JP2016126007A - Sensing method and system - Google Patents
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Abstract
Description
検出方法およびシステムに関する実施形態が開示されている。共振センサなどのセンサは、流体を検出するためのセンサまたはトランスデューサとして使用することができるインダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)センサを含むことができる。 Embodiments relating to detection methods and systems are disclosed. Sensors such as resonant sensors can include inductor-capacitor-resistor (LCR) sensors that can be used as sensors or transducers to detect fluids.
流体のロバスト検出は、移動機器および固定機器の用途において有用であり得る。例として、機器が車両エンジンであって、流体がエンジンオイルである場合には、オイルの健全性に関する知識は、予期しないダウンタイムを低減または防止し、不必要なオイル交換の節約を提供し、機関車、重トラックおよび軽トラック、ならびに採鉱、建設、および農業用車両などの車両の運行間隔計画を改善するのを助けるために用いることができる。固定機器の用途の他の例は、風力タービンおよび発電セットを含むことができる。さらに、エンジンオイルの健全性に関する知識は、乗用車の全寿命コストを防止または低減し、運行間隔の制御を改善し、エンジンの寿命を延ばすことができる。 Fluid robust detection may be useful in mobile and stationary equipment applications. As an example, if the equipment is a vehicle engine and the fluid is engine oil, knowledge of oil health will reduce or prevent unexpected downtime and provide unnecessary oil change savings, It can be used to help improve service interval planning for locomotives, heavy and light trucks, and vehicles such as mining, construction, and agricultural vehicles. Other examples of stationary equipment applications can include wind turbines and power generation sets. In addition, knowledge about the health of engine oil can prevent or reduce the total lifetime cost of passenger cars, improve control of driving intervals, and extend engine life.
標準的な(伝統的な)インピーダンス分光法は、材料性能の態様を特徴づけるために使用される技術である。伝統的なインピーダンス分光法では、材料は電極間に配置され、広い周波数範囲(数分の1Hzから数10GHzまで)にわたってプロービングされて、材料の誘電特性に関する基本的な情報を抽出することができる。しかし、標準的なインピーダンス分光法は、報告された測定構成では感度が低く、広い周波数範囲にわたって収集時間が非常に長くなるために、制限される場合がある。 Standard (traditional) impedance spectroscopy is a technique used to characterize aspects of material performance. In traditional impedance spectroscopy, material can be placed between electrodes and probed over a wide frequency range (from a fraction of a Hz to tens of GHz) to extract basic information about the dielectric properties of the material. However, standard impedance spectroscopy may be limited due to low sensitivity in the reported measurement configuration and very long acquisition times over a wide frequency range.
現在利用可能であるそれらのシステムおよび方法とは異なるシステムおよび方法を有することが望ましい場合がある。 It may be desirable to have a system and method that differs from those currently available.
本開示の一実施形態は、流体を解析するためのシステムを提供する。システムは、センサを含むことができる。センサは、共振インダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)回路と、LCR回路の少なくとも一部を含む検出領域と、検出領域に結合されたコントローラと、を含むことができる。検出領域は、目的の流体と動作可能に接触して配置することができる。コントローラは、センサからの電気信号を受信することができる。信号は、測定されたスペクトル周波数範囲にわたって、流体と動作可能に接触する検出領域の共振インピーダンススペクトルを表すことができる。信号は、共振インピーダンススペクトルを解析し、解析された共振インピーダンススペクトルに基づいて、流体の1つまたは複数の特性を決定するために用いることができる。 One embodiment of the present disclosure provides a system for analyzing a fluid. The system can include a sensor. The sensor can include a resonant inductor-capacitor-resistor (LCR) circuit, a detection region that includes at least a portion of the LCR circuit, and a controller coupled to the detection region. The detection region can be placed in operative contact with the fluid of interest. The controller can receive an electrical signal from the sensor. The signal can represent the resonant impedance spectrum of the detection region in operative contact with the fluid over the measured spectral frequency range. The signal can be used to analyze a resonant impedance spectrum and determine one or more characteristics of the fluid based on the analyzed resonant impedance spectrum.
一実施形態では、方法は、流体と接触するセンサを励起するステップを含む。センサは、解析の周波数範囲の1つまたは複数の周波数で動作するLCR共振回路を含むことができる。解析の周波数範囲にわたって、センサから信号を受信することができる。信号は、流体と接触するセンサについての情報を含む。流体の1つまたは複数の特性は、共振インピーダンススペクトルに少なくとも部分的に基づいて決定することができる。 In one embodiment, the method includes exciting a sensor that contacts the fluid. The sensor can include an LCR resonant circuit that operates at one or more frequencies in the frequency range of analysis. A signal can be received from the sensor over the frequency range of the analysis. The signal includes information about the sensor in contact with the fluid. One or more characteristics of the fluid may be determined based at least in part on the resonant impedance spectrum.
一実施形態では、共振センサおよびコントローラを含むシステムが提供される。センサは、流体の複素誘電率を検出することができる。コントローラは、センサに結合することができ、センサからの電気信号を受信することができる。信号は、測定されたスペクトル周波数範囲にわたって、流体の共振インピーダンススペクトルを表すことができる。コントローラは、共振インピーダンススペクトルに少なくとも部分的に基づいて、流体の複素誘電率を決定することができる。 In one embodiment, a system is provided that includes a resonant sensor and a controller. The sensor can detect the complex dielectric constant of the fluid. The controller can be coupled to the sensor and can receive electrical signals from the sensor. The signal can represent the resonant impedance spectrum of the fluid over the measured spectral frequency range. The controller can determine the complex dielectric constant of the fluid based at least in part on the resonant impedance spectrum.
これらの、および他の特徴は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、理解することができる。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。 These and other features can be understood by reading the following detailed description with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings, like reference numerals designate like parts throughout the views.
検出方法およびシステムに関する実施形態が開示されている。共振センサなどのセンサは、流体を検出するためのセンサまたはトランスデューサとして使用することができるインダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)センサを含むことができる。本明細書で提供されるものは、流体および流体内の様々な成分もしくは汚染物質が存在するところで解析可能な変化を示す共振構造である部分を有するセンサである。 Embodiments relating to detection methods and systems are disclosed. Sensors such as resonant sensors can include inductor-capacitor-resistor (LCR) sensors that can be used as sensors or transducers to detect fluids. Provided herein are sensors having portions that are resonant structures that exhibit analyzable changes in the presence of fluids and various components or contaminants within the fluids.
一実施形態では、センサは、インダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)共振器回路を含むことができ、これはこの回路の共振インピーダンス(Z)により与えられる共振周波数応答を有する。本明細書で提供されるセンサは、変化するノイズ源が存在するところで目的の特性を検出することができ、かつ、変化する温度条件の下で動作することができて、経時的に安定したセンサ性能を提供することができる。本明細書では、インダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)共振器を含むセンサが開示され、それはセンサまたはトランスデューサとして機能することができる。センサの共振インピーダンススペクトルは、ピックアップコイルとセンサとの間の誘導結合を介して測定することができ、あるいはセンサ読み取り装置に接続することにより直接測定することができる。センサの電気的応答は、センサの共振インピーダンスの変化に変換することができる。 In one embodiment, the sensor can include an inductor-capacitor-resistor (LCR) resonator circuit, which has a resonant frequency response given by the resonant impedance (Z) of this circuit. The sensor provided herein is capable of detecting a target characteristic in the presence of a varying noise source and can operate under varying temperature conditions and is stable over time. Can provide performance. Disclosed herein is a sensor that includes an inductor-capacitor-resistor (LCR) resonator, which can function as a sensor or a transducer. The resonant impedance spectrum of the sensor can be measured via inductive coupling between the pickup coil and the sensor, or can be measured directly by connecting to a sensor reader. The electrical response of the sensor can be translated into a change in the resonant impedance of the sensor.
個々のセンサの信号変化の非限定的な例としては、結合された同時共振インピーダンス変化、インダクタンス変化、抵抗変化、およびキャパシタンス変化を挙げることができる。本明細書に開示される好適なセンサおよびシステムは、センサの共振回路を構成する電極間のセンサに接触させることにより、エンジンオイルまたは燃料などの流体の変化を測定する能力を高めることができる。センサの共振回路は、電気共振回路とすることができる。他の共振回路は、機械的共振器を含んでもよく、この場合には、流体の粘度および/または密度の変化が機械的共振器の応答に影響を及ぼす。 Non-limiting examples of individual sensor signal changes can include coupled simultaneous resonant impedance changes, inductance changes, resistance changes, and capacitance changes. The preferred sensors and systems disclosed herein can increase the ability to measure changes in fluids such as engine oil or fuel by contacting the sensor between the electrodes that make up the resonant circuit of the sensor. The resonant circuit of the sensor can be an electrical resonant circuit. Other resonant circuits may include mechanical resonators, in which case changes in fluid viscosity and / or density affect the response of the mechanical resonator.
好適な機械的共振器としては、音叉共振器、厚みすべりモード共振器、水晶発振子マイクロバランス共振器、弾性表面波共振器、バルク弾性波共振器などを挙げることができる。これらのおよびその他の機械的共振器とは異なり、電気共振器では流体の粘度および/または密度の変化の影響が予測可能でない場合がある。代わりに、電気共振器では、流体の複素誘電率の変化の影響を予測可能とすることができる。電気共振器は、設計が非常に複雑になる場合があり、たとえばマージナル発振器は複雑な多数の部品の回路を必要とする。 Examples of suitable mechanical resonators include tuning fork resonators, thickness-slip mode resonators, crystal resonator microbalance resonators, surface acoustic wave resonators, and bulk acoustic wave resonators. Unlike these and other mechanical resonators, the effects of changes in fluid viscosity and / or density may not be predictable in electrical resonators. Instead, in an electrical resonator, the effect of changes in the complex permittivity of the fluid can be predictable. Electrical resonators can be very complex in design, for example marginal oscillators require complex multi-part circuits.
少なくとも一部のオイルおよび潤滑剤の劣化は、それらが形成されたオイルおよび潤滑剤よりも相対的に有極性であり得る分子および/またはその他の成分を生成する場合がある。ベースオイルまたは潤滑剤は、弱い極性をもつ長鎖炭化水素分子を含む場合があり得る。したがって、有極性汚染物質の存在は、オイルの複素誘電率の1つまたは複数の部分を増加させることができる。 Degradation of at least some oils and lubricants may produce molecules and / or other components that may be more polar than the oils and lubricants from which they are formed. The base oil or lubricant can contain long chain hydrocarbon molecules with weak polarity. Thus, the presence of polar contaminants can increase one or more portions of the complex permittivity of the oil.
一態様によれば、共振トランスデューサは、再構成可能な共振構造として動作し、流体の状態(さらに、たとえば、このような流体と接触している機器の健全性)をモニターするために複数の周波数で動作し、制御されていない周囲環境ノイズの寄与があるところで、任意の試料の誘電特性をより正確にプロービングする。流体の健全性をモニターすることは、このような流体の組成の決定または汚染の決定を含んでいる。 According to one aspect, the resonant transducer operates as a reconfigurable resonant structure and is configured with multiple frequencies to monitor fluid conditions (eg, the health of equipment in contact with such fluid). Probing the dielectric properties of any sample more accurately where there is an uncontrolled ambient noise contribution. Monitoring fluid health includes determining the composition or contamination of such fluids.
干渉物質および周囲環境ノイズの寄与の非限定的な例としては、温度または試料中の干渉の存在を挙げることができる。「干渉」という用語は、センサの測定の正確さおよび精度に悪影響を及ぼす望ましくない環境パラメータを含む。「干渉物質」という用語は、センサの誤応答を潜在的に生じさせ得る材料または環境条件を指す。このような干渉物質の存在および/または濃度を低減、排除、または考慮するために、用途に特有のパラメータに基づいて、フィルタ(物理的、化学的、および/または電子的)を用いることができる。 Non-limiting examples of the contribution of interfering substances and ambient environmental noise can include the presence of temperature or interference in the sample. The term “interference” includes undesirable environmental parameters that adversely affect the accuracy and accuracy of sensor measurements. The term “interfering substance” refers to a material or environmental condition that can potentially cause a false sensor response. Filters (physical, chemical, and / or electronic) can be used based on application specific parameters to reduce, eliminate, or take into account the presence and / or concentration of such interfering substances. .
