KR100937282B1 - 고저항성 유체의 품질 및/또는 상태의 온라인 관찰을 위한장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

고전기저항성 유체를 관찰하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.
유체 관찰, 온라인, 전극, 전기응답, 주파수, 옵셋, 전위, 소인

Description

고저항성 유체의 품질 및/또는 상태의 온라인 관찰을 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR ON-LINE MONITORING OF QUALITY AND/OR CONDITION OF HIGHLY RESISTIVE FLUIDS}
본 발명은 유체의 관찰 및 분석에 관한 것이다. 본 발명은 윤활유, 천연 모터유(motor oil) 및/또는 합성 모터유, 표준형 첨가제 및/또는 부가물(adjunct), 내연기관 연료, 수송용 및 산업용으로 사용되는 기타 다른 탄화수소계 유체 등과 같은 전기적으로 고저항성인 유체를 온라인으로(즉, 사용중일동안) 관찰하는데 사용된다. 특히 본 발명은 인가된 AC 신호에 대한 유체의 전기응답이나 유체의 전기응답변화 예를 들어, 성능첨가제의 양 이나 고갈, 불필요한 액체나 고형물로 인한 오염, 화학분해로 인한 유체의 일반적인 악화, 또는 유체상태나 품질의 변화 등을 이용하여, 전기적으로 고저항성 유체의 품질 및/또는 상태를 온라인으로 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 기타 다른 용도로도 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 전기적으로 고저항성 유체라 함은 20℃에서 103ohm-m, 양호하기로는 105ohm-m, 더욱 양호하기로는 106ohm-m 이상의 벌크 저항률을 갖는 유체를 의미한다.
본 발명에 있어서, AC라 함은 주파수가 0 이 아닌 전위를 의미하며, "DC 전압 옵셋" 또는 "DC 옵셋"은 "AC 전압"의 시평균값(time average value)을 의미하며, "AC 신호"는 AC 전압과 DC 옵셋의 조합을 의미한다.
전기적으로 고저항성 유체는 여러 장치의 적절한 작동 및/또는 처리과정에서 매우 중요한 성분이다. 예를 들어, 윤활유는 장기간 사용시 동력을 효과적으로 제공하기 위해 내연기관에 필요하며, 고품질 연료는 최소한의 방출로 적절한 엔진작동에 필요하며, 금속 동작유체는 소모된 금속의 신속제거 및 최대한의 공구수명을 위해 필요하다. 최적의 성능은 불분명한 유체가 용도상 적절한 품질을 가질 때 즉, 예를 들어 적절한 기본 유체와, 부식억제제, 마찰변형재, 분산제, 계면활성제 등과 같은 성능첨가제가 유체에 포함될 때 달성될 수 있다. 사용중이나 소모시, 유체의 상태는 결정한계값내로 유지되어야 하는데, 이것은 적절한 성능보장을 위하여 유체에 대한 화학적 및/또는 기타 다른 변화가 제한되어야 함을 의미한다. 사용시 유체에 발생하는 변화는 예를 들어 기본 유체의 산화, 성능첨가제의 고갈, 외부 및/또는 유체의 화학적 성분의 파괴 등에 의한 오염물의 축적을 들 수 있다.
일반적으로 장치 소유자 및 처리 조작자는 적절한 품질의 유체를 제공하는 공급자에 의존하며, 적절한 유체상태를 유지하기 위한 규칙적인 유체 유지보수에 의존한다. 그러나, 상술한 바는 본질적으로 제한되는 것으로서, 불시의 유체교환 또는 치명적인 유체손실에 대한 보호를 제공하지 않는다. 또한, 규칙적인 유지보수 기간은 유체가 조기에 교환되거나 재공급된 경우, 잔존의 내구수명은 소모되어 버린다. 그러나, 이러한 조기 유지보수는 위험부담이나, 과다하게 악화된 유체로 인한 과도한 마모에 비해서는 바람직한 것이라 할 수 있다. 유체의 유지보수가 관찰된 유체상태에 기초하여 단지 유체의 가용단부에서만 발생한다면, 그 어떤 경우라도, 소유자 및/또는 작동자는 위험손상이나 과도한 마모없이 유체의 유지보수 비용을 최소화할 수 있다. 따라서, 유체의 초기품질 및 사용시의 유체 연속성을 실질적으로 "실시간"으로 결정할 수 있는 온라인 유체 관찰 방법 및 장치가 요망되고 있다.
다양한 용도에 대해 적절한 유체 관찰 방법 및 장치를 얻는 것은 여러가지 이유로 인해 매우 어렵다. 예를 들어, 전형적인 수송용 유체 및 산업용 유체는 오염되지 않았다 하더라도, 쉽게 분석되지 않는 첨가제와 기본 유체를 포함하는 복잡한 혼합물이다. 일반적으로 유체는 일부의 분석설비 및 방법에는 적합하지 않은 매우 거친 환경에서 사용되거나 소비된다. 또한, 이러한 방법 및/또는 장치를 사용하였을 경우에는 초기기간과 장기간을 고려한 비용문제가 수반된다.
실시간 온라인 유체 품질 및/또는 상태 관찰에 연관된 비용상의 제약과 환경상의 제약을 만족시키기 위하여, 유체의 전기특성을 측정하는 방법은 상당한 장점을 제공한다. 복잡한 유체에 대해, 유체 화학물 및 조성물에서의 복합적인 변화가 단일점 전기특성 측정값과 혼동될 때, 다점 기법이 사용된다. 유체의 전기적 특성을 측정하는 종래의 두가지 "다점" 기법으로는 전압기본형 전기화학적 분석과, 주파수기본형 전기 임피던스 분광법(electro impedance spectroscopy: EIS)이 있다.
전압을 기본으로 하는 전기화학적 유체분석기법에는 여러가지가 있는데, 그 중에는 순환전압전류법(CV), 구형파 전압전류법(SWV), 선형 주사 전압전류법(LSV), 차동 펄스 전압전류법(DPV), 정상 펄스 전압전류법(NPV) 등과 같은 전압전류계 기법과, 변형된 대시간전류법(modified chronoamperometry: MCA)와 같은 시간기본형 기법이 있다. 일반적으로 이러한 각각의 기법에서는 고정형 또는 점진적 가변형 DC 전압이 전기화학 전지의 2개의 전극이나 3개의 전극 사이에 인가되고, 최종 전류의 측정값은 전압 및/또는 시간의 함수로 나타난다. 전압기본형 전기화학기법은 저저항성 유체에 대한 정보를 제공한다. 그러나, 이러한 기법들은 일반적으로 고저항성 유체에는 적합하지 않다. 고저항성 유체에서 생성된 매우 낮은 저전류 레벨에 의해 분석이 어려워지며; 여러 유체에 대해, 비도전성 유체 성분은 전극을 코팅하여, 의미있는 분석을 방해한다. 고저항성 유체의 오프라인 전압기본형 전기화학적 분석은 저전류 레벨이라는 문제점을 해결할 수 있는 값비싼 고감도 전자장치로 실행될 수 있으며, 분석전에 유체성분을 화학적으로 분리하므로써 전극-코팅에 관한 문제점을 해결할 수 있다. 그러나, 오프라인 설비 및 방법은 실시간 분석 온라인 환경에는 적합하지 않다. 한편, 팽(Fang)에 허여된 미국특허 제5.518.590호에는, 고저항성 유체와 관련된 한계점을 극복하기 위해, 전극을 둘러싸는 도전성 전해액이나 겔형 인터페이스(interphase)가 구비된 전지를 사용하는 유체분석용 전기화학 방법 및 장치가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 미국특허는 특정의 전기화학전지에 대해서는 견고성(robustness)이 제한되므로, 이에 따른 기법은 널리 적용될 수 없다는 단점을 내포하고 있다.
종래의 주파수기본형 EIS는 전기저항성이 매우 높은 유체에 인가되었을 때, 관찰될 유체에 잠긴 2개의 전극 사이에 제로 DC 옵셋전압이 구비된 AC 전압을 인가하는데 제한을 받는다. 인가된 AC 전압과 최종 전류는 유체의 전기 임피던스를 결정하는데 사용된다. 예를 들어 1999년 12월에 출원되고 바우에르 등에 허여된 유럽특허 EP 1 014 082 A2호에 개시된 다수의(예를 들어, 2개) 주파수를 사용하므로써, 유체의 벌크 임피던스와 유체의 전극 표면에서의 전기화학적 특성이 연구될 수 있다. EIS는 비용이 저렴하고 고저항성 유체에 영향을 받지 않지만, 종래의 주파수기본형 EIS는 전압기본형 전기화학기법이 제공하는 유체의 품질 및 상태에 관해서 상세한 설명을 제공하지 않는다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점들을 극복할 수 있는 새로이 개선된 고전기저항성 유체 관찰장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 고전기저항성 유체를 관찰하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 제1전기응답이 발생되도록 유체를 횡단하여 제1주파수 및 제1의 DC 옵셋을 인가하는 단계와; 최종적인 제1전기응답을 측정하는 단계와; 제2전기응답이 발생되도록 0이 아닌 제1의 DC 옵셋 전압 및/또는 제2의 DC 옵셋을 위한 제2주파수로 유체를 횡단하여 AC 전위를 인가하는 단계와; 최종적인 제2전기응답을 측정하는 단계와; 인가된 제1전위 및 제2전위에 대한 측정된 제1전기응답 및 제2전기응답으로부터 유체의 품질 및/또는 상태를 분석하는 단계를 포함하며; 상기 제2주파수 및 제2의 DC 옵셋은 제1주파수 및 제1의 DC 옵셋과는 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 방법은 AC 전위를 반복적으로 인가하는 단계와; 최종적인 전기응답을 반복적으로 측정하는 단계와; 인가된 각각의 제1전위 및 제2전위에 대해 측정된 제1전기응답 및 제2전기응답의 변화 및/또는 측정된 제1전기응답 및 제2전기응답의 변화를 이용하여, 유체의 품질 및/또는 상태를 분석하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 AC 포텔셜이 반복적으로 인가되었을 경우, 분석된 유체 품질 및/또는 상태와 결정된 전기 임피던스에 기초하여 인가된 AC 전위를 제어하는 단계를 부가로 포함한다.
