JP2014130141A - マルチモーダル流体コンディションセンサプラットフォーム及びそのためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、流体の真の動作状態又はコンディションへの洞察を得られるようにすることである。
【解決手段】本発明は、自動車のレシプロエンジン及び車両のトランスミッションのような循環システムに含まれる流体の様々なアスペクトをマルチモーダル統合同時測定するための実施の形態を網羅する。これらの循環システムは、不断の内部潤滑と熱及び混入物の除去とを実行して、内部可動部品を通常動作における固有摩擦及び損傷から保護する。その流体は、長い年月の間に保護特性を失い、内的及び外的イベントによる分解／劣化又は性能変化が起こり得る。実施の形態において、流体ベース閉鎖系環境における複数のセンサモードの測定から導出される流体のマルチ特性の連続モニタリングのための統合システムが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のレシプロエンジン及び車両のトランスミッションのような循環システムに含まれる流体の様々なアスペクトをマルチモーダル統合同時測定するための実施の形態を網羅する。これらの循環システムは、不断の内部潤滑と熱及び混入物の除去とを実行して、通常動作における固有摩擦及び損傷から内部可動部品を保護する。最も一般的には、このことは、炭化水素及び／又は関連する合成品に基づく流体により達成される。その流体は、長い年月の間に保護特性を失い、内的及び外的イベントによる分解／劣化又は性能変化が起こり得る。潤滑流体中のいくつかの成分を測定することで、システムがその使命を実行する有効性への洞察を提供することができる。以下、早期警報通知のための実時間同時統合マルチモーダルセンサシステムを説明する。

本発明の技術分野は、自動車産業に関連するが、これに限定されない。特に、技術分野は、高温環境下で動作する潤滑流体を利用する機械エンジン及び大規模機械装置に関連する。これらの潤滑油にとって、変化する流体特性、混入物レベル、及び潤滑システムによって保護される装置の安全で信頼できる動作を確保する性能の変化を実時間でモニタすることは有益である。この方法は、自動車、航空機又は宇宙船、産業機器、風車、救命用医療機器、その他の重要装置に適用される。流体のコンディションは、多くの場合、静的で周期的な方法を用いて検出される。典型的には、システムから流体を取り出して（流体のサンプルが抽出されることが多い）、世界のあちこちにある、様々なパラメータの履歴時系列を含む潤滑流体のいくつかのアスペクトを測定する手順及び方法を確立した試験ラボに送る必要がある。そのような時間ベースの長期にわたる流体モニタリングを長い年月の間の変化の検出に適用して閉鎖環境内における性能変化を理解することが一般的に行われている。例えば、濃度が増加しつつある特定の粒子の存在は、潤滑されているシステム内のある構成要素の損耗及び性能のレベルを示唆し得る。この試験は、典型的には、流体の特徴の長い年月の間の変化を測定する。その測定は、潤滑流体及び添加物の変化及び劣化を検出すること及び通常の動作による可動部品の通常の（期待された）及び異常な（期待されない）「損耗」を検出することを含む。静的なサンプルは、通例、外来の物質及び物体の存在の検出を含むいくつかの試験を行う機関に送られる。いくつかの場合、例えば潤滑流体が変化する場合には、一般的に潤滑油だけでなく潤滑油フィルタも試験及び詳細な分析のために送られる。サンプルとフィルタの両方にとって、このことは破壊的な「ティアダウン」分析―フィルタ及びサンプルはサービスに戻されることなく評価された後は取り除かれる―である。ラボにおいて典型的に実施される試験には、金属粒子及び非金属粒子の検出、水その他の非潤滑液体、炭素煤、及びその他の成分の存在の検出、そして場合によっては、潤滑油の化学的性質が損なわれていないことの確認が含まれる。試験が完了すると、書面の（又は電子的な）報告が作成されて利害関係者に送られる。抽出から利害関係者が試験結果を見るまで何日又は何週間もかかる。

いくつもの低コスト潤滑流体測定製品及び方法―電気インピーダンス特性（センサ電極から検出器まで十分なサンプルサイズの潤滑油によって埋められたセンサに小さな電気的ソースが印加されたときの電気容量及び電気抵抗）の変化を測定する、消費者による静的なモーターオイルサンプルの「チェック」（ｌｕｂｒｉｃｈｅｃｋ．ｃｏｍ参照）を含む―が市場に登場している。このやり方は、油だめの流体の特性の一次元の測定をオイルの変化の一時点において実行し（すなわち、静的測定）、操作者が試験されるべきオイルのサンプルを手作業で抽出した場合にだけ、長い年月にわたってデータが適切に記録されトラッキングされるのであれば電気的特性の変化を示すだけの洞察を提供する。この方法には、インターバルサンプリング（操作者が測定を行う場合だけ）のみならず、流体に混入した、潤滑油の真の状態／コンディションを隠す多種多様な混入物の存在による反対に作用する影響力の可能性を含む多くの欠点がある。一例として、自動車エンジンの場合、その内燃機関の通常動作により、エンジンの動作の結果として炭素副生成物が生成される（これがオイルを変色させるものである）。もし車両がこの炭素の「煤（すす）」だけを生成するならば、煤の混入により抵抗が変化（増加）する。もし同時に、内部可動部品にまたがる異常コンディションとして微小金属粒子が生成される程度にまでエンジンが逆効果となる「損耗」を受けているならば、金属はベースの潤滑油よりもの導電性が高いため、これらの粒子によって抵抗が低下する。もし煤と金属粒子の両方が同時に生成したら、これらは測定可能な効果のいくつか又は全てを部分的又は完全に相殺して、潤滑油及びエンジンの真のコンディションについて間違った示唆を与える可能性がある。試験ラボ分析は、ベースとなる潤滑流体の中に両物質の存在を独立に検出でき、流体及びシステムについての正確な報告を提供する多数の試験を実行する。

