hose）によって変化する。

さらに、ホースの抵抗は、圧力の関数として経時的に変化する。

これは、以下のような様々なホースのパラメータ及び感知された電圧の関数としての、弾性層１０６の厚みにおける変化のモデルを導く。

感知される電圧の関数として上記の弾性層１０６厚み変化を推定することに加えて、これらと同様に観測される電圧に基づいて、ホースアセンブリ１００内の圧力を推定することが可能である。しかしながら、弾性層１０６を隔離する弾性特性により、弾性層１０６の変位とホースアセンブリ１００内の流体圧力の変位量との間の関係は、ヒステリシスモデルに追随するが、完全な相互関係があるわけではない。ここで図９を参照すると、グラフ３００は、本発明の開示の実施形態に従って、ホースアセンブリ内に含まれる絶縁層の弾性反応性を示している観測されるヒステリシスの第１実験例を示している。この実験例は、図に示されているホースアセンブリの弾性層１０６に対するヒステリシスモデルを実験的に導き出すような、以下に概略が説明される表１の値を用いる。例えば、スイッチング入力圧力がホースアセンブリ１００に印加され、かつ、電圧応答がホースアセンブリの抵抗効果及び静電容量効果を算定するために記録される。

圧力入力のスイッチングに対するＶ_hoseの応答の関数としてこの圧力測定及びキャパシタンスの計算から、以下のような関係性がグラフ３００から推定される。

さらに、ホースアセンブリの弾性層１０６の圧縮は、ホースアセンブリにおいて用いられる材料に関するパラメータにより決定される定数によって影響されるホースの圧力によって調整されるように、大気圧における弾性層１０６の厚みの関数として表現される。

グラフ３００に示されているように、圧力が０から１０００ｐｓｉまで増大すると、キャパシタンスは徐々に増加する。しかしながら、圧力が１０００から０ｐｓｉまで減少すると、キャパシタンスは徐々に減少し、かつ、ヒステリシス効果によりすぐに元の値に戻らない。

図５，８において、特定の電圧分配回路が、抵抗１２０（Ｒ_hose）が、抵抗１２０に接続されている第１導電層１０２、及び、グランドに接続されている第２導電層１０４を有するホースアセンブリ１００の高電圧側に位置される箇所に示されているが、他の実施例においても、この回路配置が同様に用いられることを記しておく。例えば、この回路配置は、追加の構成要素が含まれる回路、または、電圧分配配置が反転されている（つまり、抵抗１２０がホースアセンブリ１００とグランドとの間に位置する）回路において、用いられる。

図１０〜１２を参照すると、ヒステリシスの追加例が示されている。特に、図１０において、周期的な高圧力の発生が示されている入力圧力波４００が示されている。特に、この入力圧力波４００は、約０．２から約１．２ＭＰａまで、または約０から２０００ｐｓｉまでの変化を示している。図に示されているように、入力圧力波４００は、低圧力状態４０２、圧力上昇状態４０４、高圧力状態４０６、及び、圧力降下状態４０８、を含む。

図１１は、経時的な圧力変化に対するホースの出力電圧（Ｖ_hose）のグラフ５００を描写している。本発明における開示を背景として、領域５０２（つまり、入力圧力領域４０２への応答に相当する領域）において示されているように、ホース内の圧力が約０ｐｓｉである場合、ホースの出力電圧（Ｖ_hose）は約４．５Ｖまたはそれ以上の電圧であることが推定される。しかしながら、ホース内の圧力が増大するにつれて（例えば図１１の領域４０４）、電圧は領域５０４において徐々に降下する。最大圧力においても（領域４０６において）、電圧は領域５０６において減少し続ける。圧力降下領域において（例えば領域４０８において）、電圧は徐々に増加する（領域５０８）。図１１に見られるように、同じ圧力値において、異なる電圧測定値が、ホースアセンブリ内の前の圧力に基づいて生じる。そのようなものとして、ヒステリシス曲線のグラフ６００が、上述された図９に類似している変形モデルを定める図１２に示されている。この変形モデルは、ホースアセンブリ１００を形成するために用いられるそれぞれの一連の材料が実質的に決定される、１つ前の圧縮、現在の圧力Ｐ（ｔ）、及び、定数α及びβ、に基づいた経時的な弾性層の圧縮変化を監視する。特に、弾性層の圧縮変化は以下のように示される。

そのようなものとして、ヒステリシスモデルは、経時的なホースアセンブリ１００の監視された電圧応答に基づいて弾性層の現在の厚みを計算することができるように、応答が監視されホースの特性が知られている如何なるホースモデルに対しても適用され、その後に、ヒステリシスモデルを弾性層の厚みの計算結果に適用することによって、ホースアセンブリの内部圧力を推定する。

