KR20150131307A

KR20150131307A - 다중 모드 유체 상태 감지용 센서 플랫폼 및 그 시스템

Info

Publication number: KR20150131307A
Application number: KR1020157029624A
Authority: KR
Inventors: 브리엔 본 허젠; 스티븐 반 플릿; 해미쉬 폴사이드; 랜덜 홀
Original assignee: 마스트잉크
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-11-24
Also published as: CA2907091A1; CN105143879A; HK1215471A1; EP2972306A4; MX2015012915A; EP2972306A2; WO2014151378A3; JP2016517520A; US20140266065A1; WO2014151378A2; BR112015023337A2

Abstract

본 발명은 자동차 왕복운동 엔진 및 차량 변속기 같은 순환 시스템에 함유된 유체의 다양한 상황을 다중 모드 통합형으로 동시에 측정하는 실시예를 포함한다. 이들 순환 시스템은 일정한 내부 윤활을 실행하고, 열 및 오염물을 제거하여 정상적인 작동시 내부 가동부들의 고유 마찰 및 손상을 방지한다. 가장 일반적으로, 윤활은 탄화수소 및/또는 관련 합성물에 기반한 유체에 의해 달성되며, 유체는 시간이 지남에 따라 그들의 보호 특성을 잃을 수 있으며, 그들의 성능이 변화되거나, 내부 및 외부 사건들(events)로 인해 분해 및 부식된다. 윤활유 내의 몇 가지 성분은 설계된 대로의 자체 임무를 실행하도록, 측정이 가능하며 시스템의 효율에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 유체의 질량 및 레벨은 또한 진행중인 기초로 모니터링 될 수 있다. 본원에서는 조기에 경고 및 통보하기 위한 실시간 동시 통합형 다중 모드 센서 시스템을 기술한다.

Description

다중 모드 유체 상태 감지용 센서 플랫폼 및 그 시스템{MULTI-MODAL FLUID CONDITION SENSOR PLATFORM AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 다중 모드 유체 상태 감지용 센서 플랫폼 및 그 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게 자동차 왕복운동 엔진 및 차량 변속기 같은 순환 시스템에 함유된 유체의 다양한 상황을 다중 모드 통합형으로 동시에 측정하는 다중 모드 유체 상태 감지용 센서 플랫폼 및 그 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 분야는, 제한되지 않으나, 자동차 산업과 관련이 있다. 특히, 유체는 고온의 환경에서 작동하는 운동성 윤활유를 이용하는 기계 엔진 및 대형 기계 장치와 관련이 있다. 이러한 윤활제의 경우, 윤활 시스템에 의해 보호되는 장비의 안전하고 신뢰성 있는 작동을 보증하기 위해서는, 유체 특성의 변화, 오염도, 및 성능의 변화를 실시간으로 모니터링하는 것이 유리하다. 이러한 접근법은 자동차, 항공기 또는 우주선, 산업 장비, 풍력발전 터빈, 구명용 의료기 및 기타 중요한 장치에 적용된다. 유체의 상태는 종종 정적 및 주기적인 접근법을 이용하여 측정되는데, 이를 위해 전형적으로 시스템에서 유체를 제거할 필요가 있다. 추출한 유체 샘플은 종종 다양한 파라미터의 역사적인 시계열을 비롯해, 윤활유의 여러 상황을 측정할 수 있는 절차 및 방법이 갖추어져 있는 전세계의 시험 연구실로 보낸다. 이때, 시간에 따른 변화를 검출하여 밀폐된 환경 내에서의 성능의 변화에 대한 이해를 얻을 수 있도록, 그러한 시간 기반의 장기적인 모니터링을 적용하는 것이 일반적인 관행이다. 예를 들면, 특수 입자가 높은 농도로 존재할 경우, 윤활되는 시스템 내의 어떤 기본적인 부품들의 마모도 및 성능을 나타낼 수 있다. 이러한 테스트는 전형적으로, 기본적인 윤활유 및 첨가제의 변화와 열화를 검출하고, 정상적인 작동으로 인한 가동부들의 정상적인(예기된) 및 비정상적인(예기치 않은) "마모"를 검출하는 것을 비롯해, 시간에 따른 유체의 특성 변화를 측정한다. 정적인 샘플은 대개 이물질 및 물체의 존재에 대한 검출을 비롯해, 다수의 테스트를 실행하는 기관으로 보낸다. 윤활유 변경시 같은 일부의 경우에는, 테스트 및 상세한 분석을 위해서 오일뿐만 아니라 윤활유 필터를 함께 보내는 것이 일반적이다. 샘플과 필터 모두에 대해, 이것은 파괴적인 "해체" 분석이며, 그로 인해 필터와 샘플은 사용을 위해 반환되지 않는 한편, 평가 후에는 제거된다. 연구실에서 일반적으로 실행하는 테스트에는 금속 및 비금속 입자, 물이나 기타 비윤활 액체, 탄소 그을음 및 기타 성분들의 존재에 대한 검출, 및 일부의 경우에 윤활제의 기본적인 화학적 성질이 그대로인지에 대한 검증을 포함한다. 테스트가 끝나면 서면(또는 전자) 보고서를 작성한 후, 이해 당사자에게 전송한다. 추출로부터 이해 당사자의 결과 검토까지는 일반적으로 수일에서 수주가 걸린다.

전기 임피던스 특성(검출기에 걸친 센서 전극에 충분한 크기의 샘플용 윤활제가 놓여지는 센서에 걸쳐서 약한 전원이 가해질 경우의 전기 용량 및 저항)의 변화를 검출하는 엔진 오일 샘플의 소비자 정적 "체크"(lubricheck.com 참조)를 비롯해, 다수의 저가 윤활유 측정 제품 및 기술들이 시장에 속속 등장하고 있다. 이러한 접근법은 오일의 방출 시점에서 오일통의 유체 내에서 일차원 측정(즉, 정적 측정)을 실행함으로써, 조작자가 테스트할 오일 샘플을 수동으로 추출하고, 시간이 지남에 따라 데이터가 적절히 기록되고 추적되어야 하는 전기적 특성에서의 변화만을 나타내는 경우에만 통찰력을 제공한다. 이러한 접근법은 간격 샘플링(조작자가 측정하게 하는 경우에만)과 아울러, 유체에 도입되는 여러 오염물의 존재로 인해 힘을 상쇄하여 윤활제의 실제 상황/상태를 감출 가능성을 포함하여 많은 결점을 갖는다. 일예로, 자동차 엔진의 경우, 연소 엔진의 정상적인 작동은 엔진의 작동 결과로서 탄성 부산물을 생성하게 된다(이것은 오일을 변색시키는 것이다). 차량이 이러한 탄소 "그을음"만 생성한다면, 그을음의 도입으로 인해 저항이 변하게 된다. 동시에, 내부 가동부에 걸쳐서 비정상적인 상태에서 작은 금속 입자가 생성될 정도로 엔진에 불리한 "마모"가 진행된다면, 금속은 기본 윤활유보다 우수한 전도체이므로, 이들 입자는 저항을 감소시키게 된다. 그을음 및 금속 입자 모두 동시에 생성될 경우, 이들은 일부 또는 모든 측정 가능한 결과를 부분적으로 또는 완전히 무효화시킴으로써, 윤활유 및 기본적인 엔진의 실제 상황에 대한 잘못된 정보를 제공할 수 있다. 비교에 의한 시험 연구실 분석에서는 기본 윤활유 내의 2가지 물질의 존재를 독립적으로 검출하고, 유체 및 결과적으로 시스템의 상태에 대한 정확한 보고서를 제공할 수 있는 다수의 테스트를 실행한다.

