JP4221373B2 - 流体の状態を監視する装置 - Google Patents

Description

（出願の位置づけ）
本発明は、米国政府の支持を受けて、契約番号第Ｆ３３６１５−９８−Ｃ−２８６４号による、米国軍ＴＡＣＯＭ Ｗａｒｒｅｎ、ＭＩからの資金援助を受けてなされたものである。米国政府は、本発明について一定の権利を有する。
本発明は、一般的には流体に関し、より詳しくは、運転機器が適切に動作するのに必要とされる、有機流体の状態を評価する装置及び方法に関する。流体の状態についての評価は、ベースストックの酸化劣化度、添加物の枯渇度、液体及び固体の汚染物のレベル、及び運転機器の機能を果たす上で求められる流体の能力に影響をもつその他のパラメータに基づいて行われる。

油や燃料などの流体は、しばしば、運転機器を潤滑及び冷却する要素として使用されると共に、可動面に発生した粒状物を取り除くためにも使用される。正常に運転している機器の内部を循環する流体は、熱ストレス及び酸化ストレスを受けると共に、広範囲の汚染を受けて、流体の状態はゆっくりと劣化し、つまり、流体の有効寿命は短くなる。劣悪状態の流体によって機器が損傷することを確実に防ぐために、運転時間や、走行距離、その他の運転パラメータに基づいて、定期的なスケジュールに従って、流体は交換される。同一のタイプの機器ならば、すべての機器において同じ速度で作動流体の状態が劣化するというわけではないので、有効寿命の終わりを越えた循環流体の使用を確実に防ぐため、特定の機器の運転状態に無関係に、スケジュールは控えめになっている。時には、摩耗又は破損した部品によって、また、外力や汚染物によって、機器の運転が異常状態になって、循環する流体の酸化及び／又は汚染を加速させることがある。こうして生じた流体状態の劣化が検出されなければ、流体の有効寿命が尽きた後に、さらに部品が破損したり機器が故障したりするだろう。従って、有効寿命が尽きる前に確実に流体を交換するために、また、異常運転している機器を検出して、さらに部品が破損したり機器が故障したりすることを防ぐために、定期的に流体を完全に分析して、流体の状態を監視すべきである。

しかしながら、機器が遠隔地にあるとか、機器のデザインのためとか、保守作業員が不足しているとか、及び／又は、油分析プログラムを実行するコストなどといった原因のために、ほとんどの運転機器において、頻繁な流体のサンプリングを行うことは非現実的である。さらに、内部部品が発火したとか、シールが破損したなど、ある種の異常運転状態においては、これらを直ちに検出して、機器の故障を防ぐ必要があるが、こうした状態は、定期的なサンプリングをいくら頻繁に行っても監視できるものではない。

従って、当業界には、流体の状態を連続的に監視して、機器の運転が正常でも異常でも、適切な流体の交換スケジュールを決定できるような、また、さらに部品が破損したり機器が故障したりする前に異常状態を検出できるような、効率的な手段に対する要望が存在している。

上述の課題を解決するために、本発明による方法及び装置では、流体について、多数のパラメータを測定することで、流体の状態を監視する。本発明においては、複数のセンサーを使用して、異なる温度において、及び、異なる流体処理の後において、流体について、蒸気特性と液体特性とを測定する。これらの測定値から、流体の状態を判断できる。
本発明のひとつの実施形態によれば、流体の状態を監視するためのセンサー装置であって、このセンサー装置が、部材と、流体の液体パラメータを測定するための部材に結合された複数の液体センサーと、液体の蒸気パラメータを測定するための部材に結合された複数の蒸気センサーと、を備え、複数の液体センサーと複数の蒸気センサーとは互いに離間させて配置されていて、複数の蒸気センサーが液体に接触しないようになっているようなセンサー装置が提供される。

また、本発明のひとつの実施形態によれば、流体の状態を監視するためのセンサー装置であって、このセンサー装置が、部材と、流体の液体パラメータを測定するための部材に結合された複数の液体センサーと、液体の蒸気パラメータを測定するための部材に結合された複数の蒸気センサーと、を備え、複数の液体センサーと複数の蒸気センサーとは互いに離間させて配置されていて、複数の蒸気センサーが液体に接触しないようになっていて、部材における液体センサーとは反対の側に表示装置が結合されているようなセンサー装置が提供される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、流体の状態を監視するための方法であって、この方法が、部材上に複数の液体センサーと複数の蒸気センサーとを有するようなセンサー装置を提供する段階と、部材を流体に配置する段階であって、複数の液体センサーは流体に沈められ、複数の蒸気センサーは流体と接触しないように配置する段階と、流体の少なくともひとつのパラメータを測定する段階と、異なる流体温度における流体の測定値を分析する段階と、流体の状態を判断する段階と、を備えているような方法が提供される。
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面において対応する要素には同一の符号を付している。

