JP3571348B2 - 流体サンプラ - Google Patents

Description

［発明の背景］
流体中の粒子状物質の量、寸法、特性およびタイプの決定は、エンジンおよび回転機械中の流体の監視、工業品質管理、食品加工、医学的分析および環境管理のような多数の適用にとって重要である。例えば、エンジンが古くなると、それはその潤滑油中に金属粒子を剥離させる。粒子の寸法、数および形状はエンジンのコンディションに対応しており、エンジン故障が発生し易くなった状態の警告ができることが知られている。突然の故障が結果的に墜落事故を招き、かつ人命を奪う航空機のエンジンにおいて、故障の予測は決定的に重要である。これまで、オイル粒子は、航空機の整備中にオイルサンプルを抽出し、試験するために研究所にそのオイルを送ることによって検査されていた。このプロセスは、安全のために必要であるが時間がかかる。
摩滅の初期段階において、エンジンはおよそ50ミクロ以下の小さい粒子を生じ、これらの粒子は摩滅のタイプ、原因および性質を示す特徴的な形状を有している。摩滅プロセスが進行すると、粒子の量および寸法が増加する。小さい粒子を感知して識別することにより、早期に故障を識別し、調整メインテナンスの頻度を増やし、大惨事につながる不意の故障をほとんどなくすことができる。これを達成するための現在の方法は、費用と時間を要し、少量のオイルのサンプルしか使用せず、故障を識別するのに完璧なものではない。現場で粒子を自動的に監視することができるシステムならば、エンジン寿命を延ばし有効性を高める。同様に、血球は20ミクロン以下程度であり、このようなシステムならば自動的な血球数測定を行なうことができる。
本出願の別出願であるReintjes氏他による米国特許出願08/143,370号明細書（attorney docket no.74,852）には、流体の流れを光学的に映像化し、その映像を検出して、流体中の粒子の寸法および形状を分類するシステムが記載されている。しかしながら、そのシステムはエンジン中のオイルの輪郭のような流体の輪郭全体を映像化する。多数の粒子を見逃すことなく、これを効率的に行うために、映像化システムは大きい被写界深度を有していなければならず、それがパイプと検出器との間の光学系による拡大率を厳しく規制する。このような小さい拡大率では、そのシステムは例えば50ミクロン以下の非常に小さい粒子を解像することができない。
［発明の概要］
したがって、本発明の目的は、粒子がおよそ50ミクロン程度またはそれ以下である流体中の粒子の監視を可能にすることである。
本発明の別の目的は、流体に応じた任意のシステムの停止時間を要求することなく、現場で連続的にこれを実行することである。
本発明のさらに別の目的は、流体の一部分を光学的に映像化することによってそれを実行することである。
以下明らかにされるこれらおよびその他の目的にしたがって、本発明は流体通路およびこの流体通路における流動方向に対して横断方向に空間的にコヒーレントな光を導くように配置された光源を使用する映像システムおよび映像方法を提供する。流体通路は、光が透過することのできる材料のものであり、この通路から出た光の回折パターンが光学的な遠視野ではなく近視野の特徴を示す幅を有するものである。
通路はそれを出た光の回折パターンが光学的な近視野の特徴を示すほど十分に薄いため、通路は全部ではなくてもほとんどのものは実際の適用において非常に薄く、対応した小さい被写界深度を有する。これは、米国特許出願08/143,370号明細書の発明により実現されるものよりはるかに高い拡大率と、10ミクロン以下の小さい粒子を映像化する対応した能力を有する映像光学系の使用を可能にする。
さらに、システムは通路の近視野だけを映像化するため、システムは不透明な物質がシステムの焦点平面に近いか否かにかかわりなく、通路中の全ての不透明な物質を明瞭に映像化する。映像光学系および検出器と組合わせられた場合、これによって光学的な焦点平面の近くの粒子だけでなく、通路を移動する流体中の全ての不透明な粒子を映像化し、検出することが可能であり、システムのカウントの効率および統計的な正確度を高めることができる。
さらに、コンピュータまたはその他の自動処理回路（例えば、神経ネットワーク）と組合わせられた場合には、システムは映像を連続的に、迅速にかつ自動的にその場で処理することができる。これにより、通路を流れている流体中の粒子の実時間の監視が可能になる。例えば、流体がエンジンオイルである場合、エンジンを停止することを必要とせずにオイル中の粒子の数、形状および寸法を連続的に監視することができる。これは、エンジン故障の早期の検出を可能にすると同時に、これまで試験のためにエンジンオイルのサンプルを研究所に送るために必要とされていたエンジン停止時間をなくすことができる。