윤활유는 온도, 압력, 순도 및 상황의 변화를 비롯해 광범위한 작동 상태를 수용해야 한다. 윤활제는 종종 특수한 작동 환경에 최적화되어 있으며, 온도 범위는 점도로 나타낸다. 일부 윤활제는 다수의 점도(가령, 10W-30 다중 등급 점도 엔진 오일)에서 작동되도록 설계되어 있다. 전형적으로, 유체의 상태 및 특성의 측정은 정적이며, 정적/비작동 상황에서 샘플링을 통해 이러한 작동 환경 밖에서 외부적으로 실행된다. 정적 샘플링은 정상/전형적인 작동 범위 내 또는 밖에서의 작동 상황에서 유체의 상태를 확인할 필요는 없다. 연구실의 환경 및 조건에서 사용하기 위해, 또는 즉각적인 센서 윤활 정보를 중요시하는 상당히 고가의 기계용으로, 윤활유 및 기타 액체를 실시간으로 측정하기 위해 개발된 고가의 복잡한 센서가 있다. 보엘커 센서(Voelker Sensors)사 같은 회사는 오일 레벨 산화도(pH의 변화), 온도 등을 비롯한 다수의 파라미터를 실시간으로 측정하는 기계 공구 산업용 제품을 제공한다. 이 센서 요소는 MEMS 기반이 아니며, 넓은 수신범위를 갖고 있고, 자동차 오일/윤활유 시스템 내에서 동작하기 위한 크기/형식 요소에는 적합하지 않다 ("Continuous Oil Condition Monitoring for machine Tool and Industrial Processing Equipment," Practicing Oil Analysis (9/2003).

집적회로 다중 모드 센서 시스템 분야 밖에는, Halalay(7,835,875, 6,922,064, 7,362,110), Freese 등(5,604,441), Ismail 등(6,557,396), Steininger(4,224,154), Marszalek (6,268,737), 및 단일 벡터 분석(전기)이나 오일 상태의 이해를 도출하기 위한 전기적 특성의 시계열 측정을 개시한 기타 문헌에 의해 실행되는 바와 같이, 연속으로 전기적 특성을 측정하기 위한 다양한 기구가 있다. Lubricheck 접근법 같이, 부정확한 오일 상태를 보고할 수 있는 상호 의존적인 실제 측정 캔슬 효과를 극복하기 위한 도전이 남아 있다. 유체 테스트 프로토콜 및 연구실에서 스펙트럼 분석을 포함하도록, 다차원에 걸친 테스트와 아울러, 오일 샘플 내의 금속 및 기타 이물질의 함량을 결정하는 테스트를 왜 적용하는지는 정확하다.

윤활제는 자신의 정해진 범위를 넘어서 실행하도록 설계되어 있으며, 유체의 수명 및 안전 한계를 연장시키기 위한 "첨가제"를 첨가함으로써 성능이 더욱 향상된다. 윤활 수명을 이해하는 것은 시스템의 안전한 작동을 위해 중요하다. 운전자에게 광범위하고 다양한 안전 한계를 제공하기 위해, 전형적으로 매우 보수적인(즉, 짧은) 권장 간격으로 유체를 교체한다. 일반적으로, 윤활제는 상당히 긴 시간동안 작동할 수 있으며, 열악한 환경에서 작동하는 특수 장비(가령, 전장이나 채광 작업에서 사용되는 군사 장비 등)의 경우에는 보다 적극적인 교체 주기를 필요할 수 있다. 장비/시스템 제조업체에 의해 결정된 사양에 따라 유체 윤활을 계속 실행할 수 없는 경우에 결정하는 것이 중요하다. 윤활유가 안전한 작동 한계 내에 있는 한, 무한정 작동이 가능하며, 새로운 윤활유로 교환 또는 교체할 필요는 없다.

유체의 성능에 관한 보다 정확한 측정을 제공할 경우, 윤활제와, 이 윤활제에 의해 보호되는 장비 모두의 수명을 최대화할 수 있다. 장비 및 탄화수소 윤활제의 비용이 증가함에 따라, 윤활제의 보다 길고 정확한 수명을 위해서는 정확한 값을 제공하고, (모터, 필터, 및 시스템 내의 기타 부품 등을 포함하여) 진행중인 장비 성능의 열화를 조기에 검출하여 통보한다. 이러한 접근법은 중요한 장비의 결함이 미리 검출하는 경우에 수명을 잠재적으로 연장할 수 있다. 또한, 유체의 고장은 반드시 장비의 파손으로 이어지므로, 이러한 시스템은 기본적인/파손 장비를 수리/교체하는데 필요한 재원 및 시간과 비용을 잠재적으로 없앤다. 이러한 접근법은 또한 실제로 필요한 것보다 자주 오일을 완전히 교환하는데 필요한 서비스 및 재원의 손실을 막는다.

본 발명의 목적은 유체 기반 밀폐 시스템 환경에서 다수의 센서 양식으로부터의 측정값에서 도출된 유체의 여러 특성을 연속으로 모니터링하는 다중 모드 유체 상태 감지용 센서 플랫폼 및 그 통합 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 유체 기반 밀폐 시스템 환경에서 다수의 센서 양식으로부터의 측정값에서 도출된 유체의 여러 특성을 연속으로 모니터링하는 통합 시스템을 제공한다. 바람직하게, 시스템은 엔진내(in-motor) 윤활 모니터링 시스템이며, 실시간으로 모니터링한다.

특정 실시예에 있어서, 상기 시스템은 왕복운동 엔진 오일 드레인 팬 내에 형성되는 표준 크기 및 형상의 오일 드레인 플러그의 형식 요소(form factor)에 내장되고, 상기 시스템은 유선 또는 무선 데이터 원격측정(telemetry)에 의해서 수신기로부터 원격 위치된다. 바람직하게, 시스템은 원격 위치된 수신기를 더 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 센서 양식은 2개 이상의 전기, 온도, 자기, 광, 온도 및 다축 가속도계 센서를 포함하며, 바람직하게, 하나 이상의 센서 양식은 인덕터를 포함한다. 실시예에 있어서, 상기 센서 양식은 하나 이상의 자기 및 광 센서를 포함하고, 다른 실시예에 있어서, 상기 센서 양식은 적어도 전기, 자기 및 광 센서를 포함한다.

특정 실시예에 있어서, 상기 시스템은 오일 드레인 플레그 기계 설계에 포함된 고온, 고압 및 고진동 환경에 견딜 수 있는 에폭시 캡슐 내에 수용된다.

특정 실시예에 있어서, 상기 시스템은 센서 플랫폼의 전기 부품에 전기 에너지를 제공하는 것으로 제한된 수명의 전원을 더 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 시스템은 수명 연장을 위해 재충전 가능한 전원에 전력을 공급하는 에너지 스캐빈저/하베스터(energy scavenger/harvester)를 더 포함한다.

특정 실시예에 있어서, 상기 시스템은 신호 및 다수의 관련 유체 특성 모두를 검출하기 위한 다수의 디지털 신호 프로세서 모듈을 포함한다. 실시예에 있어서, 상기 시스템은 에러 표시, 특수 데이터의 특징 검출신호, 특수 데이터의 특징신호 검출강도 레벨 및 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 데이터 출력으로 이루어지는 그룹에서 선택된 다단 출력신호 생성을 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 칼만(Kalman) 필터링 기술, 베이시안(Baysian) 분석 기술, 숨겨진-마르코브(hidden-Markov) 필터링 기술, 퍼지 논리 분석 기술 또는 신경망 분석 기술을 이용하여 분석된다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 차동 온도 비교, 차동 자기 센서 비교, 차동 유도 센서 비교, 차동 전기 임피던스 비교, 차동 광 흡수 비교, 다축 가속도계 비교, 2개 이상의 센서 세트로 이루어지는 임의의 조합 및 통합 비교, 각 센서 벡터 대 시간 및 온도의 데이터 비교, 결합된 2개 이상의 센서 세트로 이루어지는 통합 벡터의 데이터 비교, 유도 데이터 비교 대 시간 및 온도, 광 데이터 비교 대 시간 및 온도, 피크 열을 검출하기 위한 광 데이터 비교 대 온도 및 압력, 압력 데이터 비교 대 다축 가속도계 데이터, 및 기타 센서의 조합 중 하나 이상을 포함한다.