図１を参照すると、本発明によるセンサー装置１０は、複数の液体センサー２０と、複数の蒸気センサー３０とを含んでいて、これらを互いに関連させて用いると、流体の状態を監視するための、流体の評価が得られる。同一のセンサー装置１０に、液体センサー２０と蒸気センサー３０とを設けることで、本発明によれば、小型で効率的で経済的に適したやり方で、オンライン／オンボードのセンサー装置を介して、運転機器の内部で直接、流体の状態を監視できる。センサー装置は、流体レベル、粘性、温度、導電率、電気化学活性、水による汚染、摩耗金属、すすの蓄積、クーラントによる汚染、流体レベル、及びこれらの組み合わせを測定するように適合している。さらに、センサー装置１０によれば、機器における監視される部分について、流体サンプリングの間隔を長くすることができる。さらに、センサー装置１０によれば、超過使用で流体の有効寿命を越えないことを保証しつつ、別々の機器について、流体の交換間隔を長くすることができる。さらに、センサー装置１０によれば、機器のオペレータは高い能力で、異常な運転状態にある機器を早期に発見することができる。

センサー２０及び３０が結合されている部材１２は、第１の部材端１２ａと、第２の部材端１２ｂとを有している。ひとつの実施形態においては、部材１２は導電材料から作られていて、例えば鋳鉄や、ステンレス鋼、アルミニウム、その他の適当な金属からなる周囲の部品の構成と合致している。また、部材１２は、テトラフルオロエチレンや、高密度ポリエチレン、回路基板に用いられるポリイミドポリマー、その他の任意のプラスチック若しくは化合物であって、監視される機器の運転温度に寸法的及び化学的に安定しているもの、又はこれらの組み合わせなど、絶縁材料から作っても良い。部材１２のサイズは、例えば油などの作動流体のレベルを点検するための流体リザーバを備えているエンジンその他の運転機器において用いられる、在来の計深棒ポートに収容できる大きさになっている。部材１２は、従来の計深棒でも良い。

センサー装置１０において用いられるセンサーの数及びタイプは、監視すべき機器における劣化／汚染のメカニズムに基づいて、事前に選択される。センサー２０及び３０は、複数の液体センサー２０が完全に流体１１に沈められる一方で、複数の蒸気センサー３０は流体に接触することがないように、部材１２に配置されている。従って、蒸気センサー３０は、流体の蒸気部分のパラメータだけを測定する。液体センサー２０は、流体の温度及び電気特性を測定する。ひとつの実施形態においては、電気特性については、ここで参照して引用される、米国特許第５，９３３，０１６号及び米国特許第５，０７１，５２７号に開示されている、単一電極導電性及び三角波ボルタンメトリー方法を用いて測定される。測定されるその他の電気特性には、静電容量、誘電率などが含まれる。

図２に示すように、液体センサー２０は、絶縁基板２９上に設けられた導電ライン面２７によってセンサーアレイ２８を形成しており、及び／又は、一連のワイヤー棒２２，２３，２４，２６になっている。ひとつの実施形態においては、液体センサー２０と、ワイヤー棒における流体に対して露出した部分のまわりとの間には、絶縁体１４が配置される。ひとつの実施形態においては、ワイヤー棒２２，２３，２４，２６は、互いに約０．１mm〜約１００mmの間隔を隔てて配置され、より好ましくは、互いに約１mmの間隔を隔てている。ひとつの実施形態においては、センサーアレイ２８は、約０．００１mm〜約１mmの間隔を隔てて構成され、より好ましくは、約０．０７５mmの間隔を隔てている。液体センサー２０は、任意の適当な耐腐食性の導電材料から構成することができる。適当な材料には、限定はしないが、ガラス質炭素、白金、金、銅、銅合金、ニッケル合金、ステンレス鋼、及びこれらの組み合わせが含まれる。ひとつの実施形態においては、液体センサーは、ニッケル又は３１６番ステンレス鋼から作られている。絶縁体１４と絶縁基板２９とは、テトラフルオロエチレンや、高密度ポリエチレン、回路基板に用いられるポリイミドポリマー、アルミナ、その他の任意の絶縁材料であって、運転機器の流体環境において寸法的及び化学的に安定しているもの、又はこれらの組み合わせなど、から作ることができる。

図２を参照すると、複数の蒸気センサー３０は、流体の蒸気だけに接触するもので、流体酸化物及び／又は結露水の液滴に対して感度をもっている。流体酸化物や水の液滴３１は、代表的には、エンジンなどの機器を停止させた後に、センサー装置１０における第１の部分端１２ａなどの冷たい部分に、高温流体からの化合物が凝縮することで形成される。流体酸化物や結露水の液滴３１は、エンジンの運転中にも形成されることがあり、その場合には、蒸気センサー３０と液体センサー２０とが同時に動作する。従って、エンジンを停止させた時、または、流体が充分に高温になって酸化生成物及び／又は水が蒸発し、これがセンサー装置１０の冷たい部分に凝縮するような任意の時に、凝縮した液滴３１が形成されて蒸気センサー３０に付着する。そして、センサーは蒸気パラメータを測定する。