潤滑流体は、温度、圧力、純度の変化、及び状態変化を包含する幅広い動作コンディションに適合していなければならない。潤滑油は、しばしば特定の動作環境及び温度範囲のために最適化され、粘度で表現される。いくつかの潤滑油は、マルチ粘度で動作するように設計される（例えば、１０Ｗ−３０ マルチグレード粘度モーターオイル）。典型的には、流体のコンディション及び特性の測定は、静的であり、サンプリングにより動作環境の外部で静的／非動作の状態で実行される。静的サンプリングは、通常の／典型的な動作範囲の中であろうと外であろうと、必ずしも動作状態の流体のコンディションの正当性を立証するものではない。ラボの環境及びコンディションにおける使用のためであれ、潤滑油情報を即座に検知することが重要なとても高価値の機器のためであれ、潤滑流体その他の液体を実時間で測定するために開発された高価で複雑なセンサが存在する。ヴォルカー・センサーズ・インコーポレーテッド（Ｖｏｅｌｋｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ, Ｉｎｃ．）のような会社は、オイルレベル、酸化（ｐＨ変化）、温度等を含む多数のパラメータを実時間で測定する製品を工作機械産業に提供している。センサエレメントは、ＭＥＭＳに基づいておらずフットプリントが大きいので、サイズ／形状要素の点で自動車のオイル／潤滑油システム内の動作に適さない（“Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｏｉｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，” Ｐｒａｃｔｉｃｉｎｇ Ｏｉｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ（２００３年９月））。

ヴォルカー・センサーズ・インコーポレーテッドのほかに、電気的特性の連続測定の様々な実現がＨａｌａｌａｙ（ＵＳ７８３５８７５、ＵＳ６９２２０６４、ＵＳ７３６２１１０）、Ｆｒｅｅｓｅら（ＵＳ５６０４４４１）、Ｉｓｍａｉｌら（ＵＳ６５５７３９６）、Ｓｔｅｉｎｉｎｇｅｒ（ＵＳ４２２４１５４）、Ｍａｒｓｚａｌｅｋ（ＵＳ６２６８７３７）、及びオイルのコンディションを理解するための特異ベクトル解析（電気的）又は電気的特性の時系列測定を開示する他の者によってなされてきた。Ｌｕｂｒｉｃｈｅｃｋの方法のように、不正確なオイルコンディションを報告してしまうおそれのある相互依存的で真の測定をキャンセルする効果を克服するための挑戦が残されている。まさにこのような理由で、流体試験のプロトコル及びラボは、分光分析を含むマルチ次元に横断的な試験だけでなく、オイルサンプル中の金属その他の外来物含有量を測定する試験を適用する。

潤滑油は、規定の範囲を超えて機能するように設計され、流体の寿命及び安全マージンを延長するための「添加物」が加えられることにより更に改良される。潤滑油の寿命を理解することがシステムの安全な動作のために極めて重要である。流体の交換が典型的にはとても保守的な（すなわち短期の）推奨インターバルで実行されるので、広い安全マージンが操作者に提供される。一般的に、潤滑油は、著しく長いインターバルで動作することができるが、厳しい環境で動作する特定の機器（例えば、戦場や機雷敷設作業等で使用される軍用機器）の場合には交換サイクルを早めることが必要であろう。潤滑流体が機器／システムの製造者により決められた仕様書にしたがって機能し続けることが出来なくなる時を決定することが重要である。潤滑流体が動作の安全マージン内にある限り、潤滑流体は無期限に動作し、新しい潤滑油と交換又は入れ替える必要はないであろう。

流体の性能をより正確に測定できれば、潤滑油と潤滑油が保護する機器との両方の寿命を最大化することができる。機器及び炭化水素系潤滑油のコストが増大するほど、潤滑油のより長く正確な寿命と懸案の機器（原動機、フィルタ、システムの他の構成要素などを含む）の性能低下の早期検出及び通知との両方を提供する価値が高くなる。このやり方は、重要装置の故障が予め検出される場合には、潜在的に生命を救うことができる。その上、流体が機能しなくなって機器の故障の一因となるならば、このシステムは、故障した機器の修理／交換のために必要な資源及び失われる時間を潜在的になくすことができる。このやり方は、実際に必要なよりも頻繁にオイル交換をするために必要なサービスや資源が失われることを回避することもできる。

米国特許第７８３５８７５号明細書 米国特許第６９２２０６４号明細書 米国特許第７３６２１１０号明細書 米国特許第５６０４４４１号明細書 米国特許第６５５７３９６号明細書 米国特許第４２２４１５４号明細書 米国特許第６２６８７３７号明細書

本発明の目的は、流体の真の動作状態又はコンディションへの洞察を得られるようにすることである。

実施の形態において、流体ベース閉鎖系環境における複数のセンサモードの測定から導出される流体のマルチ特性の連続モニタリングのための統合システムが提供される。好適には、システムは原動機内潤滑油モニタリングシステムであって、モニタリングは実時間モニタリングである。