図1を参照すると、接触する流体を評価するのに有用であるシステム10が示されている。例示の目的のために、代表的な流体をエンジンオイルとすることができる。システムは、流体およびセンサ14のための流体リザーバ12を含むことができる。あるいは、センサを流体の流路に配置してもよい。センサは、または、リザーバ内にまたはその上に配置された共振センサであってもよいし、あるいは流路を画定する流体リザーバと流体連通するインラインコネクタに結合されてもよい。一実施形態では、センサはリザーバまたは流路内の流体の連続的なモニタリングを提供することができる。 Referring to FIG. 1, a system 10 that is useful for evaluating contacting fluid is shown. For illustrative purposes, the representative fluid may be engine oil. The system can include a fluid reservoir 12 for fluid and sensor 14. Alternatively, the sensor may be disposed in the fluid flow path. The sensor may be a resonant sensor disposed in or on the reservoir, or may be coupled to an in-line connector in fluid communication with a fluid reservoir defining a flow path. In one embodiment, the sensor can provide continuous monitoring of fluid in the reservoir or flow path.
好適な流体は、炭化水素燃料および潤滑剤を含んでもよい。好適な潤滑剤としては、エンジンオイル、ギヤオイル、作動流体、潤滑オイル、合成系潤滑剤、潤滑流体、グリース、およびシリコーンなどが挙げられる。好適な燃料としては、ガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃料もしくはケロシン、バイオ燃料、石油ディーゼルバイオディーゼル燃料混合物、天然ガス(液体または圧縮)、および燃料オイルを挙げることができる。さらに他の流体は、変圧器中の絶縁オイル、溶剤、または溶剤の混合物であってもよい。さらに他の流体は、それに対応して好適なセンサパラメータである、水、空気、エンジン排気、生物学的流体、ならびに有機および/または植物油などを含めることができる。流体は、液体であってもよいし、気相であってもよい。さらに、多相組成物も想定される。 Suitable fluids may include hydrocarbon fuels and lubricants. Suitable lubricants include engine oil, gear oil, working fluid, lubricating oil, synthetic lubricant, lubricating fluid, grease, silicone, and the like. Suitable fuels can include gasoline, diesel fuel, jet fuel or kerosene, biofuel, petroleum diesel biodiesel fuel mixture, natural gas (liquid or compressed), and fuel oil. Still other fluids may be insulating oil in the transformer, a solvent, or a mixture of solvents. Still other fluids may include correspondingly suitable sensor parameters such as water, air, engine exhaust, biological fluids, and organic and / or vegetable oils. The fluid may be a liquid or a gas phase. In addition, multiphase compositions are envisioned.
種々の流体成分の非限定的な例としては、近接システムからの意図しない漏れ(たとえば、エンジンオイル中へのラジエータ流体、またはディーゼル燃料もしくは変圧器オイル中の水結露)を挙げることができる。他の検出可能な流体成分は、動作が高温になることによる、あるいは酸化剤(空気など)との接触による流体の劣化生成物を含んでもよい。システムの動作は、汚れ、塩、煤もしくは炭素、摩耗金属粒子、摩耗生成物などの流体成分を導入する場合があり得る。いくつかの環境では、細菌などによる汚れが流体成分となる場合がある。また、すべての場合に、酸性成分が存在することを示すpHの上昇などの間接的な測定が有用であり得る。 Non-limiting examples of various fluid components can include unintentional leakage from proximity systems (eg, radiator fluid into engine oil or water condensation in diesel fuel or transformer oil). Other detectable fluid components may include fluid degradation products due to high temperature operation or contact with an oxidant (such as air). The operation of the system may introduce fluid components such as dirt, salt, soot or carbon, wear metal particles, wear products. In some environments, dirt from bacteria or the like may be a fluid component. In all cases, indirect measurements such as an increase in pH indicating the presence of acidic components may be useful.
センサは、共振インピーダンススペクトル応答により、流体の特性を検出することができる。LCR共振器の1つまたは複数が、共振インピーダンススペクトル応答を測定することができる。単純な共振インピーダンス測定とは対照的に、開示される実施形態は、少なくとも1つの共振電気回路により試料をプロービングする。試料に近接するセンサ(流体と動作可能に接触するセンサ)の共振インピーダンススペクトルは、試料の組成および/または成分および/または温度に基づいて変化する。測定された共振インピーダンス値Z’(共振インピーダンスの実部Zreであり得る)およびZ’’(共振インピーダンスの虚部Zimであり得る)は、共振電気回路の電界の刺激に対する流体(たとえば、センサに近接する流体の部分)の応答を反映する。 The sensor can detect the characteristics of the fluid by the resonant impedance spectral response. One or more of the LCR resonators can measure the resonant impedance spectral response. In contrast to simple resonant impedance measurements, the disclosed embodiments probe the sample with at least one resonant electrical circuit. The resonant impedance spectrum of a sensor in proximity to the sample (a sensor in operative contact with the fluid) varies based on the sample composition and / or composition and / or temperature. The measured resonant impedance values Z ′ (which may be the real part Zre of the resonant impedance) and Z ″ (which may be the imaginary part Zim of the resonant impedance) are fluids (eg, to the sensor) for stimulation of the electric field of the resonant circuit. Reflects the response of the adjacent fluid part).
電界は、電極を介してセンサによって印加することができる。電極は、試料と直接または間接に電気的接触することができる。たとえば、センサは、検出領域および関係する回路の組み合わせであってもよい。検出領域は、裸であってもよいし、保護誘電体層でコーティングされてもよい。いずれの場合も、検出領域は、流体と動作可能に接触しているとみなすことができる。このような実施形態では、同調回路は流体に直接接触しない。試料との間接的な電気的接触の一例は、検出する電極構造が誘電体保護被膜でコーティングされている場合であって、かつ、電極間で発生し得る電界が誘電体保護被膜を貫通した後に流体と相互作用する場合であり得る。好適な誘電体保護被膜は、電極に整合的に被覆することができる。 The electric field can be applied by the sensor via the electrode. The electrode can be in direct or indirect electrical contact with the sample. For example, a sensor may be a combination of a detection region and related circuitry. The detection area may be bare or coated with a protective dielectric layer. In either case, the detection region can be considered in operative contact with the fluid. In such embodiments, the tuning circuit is not in direct contact with the fluid. An example of indirect electrical contact with the sample is when the electrode structure to be detected is coated with a dielectric protective coating, and after an electric field that can be generated between the electrodes penetrates the dielectric protective coating. This may be the case when interacting with the fluid. A suitable dielectric protective coating can be applied consistently to the electrodes.
好適なセンサは、1回使用または複数回使用のセンサを含むことができる。好適な複数回使用の共振センサは、組み込むことができるシステムの寿命の間に使用できる再使用可能なセンサであってもよい。一実施形態では、共振センサは、反応もしくは処理のすべてまたは一部の間に用いることができる使い捨てのセンサであってもよい。たとえば、共振センサは、1つもしくは複数の電極対、ならびに、たとえば抵抗、キャパシタ、インダクタ、共振器、インピーダンス変成器、またはこれらの2つ以上の組み合わせである1つもしくは複数の同調素子を含むことができ、少なくとも1つの共振周波数で動作するインダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)共振回路を形成することができる。特定の実施形態では、共振センサの複数の共振回路の異なる共振回路は、異なる周波数で共振するように構成することができる。異なる周波数は、測定される流体組成物の分散プロファイルを横断するように選択することができる。分散プロファイルは、プローブ周波数に対する流体組成物の誘電特性の依存性であってもよい。流体の様々な構成要素は、異なる分散プロファイルを有している。複数の共振周波数で測定した場合には、流体の異なる成分の濃度を決定することができる。 Suitable sensors can include single use or multiple use sensors. A suitable multi-use resonant sensor may be a reusable sensor that can be used during the lifetime of the system that can be incorporated. In one embodiment, the resonant sensor may be a disposable sensor that can be used during all or part of the reaction or process. For example, the resonant sensor includes one or more electrode pairs and one or more tuning elements that are, for example, resistors, capacitors, inductors, resonators, impedance transformers, or combinations of two or more thereof. And an inductor-capacitor-resistor (LCR) resonant circuit operating at at least one resonant frequency can be formed. In certain embodiments, different resonant circuits of the plurality of resonant circuits of the resonant sensor can be configured to resonate at different frequencies. The different frequencies can be selected to traverse the dispersion profile of the fluid composition being measured. The dispersion profile may be a dependence of the dielectric properties of the fluid composition on the probe frequency. Various components of the fluid have different dispersion profiles. When measured at multiple resonance frequencies, the concentration of different components of the fluid can be determined.
共振センサからのデータは、データ収集回路16により取得することができ、データ収集回路16は、センサと関係してもよいし、あるいは、データ処理回路を含むコントローラまたはワークステーション22などの制御システムと関係してもよく、制御システムでは追加の処理および解析を実行することができる。コントローラまたはワークステーションは、1つまたは複数の無線または有線の構成要素を含むことができ、また、システムの他の構成要素と通信することができる。好適な通信モデルは、無線または有線を含む。少なくとも1つの好適な無線モデルは、RFID無線通信などの無線周波数装置を含む。他の無線通信様態を、用途に特有のパラメータに基づいて使用することができる。たとえば、EMF干渉があり得る場合には、他の様態が機能しない場合に、特定の様態が機能することができる。データ収集回路は、図2に示すように、流体リザーバ内に配置することができる。他の好適な位置は、ワークステーション内の配置を含んでもよい。さらに、ワークステーションは、処理全体の制御システムと置き換えることができ、その場合には、共振センサおよびそのデータ収集回路は、処理の制御システムに接続することができる。 Data from the resonant sensor can be obtained by a data collection circuit 16 that may be associated with the sensor or a control system such as a controller or workstation 22 that includes a data processing circuit. The control system can perform additional processing and analysis. A controller or workstation can include one or more wireless or wired components and can communicate with other components of the system. Suitable communication models include wireless or wired. At least one suitable radio model includes a radio frequency device, such as RFID radio communications. Other wireless communication modes can be used based on application specific parameters. For example, if there can be EMF interference, a particular aspect can function when other aspects do not function. The data collection circuit can be placed in the fluid reservoir as shown in FIG. Other suitable locations may include placement within the workstation. In addition, the workstation can be replaced with an overall process control system, in which case the resonant sensor and its data acquisition circuitry can be connected to the process control system.
動作中には、モニタリング処理は、とりわけ、内燃機関、油入変圧器、化学反応処理、生物学的反応処理、精製および/または分離処理、触媒処理、一般的な燃焼処理、原料オイルの製造、原料ガスの製造、材料の抽出、ならびに他の工業プロセスの動作に結合することができる。データ収集回路は、センサ読み取り装置の形式であってもよく、流体リザーバおよび/またはワークステーションと無線もしくは有線で通信するように構成することができる。たとえば、センサ読み取り装置は、バッテリで動作する装置であってもよいし、および/または、主制御システムから利用可能なエネルギーを用いるか、周囲のソース(光、振動、熱、または電磁エネルギー)からのエネルギーの採収を用いて、電力を供給してもよい。 In operation, the monitoring process includes, inter alia, internal combustion engines, oil-filled transformers, chemical reaction processes, biological reaction processes, purification and / or separation processes, catalyst processes, general combustion processes, raw oil production, It can be coupled to raw gas production, material extraction, and other industrial process operations. The data collection circuit may be in the form of a sensor reader and can be configured to communicate wirelessly or wired with a fluid reservoir and / or workstation. For example, the sensor reader may be a battery operated device and / or use energy available from the main control system or from an ambient source (light, vibration, heat, or electromagnetic energy). Power may be supplied using the collection of energy.