液体センサーに関して上述したのと同様に、蒸気センサー３０は、絶縁基板２９上に設けられた導電ライン面２７によってセンサーアレイを形成しており、及び／又は、一連のワイヤー棒（図示せず）になっている。ひとつの実施形態においては、導電ライン面２７及び／又はワイヤーは、互いに約０．１mm〜約５０mmの間隔を隔てて配置され、より好ましくは、互いに約１mmの間隔を隔てている。ひとつの実施形態においては、センサーアレイは、約０．００１mm〜約１mmの間隔を隔てたセンサーから構成され、より好ましくは、約０．０７５mmの間隔を隔てている。蒸気センサー３０は、任意の適当な耐腐食性の導電材料から構成することができる。適当な材料には、限定はしないが、ガラス質炭素、白金、金、銅、銅合金、ニッケル合金、銅合金、ステンレス鋼、及びこれらの組み合わせが含まれる。ひとつの実施形態においては、蒸気センサー３０、ニッケル又は３１６番ステンレス鋼から作られている。ひとつの実施形態においては、蒸気センサー３０と、センサーにおける流体蒸気に対して露出しない部分のまわりとの間には、絶縁体１４が配置される。絶縁体１４と絶縁基板２９とは、テトラフルオロエチレンや、高密度ポリエチレン、回路基板に用いられるポリイミドポリマー、アルミナ、その他の任意の絶縁材料であって、運転機器の流体環境において寸法的及び化学的に安定しているもの、又はこれらの組み合わせなど、から作ることができる。

図２及び図３を参照すると、センサー装置１０における第１の部材端１２ａには、電子装置４０が結合されている。電子装置４０は、センサー２０及び３０に電気的に接続されていて、流体の総合的な状態及び流体のレベルを示し、または、変形例としては、ユーザが関心をもつ特定の劣化／汚染のメカニズムを示すものになっている。電子装置４０は、センサのための電子回路４１と、読み出し表示器４２と、リセットボタン４４とを含んでいる。電子回路４１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）６２と、これに電源を供給する電源６０と、データポート６６と、表示装置７２とを含んでいる。表示装置７２は、表示器ドライバー６８と、表示器４２とを含んでいる。電子回路４１は、監視される劣化／汚染のメカニズムに基づいたアルゴリズムと、蒸気センサー３０及び液体センサー２０の出力から得られる測定値とを用いて、流体の状態や流体のレベルを計算する。ＣＰＵ６２は、メモリ６４に格納されているアルゴリズムと、センサー２０及び／又は３０によってデータポート６６から供給される情報とを用いて、監視中の状態について、測定値を計算する。データポート６６は、センサー２０及び／又は３０からのアナログデータを、ＣＰＵ６２が扱うのに適するように、フィルタリングして、デジタル情報に変換するための、必要な電子回路を含んでいることを理解されたい。ＣＰＵ６２は、計算された測定値を表示器ドライバー６８に伝える。表示器ドライバー６８は、かかる測定値を、ユーザが視認できる態様に変換する。ＣＰＵ６２によって実行される計算には、有効寿命の終了による又は異常な運転状態による、加速的な酸化劣化についての判断や、クーラント／水による汚染度、すすの蓄積度、粘性変化、加速的な摩耗、発火やホットスポットによる添加物の熱的絶縁破壊、及び流体のレベルが含まれる。

電子回路４１の電源は、外部の電源や、専用のバッテリーによっても供給することができることを理解されたい。さらに、必要があるならば、外部のコンピュータ７０からデータポート６６を介して、コンピュータのアルゴリズムその他の初期化データをメモリ６４に読み込むこともできる。さらに、必要があるならば、データポート６６を介して、ＣＰＵ６２、センサー２０及び／又は３０、及び／又はメモリ６４から、外部のコンピュータ７０へ直接、センサーのデータや計算された測定値を与えることもできる。例えば、コンピュータ７０は、ケーブル結合や、ネットワーク結合、又は無線ワイヤレスなどのワイヤレス技術などを介して、電子回路４１に通信可能に接続することができる。
リセットボタン４４は、表示装置の任意の箇所に設けられ、流体の交換時にはこれを押して、記録中の時間をリセットすると共に、読取値の突然の変化は流体の交換に起因するものであることを装置に知らせる。電子装置４０を部材１２に取り付けたセンサー装置１０によれば、ユーザは迅速かつ容易に流体の状態を確認することができる。図示した電子装置４０は、部材１２における第１の部材端１２ａに結合されているけれども、表示装置４０は、部材１２において、ユーザに都合が良い任意の場所に取り付けることができることを理解されたい。