상기 방법은 유체의 온도를 측정하는 단계를 부가로 포함한다.
상기 방법은 유체온도의 변화에 대해 유체 품질 및/또는 상태분석을 보상하는 단계를 부가로 포함한다.
상기 방법은 유체를 필요한 온도로 가열하는 단계를 부가로 포함한다.
상기 방법은 측정된 온도에 기초하여 인가된 AC 전위를 제어하는 단계를 부가로 포함한다.
상기 방법은 관찰된 유체가 완전히 교환되거나 부분적으로 재충진되었을 때 재충진 유체의 품질을 결정하는 단계를 부가로 포함한다.
본 발명의 특징에 있어서, 제1전기응답 및 제2전기응답은 인가된 AC 전위에 의한 전류이다.
본 발명의 다른 특징에 있어서, 유체 품질 및/또는 상태는 인가된 전위에 대응하는 측정된 전기응답으로부터 결정된 전기 임피던스값을 사용하여 분석될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 적어도 2개의 상이한 AC 전위를 포함하고 이들중 적어도 하나의 AC 전위가 0이 아닌 DC 옵셋을 갖는 AC 신호를, 고전기저항성 유체를 통해 인가하는 단계와; 인가된 각각의 전위에서 유체의 전기응답을 측정하는 단계와; 인가된 AC 신호 및 이에 대응하는 측정된 전기응답을 사용하여 유체의 품질 및/또는 상태를 분석하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 AC 신호를 반복적으로 인가하는 단계와; 최종적인 전기응답을 측정하는 단계와; 인가된 AC 신호와, 측정된 대응의 전기응답 및/또는 측정된 대응의 전기응답 변화를 이용하여, 유체의 품질 및/또는 상태를 분석하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, AC 신호는 AC 전위이고; DC 옵셋은 고정된 상태로 유지되고; 주파수는 연속한 방식이나 적어도 하나의 0이 아닌 DC 옵셋을 위한 일련의 불연속 주파수 스텝에 의해 한쪽 주파수로부터 다른쪽 주파수로 효과적으로 소인(sweep: 掃引)된다. 상기 "소인" 이라는 용어는 전기 현상을 시간적으로 어느 정해진 관계에 따라서 변화시키는 것을 말하며; 주기적인 반복을 하는 반복 소인과, 1회만 하는 단소인(單掃引)과, 입력 신호가 들어왔을 때 하는 트리거 소인 등의 종류가 있다. 오실로스코프 등에서는 소인하는데 톱니파가 사용되며, 소인 발진기에서는 스위프 모터(sweep motor)를 사용하는 것이 일반적이다(출처: 스마트 전기전자 용어사전 제1168페이지, 도서출판 업투)
본 발명의 다른 특징에 따르면, AC 신호는 AC 전위이고; 주파수는 고정된 상태로 유지되고; DC 옵셋 전압은 연속한 방식이나 적어도 하나의 주파수를 위한 일련의 불연속 전압 스텝에 의해 한쪽 주파수로부터 다른쪽 주파수로 효과적으로 소인된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 고전기저항성 유체를 관찰하는 장치를 부가로 포함하며; 이러한 장치는 관찰될 유체에 잠기는 적어도 한쌍의 이격된 전극과, 적어도 2개의 상이한 AC 전위를 가지며 그중 적어도 하나의 전위를 0이 아닌 DC 옵셋을 갖는 전기신호를 상기 전극에 인가하는 적어도 하나의 신호발생기와, 인가된 신호에 대한 전기응답을 측정하는 적어도 하나의 모니터와, 유체의 품질 및/또는 상태를 결정하기 위하여, 인가된 전기 신호와 이에 대응하는 측정된 전기응답을 분석하는 제어기를 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 모니터는 인가된 전위에 응답하여 발생된 전류를 측정하는 전류센서이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유체의 품질 및/또는 상태를 분석하는 제어기는 신호발생기를 제어할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 장치는 유체의 온도를 관찰하는 온도센서를 부가로 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 유체온도의 변화에 대해 유체의 품질 및/또는 상태 분석을 보상하는 수단을 부가로 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 장치는 유체의 온도를 제어하는 온도제어수단을 부가로 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 관찰된 유체 온도에 기초하여 신호발생기(들)을 제어하는 수단을 부가로 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 장치는 관찰될 유체가 완전히 교환될 때를 결정하는 수단을 부가로 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 장치는 관찰될 유체가 부분적으로 재충진될 때와 재충진 유체의 농도를 결정하는 수단을 부가로 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 고전기저항성 유체를 관찰하기 위한 장치는 관찰될 유체와 접촉하는 검출수단을 부가로 포함한다. 상기 장치는 상기 검출수단과 전기적으로 접촉하는 신호발생수단도 부가로 포함한다. 상기 신호발생수단은 선택된 주파수 및 선택된 DC 옵셋의 AC 전위를 갖는 전기신호를 상기 검출수단에 인가한다. 주파수는 0이 아닌 DC 옵셋을 위한 적어도 2개의 상이한 주파수가 있도록 선택되며, DC 옵셋은 적어도 2개의 상이한 DC 옵셋이 있도록 선택된다. 관찰수단은 검출수단을 거쳐 전기신호에 대한 전기응답을 측정한다. 제어수단은 인가된 전기신호 및 이에 대응하는 측정된 전기응답을 사용하여 유체의 품질 및/또는 상태를 분석한다.
본 발명의 장점은 고전기저항성 유체의 전기화학적 특성의 AC 의존성 및 DC 의존성이 분석될 수 있다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 전기화학적 세부사항을 결정하는데 필요로 하는 시간이 유체가열에 의해 선택적으로 감소될 수 있다는 점이다.
본 발명의 또 다른 장점은 전기화학적 측정의 온도의존성이 선택적으로 보상될 수 있다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 분석된 유체 품질이나 상태 및/또는 관찰된 유체 온도에 기초하여, 인가된 전기신호가 선택적으로 제어될 수 있다는 점이다.
본 발명의 장점은 관찰된 유체의 재충진은 재충진 유체의 품질분석을 허용할 수 있도록 결정될 수 있다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 제공된 유체분석은 고전기저항성 유체 용액과, 벌크와, 전하이송과, 전기화학 반응 특성 등의 분석을 포함할 수 있다는 점이다.
본 발명의 또 다른 장점은 온라인 환경에서도 사용될 수 있다는 점이다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 특징에 따른 온라인 유체 관찰장치의 개략적인 사시도.
도2는 신규의 고전기저항성 유체의 전기화학적 임피던스를 도시한 그래프.
도3은 산화에 의해 악화된 후, 도2의 유체의 전기화학적 임피던스를 도시한 그래프.
도4는 오염에 의해 악화된 후, 도2의 유체의 전기화학적 임피던스를 도시한 그래프.
도5는 본 발명의 특징에 따른 온라인 유체 관찰장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
도6은 본 발명의 특징에 따른 온라인 유체 관찰장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도7은 3개의 고정주파수 및 옵셋 전압에서 관찰한 고전기저항성 유체의 전기화학적 임피던스의 산화 및 오염 악화 의존성을 도시한 그래프.
도8은 본 발명의 특징에 따른 온라인 유체 관찰장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
도9는 고전기저항성 유체의 전기화학적 임피던스의 온도의존성을 도시한 그래프.
도10은 본 발명의 특징에 따른 온라인 유체 관찰장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
도11은 유체의 전기화학적 임피던스의 전체적인 유체 교환의 효과를 도시한 그래프.
도12는 유체의 전기화학적 임피던스의 부분적인 유체 교환의 효과를 도시한 그래프.