したがって、本発明は、寸法および形状で小さい粒子を識別し、かつオイルを連続的にサンプリングすることによって摩耗度の解析をさらに完ぺきにし、それによって診断能力を量的に改良する。本発明はエンジンオイルを連続的にサンプリングすることによって有効な情報を提供し、粒子の寸法、形状等の分布を示すヒストグラムを生成することができる。
以下の特定の実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらおよび別の目的、特徴および利点がさらに理解される。しかしながら、本発明はこれらの実施形態の正確な詳細を越えた適用が可能である。添付された請求の範囲に示されている本発明の技術的範囲に影響を与えない変更および修正を実施形態に対して行うことが可能である。以下、特に添付図面を参照して実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の１実施形態の基本的な素子の概略図である。
図２は、本発明による映像化システムの１実施形態を部分的に断面図で示した概略図である。
図３は、本発明により使用可能な検出器アレイの概略図である。
図４および５は本発明による映像化システムの別の実施形態を示し、図４は図５のライン４−４の方向から見た断面図であり、図５は図４のライン５−５の方向から見た断面図である。
図６は共通した粒子の２つの形状を示し、本発明にしたがってその形状を特徴付ける方法を示す。
図７は、粒子形状を識別する方法を示したフロー図である。
［詳細な説明］
図面を参照すると、いくつかの図を通して同じ符号は同一の部品を示している。図１はエンジンオイルのような流体を伝送するパイプ10を示す。流体の一部は、ライン14を通って連続的に分離して取出され、必要に応じてブースタポンプ16によって支援される。取出された流体は、ライン14中の通路21を通って方向18で流れる。レーザ20からの光（図１および２において破線で示されている）は、通路21を通って映像光学系22上に達することができる。映像光学系22は、通路21の内部の拡大された映像を平面検出器26上に投影する。部材22は、それが所望の空間的解像度で対象物の映像を生成することができるように、単純または複合レンズを含む拡大された光学映像を生成するための任意の適切な既知の手段であることができる。およそ10マイクロメートル以下の粒子を検出するのに十分な解像度を提供するように平面検出器26との関連で拡大率が選択される。検出器26は、対応した電子データに映像を変換することのできる感光性のフォトダイオードまたはフォトトランジスタの通常の平面アレイであることが好ましい。ケーブル28は、以下に説明する方法でプロセッサ、好ましくは映像を解析するようにプログラムされたコンピュータにこのデータを伝送する。
図２の実施形態は図１のものに類似しているが、通路21はレーザ20と光学系22との間に配置された１対の光学板23,25の形態である。光学板23,25は、流体用の導管を形成するように30において流体密に接着されている。接着は、例えば加熱プレスまたはエポキシ接着剤等の任意の通常の方法で行われることができる。
図３は、図１または２において検出器26として使用されることのできる通常のフォト検出器アレイを示す。このアレイは、それぞれがフォトダイオードまたはフォトトランジスタのような感光装置を含むセル34の平坦なマトリクスである。光の存在は、画素34の装置によって光強度に比例して出力される電流をトリガーする。したがって、映像を画素34上に投影することにより、映像は複数の電流の大きさに変換され、それは統合された時に、電荷の大きさの形態で映像の画素による表示を行う。このようにして、映像は、処理のためにデータライン28を介して読出されることのできる電子データに変換される。
パルスの継続時間は、できるだけ多量の流体を映像化し、したがって粒子の寸法および形状の統計的サンプリングの品質を改良するようにライン14中の流体の流量率にしたがって選択される。したがって、レーザ20が通路21の全てを照明する場合、所望のパルス反復周期は通路中の流体容積全体が明瞭になるのに必要な時間である。レーザ20が通路21の一部分しか照明しない場合には、好ましい反復周期はその割合だけ減少される。光の進行方向における通路21の幅は、通路21から出た光によって表される通路21の内部からの回折パターンがシステムの光学的近視野によって特徴付けられるように十分に小さい。通路21の深さは、重要な粒子を鮮明に映像化するために必要な被写界深度によって決定される。直径が50ミクロン以下の対象物に対して、通路21の幅は公称的に200乃至250ミクロン程度とすべきである。
レーザ20は通常のレーザダイオードであることが好ましく、また通路21中の流体が実効的に透明である周波数のものであるように選択される。航空機において一般に使用される合成潤滑油（例えば、米国国防省軍用潤滑剤仕様MIL Ｌ 236997808）または人間の血液に対して、850nmで放射するレーザが効果的であり、別の状況では適切である。