再び図２を参照すると、液体センサー２０として、ワイヤー棒２２，２３，２４が用いられていて、流体のレベルは以下の手順によって近似される。流体がセンサー２２とセンサー２３とに接触しているならば、流体によって隣接する２本のワイヤー棒間の回路は閉じられて、表示器４２には、「満タン」のランプが点灯する。なお、表示器４２は、表示装置４０に配置されている。しかしながら、流体のレベルが低いために、センサー２２とセンサー２３との両方には接触しないが、センサー２３とセンサー２４とには接触している場合には、表示器４２には「１／２」と表示される。流体がもはやセンサー２４にも接触しなくなると、電子回路が開かれて、表示器４２には「要追加」と表示される。図２に示したランプによる表示装置に代えて、液晶表示器（ＬＣＤ）を用いても良く、それによれば、数字／文字で表示できると共に、バッテリー寿命を節約でき、また、センサの出力値を確認しやすくなる。ＬＣＤを用いるならば、表示器４２に、連続的に正確な流体レベルを示すことができる。ワイヤー棒２６における露出部分のすべてが流体に完全に沈んだときには、ワイヤー棒２６とセンサーアレイ２８との出力が等しくなるように設定し、表示器４２には「１００％満タン」と表示する。油のレベルが低下すると、ワイヤー棒２６による出力は比例的に低下するが、センサーアレイ２８による出力は、依然として完全に沈んでいるために、一定なままになる。従って、ワイヤー棒２６の出力とセンサーアレイ２８の出力との比率を、表示器４２に、例えば「７０％」のような割合として示すことができる。かかる読取値によれば、正確なレベル値とレベルの減少率が得られるので、必要な適切時に修理を行うことができる。流体レベルを指示するためには、ワイヤー棒以外のセンサーを用いることもできるが、そうした変形例のセンサーは、流体が満タンレベルであることを正確に示すために、完全に沈められるべきであることを理解されたい。

本発明の別の実施形態においては、センサーアレイ２８が少なくともひとつの磁化されたラインを有しているか、あるいは、センサーアレイ２８が使用されるときに液体センサー２０の背後に配置される磁石を有している。磁石又は磁化ラインによって、センサーアレイ２８は、エンジンなど流体が監視される機器について、摩耗の速度を示すことができる。磁石又は磁化ラインによって、鉄を含む摩耗粒子がセンサーアレイ２８に引き付けられるので、センサーの出力は大きくなる。鉄の粒子が付着したり、鉄の摩耗片に関連したその他の金属粒子が、センサーアレイ２８の両方の導電ラインに接触したりすると、回路が閉じられて、センサーは電気的に短絡する。磁場を有するセンサーアレイ２８の出力（オフスケール）と、磁場をもたないセンサーアレイ２８又は別の液体センサー２０の出力（オンスケール）との間に違いがあれば、激しい摩耗に伴なって鉄の摩耗粒子が加速的に流体中に生成していることになるので、摩耗している部品を修理するための保守作業が必要であることが分かる。その後に、センサーアレイ２８を取り出して、収集された破片を調べることによって、ユーザは、破片の成分やサイズから、摩耗している部品や摩耗メカニズムの激しさを確認することができる。磁石又は磁化ラインは、特殊なアルミニウム−ニッケル−コバルト合金であるアルニコ磁石や、バリウム又はストロンチウムフェライトなどのセラミック磁石、または、ネオジウム鉄硼素やサマリウムコバルトなどの奇土類磁石、あるいは、その他の永久磁石であって７００゜Ｆを越える温度で磁性を保持する磁石から構成できる。

例えば方形波、サイン波、及び三角波などの波形の電圧波形を流体に印加することによって、センサー装置の感度を高めることができる。方形波又はサイン波の波形は、代表的には約±０．５〜±１５Ｖの範囲にて、特に±３Ｖの範囲にて発生させる。周波数は代表的には１０００Ｈｚ未満であって、特に、導電率については１Ｈｚが、静電容量については５００Ｈｚが用いられる。センサー装置１０において導電率を測定すべく、±３Ｖで１Ｈｚの方形波又はサイン波を用いるならば、流体の酸化劣化についてのセンサー装置１０の感度が高くなる。センサー装置１０において静電容量及び誘電率を測定すべく、±３Ｖで５００Ｈｚの方形波又はサイン波を用いるならば、すすの蓄積度及び流体の電荷保持能力に影響するその他の汚染物についてのセンサー装置１０の感度が高くなる。三角波の波形は、代表的には±１〜±２０Ｖにて、特に±１５Ｖにて発生させ、その周波数は０．００１〜１００Ｈｚの間で、特に０．０６Ｈｚで発生させる。センサー装置１０において三角波の波形を用いるならば、水が電気分解して、電流の流れが増加する。この電流増加によって、センサー装置１０の水に対する感度が高まる。印加する電圧波形は、任意の適当な波形発生装置によって、流体に供給する。

異なる流体温度についてのセンサーの測定値を得ることで、センサー装置１０の状態監視能力をさらに高めることができる。例えば、新鮮な油をエンジンに加えた後には、新鮮な油の温度に対して、センサーの出力は直線的に一貫して大きくなって、流体が酸化していないことを示す。油が酸化されると、液体センサー２０の出力は温度に対して指数関数的に増加する。従って、新鮮な油においては温度上昇に対して正常な直線的な増加を示すが、酸化した油においては、酸化度に比例して、かかる直線的な増加からの逸脱が大きくなる。流体を交換した後には、センサーの出力の増加は、新鮮な油における設定温度の値になる。得られた出力を、前回の新鮮な油の読取値と比較して、交換に使用された油が適切なものであることを確認する。出力の測定値を計算するためのアルゴリズムはデータから作成される。

