JP5097782B2 - 油圧作動油内の化学汚染を監視するオンラインセンサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる、油圧作動油内の化学汚染を監視するオンラインセンサに関する。

航空のための油圧作動油は概して吸湿性である。このことから、油圧作動油の寿命はほとんど予測することができない。航空機の流体力学（hydraulics）は全体的に油圧作動油の状態の影響を受けるため、油圧作動油の気付かれていない変性は、損傷から全損にまで至る可能性がある深刻な結果をもたらす。航空機の油圧系における油圧作動油の状態を求めるための、航空において現在まで用いられている方法は、気力をそぐものであり、時間を要し、且つ費用がかかる。したがって、油圧作動油は通常、年に１回よりも多く検査されることはない。これによって、油圧作動油の寿命の終了が計画通りでなく、したがって航空機の操作を中断しなくてはならない場合に、著しいコストを伴う高いリスクが生じる。

現在では、油圧作動油は通常、「オフライン」で、すなわちサンプリング後に検査室において検査される。このために、油圧作動油は、整備サポートの時点でシステムから取り出され、特別な検査室に送られて、その検査室において分析されなけらばならない。その後、整備は、検査室から結果が戻ってきた後、数日間待機した後になってようやく行うことができる。

この場合の対象油圧作動油のパラメータは、特に酸分である。これは、この重要なパラメータが寿命を決定するためである。特に、油圧系、すなわちポンプ、バルブ、及びパイプの腐食は、非常に高い酸分によって促進される。酸分は、中和価ＴＡＮによって指定される。さらに、油圧作動油内で溶解する水は、加水分解によって寿命を低減する重要なパラメータである。加えて、自由水（free water）は、注油の不足に起因してポンプを破壊し且つ凍らせる可能性があり、これは閉塞をもたらす可能性がある。別の重要なパラメータは、油圧作動油内で溶解する気体であり、当該気体は、システム内での圧力降下の場合に泡を形成する可能性があり、油圧作動油の伝達力の損失をもたらす。別の決定的なパラメータは塩素分である。これは、塩素溶液が、油圧系のシステム構成要素の腐食をもたらす可能性があるためである。加えて、望ましくない電気化学反応が結果的に生じる可能性がある。最後に、電気的性質、すなわち導電性及び電気抵抗が、油圧作動油の複数の変動を反映するパラメータである。

これらのパラメータの重要性は、航空のための油圧作動油において存在するようなリン酸エステルが極性を有し、したがって水を吸収する傾向があるということに由来する。一方、溶存水（dissolved water）は、リン酸エステル分子の分解をもたらす可能性があり、この分解は、３つの反応経路に沿って生じる。当該反応経路は酸化、熱分解、及び加水分解（hydrolyis）である。添加物は、以下の式に従って弱酸を形成する：
エステル ＋ Ｈ_２Ｏ → アルコール ＋ −ＣＯＯＨ

リン酸エステルは、以下の式に従って強酸を形成する。
Ｈ_２Ｏ → アルコール ＋ Ｈ_３ＰＯ_４

アルコールの生成は最終的に泡の形成をもたらす可能性があり、泡は油圧作動油の力伝達特性に悪影響を与える可能性がある。他方、リン酸分子は溶存水と反応して、腐食を誘発するＨ_３Ｏ^＋イオンを生成する可能性がある。

上記の理由から、油圧作動油の関連するパラメータにおける変化のオンライン監視及び観測が航空機にとって非常に重要である。

油圧作動油の状態の変化を観測するための監視システムは従来技術から既知である。したがって、米国特許第５，０７１，５２７号明細書は、観測される油圧作動油のサンプルの電気的性質を測定するための電極を有するセンサを記載している。このセンサは評価ユニットに接続され、当該評価ユニットは、導電性測定の結果を油圧作動油の特定の状態に割り当てる。この場合、センサユニットは、オフライン及びオンラインの両方において使用することができるほど小さい。しかしながら、抵抗測定のみでは、不正確で全体的に不満足な結果しか得られず、その結果、ここでは検査室でのさらなる検査も用いらなければならない。

さらに、米国特許第４，０１３，９５３号明細書は、油圧作動油の状態を監視するための光センサを記載している。当該状態の測定は特に、監視される油圧作動油のサンプルを通過する可視光ビームの減衰及び散乱に基づく。この特許文献に記載されているセンサユニットは、非常に複雑な構造を有し、当該センサユニット内に含まれる可動部品に起因して、それ自体が整備の影響を非常に受けやすい。記載されているセンサユニットは約１ｋｇの重量を有するため、オフラインでの使用が主に対象となる。