ある実施の形態において、システムは、レシプロエンジンオイルドレインプラグに見出される標準のサイズ及び形状のオイルプラグエレメントの形状要素に組み込まれる。ここで、システムは、有線又は無線のデータテレメトリにより表示・処理部から遠隔配置される。好適には、システムは、遠隔配置された処理・表示部を更に備える。

他の実施の形態において、複数のセンサモードは、電気センサ、温度センサ、磁気センサ、光センサ、及び圧力センサの少なくとも二つを備え、好適には、複数のセンサモードの少なくとも一つはインダクタを備える。実施の形態において、複数のセンサモードは、少なくとも、磁気センサ及び光センサを備える。他の実施の形態において、複数のセンサモードは、少なくとも、電気センサ、磁気センサ、及び光センサを備える。

ある実施の形態において、システムは、高温高圧環境に耐えることができるエポキシカプセルに収容され、オイルプラグ機械構造に収容される。

ある実施の形態において、システムは、シングル及びマルチの関連流体特性の両方を検出するためのマルチデジタル信号処理モジュールを更に備える。実施の形態において、システムは、エラー指示、特定データ特性検出信号、特定データ特性信号検出強度レベル、及び高速フーリエ変換（ＦＦＴ）データ出力からなるグループから選択されるマルチステージ出力信号生成を更に備える。

他の実施の形態において、センサモード測定は、カルマンフィルタリング法、ベイズ分析法、隠れマルコフフィルタリング法、ファジィ理論分析法、又はニューラルネットワーク分析法を用いて分析される。

実施例において、センサモード測定は、下記のうちの少なくとも一つを含む：差分（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）温度比較、差分磁気センサ比較、差分誘導センサ比較、差分電気インピーダンス比較、差分光吸収率比較、二つのセンサからなる少なくとも一つの組から構成される任意の組合せ及び統合比較、各センサベクトル対時間及び温度のデータ比較、少なくとも二つのセンサが組み合されてなる組から構成される統合ベクトルのデータ比較、誘導データ比較対時間及び温度、光学的データ比較対時間及び温度、光学的データ比較対温度及び圧力、ピーク熱を検出するための温度データ比較対時間及び圧力、及び他のセンサ組合せ。

機械の作動流体の連続モニタリング方法も提供される。その方法は、第１センサモードを用いて流体の第１コンディションを測定し、第２センサモードを用いて流体の第２コンディションを測定し、センサからのデータをフィルタリングし、センサからのデータを統合し、センサからのデータを解析し、データから流体の特性を導出し、導出した流体コンディションの特性を受信機に送信し、及び、上記プロセスを繰り返して流体の動作コンディションの変化をトラッキングする流体特性の時系列を蓄積する。実施の形態において、その方法は、更に、任意のシングル又はマルチコンディションの変化の期待速度対観測速度の時系列を計算することで流体のコンディションをトラッキングする。追加の実施の形態において、その方法は、更に、予想及び期待された測定値変化対期待されない変化のマルチセンサ時系列データに横断的に、期待された発散又は収束を計算する。

本発明によれば、流体の真の動作状態又はコンディションへの洞察を得られるようにすることができる。

更に他の実施の形態、実施の形態の特徴、及び効果だけでなく、様々な実施の形態の構成及び動作は、添付図面を参照して以下に詳細に説明される。

本願で説明される例示的な実時間マルチモーダル流体センシングシステムの図である。 マルチモーダル流体センサソリューションを構成する主なエンジン内センサソース及び受信エレメントの例の図である。 本願で提示されるシステムの主な電子的及びファームウエアエレメントの例のブロック図である。 例示的な光センサの挿入図である。 本出願で提示されたシステムの表示・処理部に含まれるデジタル信号処理モジュールを備えた、統合マルチモーダルセンサ計算のための電気的及び／又はファームウエア処理エレメントの例のブロック図である。 様々な光学特性検出のための離散波長の典型的なフレームワークを示す。

ここで示され説明される特定の実現は例示であって、本願発明のスコープのいかなる限定も意図していないことを理解されたい。

ここで参照される発行された特許、特許出願、ウェブサイト、会社名、及び科学文献は、参照により取り込むために各々を具体的且つ個別に示した場合と同程度に、参照によりここに全て取り込まれる。ここで引用されるいかなる参考文献と本明細書の特定の教唆との間のいかなる不調和も後者優先により解決される。更に、技術分野で理解される単語又は句の定義と本明細書で明確に教示されたその単語又は句の定義との間のいかなる不調和は、後者優先により解決される。

本明細書で用いられるように、単数形は、そうでないことが内容から明らかでなければ、それが言及する用語の複数形をも明確に包含する。用語「ほぼ」は、ここでは、近似的に、近く、大雑把に、又は約の意味で用いられる。用語「ほぼ」が数値範囲と結びついて用いられた場合、定められた数値の上方及び下方に境界が延長されてその範囲が変更される。一般的に、用語「ほぼ」は、ここでは、ある数値を述べられた値から上方及び下方に２０％変更するために用いられる。用語「ほぼ」の使用は、具体的に挙げられた数量も含むことを理解されたい。

ここで用いられる技術用語及び科学用語は、当業者によって通常理解される意味以外の定義がなされていなければ、当業者によって通常理解される意味を有する。ここにおいて、当業者に知られている様々な方法論及び物質（マテリアル）への参照がなされる。

