オイルドレインプラグ

著者らは特許

G01N21/85 - 動いている流体または動いている粒状固体の調査
G01N33/28 - 油類(食用油または食用脂肪G01N33/03)

の所有者の特許 JP2016517522:

マスト インコーポレーテッド

 

本発明は、自動車のレシプロエンジン及び車両のトランスミッションのような循環システムに含まれる流体の様々な側面をマルチモーダル統合同時測定するための実施の形態を網羅する。これらの循環システムは、不断の内部潤滑と熱及び混入物の除去とを実行して、内部可動部品を通常動作における固有摩擦及び損傷から保護する。最も一般的に、その流体は、炭化水素及び/又は関連の合成品に基づく流体を用いて達成され、長い年月の間に保護特性を失い、内的及び外的イベントによる分解/劣化又は性能変化が起こり得る。潤滑流体内のいくつかのコンポーネントは測定され、その設計目的を実行するためのシステムの有効性への洞察を提供できる。流体の質量及びレベルは、継続中の主成分について監視される。本明細書で説明されるのは、早期警告通知のためのリアルタイムな同時統合マルチモーダルセンサシステムである。
【選択図】図1

 

 

本発明は、例えば、自動車用のレシプロエンジン及び車両のトランスミッションのような循環システムに含まれる流体(fluid)の様々な側面のマルチモーダル統合同時測定(multi-modal integrated simultaneous measurement)に関する実施形態を網羅する。これらの循環システムは、正常動作における固有摩擦及び損傷から、内部可動部品を保護するために、一定の内部潤滑油、並びに、熱及び汚染物質の除去を実行する。最も一般的に、このことは、炭化水素及び/又は関連の合成品に基づく流体を用いて達成され、長い年月の間にそれらの保護特性を失い、内的及び外的イベントに起因するそれらの性能変化又は故障/減衰が生じ得る。潤滑流体内のいくつかのコンポーネントは測定され、その設計目的を実行するためのシステムの有効性への洞察を提供できる。本明細書で説明されるのは、早期警告通知(early warning notification)のためのリアルタイムな同時統合マルチモーダルセンサシステムである。
本発明の技術分野は、自動車産業に関連するが、これに限定されない。特に、技術分野は、高温環境で動作する運動性潤滑流体(motile lubricating fluids)を利用する機械エンジン及び大規模な機械装置に関する。これらの潤滑油にとって、変化する流体特性、汚染物質のレベル、及び、潤滑システム(lubricating system)により保護されている装置の安全及び信頼性のある動作を確保する性能の変化をリアルタイムに監視することは有益であろう。このアプローチは、自動車、航空機又は宇宙船、産業機器、風車、救命医療機械、及び、他の重要な装置に適用する。流体のコンディションは、多くの場合、静的で周期的な方法を用いて検出される。典型的には、システムから流体を取り出して(流体のサンプルが抽出されることが多い)、世界のあちこちにある、様々なパラメータの履歴時系列を含む潤滑流体のいくつかの側面を測定する手順及び方法を確立した試験ラボに送る必要がある。閉鎖環境内での性能変化を理解するための長い年月の間の変化を検出するために、そのような時間ベースの長期にわたる流体の監視に適用するのが一般的である。例えば、濃度が増加しつつある特定の粒子の存在は、潤滑されているシステム内の特定の構成要素の摩耗や性能のレベルを示すことができる。この試験は、典型的には、流体の特徴の長い年月の間の変化を測定する。その測定は、潤滑流体及び添加物の変化及び劣化を検出すること及び正常動作による可動部品の通常の(期待された)及び異常な(期待されない)「損耗(wear)」を検出することを含む。静的サンプルは、通常、外来の物質及び物体の存在の検出を含む、多数の試験を実施する機関へ送られる。あるケースでは、例えば、潤滑流体が変化する場合には、潤滑フィルタが試験及び詳細な分析のために、潤滑油と同様に、通常、送られる。サンプルとフィルタの両方にとって、このことは、フィルタ及びサンプルがサービスへ戻されることなく、評価され、連続的に取り除かれるというような、破壊的な「解体(tear down)」分析である。ラボにおいて典型的に実施される試験には、金属粒子及び非金属粒子の検出、水その他の非潤滑液体、炭素煤、及びその他の成分の存在の検出、そして場合によっては、潤滑油の化学的性質が損なわれていないことの確認が含まれる。試験の完了時に、書面の(又は電子的な)報告書が作成され、利害関係者へ送信される。結果は、抽出から利害関係者のレビューまでに、通常、数日又は数週間かかる。
いくつもの低コスト潤滑流体測定製品及び方法―電気インピーダンス特性(センサ電極から検出器まで十分なサンプルサイズの潤滑油によって埋められたセンサに小さな電源が印加されたときの電気容量及び電気抵抗)の変化を測定する、消費者による静的なモーターオイルサンプルの「チェック」(lubricheck.com参照)を含む―が市場に登場している。このやり方は、油溜めの流体の特性の一次元の測定をオイルの変化の一時点において実行し(すなわち、静的測定)、操作者が試験されるべきオイルのサンプルを手作業で抽出した場合にだけ、長い年月にわたってデータが適切に記録され追跡されるのであれば電気的特性の変化を示すだけの洞察を提供する。この方法には、インターバルサンプリング(操作者が測定を行う場合だけ)のみならず、流体に混入した、潤滑油の真の状態/コンディションを隠す多種多様な混入物の存在による反対に作用する影響力の可能性を含む多くの欠点がある。一例として、自動車エンジンの場合、その内燃機関の正常動作により、エンジンの動作の結果として炭素副生成物が生成される(これがオイルを変色させるものである)。もし車両がこの炭素の「煤(すす)(soot)」だけを生成するならば、煤の混入により抵抗が変化(増加)する。もし同時に、内部可動部品にまたがる異常コンディションとして微小金属粒子が生成される程度にまでエンジンが逆効果となる「損耗」を受けているならば、金属はベースの潤滑油よりもの導電性が高いため、これらの粒子によって抵抗が低下する。もし煤と金属粒子の両方が同時に生成したら、これらは測定可能な効果のいくつか又は全てを部分的又は完全に相殺して、潤滑油及びエンジンの真のコンディションについて間違った示唆を与える可能性がある。試験ラボ分析は、ベースとなる潤滑流体の中に両物質の存在を独立に検出でき、流体及び結果システムのコンディションについての正確な報告を提供する多数の試験を実行する。
潤滑流体は、温度、圧力、純度、及び状態の変化における分散を包含する幅広い動作コンディションに適合していなければならない。潤滑油は、しばしば特定の動作環境及び温度範囲のために最適化され、粘度で表現される。いくつかの潤滑油は、マルチ粘度で動作するように設計される(例えば、10W−30 マルチグレード粘度モーターオイル)。典型的には、流体のコンディション及び特性の測定は、静的であり、サンプリングにより動作環境の外部で静的/非動作の状態で実行される。静的サンプリングは、正常の/典型的な動作範囲の中であろうと外であろうと、必ずしも動作状態の流体のコンディションの正当性を立証するものではない。ラボの環境及びコンディションにおける使用のためであれ、潤滑油情報を即座に検知することが重要なとても高価値の機器のためであれ、潤滑流体その他の液体を実時間で測定するために開発された高価で複雑なセンサが存在する。ヴォルカー・センサーズ・インコーポレーテッド(Voelker Sensors, Inc.)のような会社は、オイルレベル、酸化(pH変化)、温度等を含む多数のパラメータを実時間で測定する製品を工作機械産業に提供している。センサエレメントは、MEMSに基づいておらずフットプリントが大きいので、サイズ/形状要素の点で自動車のオイル/潤滑油システム内の動作に適さない(“Continuous Oil Condition Monitoring for machine Tool and Industrial Processing Equipment,” Practicing Oil Analysis(2003年9月))。