さらに、データ収集回路は、1つまたは複数の共振センサ14(たとえば、アレイ状に形成された複数のセンサ、または流体リザーバ内または周囲の異なる位置に配置された複数のセンサ)からデータを受信することができる。データは、アーカイブ通信システムなどの短期または長期のメモリ記憶装置に記憶することができ、それはシステム内またはそれから離れて配置することができ、および/またはオペレータワークステーションなどでオペレータのために再構成され、表示することができる。本技術のセンサおよびセンサシステムの配置および取り付けの非限定的な例としては、燃料もしくは流体リザーバ、関連する配管部品、コネクタ、フロースルー部品、および他の任意の関連する処理部品を挙げることができる。 Further, the data collection circuit receives data from one or more resonant sensors 14 (eg, a plurality of sensors formed in an array, or a plurality of sensors disposed at different locations in or around the fluid reservoir). be able to. Data can be stored in short-term or long-term memory storage, such as an archival communication system, which can be located in or away from the system and / or reconfigured for an operator, such as at an operator workstation Can be displayed. Non-limiting examples of the placement and installation of sensors and sensor systems of the present technology can include fuel or fluid reservoirs, associated piping components, connectors, flow-through components, and any other associated processing components. .
データを表示することに加えて、オペレータワークステーションは、システムの上述した動作および機能を制御することができる。オペレータワークステーションは、汎用または特定用途向けコンピュータ24などの、1つまたは複数のプロセッサベースの構成要素を含むことができる。プロセッサベースの構成要素に加えて、コンピュータは、磁気的および光学的大容量記憶装置、RAMチップなどの内部メモリを含む、様々なメモリおよび/または記憶構成要素を含むことができる。メモリおよび/または記憶構成要素は、本明細書に記載した技術を実行するためのプログラムおよびルーチンを格納するために用いることができ、それらはオペレータワークステーションまたはシステムの関連する構成要素によって実行することができる。あるいは、プログラムおよびルーチンは、オペレータワークステーションから離れているが、コンピュータ上に存在するネットワークおよび/または通信インターフェースによってアクセスすることができる、コンピュータアクセス可能な記憶および/またはメモリに格納することができる。コンピュータはまた、様々な入力/出力(I/O)インターフェース、ならびに様々なネットワークまたは通信インターフェースを含んでもよい。様々なI/Oインターフェースは、ディスプレイ26、キーボード28、マウス30、およびプリンタ32などのユーザインターフェースデバイスとの通信を可能にすることができ、これらは構成情報を閲覧し入力するために、および/またはイメージングシステムを動作させるために用いることができる。タッチパッド、ヘッドアップディスプレイ、マイクロフォンなどの他の装置は、図示していないが、インターフェースするために有用であり得る。様々なネットワークおよび通信インターフェースは、ローカルおよび広域エリアイントラネットの両方、および記憶ネットワーク、ならびにインターネットへの接続を可能にすることができる。様々なI/Oおよび通信インターフェースは、適宜または必要に応じて、ワイヤ、ライン、または好適な無線インターフェースを用いることができる。 In addition to displaying data, the operator workstation can control the above-described operations and functions of the system. The operator workstation may include one or more processor-based components, such as a general purpose or special purpose computer 24. In addition to processor-based components, computers can include a variety of memory and / or storage components, including internal memories such as magnetic and optical mass storage devices, RAM chips, and the like. The memory and / or storage components can be used to store programs and routines for performing the techniques described herein, which are executed by associated components of an operator workstation or system. Can do. Alternatively, the programs and routines can be stored in computer-accessible storage and / or memory that is remote from the operator workstation but can be accessed by a network and / or communication interface present on the computer. The computer may also include various input / output (I / O) interfaces, as well as various network or communication interfaces. Various I / O interfaces can enable communication with user interface devices such as display 26, keyboard 28, mouse 30, and printer 32, which are used to view and enter configuration information and / or Or it can be used to operate an imaging system. Other devices such as touchpads, head-up displays, microphones, etc., not shown, may be useful for interfacing. Various networks and communication interfaces can allow connections to both local and wide area intranets, as well as storage networks and the Internet. The various I / O and communication interfaces may use wires, lines, or suitable wireless interfaces as appropriate or required.
センサは、流体リザーバ内の流体を複数の周波数でプロービングするように構成することができる複数の共振回路を含むことができる。流体リザーバは、設計された流体不浸透性の壁により、または自然に形成された流体不透過性の壁により、または流体をプロービングするためにセンサ領域から放射される電磁エネルギーの距離により囲まれたリザーバであってもよい。さらに、流体試料を異なる深さでプロービングするために、異なる周波数を用いることができる。特定の実施形態では、集積回路メモリチップを共振センサに直流的に結合することができる。集積回路メモリチップは、異なるタイプの情報を含むことができる。集積回路チップのメモリ内のこのような情報の非限定的な例としては、センサの較正係数、センサのロット番号、製造日、エンドユーザ情報が挙げられる。別の実施形態では、共振センサは、共振器の一部とすることができる櫛形構造とすることができ、検出領域を有している。 The sensor can include a plurality of resonant circuits that can be configured to probe the fluid in the fluid reservoir at a plurality of frequencies. The fluid reservoir is surrounded by a designed fluid impermeable wall, by a naturally formed fluid impermeable wall, or by a distance of electromagnetic energy emitted from the sensor area to probe the fluid It may be a reservoir. In addition, different frequencies can be used to probe fluid samples at different depths. In certain embodiments, an integrated circuit memory chip can be DC coupled to a resonant sensor. Integrated circuit memory chips can contain different types of information. Non-limiting examples of such information in the memory of the integrated circuit chip include sensor calibration factor, sensor lot number, date of manufacture, and end user information. In another embodiment, the resonant sensor can be a comb structure that can be part of a resonator and has a detection region.
特定の実施形態では、集積回路メモリチップが共振センサに直流的に結合することができる場合に、センサ応答の読み取りは、センサのアナログ部分を読み取るように動作可能な回路を含むセンサ読み取り装置を用いて行うことができる。センサのアナログ部分は、共振インピーダンスを含んでもよい。センサのデジタル部分は、集積回路メモリチップからの情報を含んでもよい。 In certain embodiments, when the integrated circuit memory chip can be dc coupled to the resonant sensor, reading the sensor response uses a sensor reader that includes circuitry operable to read the analog portion of the sensor. Can be done. The analog portion of the sensor may include a resonant impedance. The digital portion of the sensor may include information from the integrated circuit memory chip.
図2は、共振センサの設計の非限定的な実施例を示す。センサの検出電極構造34は、同調回路およびデータ収集回路に接続することができる。検出電極構造34は、裸であって、流体に直接接触することができる。あるいは、検出電極構造は、保護被膜36でコーティングされてもよい。検出電極構造は、保護被膜の有無にかかわらず検出領域38を形成する。被膜は、整合的に成膜することができ、誘電体材料とすることができる。検出電極構造は、検出領域を形成する保護被膜の有無にかかわらず、流体に動作可能に接触することができる。流体は、分析物または汚染物質を含む。検出電極構造は、保護被膜が無くても(裸)よいし、あってもよい。裸の検出電極構造は、電極間に流体と直接相互作用する電界を生成することができる。誘電体保護被覆を有する検出電極構造は、誘電体保護被膜を貫通した後に流体と相互作用する電界を電極間に生成することができる。一実施形態では、被膜は、すべての電極表面の上におよび基板上の電極間に同じ厚さを有する共形の保護層を形成するように、電極上に成膜することができる。被膜が保護層を形成するために電極に成膜されている場合には、被膜は基板および基板上のセンサ電極にわたってほぼ一定または可変の最終的な厚さを有してもよい。別の実施形態では、電極が基板によって流体から分離している場合には、基板は同時に保護層として機能する。このシナリオでは、基板は、一方の面に流体に直接接触しなくてもよい電極を有し、基板の他方の面は流体に面する電極を有していない。流体の検出は、電極からの電界が基板を貫通して流体中に侵入する場合に行うことができる。このような基板材料の好適な例としては、セラミック、酸化アルミニウム、および酸化ジルコニウムなどを挙げることができる。 FIG. 2 shows a non-limiting example of a resonant sensor design. The sensing electrode structure 34 of the sensor can be connected to a tuning circuit and a data acquisition circuit. The sensing electrode structure 34 is bare and can be in direct contact with the fluid. Alternatively, the detection electrode structure may be coated with a protective coating 36. The detection electrode structure forms a detection region 38 with or without a protective coating. The coating can be deposited consistently and can be a dielectric material. The detection electrode structure can operatively contact the fluid with or without a protective coating that forms the detection region. The fluid contains an analyte or contaminant. The detection electrode structure may or may not have a protective coating (bare). The bare sensing electrode structure can generate an electric field that interacts directly with the fluid between the electrodes. A sensing electrode structure having a dielectric protective coating can generate an electric field between the electrodes that interacts with the fluid after penetrating the dielectric protective coating. In one embodiment, the coating can be deposited on the electrodes so as to form a conformal protective layer having the same thickness on all electrode surfaces and between the electrodes on the substrate. If a coating is deposited on the electrode to form a protective layer, the coating may have a final thickness that is substantially constant or variable across the substrate and the sensor electrode on the substrate. In another embodiment, the substrate simultaneously functions as a protective layer when the electrode is separated from the fluid by the substrate. In this scenario, the substrate has an electrode that may not be in direct contact with the fluid on one side, and the other side of the substrate does not have an electrode that faces the fluid. The detection of the fluid can be performed when the electric field from the electrode penetrates the substrate and enters the fluid. Preferable examples of such a substrate material include ceramic, aluminum oxide, and zirconium oxide.
図3は、単一の検出領域38を有する共振センサシステムの一部を示しており、それは複数の周波数を用いて流体試料をプロービングするのに有用なセンサ組立体40で使用される。検出領域は、基板上に配置することができ、適切な検出材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサの基板は誘電体基板であってもよい。いくつかの実施形態では、センサ組立体は、複数の同調素子42を含むことができる。複数の同調素子は、複数の共振回路を画定するように、単一の検出領域に動作可能に結合することができる。同調素子は、単一の検出領域と共に、複数の共振回路を画定することができる。複数の共振回路の各共振回路は、複数の同調素子のうちの1つまたは複数の同調素子を含むことができる。選択的障壁を通過し検出領域への選択的な分析物または汚染物質を可能にする(または防止する)半透過性膜、半透膜、または半透過性無機障壁(集合的に「選択的障壁」)は図示していない。 FIG. 3 shows a portion of a resonant sensor system having a single detection region 38 that is used in a sensor assembly 40 useful for probing a fluid sample using multiple frequencies. The detection region can be disposed on the substrate and can include a suitable detection material. In some embodiments, the sensor substrate may be a dielectric substrate. In some embodiments, the sensor assembly can include a plurality of tuning elements 42. Multiple tuning elements can be operably coupled to a single detection region so as to define multiple resonant circuits. The tuning element can define multiple resonant circuits with a single detection region. Each resonant circuit of the plurality of resonant circuits may include one or more tuning elements of the plurality of tuning elements. Semi-permeable membranes, semi-permeable membranes, or semi-permeable inorganic barriers (collectively “selective barriers” that allow (or prevent) selective analytes or contaminants through the selective barrier and into the detection region ") Is not shown.
好適な櫛形電極構造は、2および4電極構造を含む。電極に好適な材料としては、ステンレス鋼、白金、金、貴金属などが挙げられる。基板および/または誘電体保護層の好適な材料としては、二酸化シリコン、窒化シリコン、パリレン、シリコーン、フッ化ポリマー、アルミナ、およびセラミックなどが挙げられる。好適な電極は、金属エッチング、スクリーン印刷、インクジェット印刷、およびマスクベースの金属堆積技術を用いて形成することができる。基板上に作製された電極の厚さは、約10ナノメートルから約1000マイクロメートルまでの範囲とすることができる。櫛形電極構造、基板、誘電体保護層の材料、および電極形成方法は、用途に特有のパラメータに少なくとも部分的に基づいて選択することができる。 Suitable comb electrode structures include two and four electrode structures. Suitable materials for the electrode include stainless steel, platinum, gold, noble metals and the like. Suitable materials for the substrate and / or dielectric protective layer include silicon dioxide, silicon nitride, parylene, silicone, fluorinated polymer, alumina, ceramic, and the like. Suitable electrodes can be formed using metal etching, screen printing, ink jet printing, and mask-based metal deposition techniques. The thickness of the electrode fabricated on the substrate can range from about 10 nanometers to about 1000 micrometers. The comb electrode structure, substrate, dielectric protective layer material, and electrode formation method can be selected based at least in part on application specific parameters.