図４は、センサーの出力と温度との関係を示したグラフであって、航空機のエンジンにおける加速的酸化試験の結果であり、酸化度が示されている。特に、温度が上昇すると、液体センサーの出力が高くなることがグラフに示されている。第８回目のエンジン運転においては、酸化が始まっていて、Ｙ軸に示されるように、液体センサーの出力は、油の温度の上昇に伴ない、わずかに増加している。油の温度は、４４００ｒｐｍにおける２６０゜Ｆから、９９００ｒｐｍにおける４２０゜Ｆにまで上昇していて、これによる液体センサー＃１及び＃２の出力の増加は５０％未満になっている。しかしながら、第１０回目のエンジン運転においては、温度が上昇すると、液体センサーの出力は４００％を越えて増加している。航空機のエンジンなどのいくつかの高温機器においては、新鮮な油が頻繁に追加されるので、所定の温度又は温度上昇における液体センサーの出力増加が５０％になるようであれば、シール破壊などエンジンに異常又は問題点があると考えることができる。

増加の速度もまた重要である。液体センサーの出力が、数分程度で正常値からオフスケールまで達するようであれば、こうした急激な上昇は、ホットスポットやエンジンの発火を示すことになる。ディーゼルエンジンなど、その他の低温機器においては、油の追加は頻繁ではないので、所定の温度における液体センサーの出力の増加が２００％になっても、許容範囲内であって、これはエンジンの問題点というよりは、油の交換の必要性を示すことになる。
液体についての読取値と共に、蒸気についての読取値を得ることで、センサー装置１０の流体状態監視能力をさらに高めることができる。液体センサー２０の読取値が、流体の劣化や、流体に処方される抗酸化剤その他の極性の強い添加物によって影響を受けるのとは異なって、蒸気センサーの読取値は、揮発性酸化化合物と、（あてはまる場合には）水の凝縮及び発煙によってだけしか、影響を受けない。出力の測定値を計算するためのアルゴリズムはデータから作成される。

図５に示すように、蒸気センサーの読取値は、油の酸化が始まるまでは、不変の基線を示す。図４の液体センサーによれば、第９回目のエンジン運転の終了時には、油は酸化し始めていて、センサー出力の増加が示されている。液体センサーの読取値は、酸化及び温度上昇に伴なって増加していて、これは油の酸化の程度とは無関係になっているけれども、蒸気センサーの読取値は、油が加速的に酸化した時だけに増加する。センサーの環境が冷却されるにつれて、及び／又は、揮発性化合物が濃縮するにつれて、出力は増加する。酸化生成物とは対照的に、航空機エンジン又はその他の高温用途における蒸気センサーが、機器の運転中に急激にオフスケールになったとしたならば、ホットスポットから添加物の劣化生成物か、発火による発煙かのいずれかが検出されたことになり、部品が激しく破損したり機器が故障したりしないように、機器のオペレータは、直ちに注意する必要がある。蒸気センサーの出力は、加速的な酸化や異常な運転状態が生じているときだけに得られ、流体組成や添加物パッケージとは独立している。

図６を参照すると、本発明の別の実施形態によるセンサー装置１０は、停滞した装置における粘性を測定することができる。そうした実施形態においては、例えばバルブやチャンバなど、流体が流れる領域に部材１２を配置する。運転停止時に、ひとつのチャンバから例えば供給ラインを通って別のチャンバへ流れる、流体の速度を用いて、運転使用中の流体の粘性を評価することができる。運転停止時には、流体の流れは減少して、オイルパンなどの油収集箇所に排出されるので、エンジンに配置された上部センサー３は、流体によって覆われなくなる。この結果、上部センサー３の出力は、油に沈められたままであるセンサー２１の出力に比べて、小さくなる。上部センサー３の出力がセンサー２１の出力に対して減少する速度は、流体の粘性に正比例していて、すなわち、油の粘性が高くなると、上部センサー３の表面からゆっくりと油が排出されて、上部センサー３の出力は、センサー２１の出力に対してゆっくりと低下するようになる。既知の温度において既知の粘性である流体を用いて事前に較正されたセンサーを含むような、参照テーブルと装置温度の読取値を用いて、流体の粘性を決定する。

図７を参照して、流体が流れる装置において粘性を測定するための方法について説明する。センサー装置５９は、特定の温度における粘性が既知である流体を用いて、較正されている。第１のセンサー５４は、流れ絞りに対して上流側に配置され、第２のセンサー５６は下流側に配置される。矢印５０の方向に流れる流体の粘性が低下すると、流体ポケット５３と５５との間における差圧は小さくなる。また、ポケット５３における流体レベルは、流体ポケット５５における流体レベルに対して低下する。流体ポケット５３にあるセンサー５４の出力は、流体ポケット５５にあるセンサー５６の出力に比べて小さくなる。センサー５４とセンサー５６との出力差は、流れる流体の粘性に正比例している。かかる差を較正された測定値と比較して、選択された温度における粘性が既知である流体を用いて較正する。

