KR20040017857A - 유체 속의 이물질을 검출하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

유체 속에 이물질을 추출하는 방법은 유체 속에 위치되어 있는 전극들에 에너지원을 인가하는 단계와, 복수의 다른 주파수의 교류 에너지에 대한 전극 양단에 실제 및 가상 전기 임피던스 값을 측정하는 단계와, 그 유체 속에서 이물질의 적어도 하나의 특성을 식별하는 단계를 포함한다.

Description

유체 속의 이물질을 검출하는 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING EXTRANEOUS MATTER IN A FLUID}

오스트레일리아의 채광 산업에서, 석유 관련 엔진 또는 기타 기계에 의해 발생되는 정비 시간 또는 비가동 시간이 직접 경비의 대략 30-50%를 나타내는 것으로 추정되었다. 선진국의 경제에서, 기계와 엔진의 마모로 발생하는 손해는 국민총생산량의 약 6%를 나타낸다. 따라서, 마모를 확실하게 예측하고, 윤활유의 작동 유효성을 관리하는 효율적인 기술의 개발에 실질적으로 관심이 있다. 정기 오일 표본 분석(Scheduled Oil Sampling)에 기초한 현재의 진단 테스트는 성분 불량이 빠르게 진행하거나 오일 오염물이 갑자기 흡입되는 것을 즉시 검출할 수 없다.

더욱더, 많은 상황에서, 오일 교환 타이밍은 오일의 실제 상태보다는 오일을 이용하는 자동차나 기계의 측정된 사용 시간과 관련된다. 이상적으로는, 기계나 기계 부품들의 어떤 치명적인 고장이 발생하기 전에 오일의 품질 저하나 오염에 관한 정보를 얻을 수 있도록 오일의 상태를 모니터링하는 것이 바람직하였다.

오일 상태를 모니터링하는 데에는 복수의 다른 방법들이 적용되었다. 예를들면, 미국 특허 제4,831,362호의 명세서는 윤활유에 있는 강자성 입자들의 검출 장치를 개시한다. 이 검출 장치는 윤활유를 통해 유도성 결합되는 2개의 권선으로 이루어진다. 센서 권선 뒤에 위치되어 있는 영구 자석은 센서 권선에서 펄스를 올려 강자성 입자들을 끌어당기는 자속을 발생한다.

미국 특허 번호 제5,262,732호는 영구 자석과 전자석을 모두 이용하여 이들의 자기장을 윤활유에 동시에 부과함으로써 윤활유에 있는 강자성 입자들을 끌어당기는 시스템을 개시한다.

미국 특허 번호 제6,204,656호는 센서들의 배열을 통해 철 입자들의 특정 분포를 얻는 자기장 세기 기울기에 관한 센서들의 배열을 개시한다. 이들 모든 특허에 개시된 시스템들은 이동 기계에서 일반적으로 직면하는 기계 진동에 민감한 단점이 있다. 더욱더, 모니터링되는 오일의 품질 저하에 관하여 제한된 정보만을 얻을 수 있다.

또한, 유전 상수를 측정하는 시스템과 같이 오일 오염을 측정하기 위하여 다른 시스템들도 발명되었다. 그러나, 현재, 오일 오염물의 범위를 모니터링할 수 있고, 다른 유체들의 분석과 모니터링에 적용될 수 있는 시스템은 없다.

본 발명은 오일 등의 유체의 분석에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 말하면 오염물 등의 이물질에 대한 유체 품질을 모니터링하는 것에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 유체 속에서 이물질을 검출하는 어셈블리의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 0.1㎐ 내지 1㎒의 주파수 범위에 대하여 가상 임피던스 대 실제 임피던스를 보여주는 임피던스 스펙트럼을 도시한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 수질을 오염시키는 오일에 대한 임피던스 스펙트럼을 그래프로 도시한다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따라 임피던스 스펙트럼을 그래프로 도시한다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따라 임피던스 스펙트럼을 그래프로 도시한다.

도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따라 임피던스 스펙트럼을 그래프로 도시한다.

도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따라 산화도(허용가능한 %) 대 EIS 피크 높이(Ω×10⁴)의 그래프를 도시한다.

도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼을 도시한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체 속의 이물질을 검출하여 분석하는 방법의 개략도를 도시한다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극간의 갭이 철 입자들로 완전히 채워지는 경우에 한계값(limiting value)에 도달하는 입자 검출 전극간의 임피던스 대 시간의 그래프를 도시한다.

도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 유체 속의 전극 양단에 임피던스 대 시간의 그래프를 도시한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 임피던스 감소 대 이온 입자 농도의 비율에 대한 그래프를 도시한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 이온 입자 크기를 변하게 하는 임피던스 스펙트럼의 그래프를 도시한다.

도 13은 도 1에 도시된 어셈블리를 하우징하는 어댑터를 도시한다.