도13은 본 발명의 특징에 따른 온라인 유체 관찰장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도1에는 온라인 유체 관찰장치가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 온라인 유체 관찰장치는 한쌍의 분리된 전극(1, 2)과, 열전쌍(3)과, 또는 도관(7)에 제공되거나 도관을 흐른 유체(5)에 잠기는 기타 다른 온도감지장치를 포함한다. 이러한 실시예와 모든 실시예에서의 유체(5)는 예를 들어 윤활유, 표준형 첨가제 및/또는 부가물을 포함하는 천연 모터유 및/또는 합성 모터유, 내연기관 연료, 수송용 및 산업용으로 사용되는 기타 다른 탄화수소계 유체 등과 같은 전기적으로 고저항성인 유체이다. 전극(1, 2)은 동일한 물질로 제조될 수 있고, 또는 상이한 물질로 제조될 수도 있다. 이러한 물질은 도전성 물질, 양호하기로는 스텐레스 스틸, 백금, 구리, 니켈, 알루미늄 등과 같은 금속으로 이루어진 집단에서 선택된다. 양호한 실시예에서, 전극(1, 2)은 장착부(9)에 의해 도관(7)과는 전기적으로 절연되어 있다. 이와 마찬가지로, 열전쌍(3)은 장착부(11)에 의해 도관(7)에 고정가능하게 유지된다.
유체 관찰장치는 다주파 멀티옵셋 전압 신호발생기(13)와, 전류센서(15)와, 신호처리기(17)와, 제어기(19)를 포함한다. 전기도관(21)을 통해, 제어기(19)는 신호발생기(13)에 의해 출력부(23)로 공급된 AC 전위의 DC 옵셋과 주파수를 제어한다. 상기 신호발생기(13)는 전기도관(25, 26)을 사용하여 출력부(23, 24)를 통해 전위를 전극(1, 2)에 인가한다. 즉, 신호발생기(13)는 전위를 전극(1, 2)을 횡단하여 인가하며, 상기 전위는 선택된 AC 성분과 선택된 DC 옵셋 전압을 포함한다. 선택적으로, 도시된 바와 같이 전기도관(25)은 전압기준을 제공하기 위해 접지된다.
전류센서(15)는 인가된 전기신호로부터 전류흐름을 측정하며, 상기 센서는 도시된 바와 같이 전기도관(26)에 연결된다. 신호처리기(17)는 전기도관(28)을 통해 신호발생기(13)를 관찰하며, 전기도관(30)을 통해 전류센서(15)를 관찰하며, 전기도관(32)을 통해 열전쌍(3)을 관찰한다. 상기 신호처리기(17)는 관찰된 입력값을 적절한 신호로 변환하며, 이러한 신호는 전기도관(34)을 통해 제어기(19)로 입력된다. 상기 제어기(19)는 신호처리기(17)로부터의 신호를 사용하여, 도관(7)에 있는 유체(5)의 상태 및/또는 품질을 분석한다. 그후, 제어기(19)는 분석된 유체(5)의 상태 및/또는 품질에 대한 정보를 통신도관(36)을 통해 통신한다.
작동시, 제어기(19)는 신호처리기(13)에 명령을 내려 결정된 여러 주파수 및 DC 옵셋 전압에서 AC 전압을 출력하도록 프로그램된다.
예를 들어, 제어기(19)는 신호발생기(13)에 명령을 내려, 설정된 비율로 한쪽 주파수에서 제2주파수로 소인되고, 이어서 제1의 0이 아닌 DC 옵셋 전압으로 제2주파수 소인되고, 이어서 상기 제1의 0이 아닌 DC 옵셋 전압과는 상이한 제2의 0이 아닌 DC 옵셋 전압으로 제3주파수 소인될 동안, 제로 DC 옵셋 전압을 갖는 AC 전압을 출력하도록 프로그램되며, 이러한 시컨스는 원하는 수의 DC 옵셋 전압에 따라 반복된다. 다른 실시예에서, 제어기(19)는 신호발생기(13)에 명령을 내려, 결정된 최대전압과 제로볼트 사이에서 DC 옵셋 전압이 효과적으로 소인될 때, 제1고정주파수에서 AC 전압을 출력하도록 선택적으로 프로그램되고; 제1주파수와는 상이한 제2고정주파수에서 제2의 DC 옵셋 전압에 의한 소인이 이어지고, 제3고정주파수에서 제3의 DC 옵셋 전압에 의한 소인이 이어지고, 이어서 유체의 특성과 유체의 악화모드에 따른 필요로 하는 주파수 후에 일련의 시컨스가 반복된다. 또 다른 실시예에서, 제어기(19)는 신호발생기(13)에 명령을 내려, 설정된 수의 사이클과 상이한 제2고정주파수/DC 옵셋 전압 등에 의해, 불연속 주파수/DC 옵셋 전압의 완전한 시컨스가 완성될 때까지, 제1고정주파수/DC 옵셋 전압에서 AC 전압을 출력하도록 선택적으로 프로그램되고, 그후 이러한 시컨스가 반복된다. 선택적으로, 제어기(19)는 신호발생기(13)에 명령을 내려, 신호처리기(17)로부터의 입력값 분석에 기초하여 적절한 전기신호를 출력하도록 프로그램될 수도 있다. 그 어떤 경우라도, 각각의 데이터 세트에 대해, 인가된 신호는 적어도 2개의 상이한 주파수가 0이 아닌 DC 옵셋에 포함되도록 및/또는 적어도 2개의 상이한 DC 옵셋 전압이 포함되도록 선택된다.
양호한 실시예에서, 신호발생기(13)가 지명신호를 전극(1, 2)에 인가함에 따 라, 신호처리기(17)는 전기도관(28)을 통해 전극(1, 2)을 횡단하는 인가된 전위와, 전류센서(15) 및 전기도관(30)을 이용하여 최종적인 또는 관련의 전류와, 열전쌍(3) 및 전기도관(32)을 이용하여 유체(5)의 온도를 관찰한다. 상기 신호처리기(17)는 유체(5)의 전기화학적 임피던스를 연산하거나 결정하기 위해, 관찰된 전압 및 전류의 크기와 상(phase)을 비교한다.
유체를 관찰하거나 분석하는데 사용된 주파수는 약 1mHz 내지 100MHz, 양호하기로는 약 1mHz 내지 10MHz, 더욱 양호하기로는 약 10mHz 내지 10MHz의 범위를 갖는다.
DC 옵셋 전압은 약 -40V 내지 40V, 양호하기로는 -30V 내지 30V, 더욱 양호하기로는 -15V 내지 150V의 범위를 갖는다. 전극(1, 2)이 동일한 물질로 구성되었다면, 전극에 인가된 DC 옵셋의 절환 극성은 필요하지 않다. 그러나, 만일 전극이 상이한 물질로 구성되었다면, DC 옵셋 전압의 절환 극성은 유체의 전기화학적 세부사항을 결정하는데 도움을 준다.
AC 피크 크기는 0V 보다는 크지만 10V 이하, 양호하기로는 0V 내지 3V, 더욱 양호하기로는 0V 내지 1.5V의 범위를 갖는다.
검사된 각각의 주파수에 대해서는 적어도 하나의 완성사이클에 대한 데이터를 취해 비율이 결정된다. 일반적으로, 116주파수를 사용하여 각각의 주파수에서 2개 사이클에 대한 데이터를 취한 10MHz 내지 10MHz의 소인이 약 50분에 이루어진다.
도2는 나이키스트 플롯(Nyquist plot)으로 공지된 전기화학적 임피던스를 도시한 그래프로서, 본 발명의 특징에 따라 얻은 데이터를 도시하고 있다. 도2는 신선한(fresh) 고전기저항성 유체(5)와 일치하는 그래프이다. 도2에 도시된 바와 같이, 제로에 대한 소인 주파수의 완성된 시컨스 및 2개의 상이한 0이 아닌 DC 옵셋 전압이 얻어진다. 도2에 있어서, DC 옵셋 전압(V)에서, 유체(5)는 각각의 주파수와 연관된 실제 임피던스(Zreal)와 가상 임피던스(Zim)를 갖는다. 주파수와 연관된 임피던스(Zim, Zreal)는 DC 옵셋 전압에 대한 나이키스트 플롯을 얻기 위하여 서로에 대해 도시되었다. 선택적으로, 소인 주파수 대신에, 상기 그래프는 불연속적으로 인가된 주파수에 대한 각각의 데이터 포인트만을 얻을 수 있으며, 또는 각각의 데이터에 적절한 곡선조정이 될 수도 있다.
도1에 있어서, 전기도관(34)을 사용하여, 신호처리기(17)는 인가된 각각의 신호에 대해 연산된 임피던스값(가상 임피던스 및 실제 임피던스) 또는 열전쌍(3)으로부터의 온도 정보와 함께 선택적으로 이와 관련된 등가의 정보를 제어기(19)로 통신한다. 제어기(19)는 신호처리기(17)로부터의 정보를 입력값으로 사용하여, 알고리즘에 의해 유체(5)의 품질 및/또는 상태를 분석한다. 유체의 전기화학적 특성이 온도에 의존하는한, 유체 상태 및 품질분석에는 온도 정보가 유리하다. 제어기(19) 또는 신호처리기(17)는 전형적으로 유체의 정상적인 작동온도이거나 측정시의 온도변화를 보상하는 결정된 표준 온도로 측정을 정상화하기 위해 온도정보를 사용한다. 온도정보가 없다면, 유체(5)의 온도변화는 유체 상태의 변화로 오인될 수도 있다.
