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1、(10)申请公布号 CN 103913559 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103913559 A (21)申请号 201310744128.4 (22)申请日 2013.12.30 13/731,647 2012.12.31 US G01N 33/30(2006.01) G01N 11/00(2006.01) G01N 21/3577(2014.01) G01N 21/359(2014.01) (71)申请人 玛斯特股份有限公司 地址 美国纽约 (72)发明人 B冯赫泽恩 SV弗莱特 (74)专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人 宋超。
2、 (54) 发明名称 多模态流体条件传感器平台及用于其的系统 (57) 摘要 本发明涉及多模态流体条件传感器平台及用 于其的系统。本发明涵盖了用于诸如汽车往复式 发动机和车辆传动装置的循环系统中所包含流体 各方面的多模态集成同时测量的实施例。这些循 环系统执行不断的内部润滑及热量和污染物的除 去， 以保护内部运动部件在正常操作中不受固有 的摩擦与损害。这最常见地是利用基于烃和 / 或 相关合成物的流体获得的， 随着时间， 这种流体会 失去其保护属性， 而且其性能会变化或者由于内 部和外部事件而分解 / 衰变。润滑液中的几种成 分可以被测量并且可以提供对系统执行其所设计 任务的功效的了解。本文所。
3、述的是用于预警通知 的实时、 同时、 集成的多模态传感器系统。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103913559 A CN 103913559 A 1/2 页 2 1. 一种集成系统， 用于持续监测从来自基于流体的闭合系统环境内的多个传感器模态 的测量结果导出的流体的多个属性。 2. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中所述系统是电动机内的润滑监测系统。 3. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中所述监测。
4、是实时的。 4. 如权利要求 1 所述的集成系统， 构建成标准尺寸的形式因子并且成形为存在于往复 式发动机放油塞内的油塞元件， 其中所述系统通过有线或无线数据遥测技术远离显示和处 理单元定位。 5. 如权利要求 1 所述的集成系统， 附加地包括远程定位的处理和显示单元。 6. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态包括电、 温度、 磁、 光和压力传感器 中的至少两种。 7. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态中的至少一种包括感应器。 8. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态至少包括磁和光学传感器。 9. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态至少。
5、包括电、 磁和光学传感器。 10. 如权利要求 1 所述的集成系统， 包含在能支持高温和高压环境的环氧树脂封装内。 11. 如权利要求 1 所述的集成系统， 还包括用于单个及多个相关流体特性的检测的多 个数字信号处理器模块。 12. 如权利要求 1 所述的集成系统， 还包括选自错误指示、 具体数据签名检测信号、 具 体数据签名信号检测强度水平和快速傅立叶变换 （FET） 数据输出的多阶段输出信号生成。 13. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态测量结果是利用卡尔曼滤波技术 分析的。 14. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态测量结果是利用贝叶斯分析技术 分析的。 1。
6、5. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态测量结果是利用隐式马尔可夫滤 波技术分析的。 16. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态测量结果是利用模糊逻辑分析技 术分析的。 17. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态测量结果是利用神经网络分析技 术分析的。 18. 如权利要求 1 所述的集成系统， 其中传感器模态测量结果包括以下至少一个 ： a) 差分温度比较 b) 差分磁传感器比较 c) 差分感应传感器比较 d) 差分电阻抗比较 e) 差分光学吸收比较 f) 包括至少一组两个传感器的任意组合和集成比较 g) 每个传感器矢量对时间和温度的数据比较 h) 包。