図示する実施形態に示すように、複数の同調素子は、センサの外部に配置されてもよい。しかし、一実施形態では、同調素子は、センサの基板に配置されてもよい。別の実施形態では、複数の同調素子のうちのいくつかがセンサ基板の外部にあって、他の同調素子が基板上に配置されてもよい。同調素子は、抵抗器、キャパシタ、インダクタ、共振器、インピーダンス変成器、またはこれらの組み合わせを含むことができる。 As shown in the illustrated embodiment, the plurality of tuning elements may be located outside the sensor. However, in one embodiment, the tuning element may be located on the sensor substrate. In another embodiment, some of the plurality of tuning elements may be external to the sensor substrate and other tuning elements may be disposed on the substrate. The tuning element can include a resistor, a capacitor, an inductor, a resonator, an impedance transformer, or a combination thereof.
センサ組立体40は、マルチプレクサ44を有するコントローラを含むことができる。マルチプレクサは、複数の同調素子間の電子的切り換えを容易にすることができる。マルチプレクサは、プローブ周波数に関係する1つまたは複数の信号を選択し、選択した信号を出力装置または読み取り装置へ転送することができる。一実施形態では、マルチプレクサは、出力装置または読み取り装置に信号を選択的に送信することができる。マルチプレクサは、センサ読み取り装置に複数の信号を同時に送信することができる。マルチプレクサは、複数の検出領域間の電子的切り換えを容易にすることができる。 The sensor assembly 40 can include a controller having a multiplexer 44. The multiplexer can facilitate electronic switching between multiple tuning elements. The multiplexer can select one or more signals related to the probe frequency and transfer the selected signals to an output device or reader. In one embodiment, the multiplexer can selectively send a signal to an output device or reader. The multiplexer can send multiple signals simultaneously to the sensor reader. The multiplexer can facilitate electronic switching between multiple detection regions.
動作中は、各共振回路は、規定された周波数で共振することができる。少なくとも1つの共振回路は、他の共振回路の共振周波数と異なり得る周波数で共振することができる。例として、検出領域が一対の電極を含んでいる場合には、同調素子は、インダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)共振回路を形成する抵抗器、キャパシタ、およびインダクタとすることができる。同調素子は、検出領域に電気的に結合することができる。一実施形態では、同調素子は、検出領域に並列に接続されてもよい。特定の実施形態では、複数の共振回路の異なる共振回路は、異なる周波数で共振するように構成することができる。異なる共振回路は、複数の共振周波数により流体試料をプロービングするように構成することができる。異なる共振周波数は、スペクトル分散の周波数範囲にわたって、流体試料をプロービングするために用いることができる。本開示のセンサでモニターすることができるスペクトル分散は、約0.1Hzから約100GHzの周波数範囲にわたることができ、アルファ、ベータ、ガンマ、デルタ、および用途に特有のパラメータによって制約されるスペクトル分散の他のタイプを含むことができる。 During operation, each resonant circuit can resonate at a defined frequency. At least one resonant circuit can resonate at a frequency that can be different from the resonant frequency of the other resonant circuit. As an example, if the detection region includes a pair of electrodes, the tuning element can be a resistor, a capacitor, and an inductor that form an inductor-capacitor-resistor (LCR) resonant circuit. The tuning element can be electrically coupled to the detection region. In one embodiment, the tuning element may be connected in parallel to the detection region. In certain embodiments, different resonant circuits of the plurality of resonant circuits can be configured to resonate at different frequencies. Different resonant circuits can be configured to probe the fluid sample with multiple resonant frequencies. Different resonant frequencies can be used to probe the fluid sample over a frequency range of spectral dispersion. The spectral dispersion that can be monitored with the sensors of the present disclosure can range from about 0.1 Hz to about 100 GHz, with spectral dispersion limited by alpha, beta, gamma, delta, and application specific parameters. Other types can be included.
図4は、別のセンサ回路10を示す。検出領域38(可変抵抗器および可変キャパシタで示す)は、同調部品42と結合される(可変インダクタンスおよび可変キャパシタンスで示す)。異なる周波数範囲でセンサ応答を実現するために、追加の回路素子を、周波数範囲を同調するために用いることができる。したがって、センサは、インダクタ、キャパシタ、およびインピーダンス変成器などの追加の回路部品の定義されたまたは選択された組み合わせを用いることにより、複数の周波数範囲で動作することができる。これらの部品は、動作周波数範囲を変化させるために、必要に応じて、センサに並列または直列に接続することができる。コントローラは、感度に影響を与えるインピーダンス変換比を制御することができる。センサの周波数応答およびその大きさは、セルの状態、およびその挙動などに対するセンサの応答に起因する全体的な入力共振インピーダンスの変化に少なくとも部分的に基づく場合があり得る。したがって、センサの感度は、変換比の動的調整可能性により制御することができる。各チャネルの応答を調整することは、たとえば、1つまたは複数のインダクタを用いて達成することができる。一実施形態では、電極からの無線読み出しは、応答の選択性および感度を向上させることができる。一実施形態では、変圧器に基づく結合は、計測機器(とりわけ、解析装置、ケーブル)からの寄生LCR成分を排除することができる。図4のLCR共振器は、他の共振器と比較して、たとえば、電流帰還増幅器および他の部品を含む動作のための複雑な多部品回路を必要とするマージナル発振器と比較して、比較的簡素な設計を有する。 FIG. 4 shows another sensor circuit 10. A sensing region 38 (indicated by a variable resistor and a variable capacitor) is coupled to the tuning component 42 (indicated by a variable inductance and a variable capacitance). Additional circuit elements can be used to tune the frequency range to achieve sensor response at different frequency ranges. Thus, the sensor can operate in multiple frequency ranges by using a defined or selected combination of additional circuit components such as inductors, capacitors, and impedance transformers. These components can be connected in parallel or in series with the sensor as needed to change the operating frequency range. The controller can control the impedance conversion ratio that affects the sensitivity. The frequency response of the sensor and its magnitude may be based at least in part on changes in the overall input resonant impedance due to the response of the sensor to the state of the cell, its behavior, etc. Therefore, the sensitivity of the sensor can be controlled by the possibility of dynamic adjustment of the conversion ratio. Adjusting the response of each channel can be accomplished, for example, using one or more inductors. In one embodiment, wireless readout from the electrodes can improve response selectivity and sensitivity. In one embodiment, transformer based coupling can eliminate parasitic LCR components from instrumentation (especially analyzers, cables). The LCR resonator of FIG. 4 is relatively low compared to other resonators, for example, compared to a marginal oscillator that requires a complex multi-component circuit for operation including, for example, a current feedback amplifier and other components. Has a simple design.
本明細書で述べるように、好適な無線センサは、無線周波数識別(RFID)センサであってもよく、パッシブ型RFIDタグは検出機能を実行するように適合することができる。図5Aおよび図5Bには、共振センサが適合するRFIDタグであり得る一実施形態が示されている。図5Aでは、共振アンテナ50およびメモリチップ52は、保護材料または検出材料56でコーティングすることができる。検出材料は、RFIDタグの検出領域であってもよい。図5Bでは、検出領域(任意選択で、保護材料または検出材料を含むことができる)は、アンテナの両端に取り付けることができる。両方の場合(図5Aおよび図5B)には、検出領域の電気的応答は、センサの共振インピーダンス応答の変化に変換することができる。メモリチップを有するRFIDセンサは、メモリチップにより用いられる動作周波数で少なくとも部分的に決定される周波数で動作することができる。すなわち、いくつかの動作周波数(センサおよびチップの)が互いに干渉する場合があり、あまり望ましくはないが、破壊的な高調波または破壊的な波形を有するおそれがある。さらに、センサは、円形、正方形、円筒形、矩形、または他の適切な形状の検出領域および/またはアンテナを有することができる。 As described herein, a suitable wireless sensor may be a radio frequency identification (RFID) sensor, and a passive RFID tag can be adapted to perform a detection function. 5A and 5B show one embodiment where the resonant sensor can be a compatible RFID tag. In FIG. 5A, the resonant antenna 50 and the memory chip 52 can be coated with a protective or sensing material 56. The detection material may be a detection region of the RFID tag. In FIG. 5B, detection regions (which can optionally include protective or detection material) can be attached to both ends of the antenna. In both cases (FIGS. 5A and 5B), the electrical response of the detection region can be translated into a change in the resonant impedance response of the sensor. An RFID sensor having a memory chip can operate at a frequency determined at least in part by the operating frequency used by the memory chip. That is, several operating frequencies (sensor and chip) may interfere with each other and, although less desirable, may have destructive harmonics or destructive waveforms. Further, the sensor can have a detection area and / or antenna that is circular, square, cylindrical, rectangular, or other suitable shape.
アンテナ回路の共振周波数は、センサ回路の共振周波数よりも高い周波数に設定することができる。周波数差は、たとえば、約4倍から約1000倍までの範囲であってもよい。一実施形態では、センサ回路は、決定された検出された環境条件に応答することができる共振周波数を有してもよい。2つの共振回路を接続することができ、そのようにして、アンテナ共振回路によって交流(AC)エネルギーが受信された場合に、センサ共振回路に直流エネルギーを印加することができる。ACエネルギーは、ダイオードおよびキャパシタを用いて供給することができ、ACエネルギーは、LCタンク回路のL内のタップまたはLCタンク回路のC内のタップのいずれかにより、LCタンク回路を介してセンサ共振回路に伝送することができる。さらに、2つの共振回路を結合して、センサ共振回路からの電圧がアンテナ共振回路のインピーダンスを変化させるようにすることができる。アンテナ回路のインピーダンスの変調は、トランジスタ、たとえばFET(電界効果トランジスタ)を用いて達成することができる。 The resonance frequency of the antenna circuit can be set to a frequency higher than the resonance frequency of the sensor circuit. The frequency difference may be, for example, in a range from about 4 times to about 1000 times. In one embodiment, the sensor circuit may have a resonant frequency that can respond to the determined detected environmental conditions. Two resonant circuits can be connected, and thus direct current energy can be applied to the sensor resonant circuit when alternating current (AC) energy is received by the antenna resonant circuit. AC energy can be supplied using diodes and capacitors, and AC energy is sensor resonant via the LC tank circuit, either by a tap in L of the LC tank circuit or a tap in C of the LC tank circuit. Can be transmitted to the circuit. In addition, two resonant circuits can be combined so that the voltage from the sensor resonant circuit changes the impedance of the antenna resonant circuit. The modulation of the impedance of the antenna circuit can be achieved using transistors, for example FETs (field effect transistors).
RFIDセンサのメモリチップは、任意であってもよい。メモリチップの無いRFIDセンサは、共振LCRセンサとすることができ、キロヘルツからギガヘルツまでの異なる周波数範囲で動作することができる。すなわち、メモリチップの不在は、利用可能な周波数範囲を広くすることができる。 The memory chip of the RFID sensor may be arbitrary. An RFID sensor without a memory chip can be a resonant LCR sensor and can operate in different frequency ranges from kilohertz to gigahertz. That is, the absence of a memory chip can widen the usable frequency range.
本明細書で開示される好適な検出材料および検出膜は、環境との相互作用時に共振インピーダンスセンサ応答に予測可能かつ再現可能に影響を与える機能を実行するためにセンサ上に堆積された材料を含むことができる。たとえば、ポリアニリンなどの導電性ポリマーは、異なるpHの溶液に暴露すると、その導電率が変化する。すなわち、このような導電性ポリマー膜がRFIDセンサの表面上に堆積された場合には、共振インピーダンスセンサ応答はpHの関数として変化する。したがって、このようなRFIDセンサは、pHセンサとして働く。 Preferred detection materials and detection films disclosed herein include materials deposited on the sensor to perform functions that predictably and reproducibly affect the resonant impedance sensor response when interacting with the environment. Can be included. For example, conducting polymers such as polyaniline change their conductivity when exposed to solutions of different pH. That is, when such a conductive polymer film is deposited on the surface of an RFID sensor, the resonant impedance sensor response changes as a function of pH. Therefore, such an RFID sensor works as a pH sensor.