또한, 기계의 작동 유체를 연속으로 모니터링하는 방법이 제공되며, 이 방법은 제 1센서 양식을 이용하여 유체의 제 1상태를 측정하는 단계와, 제 2센서 양식을 이용하여 유체의 제 2상태를 측정하는 단계와, 상기 센서들로부터의 데이터를 필터링하는 단계와, 상기 센서들로부터의 데이터를 통합하는 단계와, 상기 센서들로부터의 데이터를 분석하는 단계와, 상기 데이터로부터 유체의 특성을 도출하는 단계와, 상기 도출된 유체 상태의 특성을 수신기에 송신하는 단계와, 유체의 작동 상태의 변화를 추적하는 유체 속성을 시계열적으로 축적하도록 상기 프로세스를 반복하는 단계를 포함한다. 실시예에 있어서, 상기 방법은 시계열 예상 변화율 대 관측된 어느 하나 또는 다수의 상태 변화율을 계산하여 유체의 상태를 추적하는 단계를 포함한다. 추가 실시예에 있어서, 상기 방법은 기대 및 예상 측정값 변화 대 예상외 변화에 있어서의 다수의 센서 시계열 데이터에 걸친 예상 발산 또는 수렴을 계산하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다중 모드 유체 상태 감지용 센서 플랫폼 및 그 시스템에 따르면, 이들 순환 시스템은 일정한 내부 윤활을 실행하고, 열 및 오염물을 제거하여 정상적인 작동시 내부 가동부들의 고유 마찰 및 손상을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 윤활은 일반적으로 탄화수소 및/또는 관련 합성물에 기반한 유체에 의해 달성되며, 유체는 시간이 지남에 따라 그들의 보호 특성을 잃을 수 있기 때문에, 그들의 성능이 변화되거나, 내부 및 외부 사건들(events)로 인해 분해 및 부식될 수 있어 윤활유 내의 몇 가지 성분은 설계된 대로의 자체 임무를 실행하도록 유체의 다양한 상황을 동시에 추정 가능하도록 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본원에서 기술한 예시적인 실시간 다중 모드 유체 감지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 다중 모드 유체 센서 해법을 이루는 예시적인 주요 엔진내 센서원 및 수신 요소를 나타내는 도면이다.
도 3은 본원에서 나타낸 시스템의 예시적인 주요 전자 및 펌웨어 요소를 나타내는 블록도다.
도 4는 예시적인 광센서의 삽입도다.
도 5는 통합 다중 모드 센서 계산을 위해서 본원에서 나타낸 시스템의 처리부 내에 구비된 디지털 신호 처리 모듈을 포함하는 예시적인 처리 전기 및/또는 펌웨어 요소를 나타내는 블록도다.
도 6은 다양한 광 특성을 검출하기 위한 이산 파장의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본원에서 나타낸 예시적인 시스템용 전원부를 나타내는 블록도다.
도 8은 표준 오일 드레인 플러그의 예시적인 형식 요소에 있어서 본원에서 나타낸 예시적인 실시간 다중 모드 유체 감지 시스템을 나타내는 도면이다.

여기에 도시하고 기술한 특정 실시예들은 예시이며, 어떤 식으로든 본원의 범위를 한정하려고 의도된 것이 아님을 이해해야 한다.

본원에서 언급한 공개 특허, 특허 출원, 웹사이트, 회사명, 및 과학 문헌은 각각이 구체적으로 그리고 개별적으로 참고로 인용한다고 언급한 바와 동일한 정도로 그 전문을 참고로 본원에 인용한다. 본원에서 인용한 임의의 참고문헌과 본 명세서의 구체적인 교시 간에 임의의 충돌이 있는 경우 후자가 우선하여 해결한다. 마찬가지로, 단어 또는 어구의 업계에서 이해되는 정의와 본 명세서에서 구체적으로 교시한 단어 또는 어구의 정의 간에 임의의 충돌이 있는 경우 후자가 우선하여 해결한다.

본 명세서에서 사용한 바와 같이, 단수는 명확하게 달리 명시하지 않은 한 언급한 용어의 복수 형식을 포함한다. 본원에서 사용한 "약(about)"이란 대략적으로, ~의 영역에서, 대충, 또는 ~쯤을 의미한다. "약"이란 용어가 수치 범위와 함께 사용되는 경우, 경계를 언급한 수치보다 위와 아래로 확장함으로써, 그 범위를 수식한다. 일반적으로, 본원에서 사용한 "약"이란 용어는 수치를 언급한 그러한 수치의 위와 아래 20%의 분산 정도를 수식한다.

본원에서 사용한 기술 및 과학 용어들은 달리 정의하지 않은 한, 본 발명이 속하는 업계의 숙련자가 일반적으로 이해하는 의미를 갖는다. 당업자에게 공지된 다양한 방법 및 재료들이 본원에서 참조된다.

유체에 대한 보다 정확한 이해를 제공하기 위해, 다중 모드 테스트를 동시에 수행하는 것은 실제 작동 상태 및 윤활유의 상태에 대한 통찰력을 부여하는데 도움을 준다. 실시예에 있어서, 유체 기반 밀폐계 시스템 환경 내에서 다수의 센서 양식으로부터의 측정값에서 도출된 유체의 다수의 특성을 연속으로 모니터링하는 통합 시스템이 제공된다. 바람직한 실시예는 고도의 마이크로-전자-기계 시스템(advanced Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)과 반도체 기술의 조합을 이용함으로써, 연구실 테스트를 유체 내에 직접 도입하여, 유체의 다양한 상황들을 연속으로 동시에 측정하고 이들 파라미터를 개별적으로 프로그램 가능한 컴퓨터에 보고함으로써, 유체 상태의 병렬 통합형 실시간 분석을 제공한다. 여기에서 사용한 바와 같이, "센서 양식(sensor modalities)"이란 유체의 자기, 전기 및 광 특성의 측정과 아울러, 유체의 온도 및 압력을 측정하고 유체 및 다축 가속도 측정값에 의한 공간내 주변 수용 용기의 배향을 모니터링하는 것을 포함한다. 이들은 본 발명의 전체에 걸쳐서 "다중 모드(multi-modal)" 분석 또는 테스트의 예를 총괄적으로 포함한다. 이들 측정은 개별적으로 및 조합해서 실행됨으로써 유체의 상태 및 상황에 대한 통합된 통찰력을 제공할 수 있다. 일차원 테스트는 유체 내의 2개의 상이한 오염물 간의 상호 작용(가령, 시스템 내의 전기 저항이 증가하고 전기 저항이 감소하는 이물질 모두의 조합)에 의해 야기된 임의의 단일 결과를 이해하기 어렵게 할 수 있으므로, 다수의(즉, 2개 이상의) 감지 양식을 이용하는 동시 다중 모드의 적용은 측정의 충실도 및 정확도를 향상시킨다.

다중 모드 감지에 있어서, 측정값을 조합하여 센서 입력값을 기준 데이터와 비교하고 시간을 비롯한 다양한 측정 치수에 걸친 유체 상태의 변화를 검출하도록 프로그램화된 소프트웨어/펌웨어를 이용하여 유체에 대한 상태(및 상태 변화)를 결정한다. 오일 내의 이물질을 검출하기 위해 임계값을 설정하는 것이 중요하다. 예를 들어, 시간이 지남에 따라 충분한 양의 물은 윤활유에 의해 정상적으로 보호되는 중요 요소의 부식을 초래할 수 있다. 이들 임계값에 근거하여, 출력 인터페이스를 통한 송신 또는 선택적으로 스마트폰 같은 휴대형 핸드-헬드 장치를 이용하여 무선 인터페이스에 의한 폴링으로 특정 경보 및 통지를 제공할 수 있다. 유체 상태의 지속적인 평가를 확인하기 위해, 2차 체크를 실행하여 주기적인 연구실 샘플링을 통해 측정값을 검증할 수 있다.