7、括一组至少两个组合的传感器的集成矢量的数据比较 i) 感应数据比较对时间和温度 j) 光学数据比较对时间和温度 权 利 要 求 书 CN 103913559 A 2 2/2 页 3 k) 光学数据比较对温度和压力 l) 温度数据比较对检测峰值热量的时间和压力， 及 m) 其它传感器组合。 19. 一种持续监测机器的操作流体的方法， 包括 ： 利用第一传感器模态测量流体的第 一条件、 利用第二传感器模态测量流体的第二条件、 过滤来自传感器的数据、 集成来自传感 器的数据、 分析来自传感器的数据、 从所述数据导出流体的属性、 把导出的流体条件的属性 发送到接收器， 并且重复该过程， 从而积累跟踪流。
8、体的操作条件变化的流体属性的时间序 列。 20. 如权利要求 19 所述的方法， 还包括通过计算任何单个或多个条件的预期变化率对 观察到的变化率的时间序列来跟踪流体的条件。 21. 如权利要求 19 所述的方法， 还包括计算跨具有预计和预期测量值变化对非预期变 化的多个传感器时间序列数据的预期的发散或收敛。 权 利 要 求 书 CN 103913559 A 3 1/8 页 4 多模态流体条件传感器平台及用于其的系统 技术领域 0001 本发明涵盖了用于诸如汽车往复式发动机和车辆传动装置的循环系统中所包含 的流体的各方面的多模态集成同时测量的实施例。这些循环系统执行不断的内部润滑， 及 热量和污。
9、染物的除去， 以保护内部运动部件在正常操作中不受固有的摩擦与损害。这最常 见地是利用基于烃和 / 或相关合成物的流体获得的， 随着时间， 这种流体会失去其保护属 性， 而且其性能会变化或者由于内部和外部事件而分解 / 衰变。润滑液中的几种成分可以 被测量并且可以提供对系统执行其所设计任务的功效的了解。 本文所述的是用于预警通知 的实时、 同时、 集成的多模态传感器系统。 背景技术 0002 本发明的这个领域涉及， 但不限于， 汽车行业。特别地， 这个领域涉及利用在高温 环境中操作的能动润滑液的机械发动机和大规模机械设备。对于这些润滑剂， 实时地监测 变化的流体属性、 污染物水平和性能变化以确保。
10、由该润滑系统保护的装备的安全可靠操作 将是有利的。 这种方法适用于机动车辆、 飞行器或航空器、 工业装备、 风力涡轮机、 挽救生命 的医疗机械及其它关键设备。 流体的条件常常利用静态、 周期性的方法检测， 一般需要把流 体从系统中除去， 常常是通过提取要发送到世界各地的测试实验室的流体样本， 这些实验 室具有测量润滑液多个方面 （包括各种参数的历史时间序列） 的既定过程与方法。通常的 作法是应用这种基于时间的纵向流体监测来检测随时间的变化， 以便在闭合的环境中获得 对性能变化的理解。例如， 特定颗粒以增加的浓度的存在可以指示被润滑的系统中某些基 本成分的磨损与性能水平。这种测试一般测量流体特性。
11、随时间的变化， 包括检测基本润滑 液与添加剂的变化和变质及运动部分由于正常操作造成的正常 （预期的） 和异常的 （非预期 的） “磨损” 。静态样本通常发送到执行多种测试的设施， 包括检测外来物质与物体的存在。 在有些情况下， 诸如当润滑液改变时， 润滑过滤器通常与用于测试和详细分析的油一起发 送。对于样本和过滤器， 这都是一种破坏性的 “推倒” 分析 使得过滤器和样本不能返回 到服务中， 而是被评估然后被除去。一般在实验室中执行的测试包括金属和非金属颗粒的 检测、 水或其它非润滑液、 碳灰和其它成分的存在， 而且在有些情况下， 检验润滑剂的基本 化学成分仍然完好如初。在完成测试后， 生成书面。
12、 （或电子） 报告并发送到股东。从提取到 股东审阅， 结果一般要花数天或数周。 0003 多种低成本的润滑液测量产品和技术正涌现到市场上 包括机油样本的消费者 静态 “检查” （见 ） ， 该方法测量电阻抗特性的变化 （当小电源跨传感器施加 时， 测量电容和电阻， 其中润滑剂的足够样本尺寸桥接跨检测器的传感器电极） 。这种方法 在油演变过程中的一个时间点执行油箱流体属性的单维测量 （即， 静态测量） ， 仅提供当操 作人员手动提取要测试的油样本时的了解并且只有在数据随时间被适当记录和跟踪的情 况下指示电气属性中的变化。这种方法有许多缺陷， 包括 （只有当操作人员进行测量时的） 间隔采样， 及由。