したがって、本発明の課題は、リン酸エステルを主成分とする油圧作動油の、整備に関連するパラメータをオンラインで、すなわちこれらの油圧作動油を航空機油圧系から注ぎ出してサンプルとして取り除くことなく、求めることができるセンサを提供することである。特に、油圧作動油内で溶解する水の割合に関する情報、及び中和価ＴＡＮ（全酸価）に関する情報をこれによって得ることが望ましい。

この課題は、請求項１の特徴によって達成される。本発明のさらなる有利な発展形態及び実施の形態は従属請求項において明示される。

油圧作動油内の化学汚染を監視するための、本発明によるオンラインセンサであって、監視される油圧作動油のための収容ユニットを備え、当該収容ユニットは２つの対向する側に配置される観測窓を有する、オンラインセンサは、当該オンラインセンサが、ＩＲ（赤外線）エミッタと、ＩＲ分光法のための少なくとも２つの、好ましくは４つの検出器領域を有するＩＲ検出器とを有し、ＩＲエミッタ及びＩＲ検出器は互いに対向して２つの観測窓に配置されることを特徴とする。

これによって、リン酸エステルを主成分とする油圧作動油の、整備に関連するパラメータをオンラインで、すなわちこれらの油圧作動油を航空機油圧系から注ぎ出してサンプルとして取り除くことなく、求めることができるセンサが提供される。特に、本発明によるオンラインセンサによって、油圧作動油内で溶解する水の割合に関する情報、及び中和価ＴＡＮ（全酸価）に関する情報を得ることができる。

実験において、ＩＲ放射を、リン酸エステルを主成分とする油圧作動油を通過する際に吸収することによって、所定のＩＲ透過帯域におけるＯ−Ｈ分子の振動の結果として、油圧作動油の状態が正確に示されることが発見された。したがって、特定の波数におけるＩＲ放射の吸収は、水、アルコール、又は酸に起因する汚染が存在するか否かに従って所定の様態で変化する。汚染の百分率による割合もこの様態で求めることができる。さらに、中和価ＴＡＮをこれによって求めることができる。

本発明によるオンラインセンサのサイズが小さく且つ重量が低いことの結果として、測定は、オンラインで、すなわち航空機の飛行中に油圧系内で行うことができ、任意の時間間隔で、たとえば毎日繰り返すことができる。油圧作動油の正確な状態及び対応する傾向は、このようにして得られるデータに対する基準によって求めることができ、整備作業は、戦略的に、たとえば他の想定される整備作業と共に計画することができる。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、異なる波数を有するＩＲ透過帯域の、少なくとも２つの、好ましくは４つの領域を有する光学フィルタが１つの観測窓とＩＲ検出器との間に設けられる。これによって、純粋に光学に基づいた定性的且つ定量的な、測定結果の評価が可能である。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、観測窓はサファイアガラスから成る。これによって、放射が油圧作動油のサンプルを散乱することなく通過することが可能になる。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、ＩＲ検出器の電気測定信号のオンライン評価のための装置が設けられる。これらの装置は、プロセッサユニットとメモリユニットとを有することができる。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、少なくとも２つの所定の波数におけるＩＲ透過率と、油圧作動油における水含有量及び／又はアルコール含有量との間の相関がオンライン評価のための装置に記憶される。これらのデータは事前に実験において求められ、オンライン評価のための装置のメモリユニットに記憶される。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、少なくとも２つの所定の波数におけるＩＲ透過率と中和価ＴＡＮとの間の相関がオンライン評価のための装置に記憶される。これらのデータは事前に実験において求められ、オンライン評価のための装置のメモリユニットに記憶される。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、光学フィルタは、３３００ｃｍ^−１〜３６００ｃｍ^−１の間の波数を有する、好ましくは３５００ｃｍ^−１の波数を有するＩＲ透過帯域の、少なくとも１つの領域を有する。これらの透過帯域は、リン酸エステルを主成分とする油圧作動油におけるＯ−Ｈ吸収ピークの非対称性を求めるのに特に適している。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、可視範囲内の、好ましくは４００ｎｍの光の通過を測定するための測定装置が設けられる。これは、強酸化範囲におけるＩＲ測定の有効性を向上させる。この場合、発光体及び光検出器、たとえばフォトダイオードを有する構造が実現可能である。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、油圧作動油の温度を測定するための装置が設けられる。この場合、対応する温度センサを、たとえば熱電対として実施することができる。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施の形態では、油圧作動油の導電性を測定するための装置が設けられる。これは２つの電極によって達成することができる。油圧作動油の水及び酸の含有量は同様に、導電性を測定することによって求めることができる。これは、ＩＲ測定結果を検証するために使用することができる。