流体のより正確な理解のため、マルチモーダル試験を同時に行うことは、潤滑流体の真の動作状態及びコンディションへの洞察を与える助けとなり得る。実施の形態において、流体ベース閉鎖系環境における複数のセンサモードからの測定から導出される流体のマルチ特性の連続モニタリングのための統合システムが提供される。好適な実施の形態は、進んだ微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）と半導体技術との組み合わせを用いて、ラボ試験を流体に直接適用して流体のマルチアスペクトを連続的且つ同時作用的（コンカレント）に測定し、これらのパラメータをプログラム可能なコンピュータに個別に報告して流体コンディションの並列且つ統合された実時間分析を提供する。ここで用いられるように、用語「センサモード」は、流体の磁気的、電気的、及び光学的特性の測定だけでなく流体の温度及び圧力の測定を含み、「マルチモーダル」分析又は試験とも呼ばれる。流体のコンディション及び状態への統合された洞察を提供するため、これらの測定は個別及び組合せの両方で行うことができる。一次元の試験は二つの異なる混入物の間の相互作用（例えば、電気抵抗を増大させる外来物質と電気抵抗を低下させる外来物質の両者がシステム内にあること）によって引き起こされるいかなる単一の結果も「不明瞭」にする可能性があるため、複数（すなわち、２以上）のセンシングモードを用いる同時マルチモーダルセンシングの適用は、測定の厳密さと正確さを向上させる。

マルチモーダルセンシングにおいて、複数の測定を組み合わせて、ソフトウエア／ファームウエアプログラミングを用いて流体の状態（及び状態変化）を測定し、センサ入力を参照データと比較し、時間を含む様々な測定次元に横断的に、変化する流体コンディションを検出する。オイル内の外来混入物の検出のための閾値を設定することが重要である。例えば、十分な量の水は、長い年月の間に、通常は潤滑流体によって保護されている重要エレメントを腐食させる場合がある。これらの閾値に基づいて、一定の警報及び通報が、出力インタフェースを介した送信又は無線インタフェースによるＰｏｌｌ送信のどちらによっても、場合によってはスマートホンのような持ち運び可能なハンドヘルドデバイスを用いて、提供され得る。流体コンディションの進行中の評価の正当性を立証するため、定期的なラボサンプリングによるセカンドチェックを行って、測定を検証することができる。外部的正当性立証は、マルチモーダルセンサの初期試験におけるキャリブレーションプロセスの一部であり得る。外部的正当性立証は、追加の潤滑流体及び動作環境を適したものにすることもできる。計測基準（ベースライン）が一旦わかると、全ての統合測定に横断的な複数の閾値を半導体にプログラムして、統合測定データ出力に警報機能を提供することができる。

追加の実施の形態において、ここに説明されるシステム及び方法は、潤滑システムに誤って注入されるかもしれない間違った流体又は不適当な潤滑流体の使用を検出する。間違った潤滑流体で機械装置を動作させた場合、手当がすぐになされなければ、回復できない損害が生じ得る。マルチモーダルセンサは、潤滑流体が適したものであることを「期待」し、適さない流体が注入されてその後検出された場合に警報を発する。

即座の測定と長期のモニタリングの両方のために、システム状態のより完全に近い理解を提供するフレームワークに特定の個別センサを結合させることができる。このようなセンサフレームワークは、システムコンディションの実時間モニタリングを大幅に改善し、システムが様々な操作イベントを自動認識して反応する能力を大幅に改善する。

特に、磁気センサを含んだフレームワークは、フェラスメタル混入物の時宜を得た認識を促進する。例えば、常磁性共鳴は、フェラス粒子の性質を確認することができ、潜在的にはそれらのサイズを確認することができる。

光透過率計、不透明度測定、又は分光測定をフレームワークに統合することで、個々の混入物、例えば、煤、水、不凍液を示唆することできる。更に、本発明は、例えば流体の光学的特性を変化させるかもしれない圧力及び温度を含むマルチモーダルセンシング分析を組み込むことにより改善され得る。これらの補正要素を適用して測定精度を向上させることができる。

電気的測定をフレームワークに統合することで、流体コンディションをより完全に描写することができる。これらの測定は、代替となる流体の状態及びコンディション診断どうしを識別する独立したやり方を検出して提供することができる。この状態変化は、少なくとも一つのセンサモードからなる組によって検出され得る。

制御システムは、複数の異種センサを統合し、センサ状態のパターンを用いてより注目に値するコンディションの組を「認識」又は「診断」する。そのような分析のために確立された数学的アルゴリズムは、カルマンフィルタリング（及び強化カルマンフィルタリング）、隠れマルコフモデル、ベイズ分析、人工ニューラルネットワーク、又はファジィ理論を含むが、これに限定されない。これらの制御システムは、ソフトウエア、ファームウエア、又はハードウエア、或いは、それらの組合せにより容易に実現できる。（“Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＭＥＭＳ Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｕｓｉｏｎ，” Ｅｓｆａｎｄｙａｒｉ， J， Ｄｅ Ｎｕｃｃｉｏ， Ｒ， Ｘｕ， Ｇ．， Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｊｕｌｙ ２０１１， ｐ．１８−２１を参照。その開示は、参照によりここに全て取り込まれる。）