ガス状流体検出の一例として、このようなポリアニリン膜が気相中での検出のためにRFIDセンサ上に堆積された場合には、複合共振インピーダンスセンサ応答はまた、塩基性(たとえば、NH3)または酸性(たとえばHCl)ガスに暴露された時に変化する。好適なセンサ膜は、それが配置された環境に基づいてその電気的および/または誘電体特性が変化するポリマー膜、有機膜、無機膜、生物学的膜、複合膜、およびナノ複合膜を含む。センサ膜の他の例は、市販のナフィオンなどのスルホン化ポリマー、シリコーン系接着剤などの接着剤ポリマー、ゾルゲル膜などの無機膜、カーボンブラック・ポリイソブチレン膜などの複合膜、カーボンナノチューブ・ナフィオン膜などのナノ複合膜、金ナノ粒子のポリマー膜、金属ナノ粒子のポリマー膜、ゼオライト、有機金属構造体、ケージ化合物、クラスレート、包接化合物、エレクトロスピニング(電界紡糸)されたポリマーナノファイバ、エレクトロスピニングされた無機ナノファイバ、エレクトロスピニングされた複合ナノファイバ、および用途に特有のパラメータに基づいて選択された他のセンサ材料であってもよい。センサ膜の材料が液体環境中に漏れることを低減または防止するために、センサ材料は、共有結合、静電結合、および他の技術などの標準的な技術を用いてセンサ表面に取り付けることができる。 As an example of gaseous fluid detection, when such a polyaniline film is deposited on an RFID sensor for detection in the gas phase, the composite resonant impedance sensor response is also basic (eg, NH 3 ). Or it changes when exposed to acidic (eg, HCl) gas. Suitable sensor films include polymer films, organic films, inorganic films, biological films, composite films, and nanocomposite films whose electrical and / or dielectric properties change based on the environment in which they are placed. . Other examples of sensor films include commercially available sulfonated polymers such as Nafion, adhesive polymers such as silicone adhesives, inorganic films such as sol-gel films, composite films such as carbon black and polyisobutylene films, and carbon nanotubes and Nafion films. Such as nanocomposite film, gold nanoparticle polymer film, metal nanoparticle polymer film, zeolite, organometallic structure, cage compound, clathrate, clathrate compound, electrospun polymer nanofiber, electro Spinned inorganic nanofibers, electrospun composite nanofibers, and other sensor materials selected based on application specific parameters may be used. In order to reduce or prevent the sensor membrane material from leaking into the liquid environment, the sensor material can be attached to the sensor surface using standard techniques such as covalent bonding, electrostatic bonding, and other techniques. .
一実施形態では、システムは、センサの共振インピーダンス In one embodiment, the system includes a resonant impedance of the sensor
図6は、本技術の実施形態による、共振センサの一実施形態の測定された共振インピーダンスパラメータのグラフを示す。これらおよび他の測定された特性は、「スペクトルパラメータ」とすることができる。これらの特性は、共振インピーダンスの実部の最大値の周波数(Fp、共振ピーク位置)、共振インピーダンスの実部の大きさ(Zp、ピーク高さ)、ゼロリアクタンス周波数(Fz、共振インピーダンスの虚部がゼロであり得る周波数)、共振インピーダンスの虚部の共振周波数(F1)、共振インピーダンスの虚部の反共振周波数(F2)、共振インピーダンスの虚部の共振周波数(F1)における信号の大きさ(Z1)、共振インピーダンスの虚部の反共振周波数(F2)における信号の大きさ(Z2)を含む。他のパラメータは、全体の共振インピーダンススペクトル、たとえば共振の品質係数、位相角、および共振インピーダンスの大きさを用いて測定することができる。 FIG. 6 shows a graph of measured resonant impedance parameters of one embodiment of a resonant sensor, according to an embodiment of the present technology. These and other measured characteristics can be “spectral parameters”. These characteristics are the maximum frequency (F p , resonance peak position) of the real part of the resonance impedance, the size (Z p , peak height) of the real part of the resonance impedance, the zero reactance frequency (F z , the resonance impedance). Imaginary part of resonance impedance (F 1 ), anti-resonance frequency (F 2 ) of imaginary part of resonance impedance, resonance frequency (F 1 ) of imaginary part of resonance impedance Signal magnitude (Z 1 ), and the signal magnitude (Z 2 ) at the antiresonance frequency (F 2 ) of the imaginary part of the resonance impedance. Other parameters can be measured using the overall resonant impedance spectrum, such as the quality factor of the resonance, the phase angle, and the magnitude of the resonant impedance.
流体リザーバ内の流体特性を測定するために、それらの検出領域を有するセンサは、標準ポートまたはリザーバに特別に作られたポートに適合するように設計することができる。好適な設計例を図7Aおよび図7Bに示す。位置合わせされた検出領域51を有する共振センサ50の実施例を示す。検出領域は、第1の軸Aを画定し、それは軸Bとラベルされた横軸に対して垂直である。挿入ポート構造53は、軸Aに沿って細長い挿入開口部54を画定する。検出領域は、次に、ポートの細長い開口部に平行に配置され、軸Bに沿った平行移動によって、センサ領域がポート内に挿入され、被測定流体に接触することが可能になる。検出材料56がポート構造58によって画定された開口部57との相対的な形状によって制約されない別の共振センサ55の実施例を図7Bに示す。整列ピンは、図示していないが、センサおよび検出領域をポート開口部に対して位置合わせするために、所望に応じて使用することができる。 In order to measure fluid properties in a fluid reservoir, sensors with their detection areas can be designed to fit standard ports or ports specially made in the reservoir. A preferred design example is shown in FIGS. 7A and 7B. An embodiment of a resonant sensor 50 having an aligned detection area 51 is shown. The detection region defines a first axis A, which is perpendicular to the horizontal axis labeled axis B. The insertion port structure 53 defines an elongated insertion opening 54 along the axis A. The detection area is then placed parallel to the elongated opening in the port, and translation along axis B allows the sensor area to be inserted into the port and contact the fluid under measurement. An alternative resonant sensor 55 embodiment is shown in FIG. 7B where the sensing material 56 is not constrained by the shape relative to the opening 57 defined by the port structure 58. The alignment pins are not shown, but can be used as desired to align the sensor and detection area with respect to the port opening.
流体リザーバ内の流体特性の測定は、図8Aおよび図8Bに示すように、流体に露出された検出領域を有するセンサを用いて行うことができる。図7Bに示すセンサは、流体移送パイプ59Aに設置され、センサ読み取り装置59Bに結合される。センサ読み取り装置は、図8Aに示すように、有線またはケーブルにより結合され、センサに近接して配置することができる。別の実施形態では、センサ読み取り装置は、図8Bに示すように、ケーブルを用いずにセンサに直接接続することができる。動作中には、流体はパイプを通って流れ、検出領域に接触する。検出領域が目的の分析物を検出すると、センサ読み取り装置に信号を送る。 Measurement of fluid properties in the fluid reservoir can be performed using a sensor having a detection region exposed to the fluid, as shown in FIGS. 8A and 8B. The sensor shown in FIG. 7B is installed in a fluid transfer pipe 59A and coupled to a sensor reader 59B. As shown in FIG. 8A, the sensor reading device is coupled by a wire or a cable, and can be arranged close to the sensor. In another embodiment, the sensor reader can be connected directly to the sensor without using a cable, as shown in FIG. 8B. In operation, fluid flows through the pipe and contacts the detection area. When the detection area detects the target analyte, it sends a signal to the sensor reader.
方法60のフローチャートを図9に示す。一実施形態では、オイルの健全性をモニターするための方法は、オイルなどの流体中にセンサを浸漬すること(ステップ62)、および単一のセンサのいくつかの共振において共振スペクトルの電気的共振パラメータを測定すること(ステップ64)を含む。センサを用いて水、燃料漏れ、および煤によるエンジンオイルの汚染を定量化するために、センサをステップ62で流体に動作可能に接触するように配置することができる。具体的な実施形態では、センサなどのセンサの共振インピーダンススペクトル A flowchart of the method 60 is shown in FIG. In one embodiment, a method for monitoring the health of oil includes immersing the sensor in a fluid such as oil (step 62), and electrical resonances of the resonance spectrum at several resonances of a single sensor. Measuring parameters (step 64). In order to use the sensor to quantify water, fuel leakage, and soot contamination of the engine oil, the sensor can be placed in operative contact with the fluid at step 62. In a specific embodiment, the resonant impedance spectrum of a sensor such as a sensor
方法60は、ステップ70で、電気的共振パラメータを分類する。これは、たとえば、水効果74、燃料効果75、および温度効果76のうちの1つまたは複数を評価するための決定された分類モデル72を用いて行うことができる。電気的共振パラメータの定量化は、所定の、先に保存された定量化モデル82と、水、燃料、煤、および摩耗金属粒子90ならびに温度92などのオイル中の成分86の決定と、オイルの健全性98およびエンジンの健全性100の予測と、を用いることにより、ステップ80で行うことができる。これは、決定されたエンジンの健全性記述子102およびオイルの健全性記述子104ならびに任意の追加のセンサ108からの入力のうちの1つまたは複数を用いることによって行うことができる。好適な追加のセンサは、侵食、温度、圧力、システム(エンジン)負荷、システムの場所(たとえば、GPS信号による)、機器年数算出部、およびpHなどを検出するものを含むことができる。 The method 60 classifies the electrical resonance parameters at step 70. This can be done, for example, using the determined classification model 72 for evaluating one or more of the water effect 74, the fuel effect 75, and the temperature effect 76. The quantification of the electrical resonance parameters includes a predetermined, previously stored quantification model 82, determination of components 86 in the oil, such as water, fuel, soot, and wear metal particles 90 and temperature 92; This can be done in step 80 by using soundness 98 and engine soundness 100 predictions. This can be done by using one or more of the determined engine health descriptor 102 and oil health descriptor 104 and inputs from any additional sensors 108. Suitable additional sensors may include those that detect erosion, temperature, pressure, system (engine) load, system location (eg, via GPS signals), equipment age calculator, and pH.
たとえば、一実施形態では、センサシステムは、有線または無線の励起により励起され得る電気的共振器であってもよく、この場合には、共振スペクトルが収集され解析されて、パラメータの自動スケーリングまたは平均中心合わせでさらに処理することができる少なくとも4つのパラメータを抽出し、エンジンオイル中の水および燃料の濃度を定量的に予測し、エンジンオイルの残存寿命および/またはエンジンの残存寿命を予測することができる。Fp、Zp、Fz、F1、F2、Z1およびZ2などの共振スペクトル、または単一もしくは複数の共振器の全体の共振スペクトルのスペクトル応答は、データ処理のために使用することができる。 For example, in one embodiment, the sensor system may be an electrical resonator that can be excited by wired or wireless excitation, in which case the resonance spectrum is collected and analyzed to automatically scale or average the parameters. Extracting at least four parameters that can be further processed in a centered manner, quantitatively predicting water and fuel concentrations in engine oil, and predicting engine oil remaining life and / or engine remaining life it can. Spectral responses of resonant spectra such as F p , Z p , F z , F 1 , F 2 , Z 1 and Z 2 , or the overall resonant spectrum of single or multiple resonators are used for data processing. be able to.