외부 검정은 다중 모드 센서의 초기 테스트 동안 확인하는 교정 과정의 일부가 될 수 있다. 외부 검정도 윤활유 및 작동 환경을 추가적으로 획득할 수 있다. 일단 기준값이 알려지면, 통합 측정 데이터 출력 이상에서 경고 기능을 제공하도록, 모든 통합 측정값에 걸친 임계값을 반도체 내에 프로그램화할 수 있다.

추가 실시예에 있어서, 여기에 기재한 시스템 및 방법은 실수로 윤활유 시스템 내에 도입될 수 있는 맞지 않는 유체 또는 부적절한 윤활유의 사용을 검출한다. 맞지 않는 윤활유로 기계를 작동할 경우, 즉시 개선하지 않으면 돌이킬 수 없는 피해를 초래할 수 있다. 다중 모드 센서는 비확인 유체가 도입되고 이어서 검출되는 경우, 윤활유를 확인하고 경보를 발할 것으로 기대한다.

즉시 측정 및 장기적인 모니터링 모두를 위해서, 시스템의 상태에 대한 보다 완벽한 이해를 제공하는 구성에 특수 개별 센서를 결합할 수 있다. 그러한 센서 구성은 시스템 상태의 실시간 모니터링을 크게 향상시키고, 시스템의 능력을 크게 향상시켜 다양한 작동 사건을 작동으로 인식하고 응답할 수 있다.

특히, 자기 센서를 구비하는 구성은 철금속 오염물의 적시 인식을 용이하게 한다. 예를 들면, 상자성 공명은 철 입자의 속성, 및 그들의 잠재적인 크기를 특징화할 수 있다.

구성 내에 통합되는 광 투과율계, 불명확한 측정값 또는 스펙트럼 측정값은 가령, 그을움, 물, 또는 부동액 같은 특정 오염물의 표시를 제공한다. 또한, 본 발명은 가령, 유체의 광 특성을 변화시킬 수 있는 압력 및 온도를 포함하도록, 다중 모드 감지 분석을 구비함으로써 더 향상될 수 있다. 이들 보정 요소는 측정 정확도를 향상시키기 위해 제공할 수 있다.

구성 내의 통합형 광 투과율계는 유체 상태에 대한 보다 완벽한 그림을 제공한다. 이들 측정은 검출할 수도 있고, 대안적인 유체 상태와 상태 진단 사이를 구별할 수 있도록 독립된 방식으로 제공할 수 있다. 이러한 상태 변화는 하나 이상의 센서 양식 세트에 의해서 검출 가능하다.

제어 시스템은 추가로 관심을 가질만한 상태 세트를 "인식" 또는 "진단"하는 센서 상태 패턴을 이용하여, 상이한 센서를 통합한다. 확립된 그러한 분석용 수학적인 알고리즘은 제한되지 않으나, 칼만 필터링(및 고도의 칼만 필터링), 숨겨진-마르코브 필터링, 베이시안 분석, 인공 신경망 분석 또는 퍼지 논리 분석을 포함한다. 이들 제어 시스템은 소프트웨어나 하드웨어, 또는 그의 조합으로 용이하게 실현 가능하다.("Solutions for MEMS Sensor Fusion," Esfandyari, J, De Nuccio, Xu, G., Solid State Technology, July 2011, p. 18-21 참조; 이것의 개시 내용은 참조로서 그 전체를 여기에서 인용한다).

추가 실시예에 있어서, 예를 들어, 시스템이 작동하지 않는 경우의 "휴식(at rest)", 또는 시스템이 정지한 후 실제로 일어날 수 있는 "피크 열(peak heat)"을 포함하여, 상이한 기계 작동 조건하에서 유체 특성에 대한 추가적인 이해를 얻을 수 있다. 아무런 냉각 유체가 순환하지 않는 경우에는 정지 후에 온도가 상승할 수 있다. 유체가 가열 및 냉각됨에 따라서, 유체 특성이 변화하게 된다. 짧은 가열 또는 냉각 기간에 걸쳐서 이들 변화를 측정하는 것은 가치 있는 윤활유의 특성에 대한 추가적인 표시 및 통찰력을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어, 유체가 가열됨에 따라서 광 흡수가 변할 수 있다. 또한, 온도 차트로 전기적 특성의 변화를 추적하는 것은 유체의 상태에 대한 추가 정보를 제공할 수 있다. 편차는, 예를 들면, 기계가 작동 중일 뿐만 아니라 기동 또는 정지시에 제어 시스템에게 측정을 요구하도록 할 수 있다.

본 출원은 전통적인 진단이 지닌 다수의 제한을 해결한다. 먼저, 테스트를 위한 유체 샘플링에서의 전통적인 시간 지연은 중요 장비를 손상시키는 위험을 초래할 수 있다. 종종 윤활유는 이것을 교환하는 시점에 샘플링한다. 내부 부분의 마모에 대한 통찰력을 제공하는데 잠재적으로 유용한 한편, 연구실로부터 결과가 회신될 때까지 기계는 잠제적으로 불안전한 상태에서 작동될 수 있다. 둘째, 윤활유는 단기간 동작 중에, 종종 150℃를 초과할 수 있는 극한 온도에 노출되어, 잠재적으로 윤활유 내의 첨가제의 일부 고장을 야기할 수 있다. 이러한 상태에서 종종 장비가 "꺼짐(turned off)"으로써 상술한 문제는 대개 검출되지 않는다. 비록 새로 발생한 열이 없어도, 잔여 열이 윤활유 내로 전달되어 이것의 성능에 잠재적인 충격을 가할 수 있다. 그러한 극한 온도는 종종 신뢰성 있는 작동을 지원하기 위해 통합형 현장(in-situ) 감지 시스템을 설계하는데 있어서 특별한 공학적인 노력을 종종 요구한다. 또한, 센서 및 기타 전기적 능동 소자는 이러한 환경을 지원할 필요가 있다. 정상 및 고부하 작동 중에 윤활유에 가해질 수 있는 다양한 압력을 지원하는 것도 마찬가지로 중요하다. 시간이 지남에 따라 윤활 시스템 내에 가해지는 피크 온도와 압력을 견디도록 현장 센서 구성을 설계해야 한다.

여러 변수는 윤활유의 특성에 대한 통찰력을 제공한다. 일부 변수를 직접 측정할 수 있는 한편, 다른 변수는 도출할 수 있다. 유체 상태에 대한 기본적인 이해를 달성하기 위해, 윤활제의 여러 측정값(센서 양식)은 가령, 온도, 절대압력, 전기 임피던스 또는 저항, pH, 광 투과 또는 흡수, 및 자기 측정에 도움을 줄 수 있다. 전기 및 광 변환의 결합 측정을 통한 탄소 축적도 같이, 측정은 직접 이루어지거나(가령, 온도 센서를 통한 온도) 도출된다. 일부 이들 데이터 점을 획득할 수 있는 열전대 및 압력 센서 같은 표준 기술이 현재 이용 가능하며, 사용되고 있다. 도출된 측정값(가령, 작동 범위 내의 점도 적합성)은 직접 측정으로부터 계산할 수 있으며, 온도 및 압력의 범위에서 추정할 수 있다. 추가적인 검출 방법은 가동 자기 입자의 검출을 향상시키기 위해 하나 이상의 도출 코일 및 자기 센서의 사용을 포함한다. 가령, 광학 광원 및 광 검출기로 이루어진 광 투과율계는 다양한 파장에서의 광학 광 흡수의 변화를 측정하여 윤활유 내의 탄소 그을음 축적 및 기타 잠재적인 오염물과 물질을 특징화한다. 그러한 모든 측정값은 윤활유의 기본적인 건강상태의 정확한 표시를 제공하기 위해 온도 및 압력 보정(또는 정상화)해야 한다. 또한, 시스템 작동의 변화에 대해 압력 측정값을 획득할 수 있다. 시스템이 소정의 표준을 넘어 배향됨으로 인해 압력 판독이 무효화될 수 있는 경우를 결정하기 위해 다축 가속도계로부터의 배향의 계산을 사용하거나, 대안으로 그러한 소정의 표준 한계 내에서 시스템 배향에 대해 압력 판독을 보상한다.