他の実施の形態において、異なる機械動作コンディション、例えば、システムが動作しない「停止」又はシステムがシャットダウンした後に実際に起こり得る「ピーク熱」、における流体特性についてのいっそうの理解を得ることができる。冷却流体が循環しないシャットダウン後に温度が上昇し得る。流体が加熱及び冷却されると流体特性が変化する。短い加熱又は冷却インターバルに横断的なこれらの変化を測定することで、潤滑流体の特性についての価値ある示唆及び洞察を更に得ることができる。例えば、流体が加熱されると光吸収率が変化する。その上、温度による電気的特性の変化をトラッキングすることで、流体のコンディションに関する追加情報を得ることができる。例えば、機械装置の動作中だけでなく始動及びシャットダウンにおいても、逸脱は制御システムに測定を要求させることがある。

本出願は、従来の診断の多くの制限を克服する。第１に、流体サンプリングから試験までの従来の時間遅れは、重要装置を損傷の危険にさらすことがある。ときどき、潤滑流体の交換時に潤滑流体がサンプリングされる。内部部品の損耗についての洞察を提供することは潜在的に有用であるが、機械装置は、ラボから結果が戻るまで潜在的に安全でないコンディションで運転されるかもしれない。第２に、潤滑流体は過渡動作において極端な温度にさらされるかもしれない。その温度は、しばしば１５０℃を越えて、潤滑流体中の添加物の分解を潜在的に引き起こす。これらのコンディションの間は機器が「スイッチオフ」されていることが多いため、そのような問題は通常は検出されない。熱が新たに生成されることはないが、残っている熱が潤滑流体に伝達して潤滑流体の性能が潜在的に影響を受ける場合がある。そのような極端な温度（例えば、−５０℃から＋１５０℃まで）は、しばしば、信頼のできる運転を持続するための統合その場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）センシングシステムを設計する特別な工学的努力を必要とする。更に、センサその他の電気的にアクティブなエレメントは、この環境に耐える必要がある。通常運転及び高負荷運転の間に潤滑流体が経験する様々な圧力に耐えることは等しく重要である。その場センサフレームワークは、潤滑システムにおいて長い年月の間に経験されるピーク温度及び圧力に耐えるように設計する必要がある。

いくつかの変数が潤滑流体特性への洞察を提供する。ある変数は直接測定できるが、他の変数は導出することができる。流体コンディションの基本的な理解のために、例えば、温度、絶対圧力、電気インピーダンス又は抵抗、ｐＨ、光透過率又は吸収率、及び磁気的測定を含む、いくつかの潤滑油の測定（センサモード）が有用であろう。測定は、直接的（例えば、温度センサによる温度）、又は導出的―電気的及び光学的変化の組合せ測定による炭素の蓄積度のような―である。これらデータポイントのいくつかを取得する熱電対及び圧力センサのような標準的な手法が入手可能であり、今日用いられている。導出的測定（例えば、動作レンジにおける粘度の適合）は、直接的測定から計算することができ、温度及び圧力の範囲を超えて外挿することができる。追加の検出方法は、動いている金属粒子の検出を強化するために一つ以上の誘導コイル及び磁気センサを用いることを含む。光学的光ソース及び光検出器を備えた光透過率計は、例えば、様々な波長で光吸収率の変化を測定して、潤滑流体における炭素煤の蓄積や他の潜在的な混入物及び物質を確認する。潤滑流体の基本的状態の正確な示唆を提供するため、そのような全ての測定は温度及び圧力補正（又は正規化）がなされることが好ましい。

粘度分析は、マルチセンサ指度から摩擦インデックスを導出して潤滑油の正味流体摩擦を決定する。本発明は、例えば、流体流れを測定するために選択された場所の流体潤滑剤内の二つの磁気センサの測定により粘度を導出するシンプルな方法を提供する。ノーレイテンシ・ホールセンサのようなこれらの磁気センサは、実質的に類似しており、潤滑油の流れの中に互いに近接して配置される。小型の乱流インデューサは、誘発される流れの乱れに基づいて、それらのセンサの近傍において流れのわずかな違いを測定することを可能にする。この測定は、光透過率計を用いる光吸収率測定と更に統合することができる。この統合された測定は、温度又は圧力の指度と結び付けられて、摩擦インデックスを計算するためのフレームワークを提供する。これらのホール効果に基づくセンサは、できるだけ類似するように設計される。乱流インデューサによって引き起こされていない時間的及び空間的な変化は、ほとんど同一な二つのセンサを用いて取り去られる。更に、乱流インデューサの形状は、流体分子が翼の上側と下側でわずかに異なるスピードで移動する航空機設計応用と同様に、流体速度に関連したかすかな変化を生じさせるように設計される。粘度は、これらかすかな違いの測定と局所温度及び圧力とから、記録された潤滑油粘度参照データを用いて導出することができ、実時間の潤滑油コンディションの示唆を提供する。

センサは、エンジン潤滑油の高温に耐えられるように設計されることが好適である。高温熱電対が温度を測定し、厚膜抵抗体が圧力センシング及び高温磁気センサを可能にする。光学的測定方法は、証明された高温設計に基づいている。好適には、光スペクトルは、潤滑流体が高温でエネルギを発光しない紫外から中赤外の範囲に及び、流体、環境、及び潜在的混入物に依存する。透過率計レンジはミリメートルで測定され、発光エレメントと受光エレメントの間の距離は、既知のＭＥＭＳ製造技術を用いて精密に制御される。発光エレメントと受光エレメントの間の距離は、非常に正確であることが必要である。これらのエレメントの全ては、実現されており、有用なデータを中継するようにこれらの極端な温度及び圧力環境で個々に動作している。設計はこれらの方法に限定されない。現在のところ、これらの方法は、効果的であると証明されており、シンプルな解決法を提供する。