본 발명은 유체 속의 이물질을 검출하는 대안의 방법 및 어셈블리를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 윤활유의 온라인 검출 시스템은 전기 임피던스 분광 기법(Electrical Impedance Spectroscopy technique)을 토대로 제공된다.이 검출 시스템은 오염물의 유형과 정도 및 오일 품질 저하, 특히 철 마모 입자들의 농도와 평균 크기에 관한 정보를 온라인으로 제공할 수 있다. 이 정보는 정비 시간과 비가동 시간의 비용적인 면이 발생하기 전에 미리 그 문제점들을 검출할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 있어서, 유체의 이물질 검출 방법은, 유체 속에 전극을 위치시키고, 그 전극에 에너지원을 인가하는 단계와, 에너지의 복수의 상이한 주파수 동안에 전극 양단에 실제 전기 임피던스값 및 가상 전기 임피던스값을 측정하는 단계와, 그 복수의 상이한 주파수 동안에 측정된 실제 및 가상 전기 임피던스의 변화를 토대로 유체 속의 이물질 중 적어도 한가지 유형의 이물질이 갖는 적어도 하나의 특성을 식별하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 그 방법은 유체 속의 이물질의 유형 및 정도를 검출하고, 유체 속의 이물질의 유형 및/또는 정도를 식별할 수 있다.

바람직하게는 에너지원이 교류 전류 또는 전압을 전극에 인가하는 것이 좋다.

그 전극들은 복수의 쌍으로 구성되며, 이 전극쌍들의 양단에 전압 강하를 제공할 수 있다.

바람직하게는 복수의 전극들을, 함께 접속되는 복수의 제1 전극 및 함께 접속되는 복수의 제2 전극으로 구성되게 하는 것이 좋다.

실제 및 가상 임피던스값들은 바람직하게는 임피던스, 어드미턴스, 모듈러스, 유전율 등의 수학 관련 변수들의 실제 및 가상 성분들을 포함하는 것이 좋다.

그 방법은 유체 속의 이물질 존재의 복수의 특징들을 식별하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그 이물질에는 바람직하게는, 기체, 고체, 액체 또는 열, 전하 등의 에너지나, 전술한 기타 오염물을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 본 발명은 선택된 주파수에서 또는 0.1㎐ 내지 1㎒의 주파수 범위에서 임피던스의 실제 부분과 가상 부분을 측정하는 단계를 포함한다.

그 측정 단계는 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분에 대한 주파수 스펙트럼을 디스플레이하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 그 방법은 각각의 측정 주파수 또는 측정된 임피던스 스펙트럼에서 유체의 온도를 측정하는 단계를 포함한다.

그 방법은 실제 및 가상 임피던스 값들의 주파수 스펙트럼을 디스플레이 및/또는 발생하는 단계를 포함할 수 있다.

그 방법은 가상 임피던스 값 대 실제 임피던스 값의 복소 평면 도식 또는 실제 임피던스 값과 가상 임피던스 값에서 유발된 양(quantities)의 도식 형태로 임피던스 스펙트럼을 디스플레이하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 그 방법은 철 마모 입자들의 농도 및/또는 평균 입자 크기를 판정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는 철 마모 입자들의 농도 및/또는 크기를 임피던스 스펙트럼으로부터 판정된다.

그 주파수 범위는 0.1㎐ 내지 1㎒가 바람직하다.

그 방법은 그 측정된 임피던스 스펙트럼으로부터 이물질을 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 그 방법은 그 측정된 임피던스 스펙트럼의 피크수 및/또는 피크 위치를 판정하는 단계를 포함한다.

또한, 그 방법은 그 측정된 임피던스 스펙트럼의 피크 높이 및/또는 피크의 상대 높이를 판정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그 방법은 미리 정해진 시간을 통해 임피던스 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 그 방법은 시간의 경과에 따라 선택되는 주파수에서 임피던스를 측정하는 단계를 포함한다.

그 방법은 임피던스 스펙트럼을 분석하여, 스펙트럼 피크 높이 대 산화 정도 등의 이물질의 정도에 대한 그래프를 발생하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

주목할 점은 임피던스 스펙트럼을 기준으로 전기 임피던스 스펙트럼(EIS : Electrical Impedance Spectrum)을 참조해야 한다는 것이다.

바람직하게, 그 이물질은 매연, 물, 냉각제, 디젤, 철 입자, 산화물을 포함한다.

바람직하게는, 그 방법은 유체 등의 물질 농도, 크기 및 유형의 EIS로부터의 측정을 포함한다.

바람직하게는, 그 방법은 전극들간에 철 입자들을 끌어당기기 위하여 자기장을 인가하는 단계를 포함하며, 이에 따라 전극들간의 갭이 철 입자들의 패킷화 베드(packed bed)에 의해 채워질 수 있다.

바람직하게, 그 자기장은 DC 전자석을 이용하여 발생된다.

그 방법은 시간 동안 전극들간의 갭 속에 철 입자들의 패킷화 베드 양단에 선택된 주파수에서 전기 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

그 방법은 유체 속에 측정된 이물질의 복수의 특징의 그래프 디스플레이를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 입자 농도는 전극들간의 갭에서 임피던스의 변화율로부터 판정된다.

그 방법은 제1 전극 세트 및 제2 전극 세트를 제공하는 단계를 포함하는 데, 그 제1 전극 세트는 철 입자들을 검출하고, 제2 전극 세트는 기타 이물질을 검출한다.

그 방법은 제1 전극 세트가 위치되는 영역을 통하여 자기장을 발생하는 자기장 발생 수단을 제공하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그 자기장은 바람직하게는 DC 전자석에 의해 인가되는 것이 바람직하다.

제1 전극 세트는 전자석의 축에 수직인 비전도성 기판에 장착될 수 있다.

제1 전극 세트의 크기는 제2 전극 세트보다 훨씬 작은 것이 바람직하다.