本発明を改良するさらなる手段は、従属請求項に明示されるか、又は図面を参照して、本発明の好ましい例示的な一実施形態の説明と共に以下において詳細に説明される。

本発明によるオンラインセンサの有利な一実施形態の概略図である。 線ＩＩ−IIに沿った図１のエミッタの図である。 線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った図１の検出器の図である。 異なる波数におけるＩＲ透過率を示す図である。

示されている図面は専ら例として概要を示すものであり、フル・スケールに従ってはいない。同じか又は同様の構成要素には同じ参照符号が与えられている。これらの図では、明瞭にするために、電気及び油圧の供給線及び送出線は省略している。

図１は、本発明によるセンサ１の有利な実施形態の概略図を示す。当該センサは、実質的に円筒形であるように設計され、実質的に３つの組立品を備える。中央に配置されている組立品は、監視される油圧作動油のサンプルを収容するためのサンプル保持器４を備える。サンプルは数ｃｍ^３の油圧作動油を含むだけである。サンプル容器４は薄い円盤状のアルミニウム容器を含み、当該アルミニウム容器は、サファイアガラスから成る観測窓３によって両方の正面において境界を定められる。環状電極７が、観測窓３の外側を向いた両方の側に配置される。さらに、この場合では熱電対として構成される温度センサ８が、サンプル容器４の下方のエリアに配置される。

図面の水平面においてサンプル容器４の左側に配置されているのはＩＲエミッタ２であり、当該ＩＲエミッタは図２において、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った図として示されている。この場合におけるＩＲエミッタ２は、微細加工された熱ＩＲエミッタである。図３の水平面においてサンプル容器４の右側に示されてるのは円筒形ＩＲ検出器５である。当該ＩＲ検出器は、図３を見ても推測することができるように、４つの検出器領域を含む。この例示的な実施形態では、ＩＲ検出器５は、熱赤外線検出器として、たとえばボロメータ又はサーミスタとして構成される。特別なＣＣＤ素子の使用も可能である。

ＩＲ検出器５とサンプル容器４との間に配置されているのは光学フィルタ６である。当該光学フィルタは、それぞれが異なるＩＲ透過帯域を有する４つの領域を有する。フィルタ６の４つの領域は時計回り方向に配置され、基準領域としての領域９、波数３５００ｃｍ^−１の領域１０、波数３６００ｃｍ^−１の領域１１、及び波数３４００ｃｍ^−１の領域１２を含む。

油圧作動油内の光ビーム路の長さは、この場合、２つの赤外線透過観測窓３の距離によって求められる。例示的な実施形態では、これは０．３ｍｍである。

オンラインセンサのサイズが小さく且つ重量が低いことの結果として、オンラインセンサは、航空機の油圧系、たとえばパイプに直接一体化することができる。オンライン測定のために、すなわち航空機の操作中にｉｎ ｓｉｔｕで測定するために、ＩＲエミッタ２からの赤外線ビームは、観測窓３と、サンプル容器４内に存在する油圧作動油のサンプルとを通過し、４つの透過帯域９、１０、１１、１２を有するフィルタ６を通過した後、ＩＲ検出器５によって受け取られる。この場合、この例示的な実施形態における放出されるＩＲ放射の波長は、３０００ｎｍ〜４０００ｎｍである。

測定信号、すなわち放射の吸収は、ＩＲ検出器において変換され、電気信号としてオンライン評価のための装置（図示せず）に中継される。この装置は、実質的にプロセッサユニットとデータメモリとを備える。電流測定結果と記憶されているデータとを比較することによって、油圧作動油の状態が健全な範囲内で動いているか否か、又は水の割合が高すぎるか若しくは酸形成が存在しているかを直ぐに求めることができる。

加えて、図１〜図３に示されているオンラインセンサ１内には２つの電極７が配置される。当該電極は伝導性測定のために使用され、それによってＩＲ測定によって求められた値が検証される。この場合、電極は、白金電極として設計され、セラミック基板上に印刷される。偏光効果を回避するために、電極は、１ｋＨｚの周波数を有する交流電圧にさらされる。温度センサ８を使用する温度測定は、ＩＲ測定結果の検証としての役割を果たすと共に、ＩＲセンサの機能効率を確証することもできる。