実施の形態において、説明されたシステム及び方法は、内燃機関内に存在する又は内燃機関に関連する高温環境に関連する流体のような流体の実時間モニタリングを提供する（すなわち、サンプル取り出しによる遅延なくエンジンの活動中に流体をモニタリングする）。好適には、システム及び方法は、内燃機関で標準的に用いられるオイルベースの流体潤滑剤だけでなく、トランスミッション流体又はグリコールベースの冷却液（例えば不凍液）のような他の流体、及び、製造環境及びヘルスケア産業で用いられる重要な救命用医療機器における他の流体をモニタする。システム及び方法は、マルチセンサモードを用いる実時間モニタリングを提供して、様々な動作コンディションにおいてモニタされる流体の劣化を定量することが好適である。本発明の他の観点によれば、潤滑油内の既知の有害な微粒子、例えば金属、の存在を検出することができる。他の観点では、潤滑流体に連続的に浸かったセンサモジュールで流体をモニタリングすることが述べられる。他の観点では、流体コンディションの並列且つ統合された実時間分析が述べられる。本発明では、そのような機械装置の動作環境において経験される高温及び他のコンディションも述べられる。

実施例において、実時間マルチモーダル流体センシングシステムは、モニタされるべき流体に浸けられることが意図された能動センシング環境（１００）を備える単一ユニットの内蔵型実施の形態にある。センサは流体内に配置することが可能なアセンブリに取り付けられ、ねじボルト（２００）により適所に保持されるプラグ（３００）に電気的能動センサが埋め込まれる。ボルトヘッドは、内蔵型システム（４００）の非センサエレメントを収容し、非センサエレメントはマイクロコントローラ、フィルタ、及びその他のエレメントを含む。好適には、誘導コイル（１０８）とシステムを動作させる電力を含む信号ソースの他の方法もアセンブリに含まれる。ボルトアセンブリは、技術者によって取り付け及び取り外しが可能な内蔵型プラットフォームである。そのような環境は、典型的には、自動車のオイルドレインプラグ又は潤滑油のリザーバでもある潤滑油戻りシステムにおける類似の「低点」である。流体環境は、通常の及び異常な動作により温度及び圧力の変化にさらされる。センサは、温度及び圧力仕様内で動作するように設計されるだけでなく、異常コンディションを検出できるように通常の動作環境から外れても耐えられる。

センシング環境内で、システムは、磁気、光、及び電気を含むマルチセンサモードに横断的に、それ自体の局所的及び低エネルギ参照信号ソースをプログラムに基づいて生成し、それらにおける値を連続的に検出するだけでなく、連続的な圧力及び温度測定を受動的に受け取る。センサプラットフォーム（１００）の能動エレメントは、測定中に流体に浸かることが意図されている。完全にせよ部分的にせよセンサが流体に浸からない場合、このことは、光送信（１０６）から光受信（１０７）だけでなく電気的ソース（１０１）から受信（１０４）にも横断的な期待値許容度のマルチセンサ確認により検出及び確認され得る。このように、流体不足のコンディションをマルチアプローチにより検出することができるだけでなく、電気センサ及び光センサの両者が正しく共同でクロスチェックされることを確認することができる。

磁気センシングは、予め定義されプログラム可能な特徴の信号（１０２）を生成することにより達成され、それは磁気センサ（１０３）の近傍において既知の固定参照距離を有し、それは信号増幅、Ａ／Ｄ変換、及びデータフィルタリングを実行する制御部（１０９）により受信されて処理される。センシングは、その信号に相応の応答速度を提供するタイプの一つ以上のセンサ（１０３）により遂行することができ、それらは同じタイプでも異なっていてもよく、流体コンディションの直接測定及び差分（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）測定の両方を提供する。制御部（１０９）は信号をフィルタリング及び分析するステップを実行し、ステップは増幅及びノイズ低減フィルタリングを含み、その後、信号はマイクロコントローラ（１４０）へ伝達される。磁気的測定は、他の測定次元と結びつけられた場合、検出された状態の確認だけでなく、活性化すると検出可能な磁気特性を発現させる常磁性ナノ粒子のような例外コンディションの検出のためのベクトルも考慮する。ナノ粒子活性化は、センサとは無関係であり、極端な温度限界を超えるような例外コンディションで誘発される。

一つ以上の光センサ（１０７）を一つ以上の光学的ソース（１０６）に連結することができ、狭周波数調整された発光ダイオード（ＬＥＤ）のような一つ以上の特定光波長発光器とフォトレセプタのような受光器とから構成することができる。今日の発光器は、狭周波数帯の光を発光するように構成することができる。そのような波長は、流体及び流体中に蓄積する混入物の特定のタイプに依存する。図６は、そのような波長の近赤外領域における典型的なスペクトルを示す。光センシングは、いくつもの特徴―ＬＥＤが発光しているときにおける流体の存在を含むがそれに限定されない―を測定することができる。更に、複数のＬＥＤを、随伴するフォトレセプタから既知の固定された異なる距離のところに配置して、距離に基づいた、異なる周波数に横断的な吸収レベルのプロファイルを提供することができる。実施の形態は、単一のＬＥＤ発光器及びそこから既知の距離だけ離れた複数のフォトレセプタによって実現されるだけでなく、既知の順序でパルス動作する複数のＬＥＤ及びそれらから既知の距離だけ離れた一つのフォトレセプタによっても実現される。制御ロジックは、マイクロコントローラ（１４０）及び前処理モジュール（１０９）におけるソフトウエア／ファームウエアにより管理される。光センシングは、特定波長の吸収と光学的特徴の時間変化との両方において差異を検出することができる。開発された光センシングは、能動モード及び受動モードの両方で動作する。能動モードにおいて、光学的ソースは流体を介して既知の強度及び波長の光をパルス発光し、光学的ソースからの光の吸収の程度及びレベルが測定される。この小スケール透過率計は、特定の混入物及び／又は図６に示されるような特定の複数波長に横断的な流体特性の衰弱のような変化を検出するように構成される。