제어기(19)는 일련의 전위 인가중 얻은 정보나 또는 인가된 전위의 시컨스 사이의 정보로부터 유체(5)의 품질 및/또는 상태를 분석한다. 실시예로서, 신호처리기(17)로부터의 데이터가 유체 품질 및 상태 정보를 포함하는 방법이 서술될 것이며, 신선한 유체와 이러한 유체의 2가지 악화상태에 대한 전기화학적 임피던스의 그래프가 도시되고 비교될 것이다.
도2에서, 곡선(40)은 제로 DC 옵셋 전압을 갖는 소인 주파수 범위에 대한 Zreal 및 Zim을 도시하고 있다. 이것은 종래의 주파수기본형 EIS 기법으로 도시된 곡선이다. 짧고 기본적으로 선형이며 고주파에서 측정하였을 때 Zim 이 제로인 영역인 곡선(40)의 첫번째 부분은 유체(5)의 용액 저항특성과 연관이 있다. 중간 범위의 주파수에서 측정한 곡선(40)의 반원형 부분은 유체(5)의 벌크 특성과 연관이 있으며, 저주파에서 측정한 곡선(40)의 상승하는 꼬리부분은 유체(5)의 전하 이송특성과 연관이 있다. 상기 곡선(40)은 유체의 전하 이송특성에 대해서는 소량의 정보만 함유하고 있으며, 전극(1, 2)에서 이루어지는 전기화학반응에 대한 정보는 없는 것을 인식해야 한다. 한편, 곡선(42, 44)은 곡선(40)과 동일한 AC 주파수 범위를 갖지만, 본 발명에 따른 2개의 상이한 0이 아닌 DC 옵셋 전압을 갖는 유체의 전기화학적 임피던스를 도시하고 있다. 저주파에서 곡선(42, 44)에 포함된 또 다른 특징들(즉, 작은 반원형 영역들)은 유체의 전하이송 및 전기화학반응 특성에 대한 부가의 정보를 제공한다. 따라서, 이러한 부가의 특징은 유체의 성분이나 공식을 분석하는데 유용한다. 즉, 신선한 고전기저항성 유체에 대해, 인가된 신호를 위한 DC 옵셋 전압 및 AC 주파수를 적절히 선택하므로써, 전기화학적 임피던스의 연구 또는 적절한 분석이 실행될 수 있어, 유체가 의도한 용도에 맞춰 적절한 품질을 갖고 있는지의 여부를 결정할 수 있다.
도3은 도2와 동일한 유체로서, 상이한 점으로는 도3에서 유체는 산화에 의해 악화된다는 점이다. 또한 도3에 있어서, 곡선(46, 48, 50)은 도2의 곡선(40, 42, 44)과 동일한 주파수 범위 및 DC 옵셋 전압에 대응한다. 이러한 두 도면을 비교하면, 제로 DC 옵셋 전압 곡선(46)과 제1의 0이 아닌 DC 옵셋 전압 곡선(48)은 곡선(40, 42)과는 단지 약간의 미세한 차이점만 있다. 그러나, 높은 DC 옵셋 전압에서 곡선(50)은 곡선(44)과는 상당한 차이점이 있다. 특히, 곡선(50)은 곡선(44)과 비교하였을 때 각각의 반원형 영역의 상대적 크기 및 갯수의 변화를 보이고 있으며, 이것은 유체의 상태가 산화에 의해 변화되었음을 결정하도록 분석될 수 있다.
도4는 도2와 동일한 유체에서 오염에 의해 유체가 악화된다는 점이 차이점이다. 도4에 있어서, 곡선(52, 54, 56)은 도2의 곡선(40, 42, 44)과 동일한 주파수 범위 및 DC 옵셋 전압에 대응한다. 도4의 곡선과 도2의 곡선을 비교하면, 오염에 의해 각각의 DC 옵셋 전압의 특징에 상당한 변화가 있음을 알 수 있다. 특히, 3개의 곡선(52, 54, 56)에서 유체 벌크 특성과 연관된 영역의 크기 및 형태는 주요한 유체 상태 변화가 발생되었음을 도시하고 있다.
도1에 있어서, 제어기(19)는 적절한 알고리즘을 사용하여 신호처리기(17)로부터의 입력값에 기초하여 유체(5)의 품질 및/또는 상태를 분석한 후, 필요에 따라 지명된 정보를 외부 부품이나 시스템으로 통신한다. 통신된 정보는 예를 들어 유체가 적절한 품질이 아니거나 필요로 하는 상태범위를 벗어났을 때 작동자나 서비 스 기술자에게 경고를 발하는 경보장치(도시않음)를 동작시키거나 트리거한다. 선택적으로, 도관(36)을 통해 통신된 정보는 유체(5)의 상태를 유지시키거나 유체(5)를 사용하여 장치를 제어하는 고레벨 시스템(도시않음)에 의해 사용될 수도 있다. 유체 품질 및/또는 상태를 분석하기 위해 신호처리기(17)로부터의 입력값 사용과 함께, 선택적으로 프로그램되었을 때, 제어기(19)는 유체(5)의 품질 및/또는 상태를 최적으로 관찰 및 분석하기 위하여 신호처리기 입력값을 사용하여 신호발생기(13)의 명령을 받은 AC 전압 주파수 및 DC 옵셋을 제어한다.
도1에 도시된 실시예는 신호발생기를 위해 분리된 모듈을 갖고 있는 반면에, 전류센서, 신호처리기, 제어기 및 기타 다른 소자와, 이에 의해 실행되는 2개 이상의 기능들은 선택적으로 조합된 모듈과 협력하여 비용적인 면과 데이터 처리 및 디자인 등에 관해 필요로 하는 효율을 달성한다. 마찬가지로, 소자들이나 모듈의 조합은 서술되는 바와 같은 다른 실시예에서 적절히 예견될 수 있다.
도5는 온라인 유체 관찰장치의 다른 실시예로서, 실시간 관찰에 따라 도관(7)에서 유체(5)의 보다 신속한 측정/분석(도1의 실시예에 비해)을 제공한다. 상이한 DC 옵셋 전압에서 유체(5)의 전기화학적 특성을 측정하는 동시에 복합 전극쌍을 사용하므로써 시간단축이 실현된다. 특히, 도5에서는 유체에 3개의 전극쌍(1, 2: 61, 62: 65, 66)이 잠겨 있으며, 이러한 전극쌍은 장착부(9, 67, 69)에 의해 도관(7)과는 전기적으로 절연된 상태로 유지된다. 예시적으로 3개의 전극쌍이 도시되었지만, 필요에 따라 이보다 많거나 적은 수의 전극쌍이 사용될 수도 있다.
유체(5)의 온도를 관찰할 수 있도록, 열전쌍(3) 또는 기타 온도센서는 장착부(11)에 의해 도관(7)에 고정된 상태로 유지된다. 또한 도5의 유체 관찰장치는 다주파, 제로 DC 옵셋, 신호발생기(71), 전류센서(15, 73, 75), 신호처리기(17), 및 제어기(19)를 포함한다. 전기도관(21)을 통해, 제어기(19)는 신호발생기(71)에 의해 출력부(23, 24)에 제공된 주파수를 제어한다. 상기 출력부(23)는 전압기준을 제공하기 위해 접지된 상태로 도시되어 있으며, 전기도관(25, 77, 79)를 통해 전극(1, 61, 65)에 각각 연결된다. 전기도관(26)은 출력부(24)를 전극(2)에 전기적으로 연결하며, 전류센서(15)를 포함한다. 전기도관(81, 83)은 출력부(24)를 전극(62, 66)에 전기적으로 각각 연결하며, 전류센서(73, 75) 및 전기소자(89, 83)를 각각 포함한다. 전기소자(89, 83)는 신호발생기(71)로부터 AC 전압에 고정된 DC 옵셋 전압(V1, V2)을 제공한다. 예를 들어, 전기소자(89, 83)는 고정된 DC 출력 전압(V1, V2)을 갖는 배터리일 수도 있다.
신호처리기(17)는 전기도관(28)을 통해 신호발생기(71)의 인가 전압과, 전류센서(15, 73, 75) 및 전기도관(30, 85, 87)을 사용하여 최종 전류와, 열전쌍(3) 및 전기도관(32)을 사용하여 유체(5)의 온도를 관찰한다. 신호처리기(17)는 관찰된 입력값을 적절한 신호로 변환하며, 이러한 신호는 전기도관(34)을 통해 제어기(19)로 입력된다. 제어기(19)는 신호처리기(17)로부터의 신호를 사용하여, 도관(7)내의 유체(5)의 상태 및/또는 품질을 분석한다. 제어기(19)는 통신도관(36)을 통해 유체(5)의 상태 및/또는 품질에 관한 정보를 통신한다.