液体センサー２０及び蒸気センサー３０は、流体中に不溶性のクーラント／水が濃縮組成されたことを検出するためにも使用することができる。不溶性のクーラント／水を検出するためには、代表的に、隔てられた間隔が７５μｍ未満であるような液体アレイセンサー、隔てられた間隔が５００μｍを越えるアレイセンサー、または、隔てられた間隔が１mmを越えるワイヤー棒センサーが用いられる。例えば、クーラントが油の中に漏れ出たとすると、分散剤添加物やベースストックの組成、温度などにも依存するが、約３００〜５００ｐｐｍの濃度までは、クーラント／水は油中に溶解して、センサーによって検出されることはない。クーラント／水が蓄積すると、油の中にはクーラント／水の液滴が形成されて、運転温度にも依存するが、水は油から蒸発して蒸気になる。油中の液滴が液体センサーの表面に接触したり、蒸気中にある蒸気センサーの表面やワイヤー棒センサーの間に水蒸気が凝縮したりすると、液滴／水は、クーラント／水の層を表面に形成させる。付着した膜の長さが、アレイの線間を越えたり、ワイヤー棒センサーの両側に達したりすると、センサーは電気的に短絡されてオフスケールになる。クーラント／水が流体に溶解しなくなると直ちに、液体センサーはオフスケールになるので、水の濃度が３００〜５００ｐｐｍを越えたことが指示される。蒸気センサーを短絡させるような流体中における水量は、蒸気アレイや棒の間隔に依存していて、すなわち、間隔が小さくなるほど、アレイの短絡に必要な濃度は低くなると共に、蒸気センサー上に凝縮する装置全体の水の留分に依存する。蒸気センサーについて連続的な監視が必要であると考えられるならば、測定値を比較するための基線を確立する。

油中におけるすすの蓄積は、少なくとも２つの液体センサーの出力を比較することによって監視することができる。すすを油から分離するためのフィルタその他の手段を、液体アレイセンサー面の上に、又は、液体ワイヤーセンサーのまわりに配置して、すすを含まない油だけがセンサーに接触できるようにする。少なくともひとつの他のセンサーは、フィルタで覆わないまま、すすを含有する油に直接さらされるようにしておく。フィルタで覆われたセンサーの出力と、覆われていないセンサーの出力との差が、運転時間が経過しても変化しないようであれば、センサーはすすの蓄積を検出していないことになる。覆われたセンサーの出力に比べて、覆われていないセンサーの出力が増加するようであれば、センサー出力間における差の増加は、流体中にすすが蓄積したことを示し、かかる蓄積に比例する。センサーの出力差と、油中のすすレベルとの間の数学的な関係は、センサーを事前に較正することによって、または、選択された機器について経験的に得られる。
以上、本発明について好ましい実施形態を参照して詳細に説明したので、特許請求の範囲に定められた発明の範囲から逸脱せずに、改良及び変形が可能であることは明らかであろう。特に、本願において、本発明のいくつかの観点は好ましく特に有利であると述べているけれども、本発明はそうした好ましい観点に必ずしも制限されるものではない。

図１は、本発明のひとつの実施形態による、複数の蒸気センサーと複数の液体センサーとを有するセンサー装置を示した模式図である。 図２は、本発明の別の実施形態による、複数の蒸気センサーと複数の液体センサーとを有するセンサー装置を示した模式図である。 図３は、本発明のひとつの実施形態による、センサー装置の電子回路の構成を示したブロック図である。 図４は、本発明における液体センサーの出力と温度との関係を示したグラフである。 図５は、本発明における蒸気センサーの出力と温度との関係を示したグラフである。 図６は、本発明の別の実施形態による、複数の液体センサーを示した模式図である。 図７は、本発明のひとつの実施形態を用いて粘性を測定する様子を示した模式図である。

Claims (34)