13、于引入流体中的多种污染物的存在而遮掩润滑剂的真实状态 / 条件的反作 用力的可能。作为一个例子， 在汽车发动机的情况下， 作为发动机操作的结果， 内燃机的正 说 明 书 CN 103913559 A 4 2/8 页 5 常操作将产生碳副产品 （这是使油变色的东西） 。如果测量只产生这种碳 “烟灰” ， 则由于烟 灰的引入， 电阻将改变 （增加） 。如果同时发动机经受相反的 “磨损” 到有些金属颗粒作为跨 内部运动部分的异常条件而产生的程度， 则这些颗粒将减小电阻， 因为金属是比基本润滑 剂更好的导体。在烟灰和金属颗粒同时产生的情况下， 他们会部分或完全抵消一些或全部 可测量的效果 因而提供对润。
14、滑剂和基本发动机真实条件的错误指示。通过比较的测试 实验室分析执行多种测试， 这些测试将能够独立地检测基础润滑液中这两种物质的存在并 且提供对流体和结果系统的条件的准确报告。 0004 润滑液必须适应广泛的操作条件 包括温度、 压力、 纯度的变化， 及状态变化。润 滑剂常常对一种特定的操作环境和温度范围进行优化并且用粘度来表示。 有些润滑剂设计 成以多种粘度操作 （例如， 10W-30多级粘度机油） 。 一般来说， 流体条件和属性的测量是静态 的并且当处于静态 / 非操作状态时经采样在这种操作环境之外执行。静态采样不一定能验 证处于操作状态下的流体条件 在正常 / 典型操作范围之内或之外。已经。
15、开发出了用于 实时测量润滑液和其它液体的昂贵且复杂的传感器 或者用在实验室环境和条件下或者 用于其中立即的传感器润滑信息很关键的非常高价值的机器。 诸如Voelker Sensors,Inc. 的公司提供了用于机床工业的产品， 该产品实时地测量多个参数， 包括油的等级、 氧化 （pH 的变化） 、 温度等。传感器元件不是基于 MEMS 的而且具有较大的覆盖区， 而且其尺寸 / 形式 因子不适合用于在汽车的油 / 润滑系统中使用 （ “Continuous Oil Condition Monitoring for machine Tool and Industrial Processing Eq。
16、uipment” ， Practicing Oil Analysis （9/2003） ） 。 0005 除 VSI 之外， 还存在如由 Halalay（7,835,875、 6,922,064、 7,362,110） 、 Freese 等人 （5,604,441） 、 Ismail 等人 （6,557,396） 、 Steininger（4,224,154） 、 Marszalek （6,268,737） 及其他人所执行的连续电气属性测量的各种实现， 这些实现公开了电属性的 奇异矢量分析 （电） 或时间序列测量结果， 以便导出对油条件的理解。就像在 Lubricheck 方 法中一样， 对于。
17、克服会报告不正确油条件的相互依存和真实测量抵消效应仍存在挑战。这 正是为什么流体测试协议和实验室应用跨多个维度的测试以包括空间分析以及应用测试 以确定油样本中所包含的金属与其它外来物体的原因。 0006 润滑剂设计成超出其既定状态执行并且通过 “添加剂” 的添加进一步增强， 以延长 流体的寿命和安全边际。应当理解， 润滑剂的长寿命对于系统的安全操作是至关重要的。 流体的替换一般是在非常保守 （即， 短） 的推荐间隔执行的， 从而为操作人员提供宽安全边 际。通常， 润滑剂可以操作显著更长的间隔， 或者， 在工作在恶劣环境中的特定装备的情况 下 （例如， 用在战场上的军事装备或者在采矿操作中） ，。
18、 可能需要更主动的替换周期。根据装 备 / 系统制造商确定的规格确定什么时候润滑液不能继续执行是很重要的。只要润滑液还 在操作安全边际内， 它就可以无限期地操作而且不需要用新鲜的润滑液交换或者替换。 0007 提供对流体性能更精确的测量可以最大化润滑剂和该润滑剂保护的装备的寿命。 随着装备与烃润滑剂的成本增加， 提供润滑剂的更长更精确的寿命及待定的装备性能退化 （包括电动机、 过滤器和系统中的其它部件， 等等） 的早期检测与通知的价值也越大。当关键 性装备故障被事先检测到时， 这种方法可以潜在地挽救生命。 此外， 万一流体发生故障并且 导致装备损坏， 则这种系统潜在地消除了修复 / 替换基本 。
19、/ 损坏的装备所需的资源和所损 失的时间。这种方法还避免了比实际所需更经常地完成换油所需的服务与资源损失。 说 明 书 CN 103913559 A 5 3/8 页 6 发明内容 0008 在实施例中， 提供了一种集成系统， 该系统用于持续监测从来自基于流体的闭合 系统环境中的多个传感器模态的测量结果导出的流体的多个属性。 0009 在某些实施例中， 该系统构建成标准尺寸的形式因子并且成形为往复式发动机放 油塞中找到的油塞元件， 其中所述系统通过有线或无线数据遥测技术远离显示和处理单元 定位。该系统适当地还包括远程定位的处理和显示单元。 0010 在其它实施例中， 传感器模态包括电、 温度、 。