集積回路マルチモーダルセンサシステムの分野の外で、電気的特性の連続測定の様々な実現がHalalay(7,835,875、6,922,064、7,362,110)、Freeseら(5,604,441)、Ismailら(6,557,396)、Steininger(4,224,154)、Marszalek(6,268,737)、及びオイルのコンディションを理解するための特異ベクトル解析(電気的)又は電気的特性の時系列測定を開示する他の者によってなされてきた。Lubricheckの方法のように、不正確なオイルコンディションを報告してしまうおそれのある相互依存的で真の測定をキャンセルする効果を克服するための課題が残されている。まさにこのような理由で、流体試験のプロトコル及びラボは、分光分析を含む多次元に横断的な試験だけでなく、オイルサンプル中の金属その他の外来物含有量を測定する試験を適用する。
潤滑油は、規定の範囲を超えて機能するように設計され、流体の寿命及び安全域を延長するための「添加物」が加えられることにより更に改良される。潤滑油の寿命を理解することがシステムの安全な動作のために極めて重要である。流体の交換が典型的にはとても保守的な(すなわち短期の)推奨間隔で実行されるので、広い安全域が操作者に提供される。一般的に、潤滑油は、著しく長い間隔で動作することができるが、苛酷な環境で動作する特定の機器(例えば、戦場や機雷敷設作業等で使用される軍用機器)の場合には交換サイクルを早めることが必要であろう。潤滑流体が機器/システムの製造者により決められた仕様書にしたがって機能し続けることが出来なくなる時を決定することが重要である。潤滑流体が動作の安全域内にある限り、潤滑流体は無期限に動作し、新しい潤滑流体と交換又は入れ替える必要はないであろう。
流体の性能をより正確に測定できれば、潤滑油と潤滑油が保護する機器との両方の寿命を最大化することができる。機器及び炭化水素系潤滑油のコストが増大するほど、潤滑油のより長く正確な寿命と懸案の機器(原動機、フィルタ、システムの他の構成要素などを含む)の性能低下の早期検出及び通知との両方を提供する価値が高くなる。このやり方は、重要装置の故障が予め検出される場合には、潜在的に生命を救うことができる。その上、流体が機能しなくなって機器の故障の一因となるならば、このシステムは、故障した機器の修理/交換のために必要な資源及び失われる時間を潜在的になくすことができる。このやり方は、実際に必要なよりも頻繁にオイル交換をするために必要なサービスや資源が失われることを回避することもできる。
実施の形態において、流体ベース閉鎖系環境における複数のセンサモダリティの測定から導出される流体のマルチ特性の連続監視のための統合システムが提供される。好適には、システムは原動機内潤滑油監視システムであって、監視はリアルタイムに行われる。
ある実施の形態において、システムは、レシプロエンジンオイルドレインパンに見出される標準のサイズ及び形状のオイルドレインプラグの形状要素に組み込まれる。ここで、システムは、有線又は無線のデータ遠隔測定法により受信部から遠隔に配置される。好適には、システムは、遠隔に配置された受信部を更に備える。
更なる実施形態では、システムは設計されたナノ粒子をさらに備え、汚染物質を標的に結合される場合、一意かつ測定可能な特性を提供し、ろ過装置により循環から捕獲され、取り除され得る。好適には、1以上の目標環境条件を満たす場合にナノ粒子は状態を変更する。実施形態では、ナノ粒子は、設計された動作仕様を超えた温度の規定外変動(すなわち、温度が動作仕様よりも高いか低い)の検出を可能にする。さらなる実施形態では、ナノ粒子は、設計された動作仕様を超えた圧力の規定外変動(すなわち、圧力が動作仕様よりも高いか低い)の検出を可能にする。追加の実施形態では、ナノ粒子は、ろ過装置の性能の評価を可能にする。
他の実施の形態において、複数のセンサモダリティは、電気センサ、温度センサ、磁気センサ、光センサ、圧力センサ、及び多軸加速度計センサの少なくとも二つを備え、好適には、複数のセンサモダリティの少なくとも一つはインダクタを備える。実施の形態において、複数のセンサモダリティは、少なくとも、磁気センサ及び光センサを備える。他の実施の形態において、複数のセンサモダリティは、少なくとも、電気センサ、磁気センサ、及び光センサを備える。
ある実施の形態において、システムは、高温高圧環境に耐えることができるエポキシカプセルに収容され、オイルドレインプラグ機械構造に収容される。
ある実施の形態において、システムは、電力をセンサプラットフォームの電気要素へ提供する限定寿命の電源をさらに備える。ある実施形態において、システムは、寿命を拡大するために、電力を再充電可能な電源へ提供するエネルギースキャベンジャー/ハーベスター(収穫器)(scavenger/harvester)をさらに備える。
ある実施の形態において、システムは、シングル及びマルチの関連流体特性の両方を検出するためのマルチデジタル信号プロセッサを更に備える。実施の形態において、システムは、エラー指示、特定データ識別特性検出信号、特定データ識別特性信号検出強度レベル、及び、高速フーリエ変換(FFT)データ出力からなるグループから選択されるマルチステージ出力信号生成を更に備える。
他の実施の形態において、センサモダリティ測定は、カルマンフィルタリング法、ベイズ分析法、隠れマルコフフィルタリング法、ファジー理論分析法、又はニューラルネットワーク分析法を用いて分析される。
実施例において、センサモダリティ測定は、下記のうちの少なくとも一つを含む:差分(differential)温度比較、差分磁気センサ比較、差分誘導センサ比較、差分電気インピーダンス比較、差分光吸収率比較、多軸加速度比較、二つのセンサからなる少なくとも一つの組から構成される任意の組合せ及び統合比較、時間及び温度に対する各センサベクトルのデータ比較、少なくとも2つのセンサの組合せの集合からなる統合ベクトルのデータ比較、誘導データ比較対時間及び温度、時間及び温度に対する光学的データ比較、温度及び圧力に対する光学的データ比較、ピーク熱を検出する時間及び圧力に対する温度データ比較、多軸加速度計データに対する圧力データ比較、及び、他のセンサの組合せ。
機械の動作流体の連続監視方法も提供される。その方法は、第1センサモダリティを用いて流体の第1コンディションを測定し、第2センサモダリティを用いて流体の第2コンディションを測定し、センサからのデータをフィルタリングし、センサからのデータを統合し、センサからのデータを解析し、データから流体の特性を導出し、導出した流体コンディションの特性を受信機に送信し、及び、上記プロセスを繰り返して流体の動作コンディションの変化をトラッキングする流体特性の時系列を蓄積する。実施の形態において、その方法は、更に、任意の単一又は複数のコンディションの変化の期待速度対観測速度の時系列を計算することで流体のコンディションを追跡する。追加の実施の形態において、その方法は、更に、予想及び期待された測定値変化対期待されない変化のマルチセンサ時系列データに横断的に、期待された発散又は収束を計算する。
さらなる実施形態、実施形態の特徴及び効果は、様々な実施の形態の構成及び動作と同様に、添付図面を参照して以下に詳細に説明される。
図1は、本出願に記載される例示的なリアルタイムマルチモーダル流体センシングシステムの図である。
図2は、マルチモーダル流体センサソリューションを構成する、例示的な主要なエンジン内センサ源(in-engine sensor source)及び受信要素の図である。