작동시, 도5의 부품들은 도1에 도시된 대응부와 유사하게 작동된다. 특히, 제어기(19)는 신호발생기(71)에 명령을 내려, 설정된 주파수 크기로 AC 전압을 출력하도록 프로그램된다. 예를 들어, 제어기(19)는 신호발생기(71)에 명령을 내려 결정된 비율로 하나의 주파수로부터 제2주파수로 반복적으로 소인되도록 선택적으로 프로그램될 수도 있다. 다른 실시예에서, 제어기(19)는 신호발생기(71)에 명령을 내려, 불연속 주파수의 완전한 시컨스가 완료될 때까지 결정된 사이클수에 대해 그리고 이어서 상이한 제2고정주파수에 의해 하나의 고정주파수로 AC 전압을 출력하도록 선택적으로 프로그램될 수도 있으며, 이러한 시컨스는 반복된다. 다른 실시예에서, 제어기(19)는 신호발생기(71)에 명령을 내려, 신호처리기(17)로부터의 입력값에 기초하여 AC 전압을 출력하도록 선택적으로 프로그램될 수도 있다.
신호발생기(71)에 의해 생성된 각각의 AC 전압에 대해, 전기도관(25, 26)을 이용하여 전극쌍(1, 2)은 제로 DC 옵셋 전압으로 AC 전압을 유체(5)에 인가하며; 전기도관(77, 81) 및 전기소자(89)를 이용하여 전극쌍(61, 62)은 생성된 AC 전압을 V1의 DC 옵셋 전압으로 유체(5)에 인가하며; 전기도관(79, 83) 및 전기소자(91)를 이용하여, 전극쌍(65, 66)은 생성된 AC 전압을 V2의 DC 옵셋 전압으로 유체(5)에 인가한다. 이러한 방식에 의해, 신호발생기(71)는 복합 DC 옵셋 전압이 전기소자(89, 91)에 의해 제공되기 때문에, 복합 DC 옵셋 전압의 제공으로부터 벗어나게 된다.
도1의 실시예와 유사한 방식으로, 신호가 유체(5)에 인가되기 때문에, 신호처리기(17)는 전기도관(28)을 통해 신호발생기(71)의 출력과, 전기도관(30, 85, 87)을 통해 전류센서(15, 73, 75)로부터의 전류와, 열전쌍(3) 및 전기도관(32)을 사용하여 유체(5)의 온도를 관찰한다. 도5에 도시된 바와 같이, 신호처리기(17)는 전극쌍(1, 2)에 인가된 신호를 관찰하기 위해, 신호발생기(71)로부터의 입력값을 오직 하나만 선택적으로 사용하며; 전기소자(89, 91)의 공지된 전기특성은 전극쌍(61, 62: 65, 66)에 인가된 복합 신호를 연산하는데 사용된다. 선택적으로, 신호처리기(17)는 부가의 전기도관(도시않음)을 전기소자(89, 91)와 전극(62, 66) 사이의 전기도관(81, 83)에 부착시키므로써, 전극쌍(61, 62)에 인가된 신호를 직접 관찰한다. 상술한 바와 같이, 신호처리기(17)는 측정되거나 연산된 인가전압과 측정전류의 크기와 상(phase)을 비교하여, 유체(5)의 전기화학적 임피던스를 연산한다. 도1에 도시된 실시예에서처럼, 신호처리기(17)는 연산되거나 결정된 전기화학적 임피던스 및 온도정보를 전기도관(34)을 통해 제어기(19)로 통신하고, 적절한 알고리즘을 사용하여 제어기(19)는 유체(5)의 품질 및/또는 상태를 연속적으로 분석하며, 프로그램되었을 경우에는 명령받은 주파수를 신호발생기(71)에 의한 출력값으로 변경한다. 도1의 실시예에서처럼, 제어기(19)에 의해 통신된 유체(5)의 품질 및 상태정보는 예를 들어 유체가 적절한 품질이 아니거나 필요로 하는 상태범위를 벗어났을 때 작동자나 서비스 기술자에게 경고를 발하는 경보장치(도시않음)를 동작시키거나 트리거한다. 선택적으로, 도관(36)을 통해 통신된 정보는 유체(5)의 상태를 유지시키거나 유체(5)를 사용하여 장치를 제어하는 고레벨 시스템(도시않음)에 의해 사용될 수도 있다.
도5의 장치는 신호발생기를 통해 상이한 DC 옵셋 전압을 공급하는 대신에, 복합 전극쌍 및 전기소자(89, 91)를 통해 상이한 DC 옵셋 전압을 공급한다. 이러 한 방식에 의해, 도5의 장치와 동시에 상이한 DC 옵셋 전압에서의 다수의 주파수 소인을 얻을 수 있으며, 이에 따라 도1의 장치에 비해 측정 시컨스 및/또는 데이터 수집시간을 감소시킬 수 있다. 다른 특징적인 면에 대해 두 실시예는 거의 유사하다.
많은 고전기저항성 유체에 대해, 치명적인 손상(예를 들어, 물 오염)은 특정한 주파수범위 및/또는 특정한 DC 옵셋 전압에서 용이하게 검출되며, 장기간의 유체악화(예를 들어, 산화 또는 누적된 고갈)는 다른 주파수범위 및/또는 다른 DC 옵셋 전압에서 검출된다. 따라서, 각각의 경우 응답시간을 개선하기 위하여, 장기간의 유체변화가 용이하게 검출되는 주파수 및 DC 옵셋 전압과는 상이한, 치명적인 손상이 용이하게 검출되는 관찰 주파수 및 DC 옵셋 전압이 바람직하다. 이 경우, 도6의 실시예가 양호하다. 본 발명의 특징에 따르면, 도6에는 독립적으로 작동되며 병렬로 배치된 2개의 전기화학적 관찰시스템(A, B)이 도시되어 있다. 각각의 시스템(A, B)에서 소자들은 도6의 도면부호에서는 그 대응의 알파-캐릭터(alpha-character)로 도시되었으며, 도6에서 유사한 도면부호로 도시된 소자들은 기본적으로는 도1의 대응부와 대응하며 이러한 대응부와 동일한 방식으로 작동되는 것을 인식해야 한다. 도6에 도시된 실시예는 단지 2개의 평행한 시스템을 도시하였지만, 다른 실시예에서는 부가의 평행 시스템을 선택적으로 포함할 수도 있음을 인식해야 한다.
다른 실시예에서, 시스템(A, B)은 필요로 하는 유체(5)의 품질 및/또는 상태의 용이한 검출이나 분석에 적합한 상이한 주파수범위 및/또는 상이한 DC 옵셋 범 위에서 평행하게 분리되어 작동된다(기본적으로는 상술한 바와 같이). 예를 들어, 시스템(A)은 치명적 유체 손상에 관련된 용이한 검출이나 상세한 분석을 제공하는 적절한 주파수범위 및 DC 옵셋 범위로 선택적으로 작동되며, 시스템(B)은 장기간의 유체 악화 또는 열화(劣化)에 관련된 용이한 검출이나 상세한 분석을 제공하는 적절한 주파수 범위 및 DC 옵셋범위에서 작동된다.
상술한 바와 같은 실시예는 연속한 주파수범위에서 AC 전압을 생성할 수 있는 신호발생기를 사용하며, 이것은 도2 내지 도4에 도시된 형태의 전기화학적 임피던스를 생산하는데 선택적으로 사용된다. 또한, 일부 신호발생기(예를 들어 도1 및 도6의 신호발생기)는 연속한 범위의 DC 옵셋 전압으로 AC 전압을 생성할 수 있다. 그러나, 선택적으로 신호발생기는 특정용도에 따라 오직 결정된 수의 불연속 주파수 및/또는 결정된 수의 불연속 DC 옵셋 전압을 생성한다.
도7에 도시된 그래프는 특정의 고전기저항성 유체에 대해 Zreal 및 Zim의 변화를 악화 또는 열화의 비율 함수로서 도시하고 있다. 도면에는 주파수/DC 옵셋 전압의 3개의 불연속쌍 즉, (f/V)1, (f/V)2, (f/V)3 이 도시되어 있다. 곡선(140, 141)은 산화 악화에 대한 Zreal 및 Zim이고, 곡선(150, 151)은 주파수/DC 옵셋 전압(f/V)1에서 오염 악화에 대한 Zreal 및 Zim이다. 곡선(143, 144)은 산화 악화에 대한 Zreal 및 Zim이고, 곡선(153, 154)은 주파수/DC 옵셋 전압(f/V)2에서 오염 악화에 대한 Zreal 및 Zim 이다. 곡선(146, 147)은 산화 악화에 대한 Zreal 및 Zim이고, 곡선(156, 157)은 주파수/DC 옵셋 전압(f/V)3에서 오염 악화에 대한 Zreal 및 Zim 이다. 이러한 도면에 있어서, 전기화학적 임피던스 변화는 악화의 선형함수 즉, 곡선이 Po 또는 Pc의 함수로서 변화하는 직선이며, 상기 Po는 산화에 의한 악화비율이고, Pc는 오염에 의한 악화비율이다. 만일 유체가 오직 산화에 의해서만 악화되었다면, 유체 상태는 곡선들(140, 141, 143, 144, 146, 147)중 어느 하나로부터 간단히 결정될 수 있다. 이와 마찬가지로, 만일 유체가 오염에 의해서만 산화되었다면, 유체 상태는 곡선들(150, 151, 153, 156, 157)중 어느 하나로부터 간단히 결정될 수 있다. 그러나, 전형적으로 복합 모드에 의한 유체 악화와 이러한 실시예에서의 정상사용중 예견되는 유체악화는 산화와 오염에 의한 것이다. 만일 산화 및 오염의 조합에 의한 악화로 인해 유체의 전기화학적 임피던스 변화가 각각의 모드에서 독립적인 악화의 총합이라면, 도시된 바의 그 어떠한 주파수/옵셋 전압에 대한 Zreal 및 Zim에서의 전체 변화는 각각의 모드에서 독립적으로 발생되는 변화 보다 작다. 따라서, 복합적인 악화 모드는 도7에 도시된 도면들중 하나의 도면에만 기초한 유체 상태 분석을 혼동시킨다. 그럼에도 불구하고, 도7에 도시된 도면에서 임피던스의 슬로프가 산화의 함수로서 변화하고 오염 악화가 종속적인 2개의 도면이 선택되고, 독특한 Po 및 Pc 값을 위한 등식을 풀기 위해 알고리즘이 사용되어 유체 상태를 결정하게 된다.