점도 분석은 윤활제의 순 유체 마찰을 결정하는 다수의 센서 판독값으로부터 마찰 지수를 도출한다. 본 발명은 예를 들어, 선택된 구역에서 유체 윤활제 내의 2개의 자기 센서에 의해 측정함으로써 점도를 도출하는 간단한 방법을 제시한다. 비-레이턴시 홀 센서(no-latency Hall sensor) 같은 이러한 자기 센서는 윤활제 흐름 내에서 거의 유사하게 서로 근접하게 배치된다. 소형 교란 유발기는 도출된 유동 교란에 근거하여 흐름의 약간의 차이를 센서 근처에서 측정할 수 있게 한다. 이 측정은 광 투과율계를 이용하여 광 흡수 측정과 추가로 통합할 수 있다. 이러한 온도와 연결된 통합 측정, 또는 획득한 압력 판독값은 마찰 지수를 계산하기 위한 구성을 제공한다. 홀 기반 센서는 최대한 유사하게 설계되어 있다. 난류 유발기에 의해 야기되지 않는 시간적 및 공간적인 변화는 거의 동일한 2개의 센서를 이용하여 감산된다. 또한, 난류 유발기의 형상은 유체 분자가 날개 위와 아래에서 약간 다른 속도로 여행하는 항공 어플리케이션과 유사한 유체 속도와 관련된 미묘한 변화를 생성하도록 설계되어 있다. 점도는, 문서화된 윤활유 점도 기준 데이터를 이용하여, 국부적인 온도 및 압력과 함께 약간의 차이가 있는 이들 측정값으로부터 도출하여, 실시간 윤활 조건의 표시를 제공할 수 있다.

바람직하게, 센서는 고온의 엔진 윤활제에 견딜 수 있게 설계된다. 고온 열전대는 온도를 측정하고, 후막 레지스터는 압력 감지가 가능하며, 고온 자기 센서가 있다. 광 측정 방법은 입증된 고온 설계에 근거한다. 바람직하게, 광 스펙트럼은, 윤활유가 유체, 환경 및 잠재적인 오염물에 따라, 고온에서 에너지를 방출하지 않는 UV 내지 중간-IR 범위를 갖는다. 투과율 범위는 mm로 측정되며, 발광 소자와 수광 소자 간의 거리는 공지의 MEMS 제조 기술을 이용하여 정확하게 제어된다. 광 발광 소자와 수신 소자 간의 거리는 매우 정확해야 한다. 이들 소자는 모두 구현 가능하며, 유용한 데이터를 중계하는 방식으로 상술한 극한 온도 및 압력 환경에서 개별적으로 작동한다. 상술한 방법으로 디자인이 한정되지 않는다. 현재, 이들 방법은 효과가 입증되었고 간단한 해법을 제공한다.

실시예에 있어서, 전체에 걸쳐서 설명한 시스템 및 방법은 내연 기관(즉, 샘플을 제거하는데 시간지연 없이, 엔진 활성화 중에 유체를 모니터링하는) 내에서 또는 그와 관련해서 존재하는 고온 환경과 관련된 그러한 유체의 실시간 모니터링을 제공한다. 바람직하게, 상기 시스템 및 방법은 내연 기관에서 보통 사용하는 오일계 윤활유와 아울러, 변속기 오일 같은 기타 유체, 또는 부동액 같은 글리콜계 냉각제, 및 제조 환경 및 건강관리 산업에서 사용하는 중요한 구명 의료 장비의 기타 유체를 모니터링한다. 바람직하게, 상기 시스템 및 방법은 다수의 양식 센서를 이용하여 실시간 모니터링을 제공함으로써, 다양한 작동 조건하에서, 모니터링한 유체의 등급을 결정한다. 다른 측면은 윤활제 내에, 금속과 같은 공지의 유해한 미립자의 존재를 검출하는 본 발명의 능력에 있다. 기술한 다른 측면은 윤활유 내에 계속해서 함침되는 센서 모듈로 유체를 모니터링하는 것이다. 기술한 또 다른 측면은 유체 상태를 병렬 통합형으로 실시간 분석하는 것이다. 본 발명은 또한, 고온 및 그러한 기계의 작동 환경에서 겪는 기타 조건을 기술한다.

예시적인 실시예에 있어서, 실시간 다중 모드 유체 감지 시스템은 모니터링할 유체에 함침되도록 한 능동 감지 환경(100)을 포함하는 단일 유닛의 자족식 실시예다. 센서는 나사 볼트(200)를 통해서 제 위치에 유지되는 오일 드레인 플러그(300) 내에 매립된 전자 능동 센서와 함께 유체 내에 배치될 수 조립체에 부착된다. 볼트 헤드는 마이크로컨트롤러, 필터 및 기타 요소들을 포함하도록, 명령, 제어 및 통신 모듈, C3 모듈(400)이라 부르는 자족식 시스템의 비-센서 요소를 수용한다. 또한, 바람직하게, 조립체 내에는 유도 코일(108)과, 전원(180) 같은 시스템을 작동하는데 필요한 동력을 포함하는 기타 방법의 신호원을 구비된다. 볼트 조립체는 기술자가 설치 및 제거할 수 있는 자족식 플랫폼이다. 그러한 환경은 유체의 저장통으로서 기능할 수도 있는 자동차 또는 윤활 회수 시스템에서 유사한 "최저점" 상의 오일 드레인 플러그의 전형이다. 유체 환경은 정상 및 비정상적인 작동을 통해 온도 및 압력의 변화를 받게 된다. 이러한 센서는 온도 및 압력 사양 내에서, 및 비정상적인 상태를 감지할 수 있는 정상적인 작동 환경을 넘는 통상적인 공차로 작동하도록 설계되어 있다.

감지환경 내에서, 시스템은 자기, 광 및 전기를 포함하는 다수의 센서 양식에 걸쳐 자신의 국부 및 낮은 에너지 기준 신호원을 프로그램에 따라 발생하고, 그 안의 값들을 연속으로 검출함과 아울러, 연속적인 압력 및 온도 측정값을 수동적으로 수신한다. 센서 플랫폼(100)의 능동 소자는 측정 중에 유체 내에 함침되도록 한다. 센서가 유체 내에 완전히 또는 부분적으로 함침되지 않는 경우, 이것은 광 송신(106) 내지 광 수신(107)과 아울러 예상되는 값 공차의 전원(101) 내지 수신(104)에 걸친 다수의 센서 확인을 통해 검출 및 확인할 수 있다. 이러한 식으로, 유체의 부족 상태를 다수의 접근법으로 검출할 수 있음과 아울러, 전기 및 광 센서 모두 정확하게 협력적으로 크로스 체크되는지를 검증할 수 있다.

자기 감지는 신호 증폭, AD 변환 및 데이터 필터링을 실행하는 데이터 획득 제어부(109)에 의해 수신되고 처리되는 자기 센서(103) 바로 옆에서 소정의 고정 기준 거리를 갖는 미리 정의한 프로그램가능한 특성(102)의 신호를 생성하는 단계를 통해서 달성된다. 검출은 동일한 유형이거나 상이할 수 있고, 유체 상태의 직접 및 차동 모두의 측정값을 제공할 수 있는 신호에 상응하는 응답 속도를 제공하는 그러한 유형의 하나 이상의 센서(103)에 의해 달성될 수 있다. 데이터 획득 제어부(109)는 마이크로컨트롤러(140)로 통신되는, 증폭 및 잡음 감소 필터링을 포함하는 신호를 필터링하고 분석하는 단계를 실행한다.