電気的特性の変化のセンシングは、流体の誘電率のような電気容量測定から既知の参照距離に配置された電気的ソース（１０１）により遂行される。測定及び信号の周波数及び強度は、プログラム可能なマイクロコントローラファームウエアに基づいており、ソース及び測定センシングの間に存在する連続的にモニタされるべき流体の特徴に基づき且つ依存している。間隙にまたがる電気抵抗及び電気容量は、データ取得制御部（１０９）により測定することができる。異なる流体は異なる特性を持つため、ソースフィールドとセンサ受信特性の両者をプログラムに基づいて構成及び制御できることは、本発明の重要な側面である。圧力センシング（１１１）及び温度センシング（１１０）もデータ取得制御部（１０９）に接続される。これらのセンサは、熱レベル及び圧力レベルにおける通常コンディション及び異常コンディションを検出し、環境の動作状態についての洞察を提供することができる。流体コンディション変化―（システムが動作しない）停止からピーク動作環境までのような―をプログラム可能なマイクロコントローラユニット（１４０）により評価することができる。そのような応用をソフトウエア／ファームウエアにおいて展開して、「停止」コンディション及び「動作」コンディションの両方の理解を発展させることができる。更に、特定の圧力及び温度におけるプロファイルは、定量計算（温度／圧力によるオフセット―磁気センサ（１０３）がホール効果の使用に基づくならば）と温度及び圧力プロファイルによる光学的特性の変化との両方にとって有用であり得る。

実時間クロック（１５０）は、マイクロコントローラモジュール（１４０）によるモニタリングイベントを誘発し且つ縦断的解析のために取得されたデータを時間基準に関連付けるために、正確な時間基準を提供する。実時間クロックは、記録されたマルチモーダルセンサ測定の各々と関連付けることが可能な時刻情報及び日付情報の両方を提供する。

プログラム可能なマイクロコントローラ（１４０）は、フィルタリング及び他のアルゴリズムを含む情報の前処理と後処理の両方を提供して、データ補正を提供する。結果は、通信モジュール（１６０）を介して有線接続及び無線接続のいずれかにより表示部（１７０）に伝達される。表示部及びマイクロコントローラの両者は、内部記憶（２８０）を処理して、時系列データを記録及び評価することができる。

マイクロコントローラ（１４０）において、センサデータは蓄積されて追加のフィルタリング及びマルチセンサに横断的な統合を受ける。生データは、温度、圧力、光吸収率、電気インピーダンス、及び磁気特性のような個々のセンサモードの各々のための少なくとも一つのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）（２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、及び２０８）の組により処理される。結果の並列出力―データ補正フィルタリング（２２０）の前及び後の両方の―は生データ出力（２６０）を提供し、生データ出力は通信モジュール（１６０）を介して伝達される。

コンフィグレーションモジュール（２７０）は、フィルタリングパラメータ及び処理パラメータを強化フィルタリング（２２０）に動的に設定することができる。ここで、計測基準及びエラーコンディションだけでなく、記憶装置のコンフィグレーション、イベントモニタリング、トリガーのような他のパラメータが含まれる。コンフィグレーションモジュールは通信モジュール（１６０）を介して外部装置に接続される。

更に、動作中は、連続的であれマイクロプロセッサ及び関連するプログラミングソフトウエアに従った折々のＰｏｌｌ送信によるものであれ、正確な時間基準を提供する実時間クロック（１５０）を備えることにより更に強化される。そのような測定「クロスチェック」は、固有の値確認を考慮しており、データ補正（例えば、カルマンフィルタリング及び他のアルゴリズム的手法）及びセンサシステム全体の統合性を改善する。多くの高価値システムでは「誤り」が検出された場合、環境ではなくセンサに故障があることが多い。本発明は、期待及び予想されたセンサ出力／値がセンサシステムのパフォーマンスの正当性立証を連続的に行えるように、多くの測定基準に横断的な正当性立証を連続して行うことで、相互相関及び固有センサプラットフォームの検証を考慮する。このように、エラーコンディション（例えば、センサ故障）の分離は、それ自体が価値のある操作者の洞察―欠点のあるセンサを既知の故障した装置であると識別して交換するための―である。

以上、説明の目的のために特定の実施の形態を参照して説明を行った。しかしながら、上記した説明検討は、完全なものであることや本発明を開示されたそのままの形態に限定することを意図したものではない。上記教唆を考慮して、様々な変更及び変形を行うことが可能である。実施の形態は、本発明の本質とその実際的な応用を説明するために選択及び説明された。それによって、当業者は、意図された個別の利用に適した様々な変更を行って、本発明及び様々な実施の形態を最大限に利用することができる。