1. 流体の状態を監視するためのセンサー装置であって、このセンサー装置が、
   部材と、
   該部材に沿って種々の長さで設けられ、各々が流体の液体パラメータを測定するための少なくとも２本のワイヤー或いはワイヤー棒を備えた複数の液体センサーであって、前記少なくとも２本のワイヤー或いはワイヤー棒は、前記少なくとも２本のワイヤー或いはワイヤー棒が、流体中に沈められ且つ流体に接触しているときに、流体によって互いに電気的に接続されて、流体の状態を監視するために、使用の際、電流が前記少なくとも２本のワイヤー或いはワイヤー棒の間を流体を通じて流れるように、電気回路が完成するようにしてある複数の液体センサーと、
   液体の蒸気パラメータを測定するための前記部材に結合され、流体の蒸気に接触する複数の蒸気センサーであって、前記複数の蒸気センサーの少なくとも１つは、流体の蒸気によって互いに電気的に接続されているようにしている複数の導電性表面を有し、使用の際、電流が前記導電性表面の間を蒸気を通じて流れる複数の蒸気センサーとを有し、
   前記複数の液体センサーと前記複数の蒸気センサーとは、前記複数の蒸気センサーが流体の液体と接触しないように互いに所定距離離間して位置決めされる、
   ことを特徴とするセンサー装置。
2. 前記部材は、計深棒である、請求項１に記載のセンサー装置。
3. 前記複数の液体センサーと前記複数の蒸気センサーとは、同時に動作すべく適合している、請求項１に記載のセンサー装置。
4. 前記複数の液体センサーがさらに、少なくともひとつのセンサーアレイを備えている、請求項１に記載のセンサー装置。
5. 前記少なくともひとつのセンサーアレイは、０．００１ mm 〜１ mmの間隔を隔てられたセンサーを備えている、請求項４に記載のセンサー装置。
6. 前記少なくとも２本のワイヤー棒は、０．１ mm 〜１００ mmの間隔を隔てられている、請求項１に記載のセンサー装置。
7. 前記複数の蒸気センサーは、絶縁基板上に設けられた、少なくとも２つの導電ライン面を備えている、請求項１に記載のセンサー装置。
8. 前記少なくとも２つの導電ラインは、０．１ mm 〜５０ mmの間隔を隔てられている、請求項７に記載のセンサー装置。
9. 前記複数の蒸気センサーは、０．００１ mm 〜１ mmの間隔を隔てられたセンサーアレイを備えている、請求項１に記載のセンサー装置。
10. 前記複数の液体センサーは、ガラス質炭素、白金、金、銅、銅合金、ニッケル合金、ステンレス鋼、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択された導電材料から形成されている、請求項１に記載のセンサー装置。
11. 前記複数の蒸気センサーは、ガラス質炭素、白金、金、銅、銅合金、ニッケル合金、ステンレス鋼、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択された導電材料から形成されている、請求項１に記載のセンサー装置。
12. 前記センサー装置は、流体レベル、粘性、温度、導電率、電気化学活性、水による汚染、摩耗金属、すすの蓄積、クーラントによる汚染、静電容量、誘電率及びこれらの組み合わせを測定すべく適合している、請求項１に記載のセンサー装置。
13. 前記部材が結合される流体は、潤滑油、トランスミッション油、油圧作動油、変圧器油、金属工作油、料理油、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択されている、請求項１に記載のセンサー装置。
14. 前記センサー装置がさらに、前記複数の液体センサーのうちの少なくともひとつの背面に配置された磁石を備え、前記センサー装置は、前記磁石を有する前記液体センサーの１つと、前記磁石を有しない前記液体センサーの残りとの間の出力差を測定するようにしてあり、前記出力差は、前記センサー装置によって検出された設備の摩耗を表示する、請求項１に記載のセンサー装置。
15. 前記磁石は、７００° F （３７１℃）より高い温度までその磁力を保持する材料からなる磁化ラインである、請求項１４に記載のセンサー装置。
16. 前記センサー装置がさらに、前記部材に結合された電子装置を備え、前記電子装置は、前記複数の液体センサー及び前記複数の蒸気センサーのための電子回路と、読取表示装置とを備えている、請求項１に記載のセンサー装置。
17. 記複数の蒸気センサーは、少なくとも２つのワイヤー或いはワイヤー棒を有する、請求項１に記載のセンサー装置。
18. 前記少なくとも２つのワイヤー或いはワイヤー棒は、０．１ mm ないし５０ mm間隔を隔てる、請求項１７に記載のセンサー装置。
19. 流体の状態を監視するためのセンサー装置であって、このセンサー装置が、
    部材と、
    流体の液体パラメータを測定するための前記部材に結合された複数の液体センサーであって、前記複数の液体センサーは、複数の導電性表面を有する少なくとも１つのセンサーアレイを備え、該複数の導電性表面は、該複数の導電性表面が流体の中に沈められ、且つ流体と接触するときに、流体によって互いに電気的に接続されて、流体の状態を監視するために、使用の際、電流が前記少なくとも１つのセンサーアレイの前記複数の導電性表面の間を流体を通じて流れるように電気回路を完成するようにしてある複数の液体センサーと、
    液体の蒸気パラメータを測定するための前記部材に結合され、流体の蒸気と接触する複数の蒸気センサーであって、該複数の蒸気センサーの各々は、流体の蒸気によって互いに電気的に接続されるようにしている少なくとも２つのワイヤー或いはワイヤー棒を有し、使用の際、電流が、該少なくとも２つのワイヤー或いはワイヤー棒の間を蒸気を通じて流れる複数の蒸気センサーとを有し、
    前記複数の液体センサーと前記複数の蒸気センサーとは、前記複数の蒸気センサーが流体の液体と接触しないように互いに所定距離離間して位置決めされる、
    ことを特徴とするセンサー装置。