動作において、図１および２の実施形態は、通路21を通ってコヒーレントな光のパルスをレーザ20に放射させるタイミングクロック（示されていない）によってトリガーされ、そのパルスが検出器アレイ26上に映像化される。液体中の粒子は、暗形状として現れる。同じパルス（検出器26における画素の充電ができるように適当に遅延された）はまたその電子形態の映像を処理するためにコンピュータ（示されていない）に伝送するようにアレイ26をトリガーする。このようにしてシステムを反射的にトリガーすることにより、通路21中には常時非常に少量の流体しか存在しないにもかかわらず、時間的に連続して統計的に有効な流体中の粒子に関する情報が形成される。
図４および５は、流体を映像化する別の方式を示す。２個の部材36,38は、ライン14の入口部分14_inおよび出口部分14_outと流体が接触する空間42をそれらの間に限定する容器を形成する。空間42は、容器36,38の内部の残りの部分からシール60によって分離されている。容器36,38を貫通して、回転部材40のシャフト46が設けられている。部材40は、レーザ54の出力に対して透明な金属から形成され、シャフト46について対称に配置された円錐形の反射器51を含んでいるシャフト46に垂直な平坦な部分を有する（図５に最もよく示されている）。シャフト46は、シャフト46の中心軸を中心として回転する（48で示された）ために容器36,38中にベアリング50,52を介して取り付けられている。容器部材36を貫通して、レーザ（またはレーザ出力の伝送用の光学伝送ライン）54が設けられている。レーザ54は光学ガラス57を介して光学的にミラー59に接続されており、それらはレーザ54から放射された光53をミラー51に導き、したがって組合せられた光学系パッケージおよび検出器56に導くように部材36内に取付けられており、この光学系パッケージおよび検出器56（以下、説明を簡単にするためにこれを“検出器パッケージ”と呼ぶ）は、図１乃至３の実施形態の光学系22および検出器26と同じ機能を実行する。データライン58は、検出器パッケージ56からのデータを中継するために容器36,38を貫通している。図５によく示されているように、部材40の平坦な部分は周辺方向に配置された対応した突出部分66をそれらの間に限定するその周囲に配置された複数のスカラップ62を有する。部材の回転軸46は空間42内において非対称的に配置されているため、部材38の内壁39と突出部分66は入口14_inから検出器パッケージ56にかけて次第に接近し、それから出口14_outまで次第に離れてゆき、その後容器部材38から半径方向に突き出たリッジ61のために再び接近する。
動作において、分岐された流体は、ライン14_inを介して外部モータ（示されていない）により回転されている回転部材40に流体をさらす開口42に入る。（回転は図５の視点から見ると反時計方向である。）スカラップ62は流体をすくって、回転部材40により検出器パッケージ56に向けてそれを伝達する。部材38の内壁39とスカラップ62は、部材40が検出器パッケージ56の方向に運動するにつれて次第に接近するため、流体は圧縮され、突出部分66によって剪断される。このようにして、突出部分66が通り過ぎたときに、流体は検出器パッケージ56と突出部分66との間に薄膜ギャップ67中に強制的に押し込まれる。レーザ54からのパルス状の光は、ミラー51,59および光学ガラスで構成されている部材57および40を通ってギャップ67に進み、したがって検出器パッケージ56に入力し、データ出力部58から処理用のコンピュータ（示されていない）に送られる。このようにして、ギャップ67は図１および２の通路21と同様に映像化される。検出器56を通過した後、スカラップ62中の流体は、突出部分66が容器36,38から流体を強制的に押し出すようにリッジ61と共同する出口14_outに移動する。
図７は、ギャップ67または通路21中の映像化された粒子の寸法および形状を識別する方法を示す。検出器26または56から出力された個々の画素データを取り、好ましくは専用コンピュータを使用して、映像化中に対象物が画素からの光を遮ったことを示す予め選択された低レベルの信号を有する画素が配置される（88）まで、順次１画素づつ（例えば、行単位で）映像を走査する（86）。その後、この画素がその上に“フラグ”を有し（89）、その画素が走査時に既に遭遇した対象物の映像を構成する１群の画素に属していることを示す（89）かどうかを決定する。フラグを有しない場合、対象物の外縁を構成している画素を識別するために通常の連鎖コードを使用し（90）、後続する処理がその対象物に再度動作されないようにコンピュータメモリ中の画素にフラグを付ける（92）。その後、対象物の形状（アスペクト比、最長直線寸法など）を特徴付けるために使用されることが所望された任意のパラメータを計算するために対象物の連鎖コード化された外縁を使用する（93）。映像全体を走査し、映像中の対象物について得られたデータを出力し（好ましくは、粒子形状のヒストグラムを更新し）、付加的な映像データの受取りの決定をのばして処理を終了するまで、このプロセスを続ける（87,94,98,100,102）。この方法は、特にプログラムするのが簡単であり、それはコード化を容易にし、並列の動作を良好に行わせる（例えば、映像の種々の領域を同時に処理するためにいくつかのプロセッサを並列に使用して）。