１００…プラグアセンブリ埋込センサ、マルチセンサ、能動センシング環境、又はセンサプラットフォーム；１０１…電気的ソース；１０２…磁気的ソース；１０３…磁気センサ；１０４…電気センサ（電気抵抗センサ、電気インピーダンスセンサ）；１０６…光学的ソース又は光信号ソース；１０７…光センサ又は光レセプタ；１０８…誘導コイル；１０９…制御部；１１０…温度センサ；１１１…圧力センサ；１４０…マイクロコントローラ；１５０…実時間クロック；１６０…通信部；１７０…受信及び表示部；２００…ねじボルト；２０３…ＤＳＰ磁気データ計算器；２０４…ＤＳＰ電気データ計算器；２０５…ＤＳＰ温度差分計算器；２０７…ＤＳＰ圧力計算器；２０８…ＤＳＰ光学的データ計算器；２２０…強化フィルタリング；２３０…実時間特徴データ計算器；２６０…出力／表示部；２７０…コンフィグレーションモジュール；２８０…データ記憶部；３００…ボルトヘッド；４００…内蔵型システム又はマイクロコントローラ

Claims (21)

1. 流体ベース閉鎖系環境における複数のセンサモードによる測定から導出される流体のマルチ特性の連続モニタリングのための統合システム。
2. 原動機内潤滑油モニタリングシステムである
   請求項１に記載の統合システム。
3. 前記モニタリングは実時間モニタリングである
   請求項１に記載の統合システム。
4. レシプロエンジンオイルドレインプラグに見出される標準のサイズ及び形状のオイルプラグエレメントの形状要素に組み込まれ、有線又は無線のデータテレメトリにより表示・処理部から遠隔配置される
   請求項１に記載の統合システム。
5. 遠隔配置された処理・表示部を更に備える
   請求項１に記載の統合システム。
6. 前記複数のセンサモードは、電気センサ、温度センサ、磁気センサ、光センサ、及び圧力センサの少なくとも二つを備える
   請求項１に記載の統合システム。
7. 前記複数のセンサモードの少なくとも一つは、インダクタを備える
   請求項１に記載の統合システム。
8. 前記複数のセンサモードは、少なくとも磁気センサ及び光センサを備える
   請求項１に記載の統合システム。
9. 前記複数のセンサモードは、少なくとも、電気センサ、磁気センサ、及び光センサを備える
   請求項１に記載の統合システム。
10. 高温高圧環境に耐えることができるエポキシカプセルに収容された
    請求項１に記載の統合システム。
11. シングル及びマルチ関連流体特性の両方を検出するためのマルチデジタル信号処理モジュールを更に備える
    請求項１に記載の統合システム。
12. エラー指示、特定データ特性検出信号、特定データ特性信号検出強度レベル、及び高速フーリエ変換（ＦＦＴ）データ出力からなるグループから選択されるマルチステージ出力信号生成を更に備える
    請求項１に記載の統合システム。
13. センサモード測定は、カルマンフィルタリング法を用いて分析される
    請求項１に記載の統合システム。
14. センサモード測定は、ベイズ分析法を用いて分析される
    請求項１に記載の統合システム。
15. センサモード測定は、隠れマルコフフィルタリング法を用いて分析される
    請求項１に記載の統合システム。
16. センサモード測定は、ファジィ理論分析法を用いて分析される
    請求項１に記載の統合システム。
17. センサモード測定は、ニューラルネットワーク分析法を用いて分析される
    請求項１に記載の統合システム。
18. センサモード測定は、下記ａ）〜ｍ）のうちの少なくとも一つを含む：
    ａ）差分温度比較、
    ｂ）差分磁気センサ比較、
    ｃ）差分誘導センサ比較、
    ｄ）差分電気インピーダンス比較、
    ｅ）差分光吸収率比較、
    ｆ）二つのセンサからなる少なくとも一つの組から構成される任意の組合せ及び統合比較、
    ｇ）各センサベクトル対時間及び温度のデータ比較、
    ｈ）少なくとも二つのセンサが組み合されてなる組から構成される統合ベクトルのデータ比較、
    ｉ）誘導データ比較対時間及び温度、
    ｊ）光学的データ比較対時間及び温度、
    ｋ）光学的データ比較対温度及び圧力、
    ｌ）ピーク熱を検出するための温度データ比較対時間及び圧力、及び
    ｍ）他のセンサ組合せ
    請求項１に記載の統合システム。
19. 第１センサモードを用いて機械の作動流体の第１コンディションを測定し、
    第２センサモードを用いて前記流体の第２コンディションを測定し、
    前記第１センサモード及び前記第２センサモードからのデータをフィルタリングし、
    前記データを統合し、
    前記データを解析し、
    前記データから前記流体の特性を導出し、
    導出された前記流体のコンディションの前記特性を受信機に送信し、
    上記プロセスを繰り返して前記流体の動作コンディションの変化をトラッキングする流体特性の時系列を蓄積する
    機械の作動流体の連続モニタリング方法。
20. 任意のシングル又はマルチコンディションの変化の期待速度対観測速度の時系列を計算することで前記流体のコンディションをトラッキングする
    請求項１９に記載の方法。
21. 予想及び期待された測定値変化対期待されない変化のマルチセンサ時系列データに横断的に、期待された発散又は収束を計算する
    請求項１９に記載の方法。

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