このＩＲ分光評価は、たとえば図４による図において、グラフによって表すことができる。この図では、波数３５００ｃｍ^−１を有するＩＲ透過帯域に関するパーセント単位でのＩＲ透過率が横座標にプロットされており、Ｔｒ（３５００ｃｍ^−１）によって識別される。波数３６００ｃｍ^−１及び３４００ｃｍ^−１におけるＩＲ透過帯域に関するパーセント単位でのＩＲ透過率が縦座標にプロットされており、Ｔｒ（３６００ｃｍ^−１）−Ｔｒ（３４００ｃｍ^−１）で識別される。この図は、３つの異なる透過帯域における非対称性を考慮しており、油圧作動油の状態が、「健全な」領域１３に位置するか、「不健全な」酸領域１４に位置するか、又は水吸収を伴う「不健全な」領域１５に位置するかを判断することを可能にする。

本発明の実施形態は、上記で明示した好ましい例示的な実施形態に限定されない。むしろ、根本的に異なるタイプの実施形態においても提示した解決策を利用する多数の変形形態が実現可能である。

１ オンラインセンサ
２ ＩＲエミッタ
３ 観測窓
４ サンプル容器
５ ＩＲ検出器
６ 光学フィルタ
７ 電極
８ 温度センサ
９ 基準フィルタ
１０ ３５００ｃｍ^−１フィルタ
１１ ３６００ｃｍ^−１フィルタ
１２ ３４００ｃｍ^−１フィルタ
１３ 健全な領域
１４ 酸領域
１５ 水吸収を伴う領域

Claims (8)

1. リン酸エステルを主成分とする油圧作動油内の化学汚染を監視するためのオンラインセンサ（１）であって、監視される前記油圧作動油のための収容ユニット（４）を備え、前記収納ユニット（４）は、その収容ユニット（４）の２つの対向する側面に配置される観測窓（３）を有し、
   前記オンラインセンサ（１）は、航空機の油圧系に配置され、
   前記オンラインセンサ（１）は、ＩＲエミッタ（２）と、ＩＲ分光法のための少なくとも４つの検出器領域を有するＩＲ検出器（５）とを有し、
   前記ＩＲエミッタ（２）及び前記ＩＲ検出器（５）のそれぞれは２つの前記観測窓（３）とそれぞれ対向して配置され、
   異なる波数のＩＲ透過帯域として少なくとも４つの領域（９，１０，１１，１２）を有する光学フィルタ（６）が、１つの前記観測窓（３）と前記ＩＲ検出器（５）との間に設けられ、前記ＩＲ透過帯域のうちの１つの前記領域は基準領域として与えられ、残りの３つの前記領域は３３００ｃｍ−１〜３６００ｃｍ−１の範囲内でそれぞれ異なる波数を有し、
   前記４つの領域（９、１０、１１、１２）における第１のＩＲ透過帯域が３４００ｃｍ ^−１ の波数を有し、前記４つの領域（９、１０、１１、１２）における第２のＩＲ透過帯域が３５００ｃｍ ^−１ の波数を有し、前記４つの領域（９、１０、１１、１２）における第３のＩＲ透過帯域が３６００ｃｍ ^−１ の波数を有し、前記４つの領域（９、１０、１１、１２）における第４のＩＲ透過帯域が前記基準領域として設けられる、
   ことを特徴とする、オンラインセンサ。
2. 前記観測窓（３）はサファイアガラスから成ることを特徴とするオンラインセンサ。
3. 請求項１に記載のオンラインセンサ（１）であって、
   前記ＩＲ検出器（５）の電気測定信号のオンライン評価のための装置が設けられることを特徴とするオンラインセンサ。
4. 請求項３に記載のオンラインセンサ（１）であって、
   少なくとも２つの所定の波数におけるＩＲ透過率と、前記油圧作動油における水含有量及び／又はアルコール含有量との間の相関が前記オンライン評価のための装置に記憶されることを特徴とするオンラインセンサ。
5. 請求項３に記載のオンラインセンサ（１）であって、
   少なくとも２つの所定の波数におけるＩＲ透過率と中和価（ＴＡＮ；全酸化）との間の相関が前記オンライン評価のための装置に記憶されることを特徴とするオンラインセンサ。
6. 請求項１に記載のオンラインセンサ（１）であって、
   可視範囲内の、好ましくは４００ｎｍの光の通過を測定するための測定装置が設けられることを特徴とするオンラインセンサ。
7. 請求項１に記載のオンラインセンサ（１）であって、
   前記油圧作動油の温度を測定するための装置（８）が設けられることを特徴とするオンラインセンサ。
8. 請求項１に記載のオンラインセンサ（１）であって、
   前記油圧作動油の導電性を測定するための装置（７）が設けられることを特徴とするオンラインセンサ。

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