제1 전극 세트는 제2 전극 세트의 유체 다운스트림의 흐름에 축방향으로 정렬되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 그 방법은 패턴 인식 알고리즘을 이용하여 임피던스 스펙트럼을 분석함으로써, 유체 속에 이물질의 유형 및/또는 정도를 식별하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 그 방법은 임피던스 스펙트럼의 특징 변수들의 변화를 판정하는 것에 의해 유체 속에 이물질이 있는지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 유체 속에 위치된 제1 전극 세트를 포함하여 유체 속에서 이물질을 검출하는 어셈블리가 제공되는 데, 그 전극들은 유체 챔버를 통과하는 유체의 흐름과 축방향으로 정렬되고, 그 전극들에는 복수의 주파수 동안에 전극들의 양단에 실제 임피던스 값 및 가상 임피던스 값을 측정하는 측정 장치가 접속됨으로써, 데이터 프로세서가 복수의 상이한 주파수 동안에 실제 및 가상 임피던스 값들의 변화를 디스플레이할 수 있다.

바람직하게는, 그 측정 장치는 전극들의 양단에 전기 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위하여 설치된다.

바람직하게는, 그 장치는 유체 챔버에 위치되고, 측정 장치에 접속되어, 제1 전극 세트에 의해 검출된 이물질과 다른 이물질을 검출하는 제2 전극 세트를 포함한다.

제1 전극 세트는 제2 전극 세트의 다운스트림에 위치되는 것이 바람직하다.

그 어셈블리는 전자석 등의 자기장 발생기를 포함할 수 있다.

그 어셈블리는 전극들이 위치되는 유체 챔버가 있는 어댑터 하우징을 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 그 방법은 제1 및 제2 자동 유도제, 그 측정된 임피던스 스펙트럼으로부터 추출된 실제 임피던스의 선택 범위 상에서 가상 임피던스 성분의 평균값 등의 특징 변수들의 변화를 판정함으로써 유체 속에 특정 물질이 존재하는지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 임피던스의 비율을 계산하는 단계는 자기장이 제1 전극 세트에 인가되는 경우에 처음의 시작 50초 동안에 상대 임피던스 대 시간의 평균 곡선 기울기로부터 감소한다.

바람직하게, 그 방법은 임피던스 크기 대 시간의 곡선을 기록하고, 그 곡선을 상대 임피던스의 곡선으로 변환하는 단계를 포함하고, 그 상대 임피던스 곡선은 그 임피던스의 크기 대 갭 속에 어떤 철 입자들도 없는 임피던스 크기의 비율과 시간으로서 정의된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 유체 속의 이물질 분석 방법은 유체 속의 전극 양단에서 측정된 실제 임피던스 값 및 가상 임피던스 값을 포함하는 데이터인 임피던스 데이터를 수신하는 단계와, 복수의 시간 간격에서 임피던스 스펙트럼을 기록하는 단계와, 상기 수신된 임피던스 데이터에 대한 임피던스 스펙트럼의 피크 높이를 계산하는 단계와, 임피던스 스펙트럼의 피크 높이와 기준 임피던스 스펙트럼 피크 높이를 비교하는 단계와, 이 비교 단계로부터 이물질의 특성을 판정하는 단계를 포함한다.

그 방법은 그 수신 데이터의 임피던스 스펙트럼에서 얼마나 많은 피크들이 나타나는지를 판정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그 방법은 임피던스 스펙트럼의 피크수 및 각 피크의 높이에서 특정 물질이 나타나는지 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 그 방법은 단일 피크 또는 임피던스 스펙트럼의 높이를 판정하는 것에 의해 특정 물질이 존재하는지 여부를 판정하고, 30㏀ 내지 50㏀와 같은 미리 정해진 범위내에 특정 물질이 있는지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.

이 30㏀ 내지 50㏀의 범위는 전극들의 구성이 변함으로써 변할 수 있다.

데이터 프로세서는 시간의 경과에 따라 임피던스 크기의 변화를 디스플레이하기 위하여 프로그래밍되는 것이 바람직하다.

그 방법은 임피던스 스펙트럼의 각 피크가 변형되고, 중요한 테일 (significant tail)을 갖는 경우를 판정하는 것에 의해 특정 물질이 나타나는지 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

그 방법은 임피던스 스펙트럼의 각 피크가 변형되고, 저주파 범위에서 중요한 테일을 갖는 경우를 판정하는 것에 의해 특정 물질이 나타나는지 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명은 유체 속의 오염물을 검출하는 방법을 제공하고, 이 방법은,

유체 속에 제공된 전극쌍에 전계를 인가하고, 그 유체와 이와 동일한 유체의 오염되지 않은 샘플 사이의 전계 특성의 변화를 측정하는 것을 포함한다.

그 방법은 또한 전극쌍 근처의 유체에 자계를 인가하여 철 입자들을 전극쌍으로 끌어당기는 것을 포함한다.

본 발명은 또한 유체 속의 오염물을 검출하는 장치를 제공하며, 이 검출 장치는,

비전도 베이스에 제공되어 있고, 유체 속에 잠겨있는 전극쌍과,

그 전극쌍에 전기장을 인가하는 수단과,

전계 특징의 변화를 측정하는 측정 수단을 포함한다.

그 검출 장치는 또한 전극쌍 근처에 자기장을 인가하는 수단을 또한 포함할 수 있다.