하나 이상의 광 센서(107)는, 협대역 주파수 동조 발광 다이오드(LED) 같은 하나 이상의 특수 광 파장 이미터와, 광 수용체 같은 광 수신기로 이루어질 수 있는 하나 이상의 특정 광원(들)(106)과 광학적으로 연결될 수 있다. 오늘날의 광 이미터는 협대역 주파수로 광을 방출하도록 할 수 있다. 그러한 파장은 유체 및, 이 유체 내에 축적될 수 있는 오염물의 특정 유형에 따라 달라진다. 도 6은 근적외선 영역에 걸친 대표적인 맵을 도시한다. 광 센서는 제한되지 않으나, LED 발광시 유체의 존재를 비롯한 다수의 특성을 결정할 수 있다. 또한, LED는 수반하는 광 수용체로부터의 상이한 소정의 고정 거리에 놓여짐으로써, 서로 다른 주파수에 걸쳐 흡수도의 프로파일에 기반한 거리를 제공할 수 있다. 실시예는 소정의 거리에서 광 수용체에 대한 하나의 LED 이미터와 아울러, 공지의 시퀀스로 펄싱된 광 수용체로부터 소정 거리 이격된 다수의 LED에 의해 달성할 수 있다. 제어 논리는 마이크로컨트롤러(140) 및 데이터 획득 제어부(109) 내의 소프트웨어/펌웨어를 통해서 관리된다. 광 센서는 광학 특성에서의 특수 파장의 흡수와 시계열 변화 모두의 차이를 검출할 수 있다. 개발한 광 센서는 능동 및 수동 모드 모두에서 작동한다. 능동 모드에서 광원은 유체를 통해 소정의 강도 및 파장의 광을 펄싱함으로써, 이 광원으로부터의 광의 흡수도와 레벨을 측정한다. 이 소형 투과율계는 도 6에 도시한 바와 같이, 특수 파장을 통해서 고장 같은 유체 특성의 변화 및/또는 특수 오염물을 검출하게 된다.

전기적 특성의 변화 감지는 유체의 유전률 같은 측정한 전기 용량으로부터 얻은 소정의 기준 거리에 배치된 전원(101)에 의해 달성된다. 신호의 강도와 주파수 및 측정은 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러 펌웨어에 근거하며, 소스와 측정 센서 사이에 배치되고 연속으로 모니터링될 유체의 기본 특성에 근거 및 의존한다. 전기 저항 및 용량은 데이터 획득 제어부(109)를 통해 간극에 걸쳐서 측정될 수 있다. 상이한 유체는 서로 다른 특성을 갖게 되며, 따라서 소스 계 및 센서 수신 특성 모두를 프로그램에 따라 구성하도록 제어하는 능력은 본 발명의 중요한 측면이다. 압력 센서(111) 및 온도 센서(110) 역시 데이터 획득 제어부(109)에 접속되어 있다. 이들 센서는 또한 열 및 압력 레벨의 정상 및 비정상적인 상태를 검출할 수 있고, 환경의 작동 상태에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 피크 작동 환경을 통한 휴식(시스템이 작동하지 않는 경우) 같은 유체 상태의 변화는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러부(140)에 의해 평가할 수 있다. 이러한 어플리케이션은 "휴식" 및 "작동시" 모두의 이해를 발전시키는 것을 포함하도록 소프트웨어/펌웨어로 개발할 수 있다. 또한, 특정 압력 및 온도에서의 프로파일은 계산의 결정(가령, 자기 센서가 홀 효과(103)를 사용하는 것에 근거하는 경우, 온도/압력으로 인한 오프셋)과, 온도 및 압력 프로파일로 인한 광 특성의 변화 모두를 위해서 유용할 수 있다.

3차원 공간에서 도 1의 오일 드레인 플러그(300)의 배향의 변화를 추적하는 것은 다축 가속도 센서(112)에 의해서 달성되며, 참고로 대안적인 실시예에 있어서, 가속도계(112)는 C3 모듈(400), MEMS 센서 플랫폼(100), 수신기(170), 또는 기타 외부 위치에 배치될 수 있다. 가속도계 센서(112)는 MEMS 장치(100) 내, 자족식 시스템의 비센서 소자 내, 명령, 제어 및 통신 모듈이라 부르는 C3 모듈(400) 내에, 또는 다른 프로세서 유닛 근처에 배치될 수 있다. 관심이 있는 각 축의 가속도는 데이터 획득 제어부(109)에 의해서 측정되며, 오일 드레인 플러그(300)의 배향, 즉, 공간 내 차량 엔진의 배향을 계산하기 위해 사용한다. 배향 계산은 데이터 획득 제어부(109)에서 사용함으로써, 압력 센서(111)로부터 측정값을 획득하고, 특정 압력 판독값을 거부하거나, 공지의 배향 표준에 따라서, 압력 출력을 보상하기 위해 특정 압력 판독값으로 조정할 수 있다.

실시간 클럭(150)은 마이크로컨트롤러 모듈(140)에 의한 트리거 모니터링 사건에 대한 정확한 시간 기준을 제공하며, 획득한 데이터와 시계열 분석을 위한 시간 기준을 결합한다. 실시간 클럭은 기록된 각각의 다중 모드 센서의 측정값과 결합될 수 있는 시간 및 날짜 정보 모두를 제공한다.

또한, 프로그램가능한 마이크로컨트롤러(140)도 필터링의 사용을 비롯해 처리 전 및 후 모두의 정보와, 데이터 보정을 제공하기 위한 기타 알고리즘을 제공한다. 그 결과는 유선 또는 무선 접속을 통해 통신 모듈(160)을 경유하여 수신기(170)에 전달된다. 참고로, 수신기(170)는 통합 시스템에서 데이터를 수신하는 디스플레이, 처리부, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 수신기(170) 및 마이크로컨트롤러는 모두 시계열 데이터를 기록 및 평가하기 위한 내부 저장부(280)를 가질 수 있다.

마이크로컨트롤러(140) 내에는 센서 데이터가 축적되고, 다수의 센서를 통해서 추가로 필터링 및 통합이 이루어진다. 원 데이터는 온도, 압력, 광 흡수, 전기 저항 및 자기 특징(203, 204, 205, 206, 207 및 208) 같은 각각의 개별 센서 양식에 대해 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP) 세트에 의한 처리가 이루어진다. 결과의 병렬 출력(데이터 보정 필터링(220) 전 및 후 모두)은 통신 모듈(160)을 통해 전달될 수 있는 원 데이터 출력(260) 모두를 제공한다.

구성 모듈(270)은 기준선 및 오류 조건과 아울러, 기타 구성의 저장, 사건 모니터링, 트리거 등을 비롯한 파라미터를 포함하도록, 고도의 필터(220)에 필터링 및 처리 파라미터를 동적으로 설정할 수 있다. 구성 모듈은 통신 모듈(160)을 통해서 외부 장치에 접속된다.

또한, 작동 중에 마이크로 프로세서 및 관련 프로그래밍 소프트웨어에 의해 지시되는 바와 같은 간격으로 연속 또는 폴링될 수 있으며, 정확한 시간 기준(150)을 제공하도록 실시간 클럭을 포함함으로써 더 향상될 수 있다. 그러한 측정의 "크로스 체크"는 모두 고유값의 확인을 제공하고, 데이터 보정(예를 들어, 칼만 필터링 및 기타 알고리즘 기술) 및 전체 센서 시스템의 완전성을 향상시킨다. 많은 고부가가치 시스템의 경우, "결함"이 검출되면, 종종 고장요인은 환경이 아닌 센서에 있다. 본 발명은 다수의 측정 기준에 걸쳐서 연속으로 확인함으로써 고유한 센서 플랫폼의 크로스 비교 및 검증을 제공하고, 예상 및 기대한 센서 출력/값에 의해 센서 시스템의 성능을 연속으로 확인할 수 있다. 이러한 식으로, 에러 상태(가령, 센서 고장)의 격리는, 본질적으로 공지의 고장난 장치로서 결함이 있는 센서라는 인식 및 교체에 대한 유용한 통찰력을 조작자에게 제공한다.