일반적으로, Zreal 및 Zim 곡선은 주어진 함수 및 DC 옵셋 전압에 의존하지 않으며, 따라서 독특한 해결에 도달하고자 한다면 하나이상의 주파수/DC 옵셋 전압이 바람직하다. 따라서, 2개의 악화모드 또는 열화모드가 존재하는 경우, 2개의 적절한 지점에서 상이한 주파수/DC 옵셋 전압으로 유체의 전기화학적 임피던스를 결정하는 것이 바람직하다. 만일 혼동되는 방식으로 전기화학적 임피던스에 영향을 미치는 부가의(즉, 2개 이상의)악화모드가 가능하다면, 유체 상태의 적절한 분석을 제공하기 위해, 보다 많은 수의 적절한 지점에서 확실한 주파수/DC 옵셋 전압으로 전기화학적 임피던스를 결정하는 것이 바람직하다.
도7은 선형인 곡선을 도시하고 있으며, 악화모드 또는 열화모드로 인한 임피던스 변화가 누적된 경우에 대해 서술하였지만, 비선형 악화 곡선을 갖는 고전기저항성 유체에 대해서도 적용될 수 있으며, 복합 모드의 전기화학적 임피던스는 쉽게 누적되지 않음을 인식해야 한다. 또한, 도7의 불연속 곡선이나 도2 내지 도4의 연속한 곡선에 기초한 유체 상태의 논의는 수집된 데이터의 하나의 시컨스에 기초하고 있음을 인식해야 한다. 그러나, 데이터의 시컨스들 사이의 유체상태 변화 또한 허용되지 않는 유체상태를 분석하는데 선택적으로 사용된다. 실시예로서, 전기화학적 임피던스의 시컨스는 탄화수소 유체의 물 오염 비율이 허용가능한 한계치내에 있는 것을 도시하고 있다. 그러나, 이전 결정의 물 오염비율을 알 수 없다면, 제어기는 물 오염이 증가하는지, 감소하는지, 또는 그대로 유지되는지를 분석할 수 없다. 물 오염 이력을 알고 있다면, 물 비율이 허용가능한 한계치를 초과하기 전에, 제어기는 유체상태에 관한 문제점이 존재하는지를 분석한다.
도8에는 독립적으로 작동되는 다수의 평행한 전기화학적 관찰시스템(A 내지 F)을 구비한 유체 관찰장치의 실시예가 도시되어 있다. 도8에 도시된 실시예는 6개의 평행한 시스템을 갖는 것으로 도시되었지만, 다른 실시예에서는 선택적으로 이보다 많거나 적은 평행 시스템을 포함할 수도 있다. 또한, 특정 용도로 평행 시 스템 사용 횟수는 유체(5)의 조성물과, 관심을 갖고 있는 유체(5)의 악화 모드 또는 손상 모드에 의존한다.
그 어떤 경우라도, 각각의 시스템(A 내지 F)에서의 소자들은 도8의 도면부호에서 그 대응의 알파 캐릭터로 도시되며, 도8에서 유사한 도면부호로 도시된 소자들은 기본적으로는 도1의 대응부와 대응하며 이러한 대응부와 동일한 방식으로 작동된다. 그러나, 신호발생기(13A 내지 13F)는 고정주파수/DC 옵셋 전압을 포함하는 독특한 전기 출력값을 각각 제공한다. 도시된 바와 같이, 발생기(13A 내지 13F)에 대한 고정주파수/DC 옵셋 전압은 (f/V)A, (f/V)B, (f/V)C, (f/V) D, (f/V)E, (f/V)F 이다. 도1의 실시예와 다른 점은 이러한 실시예에서의 제어기(19)는 신호발생기(13A 내지 13F)의 출력값을 제어하지 않는데, 그 이유는 이들 각각이 단지 하나의 주파수/DC 옵셋 전압을 생성하기 때문이다. 도8의 실시예는 독특한 고정 주파수/DC 옵셋 전압에서의 측정과 동시에, 유체의 다수의 평행한 전기화학적 측정을 양호하게 얻을 수 있다.
고전기저항성 유체의 전기화학적 임피던스는 유체 온도의 함수로서 변화한다. 도9는 DC 옵셋 전압(Vo) 및 온도(T1, T2)(T1은 T2 보다 크다)에서 취한 고전기저항성 유체의 전기화학적 임피던스를 도시하는 그래프이다. T1에서의 곡선(175)과 T2에서의 곡선(176)은 동일한 주파수 범위를 사용하여 생성되었다. 곡선(176)의 데이터를 곡선(175)의 첫번째 부분으로 온도보정하기 위해 기하학적 데이터나 경험학적 데이터가 선택적으로 사용되는 반면에, 곡선(175)은 곡선(176) 에 포함되지 않은 유체에 관한 정보, 예를 들어 곡선(176)에서 불완전한 부분인 곡선(175)의 완성된 작은 반원형 부분을 포함하고 있다. 그럼에도 불구하고, 저온(T2)에서 유체를 테스트하기 위해 저주파[즉, 온도(T1)에서 유체를 테스트하는데 사용된 주파수 보다 낮은 주파수]를 사용하므로써, 유체에 관한 동일한 레벨의 세부사항 및/또는 정보를 얻을 수 있다. 그러나, 저주파는 상당히 긴 데이터 수집시간을 필요로 하기 때문에, 유체 품질 및/또는 상태 결정의 응답시간에 영향을 미친다.
따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 유체의 온도는 응답시간을 최적화하기 위한 가열을 통해 선택적으로 제어된다. 온도제어는 가용 동력, 패키징, 및 허용가능한 유체 열화의 한계내에서 실행된다. 유체가열은 유체가 정상적인 작동하에서 광범위한 온도를 경험할 때 특히 바람직하다. 예를 들어, "간헐적으로 작동되는" 엔진에서, 오일 온도 주파수는 대기와 극한 작동온도 사이에서 변화한다. 또 다른 실시예에서, 금속 작동유체의 온도는 시간당 처리량과 금속 작동설비의 공구상태의 함수로서 변화된다. 유체를 관찰할동안 유체온도를 제어하는 것도 만일 유체의 온도범위가 매우 넓은 경우, 고정주파수/DC 옵셋 전압 데이터의 온도보상이 어려운 도8에 도시된 실시예에 특히 유용하다.
도10에는 본 발명의 특징에 따른 온도제어특성을 이용하는 유체 관찰장치의 실시예가 도시되어 있다. 특히, 도10은 유체(5)의 온도제어를 위해 부가의 시스템이나 장치를 구비한 도1의 유체 관찰장치를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 온도 제어 시스템은 히터와, 유체(5)의 온도를 제어하는 온도제어기(180)를 포함한 다. 상기 히터(178)는 유체(5)에 잠기며, 장착부(182)에 의해 도관(7)에 고정된다. 온도제어기(180)는 전기도관(184)을 통해 열전쌍(3)을 관찰하며, 전기도관(186, 188)을 통해 히터(178)에 전기동력을 선택적으로 인가하여, 유체온도를 필요한 레벨로 유지한다.
선택적으로, 유체(5)가 지명된 제어온도에 있지 않을 때, 예를 들어 유체관찰의 초기에, 제어기(19)는 유체 품질 및/또는 상태를 분석하기 위해 신호처리기(17)로부터의 데이터를 온도보상하도록 프로그램되거나, 또는 지명된 제어온도에 도달할 때까지 유체 품질 및/또는 상태를 분석하지 않도록 프로그램된다. 열전쌍(3)에 의해 검출되었을 때 만일 유체(5)가 제어온도에 있지 않다면, 제어기(19)는 그 효과에 대한 정보를 출력하도록 선택적으로 프로그램된다. 또한, 만일 유체(5)의 온도가 지명된 제어온도를 달성할 수 없다면, 제어기(19)는 관찰장치가 적절히 작동하지 않는 정보를 출력하도록 선택적으로 프로그램된다.