分類モデル(図9のモデル72を参照)は、汚染されていない流体についてはスペクトルパラメータの予測される寄与を用いて、および流体汚染については前に決定された成分効果およびそれらの対応するスペクトルパラメータを用いて、構築することができる。このような効果は、測定または検出された流体が水効果、燃料漏れ効果、または温度効果を有するか否かを予測するために定量化することができる(たとえば、図9の定量化モデル82を参照)。すなわち、特定の流体の成分の以前にまたは経験的に決定された効果に基づいて、目的の成分が存在する場合には、共振パラメータの実部および虚部の両方が定量化可能なように影響を受けることがあり得る。さらに、測定されたパラメータに基づいて、特定成分の濃度も予測することができ、多成分モデルを生成することができる。開示した技法は、適切な流体を検出し、成分および環境効果モデルを構築するために使用することができる。 The classification model (see model 72 in FIG. 9) uses the predicted contribution of the spectral parameters for uncontaminated fluid and the previously determined component effects and their corresponding spectral parameters for fluid contamination. Can be used to build. Such an effect can be quantified to predict whether the measured or detected fluid has a water effect, a fuel leakage effect, or a temperature effect (eg, the quantification model 82 of FIG. reference). That is, based on previously or empirically determined effects of a particular fluid component, if the desired component is present, both real and imaginary parts of the resonance parameter are affected so that they can be quantified. It is possible to receive. Furthermore, based on the measured parameters, the concentration of a specific component can also be predicted, and a multi-component model can be generated. The disclosed techniques can be used to detect appropriate fluids and build component and environmental effect models.
一実施形態では、流体の特性の測定を流体の2つ以上の温度で行うことができる。異なる温度における測定は、広い周波数範囲にわたって周波数分散プロファイルとして測定した場合、または比較的狭い周波数範囲にわたって周波数応答として測定した場合に、流体中の目的の化学種および他の化学種(化学成分)に関する情報を提供する。異なる温度で収集されたセンサの共振インピーダンススペクトルの解析を行い、解析した共振インピーダンススペクトルに基づいて温度当たりの流体の2つ以上の特性を決定することにより、目的の化学種の特性の決定のセンサ精度を向上させることができる。この向上は、これらの異なる化学種の分子構造に起因する、温度の関数としての流体中の目的の化学種および他の化学種の周波数応答の差によるものであり得る。異なる温度での測定は、共振センサの検出領域と熱的に接触する熱素子を有する共振センサを用いて行うことができる。熱素子は、検出領域に近接することができる流体の温度の局所的な変化を生成する。この局所的な温度変化は、センサを有する容器内の流体のバルクの温度より上または下であり得る。熱素子の非限定的な例としては、ペルチエ素子、薄膜ヒータ、および鉛筆ヒータが挙げられる。熱素子は、約1℃から約50℃の範囲の流体の温度の局所的な変化を生じさせることができる。 In one embodiment, the measurement of fluid properties can be made at more than one temperature of the fluid. Measurements at different temperatures relate to the species of interest and other species (chemical constituents) in the fluid when measured as a frequency dispersion profile over a wide frequency range or as a frequency response over a relatively narrow frequency range. Provide information. Analyzing the resonance impedance spectrum of sensors collected at different temperatures and determining two or more characteristics of the fluid per temperature based on the analyzed resonance impedance spectrum, thereby determining the characteristics of the target chemical species Accuracy can be improved. This improvement may be due to differences in the frequency response of the species of interest and other species in the fluid as a function of temperature due to the molecular structure of these different species. Measurements at different temperatures can be performed using a resonance sensor having a thermal element in thermal contact with the detection area of the resonance sensor. The thermal element produces a local change in the temperature of the fluid that can be proximate to the detection region. This local temperature change can be above or below the temperature of the bulk of the fluid in the container with the sensor. Non-limiting examples of thermal elements include Peltier elements, thin film heaters, and pencil heaters. The thermal element can produce a local change in the temperature of the fluid in the range of about 1 ° C to about 50 ° C.
一実施形態では、流体の特性の測定は、流体中の化学成分の変化の動的シグネチャを決定するために実行することができる。これらの動的シグネチャのタイムスケールは、大幅に変化させることができる。約1秒から約200日までの範囲の適切な時間スケールは、エンジン内の流体の漏れの種々のタイプを決定するために有用であり得る。そのような決定は、エンジン内の漏れの動的シグネチャの識別、識別されたシグネチャと特定のエンジン部品からの既知の漏れのシグネチャとの関係、およびシグネチャに基づく漏れの場所の決定を可能にする。 In one embodiment, measurement of the properties of the fluid can be performed to determine a dynamic signature of a change in chemical composition in the fluid. The time scale of these dynamic signatures can vary greatly. A suitable time scale ranging from about 1 second to about 200 days may be useful for determining various types of fluid leaks in the engine. Such a determination allows the identification of a dynamic signature of leaks in the engine, the relationship between the identified signatures and known leak signatures from a particular engine component, and the determination of the leak location based on the signatures. .
流体の特性の測定は、極端な温度条件で行うことができる。用途に応じて、これらの条件は、下は約−260℃から上は約+260℃までの温度範囲であってもよい。約−260℃までの負の温度のこのような過酷な温度条件は、液化天然ガス(LNG)に関連して、また生物学的および他の種類の試料の保管に有用であり得る。約+260℃までの正の温度の過酷な温度条件は、機器の動作部品の温度が約+260℃に達し得るような機器のモニタリングに有用であり得る。このような機器の例としては、たとえば、石油およびガス製造における地面に掘った穴の機器、ならびに、1つもしくは複数の燃料のための内燃機関(ディーゼル、天然ガス、水素(直接燃焼または燃料電池)、ガソリン、およびこれらの組み合わせなど)、潤滑システム、および冷却/放熱システムの動作を挙げることができる。このような機器の別の例としては、油入変圧器を挙げることができる。 Measurement of fluid properties can be performed under extreme temperature conditions. Depending on the application, these conditions may be in the temperature range from about −260 ° C. below to about + 260 ° C. above. Such harsh temperature conditions of negative temperatures up to about −260 ° C. can be useful in connection with liquefied natural gas (LNG) and for the storage of biological and other types of samples. Severe temperature conditions with positive temperatures up to about + 260 ° C. can be useful for monitoring equipment where the temperature of the operating parts of the device can reach about + 260 ° C. Examples of such equipment include, for example, drilling equipment in oil and gas production, and internal combustion engines (diesel, natural gas, hydrogen (direct combustion or fuel cells) for one or more fuels. ), Gasoline, and combinations thereof), lubrication systems, and cooling / heat dissipation system operations. Another example of such equipment is an oil-filled transformer.
多変数電気共振器の適用可能性は、水およびディーゼル燃料によるエンジンオイルの汚染の検出、ならびに、オイルと同様な誘電率を有するジオキサンなどのモデル流体中の水の決定により、実証することができる。センサ測定の分解能の決定は、モデル系としてヘキサンおよびとトルエンを用いて行うことができる。いくつかのエンジンオイルの試料は、GE Transportation社から入手されたが、他の化学物質はAldrich社から購入することができる。 The applicability of multivariable electrical resonators can be demonstrated by detecting contamination of engine oil with water and diesel fuel and determining water in model fluids such as dioxane, which has a dielectric constant similar to oil . The resolution of sensor measurement can be determined using hexane and toluene as a model system. Some engine oil samples were obtained from GE Transportation, but other chemicals can be purchased from Aldrich.
センサの共振インピーダンスの測定は、LabVIEWを用いたコンピュータ制御下で、ネットワークアナライザ(Agilent社)またはプレシジョンインピーダンスアナライザ(Agilent社)を用いて実行することができる。収集した共振インピーダンスデータは、Matlab(マサチューセッツ州NatickのMathworks社)で動作する、KaleidaGraph(ペンシルベニア州ReadingのSynergy Software社)およびPLS_Toolbox(ワシントン州MansonのEigenvector Research社)を用いて解析することができる。 The resonance impedance of the sensor can be measured using a network analyzer (Agilent) or a precision impedance analyzer (Agilent) under computer control using LabVIEW. The collected resonant impedance data is run by Matlab (Mathworks, Natick, Mass.), KaleidaGraph (Reading, PA) Synergy Software, Inc. and PLS_Toolbox (Eicharvector, Manson, WA).
オイルへの燃料漏れおよび水漏れの異なる量は、単一の多変数共振センサを用いて定量的かつ実験的に決定することができる。好適なオイルは、鉄道用内燃機関オイルであってもよい。好適な燃料は、ディーゼル燃料であってもよい。オイル中の水および燃料の2元および3元混合物は、種々の割合で生成することができる。水の濃度は、0、0.1%、および0.2%(体積%)であってもよい。燃料の濃度は、0、3%、および6%(体積%)であってもよい。 Different amounts of fuel leaks and water leaks to oil can be determined quantitatively and experimentally using a single multivariable resonant sensor. A suitable oil may be a railway internal combustion engine oil. A suitable fuel may be diesel fuel. Binary and ternary mixtures of water and fuel in oil can be produced in various proportions. The concentration of water may be 0, 0.1%, and 0.2% (volume%). The concentration of fuel may be 0, 3%, and 6% (volume%).
測定された試料からの共振スペクトルを処理することができ、処理されたデータは、主成分解析(PCA)ツールへの入力として役立った。PCAは、データの分散を、主成分(PC)として知られているオリジナル変数の重み付き和として説明するパターン認識方法であってもよい。エンジンオイル、水、および燃料の混合物中の水の検出のハイライトは、開発されたPCAモデルのスコアプロットを示す図10に示すことができる。エンジンオイル、水、および燃料の混合物中の燃料の検出のハイライトは、開発されたPCAモデルのスコアプロットを示す図11に示すことができる。図10および図11では、0.1%および0.2%の水の濃度は、それぞれW0.1およびW0.2としてラベル付けしてある。3%および6%の燃料の濃度は、それぞれD3およびD6としてラベル付けしてある。共振トランスデューサの多変数応答は、トランスデューサの測定された共振スペクトル全体から、多変量解析ツールを用いてこれらのスペクトルを処理して生成される。単一の多変数センサを用いて水漏れおよび燃料漏れによるエンジンオイルの汚染を定量化するために、共振トランスデューサの共振インピーダンススペクトル Resonance spectra from measured samples could be processed, and the processed data served as input to a principal component analysis (PCA) tool. PCA may be a pattern recognition method that describes the distribution of data as a weighted sum of original variables known as principal components (PC). The highlight of detecting water in a mixture of engine oil, water, and fuel can be seen in FIG. 10, which shows a score plot of the developed PCA model. The highlight of the detection of fuel in a mixture of engine oil, water, and fuel can be seen in FIG. 11, which shows a score plot of the developed PCA model. In FIGS. 10 and 11, the 0.1% and 0.2% water concentrations are labeled as W0.1 and W0.2, respectively. The fuel concentrations of 3% and 6% are labeled as D3 and D6, respectively. The multivariable response of the resonant transducer is generated from the entire measured resonant spectrum of the transducer by processing these spectra using a multivariate analysis tool. Resonance impedance spectrum of resonant transducer to quantify engine oil contamination due to water and fuel leaks using a single multi-variable sensor
2元および3元混合物のオイル中の水および燃料の定量化は、Matlab(マサチューセッツ州NatickのMathworks社)で動作するPLSツールボックス(ワシントン州MansonのEigenvector Research社)を使用して、単一の多変数共振センサによりさらに行うことができる。図13は、単一の共振センサを用いた、水/燃料/オイル混合物中の水の実際の(測定された)濃度と予測された濃度との相関プロットを示す。図14は、単一の共振センサを用いた、水/燃料/オイル混合物中の燃料の測定された濃度と予測された濃度との相関プロットを示す。単一のセンサによるオイル中の水および燃料の同時定量化の予測される誤差は、水では0.02%、燃料では1.3%であり得る。 Quantification of water and fuel in binary and ternary mixture oils was performed using a single PLS toolbox (Eigenvector Research, Manson, WA) operating in Matlab (Mathworks, Natick, Mass.). This can be further done with a multivariable resonant sensor. FIG. 13 shows a correlation plot of the actual (measured) concentration of water in the water / fuel / oil mixture and the predicted concentration using a single resonant sensor. FIG. 14 shows a correlation plot of measured and predicted concentrations of fuel in a water / fuel / oil mixture using a single resonant sensor. The predicted error of the simultaneous quantification of water and fuel in oil with a single sensor can be 0.02% for water and 1.3% for fuel.