축전부(182) 및 선택적인 에너지 하베스터를 포함하는 전원(180)은 C3 모듈(400) 및 센서 플랫폼(100)에 전력을 공급한다. 일 실시예에 있어서, 축전부는 이것이 방전될 때까지 시스템에 전력을 공급하는 밧데리를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 축전부는 하나 이상의 에너지 하베스터에 접속되는 충전식 밧데리를 포함하여, 단일 전하를 넘는 축전부의 수명을 연장시킨다. 다른 실시예에 있어서, 축전부는 단일 전하를 넘는 축전부의 수명을 연장시키는 에너지 하베스터에 선택적으로 연결되는 전기 이중층 커패시터를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 에너지 하베스터는 환경으로부터의 운동 에너지를 전류로 변환하는 진동 에너지 하베스터(183)를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 에너지 하베스터는 가청 또는 진동 에너지를 전류로 변환하는 음향 에너지 하베스터(184)를 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 에너지 하베스터는 온도차를 전류로 변환하는 열에너지 하베스터(185)를 포함한다. 또 다른 실시예에있어서, 에너지 하베스터는 전자기 에너지 하베스터(186)를 포함하며, 안테나(188)는 전류로의 변환을 위한 F 트랜스미션 같은 백그라운드 전자기 방사선을 수집한다.

C3 모듈(400)은 유선 또는 무선 프로토콜, 또는 둘 모두를 이용하여, 수신기(170)와 통신한다. 적절한 프로토콜은 현재, 유선 통신을 위한 컨트롤러 영역 네트워크(Controller Area Network, CAN) 버스, 및 로컬 상호접속 네트워크(Local Interconnect Network, LIN) 버스와, 무선 통신을 위한 타이어 압력 모니터링 시스템(Tire Pressure Monitoring System, TPMS) 및 원격 키리스 시스템(Remote Keyless System, RKS) 같은 자동차용 시스템에 존재한다. 일부 실시예에 있어서, 수신기(170)는 처리부를 포함할 수 있다. 또한, 수신기는 모니터링 상태를 표시하기 위한 디스플레이를 포함할 수 있다.

유체 파라미터의 변화를 현장 감지하기 위한 기계적인 설계는 독특한 특징을 포함하여, 비용을 최소화하고 긴 수명을 위한 환경 친화적인 견실한 디자인을 제공한다. 개념은 예정된 유지보수 스케줄에 따라 간단한 업그레이드의 설치 및 교체를 가능케 하는 오일 드레인 플러그에 내장된 압력 센서 장치를 포함하는 것이다. 이 센서에는 우수한 작동 온도 범위, 부착성, 및 부산물에 의한 염분과 석유에 내성을 갖는 에폭시 폴리머 수지가 장착된다. 이것은 차동 열팽창, 박리, 화학적 고장과 연관된 문제를 방지하는데 있어서 중요하다. 볼트는 최종 사용자의 사양에 근거하여 표준 나사 크기를 갖는다. 홀은 통합 시스템의 설치를 가능케 하고, 센서 플랫폼(100) 위에 존재하는 오일 경로를 제공하도록 볼트의 중앙을 통해 천공된다. 압력 센서는 외부는 대기압 통합 관(314)을 통해서 대기에 개방되어 있다. 볼트의 머리는 공동을 생성함으로써 볼트 내에 센서를 결합할 수 있게 하향 가공된다.

도 7은 축전부(182) 및/또는 에너지 하베스터(183-186)를 포함하는 전원을 나타낸다. 그러한 에너지 하베스터는 특히 작동중인 엔진의 오일 팬으로부터의 진동 에너지(183), 또는 음향 에너지(184)를 수집할 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 다수의 실시예는 또한 유체 팬과 환경 간의 열 구배도 포함하며, 하베스터(185)는 열을 전기 에너지로 변환하기 위한 TEC(Thermo-Electric Converter, 열-전기 컨버터)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 전자기 하베스터(186)는 선택적으로 안테나(188)를 이용하여, 전계, 자계, 유도, 유선 또는 무선 전자기 에너지 중 어느 하나로부터 에너지를 수집할 수 있다.

도 8은 본 발명의 특히 바람직한 일 실시예를 나타내는 것으로, C3 모듈(400), 센서 플랫폼(100)과 동등한 통합 MEMS 센서 플랫폼(316), 밧데리(180)를 포함하는 오일 드레인 플러그 다중 모드 센서 시스템의 전체 절결도를 나타낸다. RF 안테나(310)는 통신을 제공하며, 일부 실시예에 있어서, 안테나(188)의 발전을 실행한다. 절결도에 도시한 인쇄 회로 기판(312)은 하나 이상의 기판 및 C3 모듈(400) 및 MEMS 센서 플랫폼(316 또는 100)에 대한 전기적 연결을 제공한다. 대기압 통합관 (314)은 본 실시예의 경우, 센서 플랫폼(316) 상에 배치된 차압 센서에 대기압을 전달한다. 참고로, 다른 실시예에 있어서, 이 차압 센서 대신에 절대압력 센서를 사용할 수 있으며, 기계적 압력 보상과는 반대로, 전기적인 보상을 가능케 하는 추가적인 대기압 센서는 구비하거나 구비하지 않을 수 있다. 당업자에게 있어서, 이러한 압력 센서에 대한 온도 보상은 정확성과 반복성을 향상시키는 것으로도 공지되어 있다. 볼트 나사(200)는, 일부 바람직한 실시예에 있어서, 전통적인 오일 드레인 팬 볼트에 대해 정각 드롭 인(conformal drop-in)교체를 제공한다.

일 실시예에 있어서, 이 센서 시스템은 유체 저장기의 바닥 근처의 압력을 측정하고, 선택적으로 이 압력을 대기압과 비교한다. 선택적으로, 측정에는 온도 보정이 포함될 수 있다. 이러한 접근법은 중력(또는 가속) 계에서 정압에 대응하는 센서 위의 칼럼에서 유체의 질량을 측정할 수 있다. 주어진 온도의 경우, 이 정압은 특정 온도 및 유체 함유 용기의 배향에서 유체의 레벨에 가깝다.

상기의 설명은, 설명의 목적상, 특정 실시예들을 참조하여 설명하였다. 그러나, 상기의 예시적인 설명은, 개시한 정확한 형식으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 상기 교시의 관점에서 많은 수정 및 변형이 가능하다. 발명의 원리 및 그의 실제 적용을 설명하기 위해 실시예들을 선택하고 설명하였으며, 따라서, 당업자라면 숙고한 특정 용도에 적합한 바와 같이, 발명 및 다양한 변형을 갖는 다양한 실시예를 가장 잘 이해할 수 있다.