図3は、本出願内に示されるシステムの例示的な主要な電子的及びファームウェア要素のブロック図である。
図4は、例示的な光センサの挿入図である。
図5A及び5Bは、統合マルチモーダルセンサ計算機についての本出願内に示されるシステムの処理部に組み込まれるデジタル信号処理モジュールを備える電気的及び/又はファームウェア要素を処理する実例及び解説のためのブロック図である。
図6は、様々な光学特性検出についての離散波長のフレームワーク図である。
図7は、本出願に示されるシステムの例示的な電源部のブロック図である。
図8は、標準オイルドレインプラグの例示的な形成要因に示される例示的なリアルタイムマルチモーダル流体センシングシステムの図である。
本明細書に示され、記載される特定の実装は例示であり、任意の方法で本出願の範囲を別の方法で制限するものでないことは言うまでもない。
ここで参照される発行された特許、特許出願、ウェブサイト、会社名、及び科学文献は、参照により取り込むために各々を具体的且つ個別に示した場合と同程度に、参照によりここに全て取り込まれる。ここで引用されるいかなる参考文献と本明細書の特定の教唆との間のいかなる不調和も後者優先により解決される。更に、技術分野で理解される単語又は句の定義と本明細書で明確に教示されたその単語又は句の定義との間のいかなる不調和は、後者優先により解決される。
本明細書で用いられるように、単数形「a」「an」および「the」は、そうでないことが内容から明らかでなければ、それが言及する用語の複数形をも明確に包含する。用語「ほぼ(about)」は、ここでは、近似的に、近く、大雑把に、又は約の意味で用いられる。用語「ほぼ」が数値範囲と結びついて用いられた場合、定められた数値の上方及び下方に境界が延長されてその範囲が変更される。一般的に、用語「ほぼ」は、ここでは、ある数値を述べられた値から上方及び下方に20%変更するために用いられる。用語「ほぼ」の使用は、具体的に挙げられた数量も含むことを理解されたい。
ここで用いられる技術用語及び科学用語は、当業者によって通常理解される意味以外の定義がなされていなければ、当業者によって通常理解される意味を有する。ここにおいて、当業者に知られている様々な方法論及び物質(マテリアル)への参照がなされる。
流体のより正確な理解のため、マルチモーダル試験を同時に行うことは、潤滑流体の真の動作状態及びコンディションへの洞察を与える助けとなり得る。実施の形態において、流体ベース閉鎖系環境における複数のセンサモダリティ(sensor modalities)からの測定から導出される流体の複数の特性を連続的に監視するための統合システムが提供される。好適な実施の形態は、進んだ微小電気機械システム(MEMS)と半導体技術との組み合わせを用いて、ラボ試験を流体に直接適用して流体の複数の側面を連続的且つ同時作用的(コンカレント)に測定し、これらのパラメータをプログラム可能なコンピュータに個別に報告して流体コンディションの並列且つ統合された実時間分析を提供する。ここで用いられるように、用語「センサモダリティ(sensor modalities)」は、流体の磁気的、電気的、及び光学的特性の測定だけでなく流体の温度及び圧力の測定、及び、多軸加速度の測定により流体の方向及び空間内の格納容器の周辺を監視することを含む。これらは、本発明全体で「マルチモーダル(multi-modal)」分析又は試験の例を集合的に備える。流体のコンディション及び状態への統合された洞察を提供するため、これらの測定は個別及び組合せの両方で行うことができる。一次元の試験は二つの異なる混入物の間の相互作用(例えば、電気抵抗を増大させる外来物質と電気抵抗を低下させる外来物質の両者がシステム内にあること)によって引き起こされるいかなる単一の結果も「不明瞭」にする可能性があるため、複数(すなわち、2以上)のセンシングモダリティを用いる同時マルチモーダルセンシングの適用は、測定の厳密さと正確さを向上させる。
流体コンディションの改善された理解を提供するために、実施形態では、特別に設計されたナノ粒子が導入され、システム内の不利なコンディションを経験する際の不可逆的な特定変化を引き起こすと同様に、流体内の望まれない汚染物質の検知及び捕獲を改善するために設計される。特に、設計され(engineered)デザインされた(designed)粒子は、流体へ追加、又は、フィルタへ浸透のいずれかがなされ、水分、不凍剤、金属粒子、炭素すす等を含む汚染物質の存在下での流体フローへ発射され(triggered)/放出される(released)。ナノ粒子は、トリガイベントまで検出されない。混合され、又は、状態変化された粒子の結果は、マルチモーダルセンサ(複数のセンサモダリティ)により測定可能になり、流体コンディションのより敏感かつ完全な理解を提供する。混合された粒子の結果は、特定のフィルタステージにより、又は、ナノ粒子以外の汚染物質よりも磁石(例えば、常磁性体の場合)により、より良く収集される。このプロセスは、3つの初期段階を来す:第一に、ナノ粒子及びそれらの表面付着物は、特定の汚染物質の対象の存在下で活性化するように設計され、潤滑システムが遭遇する様々な汚染物質コンディションの活動(practice)を通して及び理解を通して識別される。第二に、ナノ粒子は、添加物又はフィルタ内の物質への浸透のいずれかとして潤滑システムへ導入される。最後に、ナノ粒子は、動作環境の間に、活性化され、その後、マルチモーダルセンサシステムにより検出される。さらに、汚染物質に不着されたナノ粒子の組合せは、適切に、潤滑システム内でアクティブ循環からより良くフィルタされ、削除される。あるいは、マルチモーダルセンサによるナノ粒子の継続した検出及び測定は、流体フィルタの部分的又は完全な故障を示唆する。
ナノ粒子は、また、正常動作コンディションの間、流体へ放出され得る。そのような実施形態では、潤滑システムの任意の部分が対象動作コンディションを上回る場合に、ナノ粒子は、状態を変更するように設計され得る。例えば、そのようなナノ粒子は、過度な温度がエンジン潤滑システム内のどこかで感じられる場合、不可逆的に状態を変更するように設計され得る。環境に引き起こされるナノ粒子特性の変化は、機械のある部分が過熱されていることを示すことが後で測定され、認識され得る。例えば、ナノ粒子の表面特性は、熱ストレス下で変化する。表面特性の変化は、センサシステムにより認識され、未測定のままであるシステムの一部内の過度な温度のシステムを変化させる。例えば、粒子は、目標温度上で不可逆的に蛍光、常磁性、又は、他の物理的、又は、化学的特性を変化するように設計される。システム又はコンポーネントの任意の部分がこの設計温度を超える場合、これらの粒子は、不可逆的に状態を変更する。変更された状態は、例えば、多次元センサのようなシステム内の単一の箇所で測定され得る。このアプローチは、潤滑システム内のあらゆる箇所で温度制限の連続表示を可能にする。全ての内部環境の上に、しかし、より少ないリソースを用いたはるかに少ない複雑さで、温度センサを取り付けることの利益相当を提供する。