別の例では、センサの分解能は、マルチパート実験で決定することができる。第1の実験では、誘電率の違いを分析するセンサの能力を決定するために、ヘキサンおよびトルエンをモデル化学物質として用いることができる。ヘキサンは1.88の誘電率を有し、トルエンは2.38の誘電率を有する。開発されたセンサは、0.0004〜0.0012の誘電率の分解能でこれらの2液を分析することができる。予想される結果を図15Aに示す。第2の実験では、1,4−ジオキサンは、誘電率がオイルと同様であり、水と容易に混和することができるので、オイルに対するモデル化学物質として使用することができる。センサは、ジオキサン中の水添加を7〜20ppmまで分析することができる。予想される結果を図15Bに示しており、開発されたセンサは、200ppmの単位で水を添加して、ジオキサン(オイルのためのモデル系)中の水添加を7〜20ppmまで分析することができることを示している。 In another example, the resolution of the sensor can be determined in a multipart experiment. In the first experiment, hexane and toluene can be used as model chemicals to determine the ability of the sensor to analyze the difference in dielectric constant. Hexane has a dielectric constant of 1.88 and toluene has a dielectric constant of 2.38. The developed sensor can analyze these two liquids with a dielectric constant resolution of 0.0004-0.0012. Expected results are shown in FIG. 15A. In the second experiment, 1,4-dioxane can be used as a model chemical for oil because it has a dielectric constant similar to oil and can be easily miscible with water. The sensor can analyze water addition in dioxane up to 7-20 ppm. The expected results are shown in FIG. 15B, where the developed sensor adds water in units of 200 ppm and analyzes the water addition in dioxane (model system for oil) to 7-20 ppm. It shows what you can do.
別の例では、水および煤(カーボンブラック)の添加をジオキサンに対して行い、センサを用いて測定することができる。水添加は、500ppm、1000ppm、2500ppmの添加として行うことができる。煤(カーボンブラック)は、2500ppmの水と共に100ppmのカーボンブラックとして添加することができる。例示的なセンサの共振スペクトルを図16Aおよび図16Bに示す。多変量解析の結果を図17に示す。図16Aは、共振インピーダンスの実部Zre(f)を示し、図16Bは共振インピーダンスの虚部Zim(f)を示す。測定した試料は、(0)清浄なモデルオイル(ジオキサン)、(1)500ppmの水を添加したもの、(2)1000ppmの水を添加したもの、(3)2500ppmの水を添加したもの、(4)2500ppmの水および100ppmの煤(カーボンブラック)を添加したものであってもよい。図17は、主成分1対主成分2のスコアプロットを示し、異なる種類の汚染に対するセンサ応答間のスペクトルの関係を示している。試料は、(0)清浄なモデルオイル(ジオキサン)、(1)500ppmの水を添加したもの、(2)1000ppmの水を添加したもの、(3)2500ppmの水を添加したもの、(4)2500ppmの水および100ppmの煤(カーボンブラック)を添加したものであってもよい。 In another example, water and soot (carbon black) can be added to dioxane and measured using a sensor. Water addition can be performed as 500 ppm, 1000 ppm, 2500 ppm addition. Soot (carbon black) can be added as 100 ppm carbon black with 2500 ppm water. The resonance spectrum of an exemplary sensor is shown in FIGS. 16A and 16B. The results of multivariate analysis are shown in FIG. 16A shows the real part Z re (f) of the resonant impedance, and FIG. 16B shows the imaginary part Z im (f) of the resonant impedance. Samples measured were (0) clean model oil (dioxane), (1) 500ppm water added, (2) 1000ppm water added, (3) 2500ppm water added, 4) What added 2500 ppm water and 100 ppm soot (carbon black) may be used. FIG. 17 shows a score plot of principal component 1 vs. principal component 2 showing the spectral relationship between sensor responses to different types of contamination. Samples are (0) clean model oil (dioxane), (1) 500ppm water added, (2) 1000ppm water added, (3) 2500ppm water added, (4) What added 2500 ppm of water and 100 ppm of soot (carbon black) may be used.
別の実施例では、4つの共振周波数を有する複合共振センサシステムを構築することができる。1,4−ジオキサンは、オイルに対するモデル化学物質として使用することができるが、それは、誘電率がオイルにやや類似し、水と混和性があるからである。水添加は、ジオキサンに対して行われ、センサを用いて測定することができる。センサの4つの例示的共振スペクトルを図18Aおよび図18Bに示す。これらの値は、汚染されていないジオキサンにおけるセンサの分散プロファイル(図18A)が、水の添加によってその形状を変化させたことを示している(図18B)。また、共振ピークの幅および大きさは、水を添加することにより変更されている。 In another example, a composite resonant sensor system having four resonant frequencies can be constructed. 1,4-Dioxane can be used as a model chemical for oil, because its dielectric constant is somewhat similar to oil and miscible with water. Water addition is performed on dioxane and can be measured using a sensor. Four exemplary resonance spectra of the sensor are shown in FIGS. 18A and 18B. These values indicate that the dispersion profile of the sensor in uncontaminated dioxane (FIG. 18A) changed its shape with the addition of water (FIG. 18B). In addition, the width and size of the resonance peak are changed by adding water.
別の実施例では、水に対するFp、Zpの応答が最大になるように、センサ電極形状および共振周波数を最適化することができる。実験の2要因設計は、櫛形電極(IDE)の間隔Dと電極幅Wとを変化させ、かつ、共振周波数Fpを変化させることにより行うことができ、ここでD=W=150、300、450マイクロメートル(μm)であり、Fp=20、35、50MHz(空気中)である。測定は、ジオキサンに水を5000ppm濃度に添加して行うことができる。図19は、センサ設計がFp測定の感度に及ぼす影響を示す。図20は、センサ設計がZp測定の感度に及ぼす影響を示す。300μmのIDE間隔および50MHzの動作周波数により、強いFpおよびZp信号の両方が得られた。 In another example, the sensor electrode shape and resonant frequency can be optimized to maximize the response of F p , Z p to water. The two-factor design of the experiment can be performed by changing the interval D and the electrode width W of the comb electrode (IDE) and changing the resonance frequency F p , where D = W = 150, 300, 450 micrometers (μm) and F p = 20, 35, 50 MHz (in air). The measurement can be performed by adding water to dioxane at a concentration of 5000 ppm. Figure 19 shows the effect of sensor design on the sensitivity of F p measurement. Figure 20 shows the effect of sensor design on the sensitivity of the Z p measured. With an IDE spacing of 300 μm and an operating frequency of 50 MHz, both strong F p and Z p signals were obtained.
図21に示す別の実施例では、オイル中の水の決定は、テストループ内でオイルを循環させ、2000ppm刻みで水を加えて、2000ppm、4000ppm、および6000ppmのオイル中の水濃度を生成することによって実行することができる。測定は、2つの共振センサを用いて行うことができる。センサ1は、2cm2の面積を有し、電極の幅/間隔が0.4mm/0.4mmであり、空気中では80MHzで共振した。センサ2は、実験の設計による幾何学形状の1つであってもよく、4cm2の面積を有し、電極の幅/間隔が0.15mm/0.15mmであり、空気中では〜50MHzで共振した。オイル中の水の検出限界は、測定したセンサノイズレベルおよび水が2000ppm添加された場合の信号レベルに基づいて、3〜12ppm(センサ1)および0.6〜2.6ppm(センサ2)である3つの信号対雑音レベルで決定することができる。 In another example shown in FIG. 21, the determination of water in oil circulates oil in a test loop and adds water in increments of 2000 ppm to produce water concentrations in the oil of 2000 ppm, 4000 ppm, and 6000 ppm. Can be executed. Measurements can be made using two resonant sensors. Sensor 1 had an area of 2 cm 2 , electrode width / interval of 0.4 mm / 0.4 mm, and resonated at 80 MHz in air. The sensor 2 may be one of the geometric shapes according to the design of the experiment, it has an area of 4 cm 2 , the electrode width / spacing is 0.15 mm / 0.15 mm, in air at ~ 50 MHz. Resonated. The detection limit for water in oil is 3-12 ppm (sensor 1) and 0.6-2.6 ppm (sensor 2) based on the measured sensor noise level and the signal level when 2000 ppm of water is added. Three signal-to-noise levels can be determined.
別の実施例では、異なるオイル温度におけるオイル中の水の決定は、テストループ内でオイルを循環させ、400ppm刻みで水を加えて、400ppm、800ppm、1200ppm、および1600ppmのオイル中の水濃度を生成することによって実行することができる。オイルの公称温度は、熱浴によって生成され、T1=80℃、T2=100℃、およびT3=120℃とすることができる。図22は、開発されたPCAモデルのスコアプロットを示し、異なる温度における水の添加に対する共振センサの応答が異なる方向であってもよいことを示している。図22の個々の矢印は、オイル温度T1、T2、およびT3における水濃度を増加させる方向を示す。図23は、単一のセンサの応答を用いてオイル中の水の濃度を定量化するための、部分最小二乗(PLS)手法を用いた多変量線形回帰モデルの結果を表すことができる。PLS手法は、独立変数の最大分散を説明するセンサ応答の多次元空間における方向を求めることにより、独立変数とセンサ応答との相関を決定することができる。図24は、このような多変量線形回帰がオイル温度に依存しない水濃度を予測することができることを示す。 In another example, the determination of water in oil at different oil temperatures is accomplished by circulating the oil in a test loop and adding water in 400 ppm increments to give water concentrations in the oil of 400 ppm, 800 ppm, 1200 ppm, and 1600 ppm. It can be executed by generating. The nominal temperature of the oil is generated by a hot bath and can be T1 = 80 ° C., T2 = 100 ° C., and T3 = 120 ° C. FIG. 22 shows a score plot of the developed PCA model, indicating that the response of the resonant sensor to the addition of water at different temperatures may be in different directions. The individual arrows in FIG. 22 indicate the direction in which the water concentration at the oil temperatures T1, T2, and T3 is increased. FIG. 23 can represent the results of a multivariate linear regression model using a partial least squares (PLS) approach to quantify the concentration of water in oil using a single sensor response. The PLS technique can determine the correlation between the independent variable and the sensor response by determining the direction in the multidimensional space of the sensor response that explains the maximum variance of the independent variable. FIG. 24 shows that such multivariate linear regression can predict water concentration independent of oil temperature.
オイルの異なる公称温度(80℃、100℃、および120℃)におけるオイル中の水(0ppm、400ppm、800ppm、1200ppm、および1600ppm)を決定するこのセンサデータの解析は、多変量非線形(2次)回帰を用いて行うことができる。図24Aは、3つの温度におけるオイル中の水の実際の(測定された)濃度(実線)および予測された濃度(白丸)を示す。図24Bは、3つの温度におけるオイル中の水の実際の濃度と予測された濃度との間の予測された誤差を示す。図24Cは、3つの温度におけるオイル中の水の実際の(測定された)濃度と予測された濃度との相関プロットを示す。 The analysis of this sensor data to determine the water (0 ppm, 400 ppm, 800 ppm, 1200 ppm, and 1600 ppm) in the oil at different nominal temperatures of the oil (80 ° C., 100 ° C., and 120 ° C.) is a multivariate nonlinear (second order) Can be done using regression. FIG. 24A shows the actual (measured) concentration (solid line) and the predicted concentration (open circles) of water in oil at three temperatures. FIG. 24B shows the predicted error between the actual and predicted concentration of water in the oil at three temperatures. FIG. 24C shows a correlation plot of the actual (measured) concentration of water in the oil at three temperatures and the predicted concentration.
オイルの異なる公称温度(80℃、100℃、120℃)におけるオイル中の水(0ppm、400ppm、800ppm、1200ppm、1600ppm)を決定するこのセンサデータの解析は、測定されるオイル中に配置された温度センサからの追加入力を用いる多変量非線形(2次)回帰を用いてさらに行うことができる。図25Aは、3つの温度におけるオイル中の水の実際の(測定された)濃度(実線)および予測された濃度(白丸)を示す。図25Bは、3つの温度におけるオイル中の水の実際の濃度と予測された濃度との間の予測された誤差を示す。図25Cは、3つの温度におけるオイル中の水の実際の(測定された)濃度と予測された濃度との相関プロットを示す。 Analysis of this sensor data to determine the water (0 ppm, 400 ppm, 800 ppm, 1200 ppm, 1600 ppm) in the oil at different nominal temperatures (80 ° C., 100 ° C., 120 ° C.) was placed in the measured oil Further can be done using multivariate nonlinear (second order) regression with additional inputs from the temperature sensor. FIG. 25A shows the actual (measured) concentration (solid line) and the predicted concentration (open circles) of water in oil at three temperatures. FIG. 25B shows the predicted error between the actual and predicted concentration of water in the oil at three temperatures. FIG. 25C shows a correlation plot of the actual (measured) concentration of water in the oil at three temperatures and the predicted concentration.