Claims

유체 기반 밀폐계 시스템 환경 내에서 다수의 센서 양식으로부터의 측정값에서 도출된 유체의 다수의 특성을 연속으로 모니터링하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 시스템은 엔진내(in-motor) 윤활 모니터링 시스템인 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 모니터링은 실시간으로 이루어지는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 원격 위치된 수신기 유닛을 더 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 왕복운동 엔진 오일 드레인 팬 내에 형성되는 표준 크기 및 형상의 오일 드레인 플러그의 형식 요소(form factor)에 내장되고, 상기 시스템은 상기 수신기 유닛으로부터 원격 위치되어, 모니터링 정보가 원격측정(telemetry)에 의해서 상기 시스템으로부터 상기 수신기 유닛에 전달되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식은 2개 이상의 전기, 온도, 자기, 광, 가속, 및 압력 센서를 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 하나 이상의 센서 양식은 인덕터를 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식은 하나 이상의 자기 및 광 센서를 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식은 하나 이상의 전기, 자기 및 광 센서를 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 고온, 고압 및 고진동 환경에 견딜 수 있는 에폭시 캡슐 내에 수용되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 신호 및 다수의 관련 유체 특성 모두를 검출하기 위한 다수의 디지털 신호 프로세서 모듈을 더 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 에러 표시, 특수 데이터의 특징 검출신호, 특수 데이터의 특징신호 검출강도 레벨 및 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 데이터 출력으로 이루어지는 그룹에서 선택된 다단 출력신호 생성을 더 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 칼만(Kalman) 필터링 기술을 이용하여 분석되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 베이시안(Baysian) 분석 기술을 이용하여 분석되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 숨겨진-마르코브(hidden-Markov) 필터링 기술을 이용하여 분석되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 퍼지 논리 분석 기술을 이용하여 분석되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 신경망 분석 기술을 이용하여 분석되는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 센서 양식의 측정값은 다음 중 하나 이상을 포함하는 통합 시스템:
a 차동 온도 비교;
b 차동 자기 센서 비교;
c 차동 유도 센서 비교;
d 차동 전기 임피던스 비교;
e 차동 광 흡수 비교;
f 2개 이상의 센서 세트로 이루어지는 임의의 조합 및 통합 비교;
g 각 센서 벡터 대 시간 및 온도의 데이터 비교;
h 결합된 2개 이상의 센서 세트로 이루어지는 통합 벡터의 데이터 비교;
i 유도 데이터 비교 대 시간 및 온도;
j 광 데이터 비교 대 시간 및 온도;
k 광 데이터 비교 대 온도 및 압력;
l 피크 열을 검출하기 위한 온도 데이터 비교 대 시간 및 압력; 및
m 기타 센서의 조합.
유체 기반 밀폐계 시스템 환경 내에서 다수의 센서 양식으로부터의 측정값에서 도출된 유체의 다수의 특성을 연속으로 모니터링하는 엔진내 윤활 모니터링 시스템으로서, 에러 표시, 특수 데이터의 특징 검출신호, 특수 데이터의 특징신호 검출강도 레벨 및 고속 푸리에 변환(FFT) 데이터 출력으로 이루어지는 그룹에서 선택된 다단 출력신호 생성을 포함하는 통합 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 엔진내 윤활 모니터링 시스템은 왕복운동 엔진 오일 드레인 팬 내에 형성된 오일 플러그를 포함하는 통합 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 시스템은 유선 또는 무선 데이터 원격측정에 의해서 수신기 유닛으로부터 원격 위치되는 통합 시스템.
제 19항에 있어서, 원격 위치된 수신기 유닛을 추가로 포함하는 통합 시스템.
기계의 작동 유체를 규칙적으로 모니터링하는 방법으로서, 제 1센서 양식을 이용하여 유체의 제 1상태를 측정하는 단계와; 제 2센서 양식을 이용하여 유체의 제 2상태를 측정하는 단계와; 상기 센서들로부터의 데이터를 필터링하는 단계와, 상기 센서들로부터의 데이터를 통합하는 단계와; 상기 센서들로부터의 데이터를 분석하는 단계와; 상기 데이터로부터 유체의 특성을 도출하는 단계와; 상기 도출된 유체 상태의 특성을 수신기에 송신하는 단계와; 유체의 작동 상태의 변화를 추적하는 유체 속성을 시계열적으로 축적하도록 상기 프로세스를 반복하는 단계를 포함하는 방법.
제 23항에 있어서, 시계열 예상 변화율 대 관측한 어느 하나 또는 다수의 상태 변화율을 계산하여 유체의 상태를 추적하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 23항에 있어서, 기대 및 예상 측정값 변화 대 예상외 변화에 있어서의 다수의 센서 시계열 데이터에 걸친 예상 발산 또는 수렴을 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 6항에 있어서, 상기 압력 센서 양식은 상기 가속도 센서 양식에 의해서 획득되는 통합 시스템.
제 23항에 있어서, 시스템 배향의 변화에 대한 압력 판독값을 획득하기 위한 표준 시스템 배향을 결정하기 위해, 시간에 따른 가속도계 판독값을 비교하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 시스템은 다음 중 하나 이상으로 이루어진 전원에 의해서 전력이 공급되는 통합 시스템:
a. 비충전식 전기 밧데리;
b. 충전식 전기 밧데리;
c. 전기 이중층 커패시터
d. 진동 에너지를 전류로 변환하는 에너지 하베스터;
e. 음향 에너지를 전류로 변환하는 에너지 하베스터;
f. 온도차를 전류로 변환하는 에너지 하베스터;
g. 전자기 에너지를 전류로 변환하는 에너지 하베스터; 및
h. 기타 에너지 하베스팅 형식.
제 1항에 있어서, 상기 시스템은 센서 양식 판독값을 처리하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 다음 중 하나 이상과 연결하기 위한 통신부를 더 포함하는 통합 시스템:
a. 상기 시스템부터 상기 수신기 유닛까지 연결하는 무선;
b. 상기 수신기 유닛부터 상기 시스템까지 연결하는 무선;
c. 상기 시스템부터 상기 수신기 유닛까지 연결하는 유선; 및
d. 상기 수신기 유닛부터 상기 시스템까지 연결하는 유선.
제 28항에 있어서, 상기 통신부는 다음 중 하나 이상을 포함하는 통합 시스템:
a. 차량내 무선 통신;
b. 타이어 압력 모니터링 시스템(Tire Pressure Monitoring System, TPMS)
c. 원격 키리스 시스템(Remote Keyless System, RKS);
d. 차량내 유선 통신;
e. CAN 버스; 및
f. LIN.
제 1항에 있어서, 엔진의 오일 드레인 팬 볼트 내에 배치되는 통합 시스템.
제 23항에 있어서, 센서 플랫폼에 에너지를 공급하는 에너지 저장부를 충전하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 23항에 있어서, 상기 유체를 충전한 후에 상기 드레인 팬 플러그를 조정하는(refurbishment) 단계를 더 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 다수의 특성의 모니터링은, 모니터링되는 유체의 비적합성(non-conforming properities)을 측정하여 상기 유체 기반 밀폐계 시스템의 환경 내에 도입된 유체의 비적합성을 검출하는 통합 시스템.
다수의 특성을 모니터링 하는 것으로, 이중 하나는 밀폐 시스템 내의 유체의 레벨인, 통합 시스템으로서, 대기압과 비교하여 그의 표면 아래에서 유체의 압력을 측정하는 센서를 포함하는 통합 시스템.
제 36항에 있어서, 온도에 대한 압력 판독값을 보상하는 시스템에 연결된 온도 센서를 더 포함하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 밀폐 시스템 내의 유체 레벨은 상기 특성 중 하나를 포함하고, 상기 센서 양식 중 하나는 압력 센서를 포함하는, 다수의 특성을 모니터링하는 통합 시스템.
제 1항에 있어서, 밧데리로부터의 신호원의 방법은 상기 시스템을 작동하는 전력을 포함하는 통합 시스템.
제 39항에 있어서, 상기 밧데리는 상기 시스템을 작동하는 전력을 포함하도록, 다음 중 하나 이상의 신호원의 방법에 의해서 제공된 전류에 의해 충전되는 통합 시스템:
a. 진동 에너지를 전류로 변환하는 소스;
b. 열 에너지를 전류로 변환하는 소스; 및
c. 전자기 에너지를 전류로 변환하는 소스.
제 41항에 있어서, 커패시터로부터의 신호원은 상기 시스템을 작동시키는 전력을 포함하고, 상기 커패시터는 상기 시스템을 작동하는 전력을 포함하도록, 다음 중 하나 이상의 신호원의 방법에 의해서 제공된 전류에 의해 충전되는 통합 시스템:
d. 진동 에너지를 전류로 변환하는 소스;
e. 열 에너지를 전류로 변환하는 소스; 및
f. 전자기 에너지를 전류로 변환하는 소스.
제 41항에 있어서, 상기 커패시터는 전기 이중층 커패시터인 통합 시스템.