ここで図１３を参照すると、例示的な実施形態に従って、ホースアセンブリの内部圧力を感知し、かつ、計算するための方法７００のフローチャートが示されている。この方法７００は、ホースアセンブリ１００に関連付けされている信号取得システムに通信可能に接続されたホースまたはコンピュータシステムに関連付けられたマイコンを用いて、様々な実施形態において実施される。ホースアセンブリ１００から切り離されたコンピュータシステムが用いられる実施形態において、このコンピュータシステムは、１つ以上のホースモデルを管理するために用いられ、ホースの異常や機能不良を示す基準から外れた圧力または他の問題が検知されるような各ホースの推定圧力に関する更新を提供する。

この実施形態において示されるように、方法７００は、電源からホースアセンブリ導電層への電気信号を入力し（ステップ７０２）、かつ、ホースアセンブリの応答を測定する（ステップ７０４）ことを含む。これは、例えば、図５及び８において示されているような監視回路を用い、かつ時間関数として出力電圧Ｖ_hoseの変化を監視するため、ホースアセンブリをまたいだ電圧を印加することを含むことができる。方法７００は、さらに、各時間において抵抗とキャパシタンス（Ｒ（ｔ）及びＣ（ｔ））を含むため、例えば、図８において上記のように提供され説明された推定値を用いて、経時的なホースの電気的な特性を算定するように、信号処理アルゴリズムを出力電圧Ｖ_hoseに適用すること（ステップ７０６）を含むことができる。

この実施形態に示されているように、方法７００は、ホースアセンブリ１００の導電層間に位置された弾性層の推定厚みを算定するために、経時的な抵抗及びキャパシタンスの計算された推定値に基づいてアルゴリズムを適用することを含む（ステップ７０８）。これは、例えば、図８に関連して上述されるように、経時的な厚み変化Ｘ_２（ｔ）を算定すること、及び、弾性層１０６の厚みＴへの影響を算定することを含む。

ある実施形態において、方法７００は、さらに、上記のように導かれたヒステリシスモデルを用いて、経時的な弾性層１０６の厚み変化に基づいて、ホースアセンブリ１００内の圧力を推定することを発展させることを含む（ステップ７１０）。

図１３において、方法７００がホースアセンブリの内部圧力を算定するための壁厚、及び、それに続くヒステリシスモデルを算定するためのアルゴリズムを適用することが開示されているが、他の実施例においては、ホースアセンブリの電気的応答及びホースアセンブリの特性から直接的に圧力を計算するモデルが用いられることが考慮されている。このような実施形態において、ヒステリシス及び／またはホースの厚みの考慮がホースアセンブリの電気的応答のモデルに組み込まれている。

ここで図１４〜１７を参照すると、図１３の方法７００を実施する例示的な処理を示している図が、変化させた入力圧力波を用いて示されている。図１４〜１７において、２４インチ及び６０インチの長さのホースが用いられている。図１４は、０と０．６ＭＰａとの間の入力圧力において周期的な変化を示している入力圧力波のグラフ８００を示している。図１５において、グラフ９００は、入力電圧Ｖ_sensorを一定に保ちながらのホース内の圧力変化に対するＶ_hoseにおける電圧応答を示している。図に示されているような周期的な電圧応答として見られるように、高圧力に切り換える時間において、ホースの電圧は、最大電圧に急上昇し、かつ、直流の電流電圧を示す降下した電圧に戻り、ホースアセンブリの静電容量効果が落ち着いていることを示している。さらに、低圧力に切り換える上で、ホースの電圧は、初めは降下するが、電圧は、ホースアセンブリ１００の静電容量効果により放電するため、経時的に降下する。

図１６は、観測された電圧、及び、既に検証されているホースアセンブリの特性に基づいたＸ_２（ｔ）の推定値のグラフ１０００を示している。このグラフに見られるように、Ｘ_２（ｔ）の応答は、概して、経時的な感知された電圧Ｖ_hoseの応答と逆になる。圧力を推定するために、最終的に、ヒステリシスモデルが適用され、かつ、図１７においてその結果が示されている。特に、図１７は、ヒステリシス及び弾性層の厚みの計算に基づいた推定圧力を示す第１波形１１０２、及び、ホースアセンブリへの実際の入力圧力を示している第２波形１１０４を示しているグラフ１１００を示す。ホースの抵抗性効果及び静電容量効果が導電層間の距離を算定するため、グラフ１１００に見られるように、ホースアセンブリ内の圧力は、ホースの導電層からの電圧応答の監視に基づいて十分な精度で算定される。ひとたび、導電層間の弾性絶縁層におけるヒステリシスが補正されても、ホース内の圧力を、ホースの数理モデルから推定することができる。これは、ホース内の内部圧力を、高価な圧力を感知する備品または計測器を必要とせずに、継続的に監視することを許容する。