実施形態では、設計されたナノ粒子それら自身は、それらの固有の前駆体が摩擦低減特性を有する炭素ナノ構造に基づくため、潤滑材料として役目を果たす。システム内の注油範囲を改善するのと同様に、ナノ粒子もまた、センサ検出(例えば、過剰温度コンディション検出)を改善する、表面領域/範囲を増加する固有の特性を有する。特定の実施形態では、ナノ粒子は、化学的機能的にされた磁気ビーズという結果にあるこの炭素の共有結合性の化学的な機能を可能にする黒鉛状炭素の薄層(例えば、約2nm)で被せられた、金属ナノ粒子を含む。他の実施形態では、ナノ粒子は、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、及びそれらの合金を含む金属磁性ナノ粒子を含む。特定の実施形態では、反応金属は、グラフェン状炭素層により覆われる。特定の実施形態では、炭素の不活性な性質は、極端に高い熱的及び化学的安定性を示すコアシェル型磁性材料をもたらす。特定の実施形態では、ナノビーズは、金属コアの参加の問題なしに、例えば、低いpH及び高い温度のような、厳しいコンディションで適用され得る。他の実施形態では、ナノ粒子は金属ナノ磁石の共有結合性の機能を含む。特定の実施形態では、バインディングが炭素‐炭素結合に依存し、それ故、要求するプロセスコンディション(例えば、高い機能的な充填)の下でさえ、リガンドが失われない。機能の広範囲は、カスタム表面機能を有するビーズの準備を可能とする。特定の実施形態では、ナノ粒子は、共有結合機能化された芳香族基、触媒、及び、保護基を有する磁性ビーズである。高度な磁気的特性は、再利用のための磁気的化学品の高いリサイクル性を可能とする。
マルチモーダルセンシングにおいて、測定は、ソフトウェア/ファームウェアプログラミングを用いて流体の状態(及び状態変化)を判定し、センサ入力を参照データと比較し、時間を含む様々な測定次元に横断的に、変化する流体コンディションを検出することを組み合わせて行われる。オイル内の外来混入物の検出のための閾値を設定することが重要である。例えば、十分な量の水は、長い年月の間に、潤滑流体によって正常に保護されている重要エレメントを腐食させる場合がある。これらの閾値に基づいて、一定の警報及び通報は、例えば、スマートフォンのような持ち運び可能なハンドヘルドデバイスを用いて、出力インタフェースを介した送信又は無線インタフェースによるPoll送信のいずれかにより提供され得る。流体コンディションの進行中の評価の正当性を立証するため、定期的なラボサンプリングによる二次検査を行って、測定を検証することができる。外部的正当性立証は、マルチモーダルセンサの初期試験におけるキャリブレーションプロセスの一部であり得る。外部的正当性立証は、追加の潤滑流体及び動作環境を適したものにすることもできる。計測基準(ベースライン)が一旦わかると、全ての統合測定に横断的な複数の閾値を半導体にプログラムして、統合測定データ出力に警報機能を提供することができる。
追加の実施の形態において、ここに説明されるシステム及び方法は、潤滑システムに誤って注入されるかもしれない間違った流体又は不適当な潤滑流体の使用を検出する。間違った潤滑流体で機械装置を動作させた場合、手当がすぐになされなければ、回復できない損害が生じ得る。マルチモーダルセンサは、潤滑流体が適したものであることを「期待」し、適さない流体が注入されてその後検出された場合に警報を発する。
即時の測定と長期の監視の両方のために、システム状態のより完全な理解を提供するフレームワークに特定の個別センサを結合させることができる。このようなセンサフレームワークは、システムコンディションのリアルタイム監視を大幅に改善し、システムが様々な操作イベントを自動認識して反応する能力を大幅に改善する。
特に、磁気センサを組み込むフレームワークは、鉄系金属混入物(ferrous metal contaminant)の時宜を得た認識を促進する。また、そのような磁気センシングは、磁気ナノ粒子を検出し得る。フレームワーク内の他のセンサは、2つの間で区別し得る。例えば、常磁性共鳴(paramagnetic resonance)は、鉄系粒子の性質を確認することができ、潜在的にはそれらのサイズを確認することができる。
光透過率計、不透明度測定、又は分光測定をフレームワークに統合することで、個々の混入物、例えば、すす、水分、不凍液を示唆することできる。ナノ粒子センシングと統合された場合、汚染物質の検出を向上させることができる。更に、本発明は、例えば流体の光学的特性を変化させるかもしれない圧力及び温度を含むマルチモーダルセンシング分析を組み込むことにより改善され得る。これらの補正要素を適用して測定精度を向上させることができる。
電気的測定をフレームワークに統合することで、流体コンディションをより完全に描写を提供することができる。これらの測定は、別の流体状態及びコンディション診断の間を識別する独立した方法を検出して提供することができる。これらの測定は、ナノ粒子も検出し、別の流体状態と条件診断の間を識別する独立した方法を提供できる。ナノ粒子は、例えば、高温流入のような、その状態を不可逆的に変更する、特定コンディション及び環境の下で活性化されるように設計され得る。この状態変化は、少なくとも一つのセンサモダリティからなる組によって検出され得る。
制御システムは、複数の異種センサを統合し、センサコンディションのパターンを用いてより注目に値するコンディションの組を「認識」又は「診断」する。そのような分析のために確立された数学的アルゴリズムは、カルマンフィルタリング(及び強化カルマンフィルタリング)、隠れマルコフモデル、ベイズ分析、人工ニューラルネットワーク、又はファジー理論を含むが、これに限定されない。これらの制御システムは、ソフトウェア、ファームウェア、又はハードウエア、或いは、それらの組合せにより容易に実現できる。(“Solutions for MEMS Sensor Fusion,” Esfandyari, J, De Nuccio, R, Xu, G., Solid State Technology, July 2011, p.18−21を参照。その開示は、参照によりここに全て取り込まれる。)
さらなる実施の形態において、異なる機械動作コンディション、例えば、システムが動作しない「停止」又はシステムがシャットダウンした後に実際に起こり得る「ピーク熱」、における流体特性についてのいっそうの理解を得ることができる。冷却流体が循環しないシャットダウン後に温度が上昇し得る。流体が加熱及び冷却されると流体特性が変化する。短い加熱又は冷却間隔に横断的なこれらの変化を測定することで、潤滑流体の特性についての価値ある示唆及び洞察を更に得ることができる。例えば、流体が加熱されると光吸収率が変化する。その上、温度による電気的特性の変化を追跡することで、流体のコンディションに関する追加情報を得ることができる。例えば、機械装置の動作中だけでなく始動及びシャットダウンにおいても、偏りは制御システムに測定を要求させることがある。
本出願は、従来の診断の多くの制限を克服する。第1に、流体サンプリングから試験までの従来の時間遅延は、重要な装置を損傷の危険にさらすことがある。ときどき、潤滑流体の交換時に潤滑流体がサンプリングされる。内部部品の損耗についての洞察を提供することは潜在的に有用であるが、機械装置は、ラボから結果が戻るまで潜在的に安全でないコンディションで運転されるかもしれない。第2に、潤滑流体は過渡動作において極端な温度にさらされるかもしれない。その温度は、しばしば150℃を越えて、潤滑流体中の添加物の分解を潜在的に引き起こす。これらのコンディションの間は機器が「スイッチオフ」されていることが多いため、そのような問題は通常は検出されない。熱が新たに生成されることはないが、余熱が潤滑流体に伝達して潤滑流体の性能が潜在的に影響を受ける場合がある。そのような極端な温度(例えば、−50℃から+150℃まで)は、しばしば、信頼のできる運転を持続するための統合された現場(in−situ)センシングシステムを設計する特別な工学的努力を必要とする。更に、センサその他の電気的にアクティブなエレメントは、この環境に耐える必要がある。通常運転及び高負荷運転の間に潤滑流体が経験する様々な圧力に耐えることは等しく重要である。現場のセンサフレームワークは、潤滑システムにおいて長い年月の間に経験されるピーク温度及び圧力に耐えるように設計する必要がある。