이들 도면에 도시된 임피던스 값들은 Ω단위로 제공되는 점에 주의해야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유체 속에서 이물질을 검출하는 어셈블리는 통상 1.6㎜ 만큼 이격된 유체 측정 전극(11)의 세트 및 통상 0.6㎜만큼 이격된 철 마모입자 검출 전극(12)의 세트로 이루어진다. 이들 전극은 도 13에 도시된 바와 같이 어댑터 하우징(13)의 유류(fluid stream)에 위치된다.

이 유체 측정 전극(11)은 철 입자 검출 전극(12)보다 훨씬 크고, 철 입자 검출 전극(12)의 업스크림에 위치된다.

그 철 입자 검출 전극(12)도 또한 유체 측정 전극(11)의 정렬축에 우각 (right angle)으로 평행하게 함께 정렬된다.

그 유체 측정 전극(11)보다 훨씬 작은 철 입자 검출 전극은 어댑터(13)보다 작은 유체 챔버(14) 안에 위치된다.

DC 전자석(18)은 유체 챔버(14)에 매우 근접하게 위치되어, 이 챔버를 통해 자기장을 제공한다.

유체 측정 전극들이 제공되는 기타 챔버(15)는 챔버(14)와 분리되는 것이 바람직하다.

각각의 전극 세트는 전극들의 쌍이 연속적으로 이루어져 있고, 그 각각의 대안의 전극쌍들은 전기적으로 함께 접속된다.

전기 임피던스 분광기(16)는 각각의 전극들의 세트 뿐만 아니라 미니 컴퓨터 (17)에 접속된다.

동작시, 오일은 어댑터(13)를 통하여 흘러, 유체 측정 전극(11)과 강자성 마모 입자 검출 전극(12)의 플레이트 사이를 통과한다.

전자석 또는 솔레노이드(18)에 에너지를 인가함으로써, 챔버(14)를 통하여 자기장이 형성된다.

그 후에, 전기 임피던스 분광기(16)는 선택된 주파수, 통상 10㎑의 주파수에서 전극(12) 양단에 전기 임피던스를 기록하기 위하여 동작된다. 자기장의 영향을 받는 상태에서, 윤활유와 같은 오일의 철 마모 입자들은 전극들 사이의 갭으로 이동될 것이다. 시간의 경과에 따라, 철 입자들은 각각의 전극쌍 사이의 갭을 점차적으로 채우고, 최종적으로, 그 전극(12)들은 철 입자들의 파일로 완전히 매립될 것이다. 따라서, 시간의 경과에 따라, 각 전극쌍의 양단의 임피던스는, 도 10a에 도시된 바와 같이, 임피던스가 한계값에 접근할 때까지 점차적으로 감소할 것이다.

철 입자들의 농도가 높을 수록, 그리고 전극(12) 양단의 임피던스의 한계값 간의 시간 간격이 짧을 수록 접근된다.

자기장의 강화 효과 및 각 전극쌍간의 좁은 갭의 사용때문에, 그 어셈블리는 1백만당 극소수일 정도로 작은 농도를 갖는 이온 입자를 검출할 수 있다.

도 1과 같이 복수의 전극쌍을 이용함으로써, 어셈블리의 감도는 더욱 증가된다.

강자기장을 이용하면, 5 내지 20 ㎛의 크기 범위를 포함하는 대부분의 철 입자들은 벌크 오일 상태(bulk oil phase)로부터 전극들 사이의 갭으로 이동할 수 있다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 측정된 상대 임피던스 상에 이온(철) 입자의 농도의 효과는 전극들 간의 갭에 크기가 63 내지 102 ㎛ 인 철 입자를 누적시키는 시간의 경과에 따라 감소한다. 그 상대 임피던스는 자기장의 동작을 갖는 캡의 임피던스와 그 갭속에 철 입자들이 없는 임피던스의 비율로서 정의된다. 따라서, 도10b는 보다 높은 철 입자 농도, 예를 들면 200 PPM(parts per million)의 경우에 전극(12)사이의 갭의 임피던스가 보다 낮은 철 입자 농도보다 얼마나 빠르게 감소하는지를 보여준다.

도 11에는 임피던스 감소의 비율에 관한 이온 입자 농도 및 크기의 효과가 도시된다. 그 임피던스 감소의 비율은 도 10b에 도시된 바와 같이 임피던스 감소 곡선의 초기 50초에 평균 기울기로서 정의된다. 이 도면에는 입자 크기가 커질 수록 특정 이온 입자 농도의 임피던스 감소율보다 얼마나 커지는지가 보여질 수 있다.

도 12에는 검출 전극(12)들 사이의 갭이 완전히 채워질 때 패킷화 배드의 EIS에 관한 이온 입자 크기의 효과가 도시된다. 각각의 입자 크기에 대하여, 입자 크기의 증가에 따라 감소하는 피크 가상 임피던스 값이 있다는 것을 볼 수 있다.

가상 임피던스 피크의 위치는 또한 이온 입자크기가 다르기 때문에 실제 임피던스 값을 중심으로 변한다.

전술한 바와 같이, 전기 임피던스 스펙트럼을 관찰함으로써, 오일 등의 유체 속에 이온 또는 철 입자의 크기와 농도 속성을 식별할 수 있다.