ここで図１〜１７を参照すると、概して、ここで記述された実施形態においては２つの導電層が説明されているが、本発明における開示の範囲内における他の実施例として、ホースアセンブリ１００は２つ以上の導電層を含むことができる。このような配置において、各々の導電層は、単一の絶縁層によって隣接した導電層から分離され、かつ、この（ホースの構造と同様に変化する）ホースアセンブリの抵抗特性及び容量特性を、添付のクレームによってここで開示されかつ包含される一般概念内において、それに応じて変化させることができる。

上記の仕様、例、及びデータは、本発明の構成を製造して用いるための完全な記述を提供する。本発明の多くの実施形態が本発明の精神と範囲から逸脱することなしに構成されているため、本発明は以下に添付されているクレーム内に属する。

Claims (22)

1. 圧力感知ホースアセンブリは、
   第１及び第２導電層を有するホースを含んでいるホースアセンブリと、
   ホースアセンブリの第１及び第２導電層に電気的に接続された回路と、
   電気的応答を受信し、かつ、電気的応答に基づいてホースアセンブリ内の圧力を推定するように構成されたコンピュータシステム、を含み、
   前記回路は、ホースアセンブリの第１及び第２導電層にわたって電気信号を発生させ、ホースアセンブリは電気信号に対する電気的応答を発生させることを特徴とする圧力感知ホースアセンブリ。
2. 圧力はホースアセンブリ内の流体油圧圧力であることを特徴とする請求項１に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
3. コンピュータシステムは、ホースアセンブリの壁厚を推定するためのアルゴリズムを適用するように構成されており、コンピュータシステムは、さらに、経時的な壁厚の変化に基づいて圧力を推定するためのヒステリシスモデルを適用するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
4. 第１及び第２導電層は、内側及び外側に同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
5. 圧力感知ホースアセンブリは、さらに、第１及び第２導電層との間に位置される絶縁弾性層を含むことを特徴とする請求項４に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
6. 壁厚は絶縁弾性層の厚みを含むことを特徴とする請求項５に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
7. 弾性層の厚みは、ホースアセンブリ及びホースアセンブリの１つ以上の物理的特性にわたる電気的応答に基づいて計算されることを特徴とする請求項６に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
8. ホースアセンブリの１つ以上の物理的特性は、ホースの長さと第１及び第２導電層の半径を含むことを特徴とする請求項７に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
9. ホースアセンブリの１つ以上の物理的特性は、ホースアセンブリに用いられる材料を含むことを特徴とする請求項７に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
10. 回路は、電源及びスカラー抵抗を含んでいる監視回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力感知ホースアセンブリ。
11. ホースアセンブリの内部圧力を感知する方法であって、該方法は、
    電気信号をホースアセンブリに印加すること、
    電気信号に対するホースアセンブリの応答に基づいて、ホースアセンブリの少なくとも１つの電気的特性を計算すること、及び、
    電気的特性に少なくとも部分的に基づいて、ホースアセンブリ内の圧力を推定すること、を含むことを特徴とする方法。
12. 電気信号をホースアセンブリに印加することは、監視回路を用いてホースアセンブリの第１及び第２導電層にわたる電圧を印加することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 監視回路は電源及びスカラー抵抗を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. ホースアセンブリの少なくとも１つの電気的特性を計算することは、ホースアセンブリの抵抗値を計算することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. ホースアセンブリ内の圧力を推定することは、
    電気的特性に少なくとも部分的に基づいて、ホースアセンブリの壁厚の変化を推定すること、及び、
    ホースアセンブリ内の圧力を推定するために、ヒステリシスモデルを推定された壁厚の変化に適用すること、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. ホースアセンブリの壁厚の変化を推定することは、抵抗値に少なくとも部分的に基づいていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. ホースアセンブリの少なくとも１つの電気的特性を計算することは、キャパシタンスを計算することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. ホースアセンブリの壁厚の変化を推定することは、抵抗値及びキャパシタンスに少なくとも部分的に基づいていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. ヒステリシスモデルは、ホースアセンブリに用いられる特定の一連の材料に対して実験的に決定されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
20. ヒステリシスモデルは、ホースアセンブリの第１導電層と第２導電層との間に位置される弾性層の厚み変化の応答性に関するものであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
21. ヒステリシスモデルは以下の方程式によって表現されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
    

    
22. ホースアセンブリの内部圧力を感知する方法であって、該方法は、
    弾性絶縁層によって分離されるホースアセンブリの同心の第１及び第２導電層にわたって電圧を印加すること、
    ホースアセンブリにわたる電圧降下を算定すること、
    ホースアセンブリにわたる電圧降下に基づいてホースアセンブリの抵抗値及びキャパシタンスを計算すること、
    抵抗値及びキャパシタンスに少なくとも部分的に基づいて、ホースアセンブリの壁厚の変化を推定すること、及び、
    ホースアセンブリ内の圧力を推定するために、ヒステリシスモデルを推定された壁厚の変化に適用すること、を含むことを特徴とする方法。

Images