いくつかの変数が潤滑流体特性への洞察を提供する。ある変数は直接測定できるが、他の変数は導出することができる。流体コンディションの基本的な理解のために、例えば、温度、絶対圧力、電気インピーダンス又は抵抗、pH、光透過率又は吸収率、及び磁気的測定を含む、いくつかの潤滑油の測定(センサモダリティ)が有用であろう。測定は、直接的(例えば、温度センサによる温度)、又は導出的―電気的及び光学的変化の組合せ測定による炭素の蓄積度のような―である。これらデータポイントのいくつかを取得する熱電対及び圧力センサのような標準的な手法が利用可能であり、今日用いられている。導出的測定(例えば、動作範囲における粘度の適合)は、直接的測定から計算することができ、温度及び圧力の範囲を超えて外挿することができる。追加の検出方法は、可動金属粒子の検出を向上するために一つ以上の誘導コイル及び磁気センサを用いることを含む。光学的光源及び光検出器を備えた光透過率計は、例えば、様々な波長で光吸収率の変化を測定して、潤滑流体における炭素すすの蓄積や他の潜在的な混入物及び物質を確認する。潤滑流体の基本的状態の正確な示唆を提供するため、そのような全ての測定は温度及び圧力補正(又は正規化)がなされることが好ましい。さらに、圧力測定は、システムの向き(orientation)の変更について適したものにされ得る。多軸加速度計から向きの計算は、圧力示度(pressure reading)が所定の基準を超えて指向されるシステムに起因して無効である場合、又は、代わりに、圧力示度がそのような標準の所定の制限の範囲内でシステムの向きについて補償される場合、を判定するために使用される。
粘度分析は、マルチセンサ示度から摩擦インデックスを導出して潤滑油の正味流体摩擦(net fluidic friction)を決定する。本発明は、例えば、流体フローを測定するために選択された場所の流体潤滑剤内の二つの磁気センサの測定により粘度を導出する簡潔な方法を提供する。ノーレイテンシ・ホールセンサ(no-latency Hall sensors)のようなこれらの磁気センサは、実質的に類似しており、潤滑油の流れの中に互いに近接して配置される。小型の乱流誘導物質は、誘発される流れの乱れに基づいて、それらのセンサの近傍において流れのわずかな違いを測定することを可能にする。この測定は、光透過率計を用いる光吸収率測定と更に統合することができる。この統合された測定は、温度又は圧力の示度と結び付けられて、摩擦インデックスを計算するためのフレームワークを提供する。これらのホールに基づくセンサは、できるだけ類似するように設計される。乱流誘導物質によって引き起こされていない時間的及び空間的な変化は、ほとんど同一な二つのセンサを用いて取り去られる。更に、乱流誘導物質の形状は、流体分子が翼の上側と下側でわずかに異なるスピードで移動する航空機設計用途と同様に、流体速度に関連したかすかな変化を生じさせるように設計される。粘度は、これらかすかな違いの測定と局所温度及び圧力とから、記録された潤滑油粘度参照データを用いて導出することができ、実時間の潤滑油コンディションの指標を提供する。
センサは、エンジン潤滑油の高温に耐えられるように設計されることが好適である。高温熱電対が温度を測定し、厚膜抵抗体が圧力センシング及び高温磁気センサを可能にする。光学的測定方法は、証明された高温設計に基づいている。好適には、光スペクトルは、潤滑流体が高温でエネルギーを発光しない紫外から中赤外の範囲に及び、流体、環境、及び潜在的混入物に依存する。透過率計範囲はミリメートルで測定され、発光エレメントと受光エレメントの間の距離は、既知のMEMS製造技術を用いて精密に制御される。発光エレメントと受光エレメントの間の距離は、非常に正確であることが必要である。これらのエレメントの全ては、実現されており、有用なデータを中継するようにこれらの極端な温度及び圧力環境で個々に動作している。設計はこれらの方法に限定されない。現在のところ、これらの方法は、効果的であると証明されており、簡潔な解決法を提供する。
実施の形態において、説明されたシステム及び方法は、内燃機関内に存在する又は内燃機関に関連する高温環境に関連する流体のような流体のリアルタイム監視を提供する(すなわち、サンプル取り出しによる遅延なくエンジンの活動中に流体を監視する)。好適には、本システム及び方法は、内燃機関で標準的に用いられるオイルベースの流体潤滑剤だけでなく、トランスミッション流体又はグリコールベースの冷却液(例えば不凍液)のような他の流体、及び、製造環境及びヘルスケア産業で用いられる重要な救命用医療機器における他の流体を監視する。本システム及び方法は、マルチセンサモダリティを用いるリアルタイム監視を提供して、様々な動作コンディションにおいて監視される流体の劣化を判定することが好適である。本発明の他の観点によれば、潤滑油内の既知の有害な微粒子、例えば金属、の存在を検出することができる。他の観点では、潤滑流体に連続的に浸かったセンサモジュールで流体を監視することが述べられる。他の観点では、流体コンディションの並列且つ統合されたリアルタイム分析が述べられる。本発明では、そのような機械装置の動作環境において経験される高温及び他のコンディションも述べられる。
実施例において、リアルタイムマルチモーダル流体センシングシステムは、監視対象の流体に浸けられることが意図された能動センシング環境(100)を備える単一ユニットの内蔵型の実施形態にある。センサは流体内に配置することが可能なアセンブリに取り付けられ、ネジ付きボルト(200)により適所に保持されるオイルドレインプラグ(300)に電気的能動センサが埋め込まれる。ボルトヘッドは、マイクロコントローラ、フィルタ及び他の素子を含むC3モジュール(400)、コマンド、制御及び通信モジュールと呼ばれる、内蔵型(自己完結型)システムの非センサエレメントを収容する。好適には、誘導コイル(108)と、例えば電源(180)のようなシステムを動作させる電力を含む信号源の他の方式もアセンブリに含まれる。ボルトアセンブリは、技術者によって取り付け及び取り外しが可能な内蔵型プラットフォームである。そのような環境は、典型的には、自動車のオイルドレインプラグ又は潤滑油のリザーバでもある潤滑油リターンシステムにおける類似の「低点(low point)」である。流体環境は、正常及び異常な動作により温度及び圧力の変化にさらされる。センサは、温度及び圧力仕様内で動作するように設計されるだけでなく、異常コンディションを検出できるように正常な動作環境から外れても耐えられる。
センシング環境内で、システムは、磁気、光、及び電気を含むマルチセンサモダリティに横断的に、それ自体の局所的及び低エネルギー参照信号源をプログラムに基づいて生成し、それらにおける値を連続的に検出するだけでなく、連続的な圧力及び温度測定値を受動的に受け取る。センサプラットフォーム(100)の能動エレメントは、測定中に流体に浸かることが意図されている。完全にせよ部分的にせよセンサが流体に浸からない場合、このことは、光送信(106)から光受信(107)だけでなく電気源(101)から受信(104)にも横断的な期待値許容度のマルチセンサ確認により検出及び確認され得る。このように、流体不足のコンディションをマルチアプローチにより検出することができるだけでなく、電気センサ及び光センサの両者が正しく共同でクロスチェックされることを確認することができる。
磁気センシングは、予め定義されプログラム可能な特徴の信号(102)を生成することにより達成され、それは磁気センサ(103)の近傍において既知の固定参照距離を有し、それは信号増幅、A/D変換、及びデータフィルタリングを実行するデータ取得制御部(109)により受信されて処理される。センシングは、その信号に相応の応答速度を提供するタイプの一つ以上のセンサ(103)により遂行することができ、それらは同じタイプでも異なっていてもよく、流体コンディションの直接測定及び差分(differential)測定の両方を提供する。データ取得制御部(109)は信号をフィルタリング及び分析するステップを実行し、ステップは増幅及びノイズ低減フィルタリングを含み、その後、信号はマイクロコントローラ(140)へ伝達される。磁気的測定は、他の測定次元と接続された場合、検出されたコンディションの確認だけでなく、活性化すると検出可能な磁気特性を発現させる常磁性ナノ粒子のような例外コンディションの検出のためのベクトルも考慮する。ナノ粒子活性化は、センサとは無関係であり、極端な温度限界を超えるような例外コンディションで誘発される。