다음 측정 싸이클을 시작하기 전에, 전자석은 제1 전극 세트 사이의 갭으로 끌어당겨진 철 입자들을 풀어놓기 위하여 스위칭 오프되어야 한다. 신규 측정은 전자석을 스위칭 온한 후에, 즉시 시간의 함수로서 갭에 임피던스의 크기를 측정 및 기록함으로써 시작된다. 그 임피던스 크기가 한계값에 도달하거나, 시간에 따라 매우 천천히 변하는 경우에 기록은 중지된다. 그 후에, 완전히 채워진 갭 양단의 전기 임피던스 스펙트럼은 교류 에너지의 복수의 상이한 주파수 동안에 실제 및 가상 전기 임피던스 값을 측정함으로써 판정된다. 선택된 주파수에서 피크 높이, 임피던스 크기 또는 실제 및 가상 성분값들을 포함하는 특징 변수들은 전기 임피던스 스펙트럼으로부터 판정되고, 그 갭속의 철 입자들의 크기를 판정하기 위해서 다른 철 입자 크기로 저장된 기준 변수와 비교된다. 임피던스 크기 대 시간의 곡선은 그 임피던스 크기를 갭속에 어떠한 철 입자도 없는 임피던스 크기로 분할함으로써 상대 임피던스 대 시간의 곡선으로 변환된다. 그 후에, 그 임피던스 감소율은 처음 50초 안에 상대 임피던스 대 시간의 곡선의 평균 기울기로부터 계산된다. 그 임피던스 감소율을 상이한 철 입자 크기로 저장된 기준 임피던스 감소율과 비교하여, 유체 속의 철 입자들의 농도를 판정한다.

오일 등의 유체가 철 입자 이외의 오염물을 포함하기 때문에, 도 1에 도시된 어셈블리는 커다란 전극(11)을 포함한다.

유체 측정 전극(11) 양단의 전기 임피던스 스펙트럼을 측정함으로써, 유체 속의 이물질에 관한 정보가 식별될 수 있다.

예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 천연 윤활유의 전기 임피던스 스펙트럼에 관한 오일 유형/브렌드의 효과가 확인될 수 있다.

0.1㎐ 내지 1㎒의 주파수 범위에 대하여, 참조 번호 20, 21, 22, 23, 24로 나타낸 상이한 유형의 오일들이 얻어질 수 있다. 각각의 경우에 있어서, 스펙트럼은 피크의 측부의 어느 한 쪽에서 떨어지는 특정 주파수로 피크 가상 임피던스 값을 발생한다. 따라서, 이러한 스펙트럼의 그래프 표현이나 대응하는 수학 표현은유체(이러한 경우, 오일)의 특정 유형에 대한 기준 곡선을 제공한다. 이들 기준 곡선은 온도점의 범위에 대하여 설정될 수 있다.

가스, 산화물, 매연 등의 이물질을 식별하기 위해서, EIS는 유체 속에 오염물과 같은 이물질을 식별하기 위하여 관찰될 수 있다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 수질을 오염시키는 오일의 EIS가 도시된다.

0.5% 수질 오염시키는 오일에 대하여, 임피던스 스펙트럼은 여전히 피크를 나타내지만, 이 피크는 영역(26)을 통하여 사라지기 전에 계단형 영역(25)에 주파수 값을 감소시킴으로써 없어진다. 수질 오염의 양이 증가(2% 물)함으로써, EIS 스펙트럼은 2개의 피크(27, 28)를 발생한다. 그 피크수, 높이 및 위치를 관찰함으로써, 물에 오염물이 있는지 여부를 식별할 수 있다.

도 4에 있어서, EIS는 오염물로서 냉각제(에틸렌 글리콜)를 갖는 오일에 대하여 발생된다. 이러한 경우, 0.1% 냉각제에 대한 곡선은 상이한 높이의 2개의 피크를 갖게 발생된다. 냉각제 오염물이 백분율 단위(0.5% 냉각제)로 증가함으로써, 제2 피크는 항목(29, 30)에 의해 참조된 바와 같이 제1 피크에 관한 크기로 줄어든다.

오일의 유형에 따라, 피크의 형상 및 높이의 차이가 변할 것이다. 따라서, 물 또는 냉각제로 오염된 일부 오일에 대하여, 제2 피크는 제1 피크의 높이보다 커질 수 있다. 그러나, 오염되지 않은 EIS 곡선을 이용하여, 이 EIS 곡선과 다른 양의 물 또는 냉각제 오염물의 EIS 곡선을 비교함으로써, 검출된 EIS 곡선과 상이한물 또는 냉각제 오염물로 이전에 기록된 데이터를 보여주는 EIS 곡선을 비교하고, 필드 적용시 검출된 EIS 곡선과 이전에 기록된 EIS 곡선을 일치시켜 물 또는 냉각제 오염물의 양에 대한 최적의 계산을 얻는 것에 의해 물 또는 냉각제의 양을 식별할 수 있다.

도 5는 디젤 오염물을 갖는 오일에 대한 EIS 곡선의 다른예를 도시한다. 곡선(31)은 오염되지 않은 오일 곡선을 보여주는 반면, 곡선(32)은 오염된 오일 곡선을 보여준다.

디젤 오염물에 관하여 EIS 곡선이 어떻게 변하는지에 관한 데이터를 얻음으로써, 디젤 오염물에 대한 오일의 어떤 필드 시험을 위한 기준점으로 이용될 수 있다.