도10에는 도시되지 않았지만, 또 다른 실시예에서는 전기도관을 통해 제어기(19)에 의해 제어되는 온도 제어기(180)를 포함할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 제어기(19)는 신호처리기(17)로부터의 입력값이나 기타 다른 관련의 입력값에 기초하여 온도 제어기(180)를 위해 지명된 제어온도를 결정 및 세팅한다.
도10에는 서로 분리된 상태로 도시되었지만, 히터의 위치, 전극 및/또는 온도센서들의 서로에 대한 위치는 특정용도에 적합하도록 근접한 상태로 선택되어야 한다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 만일 장치가 전극의 이격거리가 좁은 상태로 소형으로 패키징되었다면, 유체가열은 전극(1, 2)을 가열하고, 매우 근접한 전극들이나 이러한 전극들 사이에서 유체온도를 관찰하므로써 선택적으로 이루어진다.
상술한 바는 온라인 환경에서 연속한 유체 관찰의 실행에 관한 것이지만, 유체 품질 및/또는 상태를 관찰할 때는 시스템에 신선한 유체가 첨가될 때를 인식하는 것이 바람직하다. 기본적으로는 2가지 형태의 유체 재공급 즉, 실질적인 유체 재공급 또는 전체적인 유체 재공급(예를 들어, 완전한 오일 교환)과, 간헐적인 재공급(예를 들어 재충진)이 있다. 본 발명의 특징에 따르면, 한가지 형태나 두가지 형태의 재공급에 적합한 신선한 유체 인식은 유체 관찰장치의 연합적인 특징이다.
도11은 시간(A)에서 완전한 유체 교환이 이루어지는 시간의 함수로서, 특정 주파수 및 DC 옵셋 전압에서의 고전기저항성 유체의 Zreal 및 Zim을 도시하고 있다. 곡선(190, 192)은 "밀폐된" 유체시스템 즉, 사용시 유체가 소비되지 않거나 소실되지 않는 시스템인 경우의 Zreal 및 Zim이며, 이러한 시스템에서 유체는 동일한 품질의 신선한 유체로 교환된다. 시간(A)에서, 곡선(190, 192)은 시간이 0인 값으로 복귀하며, 이것은 교환된 유체가 신선할 때이다. 곡선(194, 196)은 유체가 품질히 상이한 신선한 유체로 교환되는 경우의 Zreal 및 Zim이다. 시간(A)에서, 곡선(194, 196)은 시간이 0인 값으로 복귀하지 않는다.
유체가 완전하게 교환되는 경우에서, 유체교환을 확인할 수 있는 한가지 기법은 그러한 형태나 또는 모든 급작스러운 상단한 전기화학적 임피던스 변화를 유체 변화로 해석하도록 제어기(19)를 프로그램하는 것이다. 이러한 기법에서, 제어기(19)가 유체가 변화되었음을 결정하였을 때, 제어기(19)는 차후 시컨스의 전기화 학적 임피던스 데이터를 사용하여 유체 품질에 관한 정보를 분석 및 통신한다. 유체 변화를 확인하는 다른 방법은 제어기(19)가 유체변화가 이루어지는 유체 관찰장치의 외부로부터 결정적인 정보를 수용한 입력값을 포함하는 것으로서, 예를 들어 서비스 기술자는 수동으로 표시하거나 데이터를 제어기로 입력시키거나 또는 유체가 변화되었을 때 제어기(19)를 리세트한다.
상술한 방법은 유체가 전체적으로 교환되는 경우에 양호하게 작동되지만, 대부분의 경우에는 이전의 유체가 모두 제거되는 것이 아니라 신선한 유체의 첨가, 이른바 간헐적 재충진이 이루어지고 있다. 예를 들어, 이러한 용도는 작동중 소실되거나 소모된 유체를 교환하기 위해 부분적인 신선한 유체 첨가를 제공하며, 다른 용도는 사용한 유체를 신선한 유체로 부분적으로 교환하므로써 사용중의 유체 품질을 유지하는 것이다. 도12는 "기본적으로 밀폐된 시스템"인 경우 시간의 함수로서 특정 주파수/DC 옵셋 전압에서 유체의 Zreal 및 Zim의 그래프를 도시하고 있으며; 이러한 시스템에서는 유체가 약간 소모되거나 손실되며, 시간(B, C)에서 2종류의 신선한 유체 첨가가 이루어지며, 시간(D)에서 완전한 유체교환이 실행된다. 곡선(200, 202)은 Zreal 및 Zim 이다. 시간(B, C)에서 데이터의 해석은 첨가되는 신선한 유체의 농도(즉, 전체 유체체적에 대한 신선한 유체의 비율)를 알 수 없다면 문제가 된다. 신선한 유체농도에 대한 데이터를 알 수 없을 경우, 시간(C)에서 보다 시간(B)에서 곡선(200, 202)의 변화가 큰 이유는 첨가될 신선한 유체의 비율이 높다는 이유와, 첨가될 신선한 유체의 품질이 상이하기 때문이다.
양호한 실시예에서, 고전기저항성 유체 관찰장치는 부분적인 유체교환이 선 택적으로 이루어질 경우 신선한 유체 품질이 독특하게 결정되도록 신선한 유체의 농도에 관한 정보를 얻는다. 농도 정보는 독립적인 외부원으로부터, 예를 들어 제어기(19)로의 입력값을 통해 선택적으로 얻어진다. 즉, 신선한 유체 첨가가 이루어지는 정보와 함께, 신선한 유체의 농도정보는 또는 신선한 유체의 농도 결정을 허용하는 정보가 입력된다. 동작시, 제어기(19)는 유체의 품질을 분석하고 통신도관(36)을 통해 유체 품질에 관한 정보를 통신하기 위해, 입력정보와 신호처리기(17)로부터의 데이터의 차후 시컨스를 사용한다.
다른 실시예에서, 부분적인 또는 완전한 신선한 유체 첨가에 관한 입력정보는 외부원으로부터 제공되지 않는다. 도13에 있어서, 도1의 유체 관찰장치는 신선한 유체 첨가(부분적으로 또는 전체적으로)를 관찰하기 위한 부가의 시스템을 갖는 것으로 도시되어 있으므로, 외부 입력없이 유체 품질에 대한 분석이 이루어질 수 있게 된다.
도13에 도시된 바와 같이, 유체(5)는 도관(7)과 유체 저장조(205)를 포함하는 장치나 시스템(도시않음)의 유체 회로에 내장된다. 장치나 시스템의 정상 동작에 있어서, 유체(5)는 유체가 사용되거나 소비되는 도관(7)을 포함하는 유체 회로를 통해 저장조(205)를 순환한다. 여러 용도에 있어서, 유체(5)의 일부 또는 전체는 도관(7)을 순환한 후 저장조(205)로 복귀한다.
신호처리기(17)는 전기도관(212)을 통해 레벨센서(210)를 관찰한다. 신호처리기(17)는 관찰된 입력값을 적절한 신호로 변환한다. 이러한 신호는 전기도관(34)을 통해 제어기(19)로 입력된다. 상기 신호처리기(17)는 레벨센서(210) 및 전기도 관(212)을 사용하여 유체(5)의 레벨(207)을 연속적으로 관찰하여, 레벨정보를 제어기(19)에 통신하며, 상기 제어기는 레벨정보를 이용하여 첨가될 신선한 유체의 농도를 결정하도록 프로그램되어 있다. 신선한 유체 첨가가 결정될 때마다, 제어기(19)는 신호처리기(17)로부터의 온도정보와, 전류와, 전압과, 결정된 신선한 유체의 농도를 사용하여, 부가된 신선한 유체의 품질과 유체(5)의 전체 체적상태를 분석하도록 프로그램되어 있다. 제어기(19)는 통신도관(36)을 이용하여 분석된 품질 및 상태 정보를 출력하며, 이러한 정보는 예를 들어 만일 부적절한 품질의 유체가 저장조(205)에 부가되었거나 유체(5)의 상태가 허용가능한 범위내에 있지 않은 경우 작동자가 서비스 기술자에게 경보를 발하도록 선택적으로 사용된다. 선택적으로, 분석된 품질 및/또는 상태에 관한 정보는 유체(5)의 상태를 유지시키거나 유체(5)를 사용하는 장치나 시스템을 제어하는 고레벨 시스템(도시않음)에 의해 선택적으로 사용된다.
도13에서 전극(1, 2)과 열전쌍(3)은 도관(7)에 장착된 것으로 도시되었지만, 이들은 유체(5)의 적절한 혼합이 이루어지는 지점에서 잠기게 되는 유체 저장조(205)에도 유사하게 장착된다. 이와 같이 장착되었을 때, 유체 관찰장치는 레벨센서를 포함하는 단일 모듈로 함께 패키징되는 것이 바람직하다.