一つ以上の光センサ(107)を一つ以上の光源(106)に連結することができ、狭周波数調整された発光ダイオード(LED)のような一つ以上の特定光波長エミッタと光受容体のような受光器とから構成することができる。今日の光エミッタは、狭周波数帯の光を発光するように構成することができる。そのような波長は、流体及び流体中に蓄積する混入物の特定のタイプに依存する。図6は、そのような波長の近赤外領域を超えた代表マップを示す。光センシングは、いくつもの特徴―LEDが発光しているときにおける流体の存在を含むがそれに限定されない―を判定することができる。更に、複数のLEDを、随伴する感光体から既知の固定された異なる距離のところに配置して、距離に基づいた、異なる周波数に横断的な吸収レベルのプロファイルを提供することができる。実施の形態は、単一のLEDエミッタ及びそこから既知の距離だけ離れた複数の感光体によって実現されるだけでなく、既知の順序でパルス動作する複数のLED及びそれらから既知の距離だけ離れた一つの感光体によっても実現される。制御ロジックは、マイクロコントローラ(140)及びデータ取得制御部(109)におけるソフトウェア/ファームウェアにより管理される。光センシングは、特定波長の吸収と光学的特徴の時間変化との両方において差異を検出することができる。開発された光センシングは、能動モード及び受動モードの両方で動作する。能動モードにおいて、光源は流体を介して既知の強度及び波長の光をパルス発光し、光源からの光の吸収の程度及びレベルが測定される。この小規模の透過率計は、特定の混入物及び/又は図6に示されるような特定の複数波長に横断的な流体特性の衰弱のような変化を検出するように構成される。動作の別のモードは、温度の規定外変動(excursion)のような除外イベントにより引き起こされていた光学的に活性化されたナノ粒子を検出することである。このモードでは、信号源(例えば、電気的トリガー又は磁気的トリガーと同様に特定波長の光トリガーに限定されないが)は、特に設計されたナノ粒子に、光センサ(107)により続いて検出され得る特定周波数で蛍光を発しさせる。光エミッタは、プログラムシーケンスでパルスを発せられ、その結果、共通の感光体がセンシングの受信箇所として適用され、マイクロコントローラ内のソフトウェアが光感光体センサにより受信される信号応答へのエミッタ周波数に関連できる。さらに、ナノ粒子活性化は、センシングから独立する。活性化される場合のナノ粒子のための発射方法は、例えば、多次元センサにより提供され、ナノ粒子がトリガーとして磁場又は電場源の上で蛍光を発するために発射され得る、光トリガーから独立できる。
電気的特性の変化のセンシングは、流体の誘電率のような電気容量測定から既知の参照距離に配置された電源(101)により遂行される。信号の強度及び周波数並びに測定は、プログラム可能なマイクロコントローラファームウェアに基づいており、ソース及び測定センシングの間に存在する連続的に監視されるべき流体の特徴に基づき且つ依存している。電気抵抗及び電気容量は、データ取得制御部(109)によりギャップを超えて測定することができる。異なる流体は異なる特性を持つため、ソースフィールドとセンサ受信特性の両者をプログラムに基づいて構成及び制御できることは、本発明の重要な側面である。圧力センシング(111)及び温度センシング(110)もデータ取得制御部(109)に接続される。これらのセンサは、熱レベル及び圧力レベルにおける正常及び異常コンディションを検出し、環境の動作状態についての洞察を提供することができる。流体コンディション変化―停止(システムが動作しない時)からピーク動作環境までのような―をプログラム可能なマイクロコントローラユニット(140)により評価することができる。そのような応用をソフトウェア/ファームウェアにおいて展開して、「停止」コンディション及び「動作」コンディションの両方の理解を発展させることができる。更に、特定の圧力及び温度におけるプロファイルは、定量計算(温度/圧力によるオフセット―磁気センサ(103)がホール効果の使用に基づくならば)と温度及び圧力プロファイルによる光学的特性の変化との両方にとって有用であり得る。さらに、ナノ粒子の検出は、磁気的又は光学的なモダリティの両方により、検出を促進する例えば、周波数のような電気単一の特定の特性の導入により発射される。
3次元空間における図1のオイルドレインプラグ(300)の方向での変化を追跡することは、多軸加速度センサ(112)により達成される。尚、代わりの実施形態では、加速度計112は、C3モジュール(400)、MEMSセンサプラットフォーム(100)、受信機(170)又は他の外部の場所に配置されても良い。加速度センサ(112)は、コマンド、制御及び通信モジュール、C3モジュール(400)と呼ばれる、内蔵型(自己完結型)システムの非センサ素子内のMEMSデバイス(100)、又は、近くの別の制御部に配置されても良い。関心の各軸の加速度は、データ取得制御部(109)により測定され、オイルドレインプラグ(300)の方向、それ故、エンジン及び空間内の車両の方向を計算するために使用される。方向計算は、所定の基準の方向に応じて、圧力センサ(111)からの測定値を適切なものとし、所定の圧力示度を拒絶し、又は、圧力出力を補うために所定の圧力示度に調整を行うために、データ取得制御部(109)により使用され得る。
リアルタイムクロック(150)は、マイクロコントローラモジュール(140)による監視イベントを誘発し且つ縦断的解析のために取得されたデータを時間基準に関連付けるために、正確な時間基準を提供する。リアルタイムクロックは、記録されたマルチモーダルセンサ測定値の各々と関連付けることが可能な時刻情報及び日付情報の両方を提供する。
プログラム可能なマイクロコントローラ(140)は、フィルタリング及び他のアルゴリズムを含む情報の前処理と後処理の両方を提供して、データ補正を提供する。結果は、通信モジュール(160)を介して有線接続及び無線接続のいずれかにより受信機(170)に伝達される。尚、受信機(170)は、表示部、処理部、又は両方、統合されたシステムからの受信データを任意に備える。受信機(170)及びマイクロコントローラの両者は、内部ストレージ(280)を処理して、時系列データを記録及び評価することができる。
マイクロコントローラ(140)において、センサデータは蓄積されて、マルチセンサに渡る追加のフィルタリング及び統合の対象となる。生データは、温度、圧力、光吸収率、電気インピーダンス、及び磁気特性のような個々のセンサモダリティの各々のための少なくとも一つのデジタル信号プロセッサ(DSP)(203、204、205、206、207、及び208)の組により処理される。結果の並列出力―データ補正フィルタリング(220)の前及び後の両方の―は、通信モジュール(160)を介して通知んされ得る生データ出力(260)の両方を提供する。
コンフィグレーションモジュール(270)は、フィルタリング及び処理パラメータを強化フィルタリング(220)に動的に設定することができる。ここで、計測基準及びエラーコンディションだけでなく、コンフィグレーションストレージ、イベント管理、トリガーのような他のパラメータが含まれる。コンフィグレーションモジュールは通信モジュール(160)を介して外部装置に接続される。