4cm2の面積を有し、電極の幅/間隔が0.15mm/0.15mmであり、空気中では〜50MHzで共振する開発された多変数センサの内の1つは、オイル中の低濃度の水漏れを測定することができる。図26は、それぞれ25ppm、25ppm、および50ppmのレベルのエンジンオイル中への水漏れに対する、この開発された共振センサの応答を示す。同図のデータは、このセンサが、高い信号対雑音品質で少なくとも最低試験レベルである25ppmの水漏れを検出できることを示す。 One of the developed multivariate sensors having an area of 4 cm 2 , electrode width / spacing of 0.15 mm / 0.15 mm and resonating in air at ˜50 MHz is a low concentration in oil Water leakage can be measured. FIG. 26 shows the response of this developed resonant sensor to water leaks into engine oil at levels of 25 ppm, 25 ppm, and 50 ppm, respectively. The data in the figure shows that this sensor can detect at least the lowest test level of 25 ppm water leak with high signal-to-noise quality.
この開発された共振センサの性能は、基準キャパシタンスセンサとして役立つ標準的な非共振キャパシタンスセンサの性能と比較することができる。比較は、両センサを同じオイル循環ループに配置し、両センサに対して水漏れを導入し提示することにより行うことができる。水漏れレベルは、25、25、50、100、200、500、および1000ppmとすることができる。図27Aは、それぞれ25、25、50、100、200、500、および1000ppmのレベルのエンジンオイル中への水漏れに対する基準キャパシタンスセンサの応答を示す。本図は、基準キャパシタンスセンサが、25、25、50、100、および200ppmの水漏れが導入され得るまで、そのノイズから測定可能な信号変化を示さなかったことを示す。一方、図27Bは、エンジンオイル中への水漏れに対する一実施形態による共振センサの応答を示し、このセンサは、25ppmの最小の水漏れを検出することができ、かつ、両センサに提示された他のすべての水漏れを検出することができる。 The performance of this developed resonant sensor can be compared to the performance of a standard non-resonant capacitance sensor that serves as a reference capacitance sensor. The comparison can be made by placing both sensors in the same oil circulation loop and introducing and presenting a water leak to both sensors. Water leakage levels can be 25, 25, 50, 100, 200, 500, and 1000 ppm. FIG. 27A shows the response of a reference capacitance sensor to water leaks into engine oil at levels of 25, 25, 50, 100, 200, 500, and 1000 ppm, respectively. This figure shows that the reference capacitance sensor did not show measurable signal changes from its noise until 25, 25, 50, 100, and 200 ppm water leaks could be introduced. On the other hand, FIG. 27B shows the response of a resonant sensor according to one embodiment to a water leak into engine oil, which can detect a minimum water leak of 25 ppm and was presented to both sensors. All other water leaks can be detected.
この共振センサは、約34日間、単気筒機関車のエンジン試験台で試験することができる。図28Aは、オイル温度およびセンサ応答について、単気筒機関車エンジン内の開発された共振センサの動作の結果を示すことができる。図28Bは、約34日間の単気筒機関車エンジン内の開発された共振センサの応答とオイルの温度との相関を示す。 This resonant sensor can be tested on an engine test bench of a single cylinder locomotive for about 34 days. FIG. 28A can show the results of operation of a developed resonant sensor in a single cylinder locomotive engine for oil temperature and sensor response. FIG. 28B shows the correlation between the response of the developed resonance sensor in the single cylinder locomotive engine for about 34 days and the oil temperature.
別の実施例では、漏れの動的シグネチャを識別し、識別されたシグネチャを特定のエンジン部品からの既知の漏れのシグネチャと関係付け、シグネチャに基づいて漏れの場所を決定することによって、エンジン内の漏れの発生源を決定することができる。このようなアプローチは、先を見越したメンテナンスの能力を提供することができ、反応するだけのメンテナンスに取って代わることができ、潤滑システムを有する、または内燃機関を有する資産の使用時間を増加させることができる。 In another embodiment, by identifying a dynamic signature of a leak, correlating the identified signature with a known leak signature from a particular engine component, and determining the location of the leak based on the signature, The source of leakage can be determined. Such an approach can provide proactive maintenance capabilities, can replace responsive maintenance, and increase the usage time of assets with lubrication systems or with internal combustion engines be able to.
内燃機関を有するこのような資産の非限定的な例としては、様々な車両タイプを挙げることができ、それぞれが動作パラメータのそれ自体のセットを有している。本明細書に開示した実施形態は、動的漏れシグネチャによる漏れ成分の早期決定のための予知センサツールを提供することができる。これらのセンサは、漏れの発生源を特定するために、エンジン内の複数の位置に適用することができる。図29は、ターボチャージャ(エンジン当たり1〜2つのターボチャージャ)、インタークーラ(エンジン当たり2つのインタークーラ)、水ポンプ(エンジン当たり1つの水ポンプ)、およびシリンダヘッド(エンジン当たり12〜16のシリンダヘッド)の漏れの動的シグネチャの概略図を示す。 Non-limiting examples of such assets with an internal combustion engine can include various vehicle types, each having its own set of operating parameters. Embodiments disclosed herein can provide a prognostic sensor tool for early determination of leak components with a dynamic leak signature. These sensors can be applied at multiple locations within the engine to identify the source of the leak. FIG. 29 shows a turbocharger (1-2 turbochargers per engine), an intercooler (2 intercoolers per engine), a water pump (1 water pump per engine), and a cylinder head (12-16 cylinders per engine). FIG. 3 shows a schematic diagram of a dynamic signature of a head) leak.
技術的効果は、エンジンオイルの健全性などの流体の健全性を評価するための技術を含むことができる。そのような技術は、流体が汚染されるおそれがあるかどうか、または交換する必要があるかどうかを決定することができ、業務および全体的な処理の利点を提供し、たとえばエンジンに用いられる流体の場合には改善されたエンジンの健全性を提供する。 Technical effects can include techniques for assessing fluid health, such as engine oil health. Such techniques can determine if the fluid is likely to be contaminated or need to be replaced, providing business and overall processing benefits, such as fluids used in engines In the case of providing improved engine health.
本明細書は、本発明を開示するために、および当業者が本発明の実施形態を実施できるように実施例を用いており、装置またはシステムを製作し使用し、方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の文言と実質的な差異が無い等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。 This specification uses examples to disclose the invention and to enable those skilled in the art to practice embodiments of the invention, and includes making and using an apparatus or system and performing a method. It is out. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. If such other embodiments have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they contain equivalent structural elements that do not differ substantially from the language of the claims, this Such other embodiments are intended to be within the scope of the claims.
10 システム
12 流体リザーバ
14 共振センサ
16 データ収集回路
22 コントローラ/ワークステーション
24 汎用または特定用途向けコンピュータ
26 ディスプレイ
28 キーボード
30 マウス
32 プリンタ
34 検出電極構造
36 保護被膜
38 単一の検出領域
40 センサ組立体
42 同調素子/同調部品
44 マルチプレクサ
50 共振アンテナ
51 位置合わせされた検出領域
52 メモリチップ
53 挿入ポート構造
54 挿入開口部
55 共振センサ
56 保護材料/検出材料
57 開口部
58 ポート構造
59A 流体移送パイプ
59B センサ読み取り装置
60 方法
62 ステップ
64 ステップ
70 ステップ
72 決定された分類モデル
74 水効果
75 燃料効果
76 温度効果
80 ステップ
82 定量化モデル
86 成分
92 温度
98 オイルの健全性
100 エンジンの健全性
102 エンジンの健全性記述子
104 オイルの健全性記述子
108 追加のセンサ
10 System 12 Fluid Reservoir 14 Resonant Sensor 16 Data Acquisition Circuit 22 Controller / Workstation 24 General Purpose or Application Specific Computer 26 Display 28 Keyboard 30 Mouse 32 Printer 34 Detection Electrode Structure 36 Protective Coating 38 Single Detection Area 40 Sensor Assembly 42 Tuning element / tuning component 44 Multiplexer 50 Resonant antenna 51 Aligned detection area 52 Memory chip 53 Insertion port structure 54 Insertion opening 55 Resonance sensor 56 Protection material / detection material 57 Opening 58 Port structure 59A Fluid transfer pipe 59B Sensor reading Apparatus 60 method 62 step 64 step 70 step 72 determined classification model 74 water effect 75 fuel effect 76 temperature effect 80 step 82 quantification model 86 component 92 temperature 98 oil Health 100 Engine health 102 Engine health descriptor 104 Oil health descriptor 108 Additional sensors
Claims (23)
共振インダクタ−キャパシタ−抵抗器(LCR)回路と、
前記LCR回路の少なくとも一部を含む検出領域(38、51)とを含み、
前記検出領域(38、51)は、目的の流体と動作可能に接触して配置されるように構成される、センサ(14、55、108)と、
前記検出領域(38、51)に結合されたコントローラ(22)であって、
前記センサ(14、55、108)から電気信号を受信し、前記信号は、測定されたスペクトル周波数範囲にわたって、前記流体と動作可能に接触する前記検出領域(38、51)の共振インピーダンススペクトルを表し、
前記共振インピーダンススペクトルを解析し、
前記解析された共振インピーダンススペクトルに基づいて、前記流体の1つまたは複数の特性を決定するように構成されるコントローラ(22)と
を含むシステム(10)。 Sensors (14, 55, 108),
A resonant inductor-capacitor-resistor (LCR) circuit;
A detection region (38, 51) including at least a part of the LCR circuit,
The detection region (38, 51) is configured to be placed in operative contact with a fluid of interest (14, 55, 108);
A controller (22) coupled to the detection region (38, 51),
An electrical signal is received from the sensor (14, 55, 108), the signal representing a resonant impedance spectrum of the detection region (38, 51) in operative contact with the fluid over a measured spectral frequency range. ,
Analyzing the resonance impedance spectrum;
A system (10) comprising: a controller (22) configured to determine one or more characteristics of the fluid based on the analyzed resonant impedance spectrum.
解析の前記周波数範囲にわたって、前記センサ(14、55、108)から、前記流体の共振インピーダンススペクトルに関する情報を含む信号を受信するステップと、
前記共振インピーダンススペクトルに少なくとも部分的に基づいて、前記流体の1つまたは複数の特性を決定するステップと
を含む方法(60)。 Exciting sensor (14, 55, 108) in contact with a fluid, including an LCR resonant circuit configured to operate at one or more frequencies in the frequency range of analysis And steps to
Receiving a signal containing information about a resonant impedance spectrum of the fluid from the sensor (14, 55, 108) over the frequency range of the analysis;
Determining one or more characteristics of the fluid based at least in part on the resonant impedance spectrum.
前記センサ(14、55、108)に結合されたコントローラ(22)であって、
前記センサ(14、55、108)から電気信号を受信し、前記信号は、測定されたスペクトル周波数範囲にわたって前記流体の共振インピーダンススペクトルを表し、
前記共振インピーダンススペクトルに少なくとも部分的に基づいて、前記流体の複素誘電率を決定するように構成されたコントローラ(22)と
を含むシステム(10)。 A resonant sensor (14, 55, 108) configured to detect a complex permittivity of the fluid;
A controller (22) coupled to the sensor (14, 55, 108),
Receiving an electrical signal from the sensor (14, 55, 108), the signal representing a resonant impedance spectrum of the fluid over a measured spectral frequency range;
A system (10) comprising: a controller (22) configured to determine a complex dielectric constant of the fluid based at least in part on the resonant impedance spectrum.
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