도13의 실시예는 사용된 유체(5)의 제거, 소비 또는 손실이 신선한 유체의 첨가와 동시에 이루어지지 않거나 또는 유체 제거, 소비 또는 손실이 예견되거나 제어기(19)의 알고리즘으로 프로그램되는 경우에 사용된다. 선택적으로 저장조(205)에 첨가되는 신선한 유체의 농도를 결정하기 위해 레벨센서가 아닌 다 른 장치가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 신선한 유체 첨가 및/또는 농도를 결정하기 위하여, 유체 저장조를 배출시키거나 충진시키는데 사용되는 유체 유동계가 레벨 미터(210)와 함께 또는 레벨 미터 대신에 유체 저장조(205)에 사용될 수 있다.
실시예
본 발명의 기법을 나타내기 위하여, 작동중인 가솔린 내연기관에서 일련의 시료에 대해 고정된 간격주기로 약 108 ohm-m의 초기 20℃ 벌크 저항률을 갖는 엔진오일의 전기화학적 임피던스가 측정되었다. 측정된 1㎠의 평행판 백금전극을 이용하여 실행되었으며, 전극은 0.5mm로 이격되어 있고 흐르는 유체에 잠겨 있다. 측정은 약 40℃ 내지 120℃의 범위에 대해 고정온도에서 약 10℃씩 증가하면서 실행되었다. 전극에 신호를 공급하고 전기화학적 임피던스를 연산하기 위하여, 레이디어미터 인코포레이티드 소트트웨어를 구비한 볼타랩40®전기화학적 워크스테이션이 사용되었다. 피크 AC 전압의 크기는 약 ±0.5V 이었다. 약 100MHz 내지 100mHz의 주파수 범위가 사용되었으며, 이러한 범위에서 데이터를 수집하는데 약 50분이 소요되는 116주파수가 사용되었다. 사용된 DC 옵셋 전압은 약 3V, 약 6V, 약 9V, 약 12V 및 약 14V 이었다. 이러한 실시예에서 얻은 데이터는 도2 및 도3에 도시된 전기화학적 임피던스 데이터와 일치하였다. 제로 DC 옵셋 전압 전기화학적 임피던스 곡선은 사용으로 인해 엔진오일이 악화되었을 때 변화가 매우 작음을 나타낸다. 0이 아닌 DC 옵셋 전압 전기화학적 임피던스 곡선은 사용으로 인한 오일 악화를 보다 상세하게 나타내고 있다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (14)

  1. 고전기저항성 유체를 관찰하는 방법에 있어서:
    제1전기응답이 발생하도록 윤활유, 천연 모터유, 합성 모터유, 표준형 첨가제, 부가물, 내연기관 연료, 수송용 및 산업용으로 사용되는 기타 다른 탄화수소계 유체와 이들의 조합물로 구성된 집단에서 선택된 유체에 제1주파수 및 제1의 DC 옵셋으로 AC 전위를 인가하는 단계;
    상기 발생하는 제1전기응답을 측정하는 단계;
    제2전기응답이 발생되도록 0이 아닌 제1의 DC 옵셋 전압, 제2의 DC 옵셋 전압 또는 이들의 조합 및 제2주파수로 AC 전위를 상기 유체에 인가하는 단계;
    상기 발생하는 제2전기응답을 측정하는 단계와;
    인가된 각각의 전위에 대하여 측정된 제1전기응답 및 제2전기응답으로부터 유체의 품질 또는 상태, 또는 품질 및 상태 모두를 분석하는 단계를 포함하며,
    상기 제2주파수 및 제2의 DC 옵셋은 제1주파수 및 제1의 DC 옵셋과는 상이한 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰방법.
  2. 제1항에 있어서,
    결정된 전기 임피던스, 분석된 유체 품질 상태 및 이들의 조합에 기초하여 제어기에 의해 상기 AC 전위를 반복적으로 인가하는 단계;
    상기 발생하는 전기응답을 반복적으로 측정하는 단계와;
    결정된 전기 임피던스, 분석된 유체 품질 상태 및 이들의 조합에 기초하여 상기 제어기에 의해 인가된 각각의 전위에 대하여 상기 측정된 제1 및 제2전기응답 또는 상기 측정된 제1 및 제2전기응답에서의 변화, 또는 상기 측정된 제1 및 제2전기응답 및 상기 측정된 제1 및 제2전기응답에서의 변화 모두로부터 유체의 품질, 상태, 또는 품질 및 상태 모두를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰방법.
  3. 고전기저항성 유체를 관찰하는 방법에 있어서,
    윤활유와, 천연 모터유와, 합성 모터유와, 표준형 첨가제와, 부가물과, 내연기관 연료와, 수송용 및 산업용으로 사용되는 기타 다른 탄화수소계 유체와, 이들의 조합물로 구성된 집단에서 선택된 유체를 통해, 적어도 2개의 상이한 AC 전위를 포함하며 이들중 적어도 하나의 AC 전위는 0이 아닌 DC 옵셋을 갖는 AC 신호를 인가하는 단계와,
    인가된 각각의 전위에서 유체의 전기응답을 측정하는 단계와,
    인가된 AC 신호 및 이에 대응하는 측정된 전기응답을 사용하여 유체의 품질 또는 상태, 또는 품질 및 상태 모두를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 AC 신호는 DC 옵셋이 고정된 AC 전위이고,
    상기 AC 신호의 주파수는 연속적인 방식, 적어도 하나의 0이 아닌 DC 옵셋을 위한 일련의 불연속 주파수 스텝 또는 이들의 조합으로부터 선택된 방법에 의해 하나의 주파수에서 다른 주파수로 소인되는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 AC 신호는 주파수가 고정된 AC 전위이고,
    상기 DC 옵셋 전압은 연속적인 방식, 적어도 하나의 주파수를 위한 일연의 불연속 전압 스텝 또는 이들의 조합으로부터 선택된 방법에 의해 하나의 DC 옵셋 전압에서 다른 전압으로 소인되며,
    상기 유체의 온도에서 상기 유체의 온도변화를 측정하는 단계;
    상기 측정된 온도에 기초하여 상기 인가된 AC 전위를 제어하는 단계와;
    필요로 하는 온도까지 관찰된 유체를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰방법.
  6. 고전기저항성 유체를 관찰하는 장치에 있어서,
    관찰될 유체에 잠기는 적어도 한쌍의 이격된 전극과,
    적어도 2개의 상이한 AC 전위를 가지며 그중 적어도 하나의 전위는 0이 아닌 DC 옵셋을 갖는 전기신호를 상기 전극에 인가하는 적어도 하나의 신호발생기와,
    인가된 신호에 대한 전기응답을 측정하는 적어도 하나의 모니터와,
    유체의 품질 또는 상태, 또는 품질 및 상태 모두를 결정하기 위하여, 인가된 전기 신호와 이에 대응하는 측정된 전기응답을 분석하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰장치.
  7. 제6항에 있어서, 전기응답 모니터는 인가된 전위에 응답하여 발생된 전류를 측정하는 전류센서이며, 상기 제어기는 신호발생기를 제어하는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰장치.
  8. 고전기저항성 유체를 관찰하는 장치에 있어서,
    관찰된 유체와 접촉하는 검출수단과,
    상기 검출수단과 전기접촉된 신호발생기 수단과,
    인가된 신호에 대한 전기응답을 측정하는 관찰수단과,
    유체의 품질 또는 상태, 또는 품질 및 상태 모두를 결정하기 위하여, 인가된 전기신호 및 그 대응의 측정된 전기응답을 분석하는 제어수단과,
    유체의 온도를 관찰하는 수단과,
    결정된 유체 품질 또는 상태, 또는 품질 및 상태 모두를 관찰된 유체온도로 보상하는 수단과,
    관찰된 유체 온도로 상기 신호발생기 수단을 제어하는 수단과,
    관찰될 유체의 온도를 제어하는 수단과,
    관찰될 유체가 완전히 교환되는 시기와, 부분적으로 재충진되는 시기와, 재충진 유체의 농도를 결정하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 신호발생기 수단은 적어도 2개의 상이한 AC 전위를 가지며 그중 적어도 하나의 전위는 0이 아닌 DC 옵셋을 갖는 전기 신호를 상기 검출수단에 인가하며; 상기 제어수단은 신호발생기 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰장치.
  9. 고전기저항성 유체를 관찰하는 방법에 있어서,
    유체에 제1전기신호를 인가하는 단계와,
    제1전기신호에 대한 제1전기응답을 측정하는 단계와,
    유체에 제2전기신호를 인가하는 단계와,
    제2전기신호에 대한 제2전기응답을 측정하는 단계와,
    측정된 적어도 하나의 제1전기응답 및 제2전기응답을 사용하여 유체의 상태 및 품질중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 제1전기신호는 제1시간변화성분 및 제1시간불변성분을 포함하며; 상기 제2전기신호는 제2시간변화성분 및 제2시간불변성분을 포함하고,
    상기 제2시간변화성분과 제2시간불변성분은 제1시간변화성분 및 제1시간불변성분과는 상이하며; 제1시간불변성분 및 제2시간불변성분중 적어도 하나는 0이 아닌 것을 특징으로 하는 고저항성 유체의 관찰방법.
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