ナノ状態検出器(240)は、少なくとも一つのセンサの集合に渡る識別特性を提示する、任意のトリガーされ、かつ、活性化されたナノ粒子に関する連続的な検査である。このことは、マイクロコントローラにプロファイルとして及びプログラムとしての任意のアクティブな識別特性の検出を含む。状態検出器は、少なくとも1つのセンサの集合からのDSP処理の出力を評価し、リアルタイム特性データ(230)並びに関連付けられたフィルタリング及び統合された特性データを統合する。ナノ状態検出器は、コンフィグレーションモジュール(270)を介してコンフィグレーションパラメータを受信できるのと同様に、表示部(260)及びストレージ(280)への出力を同様に提供する。
更に、動作中は、連続的であれマイクロプロセッサ及び関連するプログラミングソフトウェアに従った折々のPoll送信によるものであれ、正確な時間基準を提供するリアルタイムクロック(150)を備えることにより更に強化される。そのような測定「クロスチェック」は、双方の固有の値の確認を提供し、データ補正(例えば、カルマンフィルタリング及び他のアルゴリズム的手法)及びセンサシステム全体の統合性を改善する。多くの高価値システムでは「誤り」が検出された場合、環境ではなくセンサに故障があることが多い。本発明は、期待及び予想されたセンサ出力/値がセンサシステムのパフォーマンスの正当性立証を連続的に行えるように、多くの測定基準に横断的な正当性立証を連続して行うことで、相互相関及び固有センサプラットフォームの検証を考慮する。このように、エラーコンディション(例えば、センサ故障)の分離は、それ自体が価値のある操作者の洞察―欠点のあるセンサを既知の故障した装置であると識別して交換するための―である。
電気ストレージ(182)及び光エネルギー収穫器を備える電源(180)は、C3モジュール(400)及びセンサプラットフォーム(100)へ電力を提供する。ある実施形態では、電気ストレージは、放電されるまでシステムへ電力を提供するバッテリを備える。別の実施形態では、電気ストレージは、一回の充電を超えて電気ストレージの寿命を延ばす、1以上のエネルギー収穫器と接続された充電式バッテリを備える。別の実施形態では、電力ストレージは、一回の充電を超えて電気ストレージの寿命を延ばすエネルギー収穫器と任意に接続される、電気二層コンデンサを備える。
ある実施形態では、エネルギー収穫器は、その環境からの運動エネルギーを電流へ変換する振動エネルギー収穫器(183)を備える。別の実施形態では、エネルギー収穫器は、可聴又は振動のエネルギーを電流へ変換する音響エネルギー収穫器(184)を備える。別の実施形態では、エネルギー収穫器は、差分温度を電流へ変換する熱エネルギー収穫器(185)を備える。別の実施形態では、エネルギー収穫器は、電流への変換のために、アンテナ(188)がバックグランド電磁放射線、例えばRF送信を収集する電磁エネルギー収穫器(186)を備える。
C3モジュール(400)は、有線又は無線プロトコルのいずれか又は両方を用いて受信機(170)と通信する。今日、例えば、有線通信のためのコントローラエリアネットワークバス(CAN)及びローカルインターコネクトネットワークバス(LIN)、並びに、無線通信のためのタイヤ圧力監視システム(TPMS)及びリモートキーレスシステム(RKS)のような、適切なプロトコルが自動車システムに存在する。ある実施形態における受信機(170)は、処理部を備える。また、監視状態の描写のための表示部も備え得る。
現場の流体パラメータの変化をセンシングするための機械設計は、コストを最小化し、長寿命のために環境を考慮した設計を提供する一意な特徴が組み込まれる。概念は、計画された維持スケジュールにアップグレード及び置き換えるための簡潔なインストールを可能にするオイルドレインプラグに組み込まれる圧力センサデバイスを含むことである。センサは、優れた動作温度範囲、接着特性、及び、製品により塩及び石油に対する抵抗性を有するエポキシポリマー樹脂が搭載される。これは、熱膨張差、層間剥離、及び化学分解を有する事象を防ぐ鍵である。ボルトは、エンドユーザ仕様に基づく標準ネジ山サイズを有する。孔(hole)は、統合システムのインストールを可能にし、センサプラットフォーム(100)に存在する油についての経路を提供するために、ボルトの真ん中を通ってくり貫かれる。圧力センサの外側は、統合された大気圧パイプ(314)を介した大気へ開かれる。ボルトのヘッドは、空洞を生成することにより、センサをボルト内へ合わせて機械加工される。
図7は、エネルギーストレージ(182)、及び/又は、エネルギーストレージ(182)へ追加するために、エネルギー収穫器(183−186)を備える電源を表現する。このようなエネルギー収穫器は、特に、動作エンジンのオイルパン又は音響エネルギー(184)から、振動エネルギー(183)を収集する。多くの実施形態は、流体パン及び環境の間の温度勾配を備え、当業者に知られているように、収穫器(185)は熱から電気エネルギーへの変換に関するTEC(Thermo-Electric Converter)を備える。あるいは、電磁収穫器(186)は、アンテナ(188)を任意に用いて、電界、磁界、誘導性、有線又は無線電磁エネルギーのいずれか一つからエネルギーを収集できる。
図8は、C3モジュール(400)、MEMSセンサプラットフォーム(316、センサプラットフォーム100に相当)及びバッテリ(180)を含む、本発明の特に好適な一実施形態を示す、オイルドレインプラグマルチモーダルセンサシステムの全体的な断面図を表現する。RFアンテナ(310)は通信を提供し、ある実施形態ではアンテナ(188)のエネルギー収穫を実行する。断面図に示されるプリント回路基板(312)は、1以上の基板及びC3モジュール(400)及びMEMSセンサプラットフォーム(316又は100)についての電気的な接続を提供する。周囲圧力配管(314)は、センサプラットフォーム(316)上の本実施形態に配置される差圧センサへ周囲圧力を伝える。尚、他の実施形態は、機械的圧力補償とは対照的に電気補償を可能にする追加の周囲圧力センサを有し又は有さずに、本差分センサの代わりに、絶対圧センサを使用することができる。温度補償は、精度と再現性を向上するためのこれらの圧力センサについて、当業者にも知られている。ボルトネジ(200)は、いくつかの好ましい実施形態において、従来のオイルドレインパンボルトについて等角のドロップイン置換を提供する。
ある実施形態では、本センサシステムは、流体リザーバの底近くの圧力を測定し、この圧力と周囲圧力を任意に比較する。必要に応じて、温度補償は、この測定について含まれ得る。本アプローチは、重力の(又は加速度の)分野での静的圧力に対応するセンサ上の列の流体の質量を測定できる。所定の温度について、本静的圧力は、流体含有容器の特定の温度及び方向において流体のレベルを近似する。
以上、説明の目的のために特定の実施の形態を参照して説明を行った。しかしながら、上記した説明検討は、完全なものであることや本発明を開示されたそのままの形態に限定することを意図したものではない。上記教唆を考慮して、様々な変更及び変形を行うことが可能である。実施の形態は、本発明の本質とその実際的な応用を説明するために選択及び説明された。それによって、当業者は、意図された個別の利用に適した様々な変更を行って、本発明及び様々な実施の形態を最大限に利用することができる。
図5Aは、統合マルチモーダルセンサ計算機についての本出願内に示されるシステムの処理部に組み込まれるデジタル信号処理モジュールを備える電気的及び/又はファームウェア要素を処理する実例及び解説のためのブロック図である。 図5Bは、統合マルチモーダルセンサ計算機についての本出願内に示されるシステムの処理部に組み込まれるデジタル信号処理モジュールを備える電気的及び/又はファームウェア要素を処理する実例及び解説のためのブロック図である。