20. 前記センサー装置がさらに、前記部材に結合された電子装置を備え、前記電子装置は、前記複数の液体センサー及び前記複数の蒸気センサーのための電子回路と、読取表示装置とを備えている、請求項１９に記載のセンサー装置。
21. 前記少なくともひとつのセンサーアレイの前記複数の導電性表面は、０．００１ mm 〜１ mmの間隔を隔てられたセンサーを備えている、請求項１９に記載のセンサー装置。
22. 前記複数の液体センサーがさらに、少なくとも１本のワイヤー或いはワイヤー棒を備えている、請求項１９に記載のセンサー装置。
23. 前記複数の蒸気センサーがさらに、少なくとも２本のワイヤー或いはワイヤー棒を備えている、請求項１９に記載のセンサー装置。
24. 前記複数の蒸気センサーがさらに、少なくとも１つのセンサーアレイを備えている、請求項１９に記載のセンサー装置。
25. 前記少なくとも１つのセンサーアレイは、０．００１ mm 〜１ mmの間隔を隔てられた複数の導電性表面を備えている、請求項２４に記載のセンサー装置。
26. 流体の状態を監視するためのセンサー装置であって、このセンサー装置が、
    部材と、
    流体の液体パラメータを測定するための、前記部材に結合された複数の導電性表面を有する複数の液体センサーであって、前記複数の導電性表面は、該複数の導電性表面が流体の中に沈められ、且つ流体と接触するときに、流体によって互いに電気的に接続されて、流体の状態を監視するために、使用の際、電流が前記複数の導電性表面の間を流体を通じて流れるように電気回路を完成するようにしてある複数の液体センサーと、
    少なくとも１つのセンサーアレイを有し、流体の液体の蒸気パラメータを測定するために前記部材に結合され、流体の蒸気に直接接触する複数の蒸気センサーであって、前記複数の蒸気センサーの少なくとも１つは、流体の蒸気によって互いに電気的に接続されているようにしている複数の導電性表面を有し、使用の際、電流が前記導電性表面の間を蒸気を通じて流れる複数の蒸気センサーとを有し、
    前記複数の液体センサーと前記複数の蒸気センサーとは、前記複数の蒸気センサーが流体の液体と接触しないように互いに所定距離離間して位置決めされる、
    ことを特徴とするセンサー装置。
27. 前記少なくともひとつのセンサーアレイの前記複数の導電性表面は、０．００１ mm 〜１ mmの間隔を隔てられたセンサーを備えている、請求項２６に記載のセンサー装置。
28. 流体の状態を監視するためのセンサー装置であって、このセンサー装置が、
    部材と、
    流体の液体パラメータを測定するための、前記部材に結合された複数の導電性表面を有する複数の液体センサーであって、各液体センサーの前記複数の導電性表面は、該複数の導電性表面が流体の中に沈められ、且つ流体と接触するときに、流体によって互いに電気的に接続されて、流体の状態を監視するために、使用の際、電流が前記複数の導電性表面の間を流体を通じて流れるように電気回路を完成するようにしてある複数の液体センサーと、
    流体の液体の蒸気パラメータを測定するために前記部材に結合され、流体の蒸気に直接接触する複数の蒸気センサーであって、前記複数の蒸気センサーの各々は、流体の蒸気によって互いに電気的に接続されているようにしている少なくとも２つの導電性表面を有し、使用の際、電流が前記少なくとも２つの導電性表面の間を蒸気を通じて流れる複数の蒸気センサーとを有し、
    前記複数の液体センサーと前記複数の蒸気センサーとは、前記複数の蒸気センサーが流体の液体と接触しないように互いに所定距離離間して位置決めされ、
    さらに、ディスプレイ装置を有する、
    ことを特徴とするセンサー装置。
29. 流体の状態を監視するための方法であって、この方法が、
    部材上に複数の液体センサーと複数の蒸気センサーとを有するようなセンサー装置を提供する段階を有し、前記複数の液体センサーの各々は、前記導電性表面が流体中に沈められ、且つ流体と接触するときに、流体によって互いに電気的に接続されて、流体の状態を監視するために、電流が各液体センサーの前記複数の導電性表面の間を流体を通じて流れるように電気回路を完成するようにしている導電性表面を有し、前記複数の蒸気センサーは、流体の蒸気パラメータを測定するために流体の蒸気と直接接触し、前記複数の蒸気センサーの各々は、流体の蒸気によって互いに電気的に接続されて、使用の際、電流が前記複数の導電性表面の間を蒸気を通じて流れるようにしている少なくとも２つの導電性表面を有し、
    さらに、前記部材の一部を流体に配置する段階であって、前記複数の液体センサー間で電気的な接続をなすために、前記複数の液体センサーは前記流体に沈められ、前記複数の蒸気センサーは、流体の蒸気と直接接触するが、前記流体の液体と接触しないように配置する段階と、
    各液体センサーの前記複数の導電性表面の間を流体を通じて流れる電流を検出することにより、前記流体の少なくともひとつのパラメータを測定する段階と、
    前記複数の液体センサー及び前記複数の蒸気センサーによる前記測定値に基づいたアルゴリズムを用いて前記流体の測定値を分析することにより、流体レベル、粘性、温度、導電率、電気化学活性、水による汚染、摩耗金属、すすの蓄積、クーラントによる汚染、静電容量、誘電率及びこれらの組み合わせからなるグループから選択された前記流体の状態を決定する段階と、
    を備えていることを特徴とする方法。
30. 前記方法はさらに、前記流体に方形波を印加する段階を備えている、請求項２９に記載の方法。
31. 前記方法はさらに、前記流体に三角波を印加する段階を備えている、請求項２９に記載の方法。
32. 前記方法はさらに、前記流体にサイン波を印加する段階を備えている、請求項２９に記載の方法。
33. 前記方法はさらに、流体の温度を変化させる段階を備えている、請求項２９に記載の方法。
34. 前記方法はさらに、前記流体の前記状態を表示する段階を備えている、請求項２９に記載の方法。

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