連鎖コードの形態で粒子形状を特徴付けているため、対象物を分類するように形状と関連した多数のパラメータの任意の１つを計算するためにその特徴付けを使用することができる。図６は、周縁がぎざぎざの長い寸法74と、短い寸法76とを有する使用するエンジンオイル中で見つけられる粒子を示す。その形状すなわち外縁が簡単な解析幾何学によって連鎖コードで記録されるため、軸74,76およびそれらの各長さを容易に識別することができる。それらの比は対象物のアスペクト比、つまりその薄さの尺度である。アスペクト比および最長軸の両者は、例えばエンジン状態について重要な情報を提供し、長くて薄い粒子は過度の切断摩耗を示すことができ、最長軸はどの程度までエンジンの摩耗が進んたのかを示すことができる。（求められる粒子の剪断が大きくなると、それだけエンジン故障に近付く。）
本発明は、最も実際的で好ましい実施形態であると考えられるものについて説明されてきた。しかしながら、当業者はこれらの実施形態に対する明白な修正を認識することが理解される。したがって、本発明の技術的範囲は添付された請求の範囲を参照することから明瞭に理解されるものである。

Claims (3)

1. 流体のフローラインから一部の流体を分流する通路と、
   コヒーレートな光源と、
   前記光源からのコヒーレートな光に応答して前記通路中の粒子を含んでいる流体を光検出器上に周期的に映像化し、その映像を電子画素情報に変換する光学系を含む光学手段とを具備し、
   光源からの光が横断する方向の前記通路の幅は、微細な 粒子を検出するための大きい拡大率を有する前記光学手 段の光学系の被写界深度内になるように、前記通路の通 過光によって前記通路の内部の形成された回折パターンを内部の近視野のものにする寸法であるように選択され、
   さらに、前記電子画素情報に応答して、前記映像中の粒 子の寸法または形状を検出してその分布を解析する解析手段とを具備している粒子分類装置。
2. 流体のフローラインから通路中に一部の流体を分流し、
   コヒーレートな光源と、この光源からのコヒーレートな光に応答して、前記通路中の前記流体を光検出器上に周期的に映像化してその映像を電子画素情報に変換する光 学系を含む光学手段を設けて、通路を通過する流体中の 粒子を電子画素情報に変換し、
   光源からの光が横断する方向の前記通路の幅は、微細な 粒子を検出するための大きい拡大率を有する前記光学手 段の光学系の被写界深度内になるように、前記通路の通 過光によって前記通路の内部の形成された回折パターンを内部の近視野のものにする寸法であるように選択さ れ、
   前記電子画素情報に応答して、前記映像中の粒子の寸法または形状の分布を解析する粒子分類方法。
3. 流体入口および流体出口を有する容器と、
   前記容器の中の平面において前記平面に対して横断方向の軸を中心として回転するように配置された回転部材と、
   前記平面において前記軸を中心として前記回転部材を回転させる手段とを具備し、
   前記回転部材は、前記平面において前記回転部材の周囲に配置され前記容器において流体を受けるための対応した複数の凹部を形成している複数のスカラップを有し、かつスカラップの間に複数の突出部分を形成されており、
   前記軸は、前記回転部材の前記回転の方向において、前記入口と前記出口との間の前記平面に配置された前記回転部材の周囲における前記突出部分と前記容器との間の距離を次第に小さくするように、前記回転部材が前記平面で回転するにしたがって、前記突出部分を前記容器に交互に接近させ、かつそれから遠ざけるように前記容器内において非対称的に配置され、
   前記容器は、前記平面において前記回転部材にコヒーレントな光を放射するように配置された光源を備えており、
   前記突出部分と前記光源との間の距離は映像化ギャップを構成し、前記映像化ギャップは、前記映像化ギャップを通過した前記光によって形成された回折パターンが前記ギャップの光学的視野のものであるような寸法であるように選択されている装置。

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