도 6은 시간 단위로 사용 시간에 따른 오일의 EIS 변화를 보여준다. 이러한 특정 오일에 대하여, 피크 가상 임피던스 값이 200 시간까지 사용 시간에 따라 증가한 후에, 감소하는 것이 보여질 수 있다. 기타 오일에 대하여, 피크값은 사용 시간에 따라 항상 감소할 수 있다.

도 7의 그래프는 도 6에 도시된 바와 같이 감소 단계에서 EIS 피크 높이가 산화도의 표시를 허용가능한 백분율로 제공하는 방법이 제공된다. 피크 높이 증가 단계에 대한 유사한 관계도 또한 확립될 수 있다. 따라서, EIS 곡선의 피크 높이를 관찰함으로써, 특정 오일에 대한 산화도를 식별할 수 있다.

도 8에 있어서, EIS 곡선의 피크 형상 및 높이는 매연 내용물에 따라 변한다. 그 곡선은 매연 내용물의 증가로 피크가 어떻게 변형되고 보다 많이 사라지는지를 보여준다.

전술한 검출 어셈블리를 이용하여 얻은 EIS 측정치로부터 유발된 관찰을 토대로, 자동화 절차를 적용하여 오일 속에 이물질을 식별할 수 있다. 컴퓨터 프로그램에 의해 수행될 수 있는 자동화 절차는 도 9를 참조로 기술된다.

오일 변화가 발생했을 때(단계 40), 전기 임피던스 스펙트럼은 온도점의 범위 동안에 측정되고, 전술한 검출 장치를 이용하여 기록된다. 오일 유형/브렌드가 특별한 적용에 적절한 경우(단계 41), 제어 컴퓨터는 검출 장치를 기동시켜 5분마다 EIS를 측정 및 기록할 수 있다(단계 42). 대안으로, 적합한 유형의 오일이 제공되지 않았다면, 디스플레이에 경보 신호를 제공하여, 적합한 유형의 오일이 사용될 필요가 있음을 관찰자에게 통지한다.

EIS가 측정 및 기록된 후에, 데이터 프로세서는 피크수 및 피크 높이를 계산하고, 각각 발생한 곡선에 대한 피크 형상의 특성을 나타내기 위하여 프로그래밍된다(단계 43). 그 후에, 데이터 프로세서는 데이터 분석을 수행하여, EIS가 이중 피크를 가졌는지 여부를 식별한다(단계 44). 그 응답이 "yes"인 경우, 데이터 프로세서는 피크의 높이가 미리 정해진 임계치, 예를 들면 30㏀ 미만인지 여부를 식별하기 위하여 프로그래밍된다(단계 45). 그 후에, "yes"인 경우, 데이터 프로세서는 물 또는 냉각제 오염물이 오일에서 식별되었다고 지시하는 출력을 발생할 수 있다(단계 46). 대안으로, 그 높이가 미리 정해진 임계치보다 큰 경우, 데이터 프로세서에 의해 출력을 발생하여, 디젤 연료 오염물이 있다고 지시한다(단계 47). 다시 단계(46)로 돌아가서, 대안으로서, 데이터 프로세서가 EIS가 이중 피크를 갖지 않는다고 식별하는 경우, 측정된 EIS 곡선의 높이를 베이스 또는 기준 EIS 뿐만 아니라 이전의 EIS 높이와 비교하는 비교 단계를 수행한다(단계 48). 기준 EIS와 이전 측정의 EIS 모두보다 높이가 높으면, 데이터 프로세서는 이것을 기록하고, 검출 어셈블리에 5분마다 EIS 측정 및 기록을 지속적으로 지시한다. 대안으로, 그 높이가 기준 EIS 또는 이전 EIS에서보다 낮으면, 추가적인 분석 단계가 수행된다(단계 49). EIS의 높이가 이전 EIS 보다 낮으면, 추가적인 분석이 데이터 프로세서에 의해 수행되어, 피크의 높이가 미리 정해진 범위, 예를 들면 30 내지 50㏀ 내에 있는지 여부를 식별한다(단계 50). 이러한 범위내에 그 높이가 있다고 데이터 프로세서가 식별하는 경우, 데이터 프로세서는 높은 산화 및 유황 산물이 오염의 원일이 될 수 있다는 것을 지시하는 출력을 발생한다(단계 51).

그 높이가 미리 정해진 범위 내에 있지 않은 경우, 데이터 프로세서는 피크가 변형되었는지 여부를 식별하기 위하여 피크를 분석하고, 중요한 테일을 포함한다(단계 52). 데이터 프로세서가 상당한 변형이 있다는 것을 식별하는 경우, 매연 오염이 있다는 것을 지시하는 출력을 발생한다(단계 53).

피크 변형이 없으면, 데이터 프로세서는 오일이 전술한 오염물 중 어느 것에 의해서도 과도하게 오염되지 않았다는 것을 추론하고, EIS를 지속적으로 측정 및 기록한다(단계 42). 유사하게, 그 피크의 높이가 마지막 피크보다 낮은 경우에(단계 45), 단계(42)의 측정 및 기록이 반복된다.

전술한 절차는 도 1에 도시된 검출기 어셈블리를 이용하는 것에 의해 실행될 수 있는데, 그 검출기 어셈블리의 미니 컴퓨터(17)는 전기 임피던스 분광기를 제어하여, EIS 측정 후에, EIS 결과를 분석하기 위하여 바람직하게 프로그래밍된다.