  1. 流体ベースの閉鎖系環境における複数のセンサモダリティ(sensor modalities)による測定から導出される流体の複数の特性を連続的に監視するための統合システム。

  2. 前記システムは、原動機内潤滑油監視システムである、
    請求項1に記載の統合システム。

  3. 前記監視はリアルタイムに行われる、
    請求項1に記載の統合システム。

  4. 遠隔に配置された受信部をさらに備える、
    請求項1に記載の統合システム。

  5. レシプロエンジンオイルドレインパン内で見出される標準サイズ及び形状のオイルドレインプラグの形状要素(form factor)に組み込まれ、
    前記システムは、前記受信部から遠隔に配置され、データ遠隔測定法により前記システムから前記受信部への監視情報を伝達している
    請求項1に記載の統合システム。

  6. 前記センサモダリティは、電気センサ、温度センサ、磁気センサ、光センサ、加速度センサ及び圧力センサのうち少なくとも2つを備える
    請求項1に記載の統合システム。

  7. 前記センサモダリティの少なくとも1つは、インダクタである
    請求項1に記載の統合システム。

  8. 前記センサモダリティは、少なくとも磁気センサ及び光センサを備える
    請求項1に記載の統合システム。

  9. 前記センサモダリティは、少なくとも電気センサ、磁気センサ及び光センサである
    請求項1に記載の統合システム。

  10. 高温、高圧及び高振動環境に耐えることができるエポキシカプセルに収容される
    請求項1に記載の統合システム。

  11. 単一及び複数の関連する流体特性の両方の検出のためのマルチデジタル信号プロセッサをさらに備える
    請求項1に記載の統合システム。

  12. エラー指示、特定データ識別特性検出信号、特定データ識別特性信号検出強度レベル、及び、高速フーリエ変換(FFT)データ出力からなるグループから選択されたマルチステージ出力信号生成をさらに備える
    請求項1に記載の統合システム。

  13. 前記センサモダリティ測定は、カルマンフィルタ法を用いて分析される
    請求項1に記載の統合システム。

  14. 前記センサモダリティ測定は、ベイズ分析法を用いて分析される
    請求項1に記載の統合システム。

  15. 前記センサモダリティ測定は、隠れマルコフフィルタ法を用いて分析される
    請求項1に記載の統合システム。

  16. 前記センサモダリティ測定は、ファジー理論分析法を用いて分析される
    請求項1に記載の統合システム。

  17. 前記センサモダリティ測定は、ニューラルネットワーク分析法を用いて分析される
    請求項1に記載の統合システム。

  18. 前記センサモダリティ測定は、下記a)〜m)のうちの少なくとも一つを含む:
    a)差分温度比較
    b)差分磁気センサ比較
    c)差分誘導センサ比較
    d)差分電気インピーダンス比較
    e)差分光吸収率比較
    f)2つのセンサの少なくとも1つの組からなる任意の組合せ及び統合比較
    g)時間及び温度に対する各センサベクトルのデータ比較
    h)少なくとも2つのセンサの組合せの集合からなる統合ベクトルのデータ比較
    i)時間及び温度に対する誘導データ比較
    j)時間及び温度に対する光学的データ比較
    k)温度及び圧力に対する光学的データ比較
    l)ピーク熱を検出する時間及び圧力に対する温度データ比較、及び
    m)他のセンサの組合せ
    請求項1に記載の統合システム。

  19. エラー指示、特定データ識別特性検出信号、特定データ識別特性信号検出強度レベル、及び、高速フーリエ変換(FFT)データ出力からなるグループから選択されたマルチステージ出力信号生成を備え、
    流体ベースの閉鎖系環境内で、複数のセンサモダリティ(sensor modalities)による測定から導出される流体の複数の特性を連続的にリアルタイムに監視するための
    原動機内潤滑油監視システム。

  20. 原動機内潤滑油監視システムは、レシプロエンジンオイルドレインパン内で見出されるオイルプラグを備える
    請求項19に記載の統合システム。

  21. 前記システムは、有線又は無線データ遠隔測定法により受信部から遠隔に配置される
    請求項19に記載の統合システム。

  22. 遠隔に配置された受信部をさらに備える
    請求項19に記載の統合システム。

  23. 第1のセンサモダリティを用いて流体の第1のコンディションを測定し、
    第2のセンサモダリティを用いて流体の第2のコンディションを測定し、
    前記センサからデータをフィルタし、
    前記センサからデータを統合し、
    前記センサからデータを分析し、
    前記データから前記流体の特性を導出し、
    前記流体コンディションの導出特性を受信機へ送信し、及び、
    前記流体の動作コンディションにおける変化を追跡する時系列の流体特性を蓄積するように処理を繰り返す
    機械の動作流体を規則的に監視する方法。

  24. 任意の単一又は複数のコンディションの変化の期待速度対観測速度の時系列を計算することにより流体のコンディションを追跡することをさらに備える
    請求項23に記載の方法。

  25. 予測及び期待された測定値変化対期待されない変化のマルチセンサ時系列データに横断的に、期待された発散又は収束を計算することをさらに備える
    請求項23に記載の方法。

  26. 圧力のセンサモダリティは、加速度のセンサモダリティにより適したものにされる
    請求項6に記載の統合システム。

  27. システムの方向内の変化についての圧力示度を適したものにするための標準システム方向を判定するために、長い年月の間の加速度示度の相関関係をさらに備える
    請求項23に記載の方法。

  28. 前記システムは、
    a)非充電式電気バッテリ
    b)充電式電気バッテリ
    c)電気二層コンデンサ
    d)振動エネルギーを電流へ変換するエネルギー収穫器
    e)音響エネルギーを電流へ変換するエネルギー収穫器
    f)温度差分を電流へ変換するエネルギー収穫器
    g)電磁エネルギーを電流へ変換するエネルギー収穫器
    h)他の形式のエネルギーの収穫
    の少なくとも1つを備える電力源により供給される
    請求項1に記載の統合システム。

  29. 前記システムは、センサモダリティ測定値を処理するマイクロコントローラをさらに備える
    請求項1に記載の統合システム。

  30. a)前記システムから前記受信部への無線接続
    b)前記受信部から前記システムへの無線接続
    c)前記システムから前記受信部への有線接続
    d)前記受信部から前記システムへの有線接続
    の少なくとも1つの接続が可能な通信部をさらに備える
    請求項1に記載の統合システム。

  31. 前記通信部は、
    a)車載無線通信
    b)タイヤ圧力監視システム(TPMS)
    c)リモートキーレスシステム(RKS)
    d)車載有線通信
    e)CANバス
    f)LIN
    の少なくとも1つを備える
    請求項28に記載の通信装置。

  32. エンジンのオイルドレインパンボルトの範囲内で配置される
    請求項1に記載の統合システム。

  33. センサプラットフォームを通電するために再充電するエネルギーストレージ部をさらに備える
    請求項23に記載の方法。

  34. 流体の充電後にオイルドレインパンの改修をさらに備える
    請求項23に記載の方法。

  35. 前記複数の特性の監視は、
    監視されている流体の非準拠の特性を測定することにより、流体ベースの閉鎖系環境へ導入される非準拠の流体を検出する
    請求項1に記載の統合システム。

  36. 周囲圧力と比較される表面の下の流体の圧力を測定するセンサを備え、
    閉鎖システム内の流体のレベルの一つである、
    複数の特性を監視するための統合システム。

  37. 温度についての圧力示度を補う前記システムと接続される温度センサをさらに備える
    請求項36に記載の統合システム。

  38. 前記閉鎖システム内の流体のレベルは、前記特性の一つを備え、
    前記センサモダリティの一つは圧力検知を備える
    複数の特性を監視するための請求項1に記載のシステム。

  39. バッテリからの信号源の方法は、前記システムが動作するための電力を含む
    請求項1に記載の統合システム。

  40. 前記バッテリは、
    前記システムが動作するための電力を含む少なくとも1つの以下の信号源の方法により提供される電流により充電される
    a)振動エネルギーから電流へ変換する源
    b)熱エネルギーから電流へ変換する源
    c)電磁エネルギーから電流へ変換する源
    請求項39に記載の統合システム。

  41. コンデンサからの信号源は前記システムが動作するための電力を含み、
    前記コンデンサは、前記システムが動作するための電力を含む少なくとも1つの以下の信号源の方法により提供される電流により充電される
    a)振動エネルギーから電流へ変換する源
    b)熱エネルギーから電流へ変換する源
    c)電磁エネルギーから電流へ変換する源
    請求項1に記載の統合システム。

  42. 前記コンデンサは、電気二層コンデンサである
    請求項41に記載の統合システム。

 

 

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