또한, 검출 어셈블리가 예를 들면 원격 측정법에 의해 온라인으로 제어될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 그 검출 어셈블리는 전극들을 이 전극들의 단일 뱅크에 결합하여, 다른 이물질과 검출한 이온 입자들을 결합하기 위하여 수정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 전자 임피던스 분광기를 이용하여 기술되었지만, 대안의 장치들은 전체의 주파수 범위를 통해 실제 및 가상 임피던스 값을 기록하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 전압원은 가변 주파수를 가질 수 있다. 그 후에, 증폭 계측기는 전류의 변화를 측정하는데 이용될 수 있다. 대안으로, 오실로스코프는 임피던스 스펙트럼을 기록하는 데 이용될 수 있다.

Claims (38)

1. 유체 속의 이물질을 검출하는 방법으로서,

   유체 속에 위치된 전극들에 에너지원을 인가하는 단계와,

   교류 에너지의 복수의 상이한 주파수 동안에 전극 양단에 실제 전기 임피던스 값 및 가상 전기 임피던스 값을 측정하는 단계와,

   상기 복수의 상이한 주파수 동안에 측정된 상기 실제 및 가상 전기 임피던스의 변화에 기초하여 유체 속의 이물질의 적어도 하나의 특성을 식별하는 단계를 포함하는 것인 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 에너지원은 교류 전압을 상기 전극들에 인가하는 것인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극들은 함께 접속된 복수의 제1 전극 및 함께 접속된 복수의 제2 전극으로 구성되는 것인 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 측정 단계는 실제 임피던스 부분 대 가상 임피던스 부분의 복소 도식(complex plot)의 형태로 임피던스 스펙트럼을 디스플레이하는 것을 포함하는 것인 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정된 임피던스 스펙트럼과 기준 임피던스 스펙트럼을 비교하여, 상기 유체 속에 존재하는 이물질의 특징을 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
6. 제5항에 있어서, 이물질이 존재하지 않는 유체에 대한 기준 임피던스 스펙트럼과 상기 측정된 임피던스 스펙트럼의 비교를 통하여 상기 유체 속의 이물질 존재의 적어도 하나의 유형을 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 주파수 스펙트럼은 0.1㎐ 내지 1㎒의 범위내에서 측정되는 것인 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 측정된 임피던스 스펙트럼에서 피크수를 판정하고, 상기 유체 속에 특정 이물질이 있는지 여부를 상기 피크 또는 각각의 피크로부터 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 임피던스 스펙트럼에서 각 피크의 높이를 판정하고, 이물질이 없는 유체에 대한 기준 임피던스 스펙트럼에서 각각의 피크 높이와 상기 측정된 각각의 피크 높이를 비교하여, 상기 유체 속에 이물질 존재의 유형을 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임피던스 스펙트럼에서 측정된 피크의 높이가 미리 정해진 범위 내에 있는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
11. 제8항, 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 피크가 변형되고 중요한 테일(tail)을 포함하는지 여부를 식별하여, 매연 형태의 이물질이 유체 속에 존재하는지를 판정하기 위하여 측정된 임피던스 스펙트럼을 분석하는 단계를 포함하는 것인 방법.
12. 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 속에 이물질의 유형 및/또는 정도를 식별하기 위해서 패턴 인식 알고리즘을 이용하여 임피던스 스펙트럼을 분석하는 단계를 포함하는 것인 방법.
13. 제1항에 있어서, 적어도 한쌍의 전극들의 양단에 자기장을 인가하여, 그 전극들 사이에 철 입자들을 끌어당기는 단계를 포함하는 것인 방법.
14. 제1항 또는 제13항에 있어서, 특정 이물질을 위하여 상기 유체의 기준 임피던스 스펙트럼을 저장하는 단계를 포함하는 것인 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 측정된 실제 및 가상 전기 임피던스 값과 상기 유체에 대하여 메모리에 저장된 기준 실제 및 가상 전기 임피던스 값을 비교하여, 상기 측정된 임피던스 스펙트럼이 상기 메모리에 저장된 임피던스 스펙트럼 중 하나와 실질적으로 동일한 경우에 상기 유체 속의 이물질 존재의 유형을 출력하는 단계를 포함하는 것인 방법.
16. 제13항에 있어서, 전극들의 제1 세트 및 제2 세트를 제공하는 단계를 포함하고,

    상기 제1 전극 세트는 철 입자들을 검출하고, 상기 제2 전극 세트는 기타 이물질을 검출하는 것인 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 전극 세트가 위치되는 영역을 통하여 자기장을 발생하는 자기장 발생 수단을 제공하는 단계를 포함하는 것인 방법.
18. 유체 속의 이물질을 검출하는 어셈블리로서,

    유체 챔버에 위치되어 있고, 상기 유체 챔버를 통하여 유체의 흐름과 축방향으로 정렬되는 제1 전극 세트와,

    상기 전극들에 접속되고, 복수의 주파수 동안에 전극들의 양단의 실제 및 가상 임피던스 값을 측정하는 측정 장치를 포함하고,

    데이터 프로세서는 복수의 상이한 주파수 동안에 실제 및 가상 임피던스 값의 변화를 디스플레이할 수 있는 것인 어셈블리.
19. 제18항에 있어서, 상기 유체 챔버에 위치되어 있고, 상기 측정 장치에 접속되어 상기 제1 전극 세트로 상이한 이물질을 측정하는 제2 전극 세트를 포함하는 것인 어셈블리.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 제1 전극 세트는 상기 제2 전극 세트의 다운스트림으로 위치되는 것인 어셈블리.
21. 제20항에 있어서, 상기 전극들이 위치되는 유체 챔버를 갖는 어댑터 하우징을 포함하는 것인 어셈블리.
22. 유체 속의 이물질을 분석하는 방법으로서,

    유체 속에 위치되는 전극들의 양단에서 측정된 실제 및 가상 임피던스 값들을 포함하는 데이터인 임피던스 데이터를 수신하는 단계와,

    복수의 시간 간격에서 임피던스 스펙트럼을 기록하는 단계와,

    상기 수신된 임피던스 데이터에 대한 상기 임피던스 스펙트럼의 피크 높이를 계산하는 단계와,

    상기 임피던스 스펙트럼의 피크 높이와 기준 임피던스 스펙트럼의 피크 높이를 비교하는 단계와,

    상기 비교 단계로부터 상기 이물질의 특징을 판정하는 단계를 포함하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 수신된 임피던스 데이터의 전기 임피던스 스펙트럼에 얼마나 많은 피크가 존재하는지를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 전기 임피던스 스펙트럼 피크수 및 각 피크의 높이에 의해 특정 물질이 존재하는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
25. 제23항에 있어서, 상기 전기 임피던스 스펙트럼의 피크가 변형되어 중요한 테일을 갖는 경우를 판정함으로써 특정 물질이 존재하는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
26. 제23항에 있어서, 상기 단일 피크의 높이가 가상 임피던스 값의 미리 정해진 범위 내에 있는지 여부를 판정함으로써 특정 물질이 존재하는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
27. 제21항에 있어서, 특징 변수들의 변경을 판정함으로써 상기 유체 속에 특정 물질이 존재하는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
28. 유체 속의 철 입자들의 특징을 검출하는 방법으로서,

    제1 전극 세트 근처에서 자기장을 유체에 인가하여, 그 전극들간의 갭으로 철 입자들을 끌어당기는 단계와,

    그 갭이 철 입자들에 의해 브리지(bridge)될 때까지 시간의 함수로서 상기 전극 양단의 임피던스 크기를 측정하는 단계와,

    교류 에너지의 복수의 상이한 주파수 동안에 전극들의 양단에 실제 및 가상 전기 임피던스 값을 측정하는 단계와,

    철 입자들에 관한 적어도 하나의 특징을 식별하는 단계를 포함하는 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 철 입자에 관한 특징은 철 입자들의 크기와 농도 중 하나를 포함하는 것인 방법.
30. 제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 철 입자들이 상기 갭을 브리지할 때, 상기 자기장을 없애는 단계를 포함하고, 상기 철 입자들은 다음 측정 단계를 시작하기 전에 유체 안으로 풀어지는 것인 방법.
31. 제30항에 있어서, 상기 제1 전극 세트 사이의 갭 양단에 측정된 임피던스 크기를 시간의 함수로서 기록하는 단계와,

    상기 임피던스 크기가 한계값에 도달하거나 시간에 따라 매우 천천히 변하는지 여부를 관찰함으로써, 그 갭이 철 입자로 완전히 채워지는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
32. 제30항에 있어서, 임피던스 크기 대 시간의 곡선을 기록하고, 그 곡선을 상대 임피던스의 곡선으로 변환하는 단계를 포함하는 것인 방법.
33. 제32항에 있어서, 상기 자기장이 유체에 인가되는 시간으로부터 처음 50초 안에 상대 임피던스 대 시간의 곡선의 평균 기울기로부터 임피던스 감소율을 계산하는 단계를 포함하는 것인 방법.
34. 제33항에 있어서, 선택된 주파수에서 피크 높이, 임피던스 크기 또는 실제 및 가상 성분값으로부터, 또는 상기 제1 전극 세트 사이에 완전히 채워진 갭에서 측정된 임피던스 스펙트럼으로부터 상기 철 입자들의 복수의 특징 변수를 판정하고, 상기 각각의 특징 변수와 상이한 철 입자들로 저장된 기준 변수를 비교하여 그 갭 안의 철 입자들의 크기를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
35. 제34항에 있어서, 상기 임피던스 감소율과 상이한 철 입자 크기로 저장된 기준 임피던스 감소율을 비교하여, 상기 유체 속의 철 입자들의 농도를 판정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
36. 제3항에 있어서, 0.1㎐ 내지 1.0㎒의 주파수 범위를 통하여 실제 및 가상 임피던스 부분을 측정하고, 가상 임피턴스값 대 실제 임피던스값의 복소 평면 도식의형태로 임피던스 스펙트럼을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것인 방법.
37. 제3항에 있어서, 상기 측정 단계는 0.1㎐ 내지 1.0㎒의 주파수 범위를 통하여 임피던스의 실제 부분 및 가상 부분을 측정하고, 상기 실제 및 가상 임피던스 값과 관련된 양의 도식에 의해 임피던스 스펙트럼을 디스플레이하는 단계를 포함하는 것인 방법.
38. 제37항에 있어서, 상기 스펙트럼 패턴을 특징하는 측정된 임피던스 스펙트럼 변수들을 추출하는 단계를 포함하는 것인 방법.