20、磁、 光和压力传感器中的至少两种， 传 感器模态中的至少一个适当地包括感应器。在实施例中， 传感器模态至少包括磁和光学传 感器而且在其它实施例中传感器模态至少包括电、 磁和光学传感器。 0011 在某些实施例中， 该系统包含在可以支持油塞机械设计中所包含的高温和高压环 境的环氧树脂封装中。 0012 在某些实施例中， 该系统还包括用于检测单个和多个相关流体特性的多个数字信 号处理器模块。在实施例中， 该系统还包括选自错误指示、 具体数据签名检测信号、 具体数 据签名信号检测强度等级和快速傅立叶变换 （FET） 数据输出的多阶段输出信号生成。 0013 在其它实施例中， 传感器模态测量结果是利用。
21、卡尔曼滤波技术、 贝叶斯分析技术、 隐式马尔可夫滤波技术、 模糊逻辑分析技术或神经网络分析技术分析的。 0014 在示例性实施例中， 传感器模态测量结果包括以下至少一个 ： 差分温度比较、 差分 磁传感器比较、 差分感应传感器比较、 差分电阻抗比较、 差分光学吸收比较、 包括至少一组 两个传感器的任意组合与集成比较、 每个传感器矢量对时间和温度的数据比较、 包括一组 至少两个组合的传感器的集成矢量的数据比较、 感应数据比较对时间和温度、 光学数据比 较对时间和温度、 光学数据比较对温度和压力、 温度数据比较对检测峰值热量的时间和压 力， 及其它传感器组合。 0015 还提供了持续监测机器的操作。
22、流体的方法， 包括 ： 利用第一传感器模态测量流体 的第一条件、 利用第二传感器模态测量流体的第二条件、 过滤来自传感器的数据、 集成来自 传感器的数据、 分析来自传感器的数据、 从这些数据导出流体的属性、 把导出的流体条件的 属性发送到接收器， 并且重复这个过程， 从而积累跟踪流体操作条件变化的流体属性的时 间序列。在实施例中， 该方法还包括通过计算任何单个或多个条件的预期变化率对观察到 的变化率的时间序列来跟踪流体的条件。在附加的实施例中， 该方法还包括计算跨具有预 计和预期测量值变化对非预期变化的多个传感器时间序列数据的预期的发散或收敛。 0016 以下参考附图具体地描述进一步的实施例、。
23、 各实施例的特征和优点及各种实施例 的结构与操作。 附图说明 0017 图 1 是本申请中所描述的示例性实时多模态流体感测系统的表示。 0018 图 2 是构成多模态流体传感器解决方案的示例性主要发动机内传感器源与接收 元件的表示。 0019 图 3 是本申请中所给出的系统的示例性主要电子与固件元件的框图表示。 0020 图 4 是示例性光学传感器的插图。 说 明 书 CN 103913559 A 6 4/8 页 7 0021 图 5 是包括为了集成的多模态传感器计算而结合到本申请中所给出的系统的显 示与处理部分中的数字信号处理模块的示例性处理电子和 / 或固件元件的框图。 0022 图 6 。
24、是用于各种光属性检测的离散波长的代表性框架。 具体实施方式 0023 应当认识到， 本文所示出和描述的特定实现是例子而不是要以任何方式限定本申 请的范围。 0024 本文所提到的公开专利、 专利申请、 网站、 公司名字和科学文献全文通过引用并入 本文， 就好像它们当中的每一个都具体且独立地被指示通过引用并入一样。本文所引用的 任何参考与本说明书的具体教义之间的任何冲突应当依据后者来解决。同样， 一个词或短 语在本领域中所理解的定义与该词或短语在本说明书中具体讲授的定义之间的任何冲突 都应当依据后者来解决。 0025 如在本说明书中所使用的， 除非内容明确地另外指示， 否则单数形式 “一” 、“。
25、一个” 和 “该 / 所述” 具体地说也涵盖它们所指的术语的复数形式。术语 “大约” 在本文中用于指 近似地、 在范围内、 粗略地或者在附近。当术语 “大约” 结合一个数值范围使用的， 它通过扩展该数值所述的上下边界来修改那个范围。通常， 术语 “大约” 在本文中用于修改 高于和低于所述值的数值 20% 的变量。应当理解， 术语 “大约” 还包括具体记载的量。 0026 除非另外定义， 否则本文所使用的技术和科学术语具有本申请所涉及的领域中技 术人员普遍理解的意义。本文参考本领域技术人员已知的各种方法与素材。 0027 为了提供对流体的更准确理解， 同时进行多模态测试可以帮助给出对润滑液的真 。
26、实操作状态与条件的了解。 在实施例中， 提供了一种集成系统， 该系统用于持续监测从来自 基于流体的闭合系统环境中多个传感器模态的测量导出的流体的多个属性。合适的实施 例利用高级微机电系统 （MEMS） 和半导体技术的组合把实验室测试直接放到流体中， 以便持 续且并发地测量流体的多个方面并且把这些参数个别地报告给可编程的计算机， 以便提供 对流体条件的并行且集成的实时分析。如在本文中所使用的， 术语 “传感器模态” 包括流体 的磁、 电和光属性的测量， 及流体的温度和压力的测量， 贯穿全文也称为 “多模态” 分析或测 试。这些测量既可以个别又可以组合地进行 以便提供对流体条件和状态的集成了解。 。
27、由于单维测试可能使流体中两种不同污染物之间的相互影响造成任何单个结果 “模糊” （例 如， 系统中电阻增加和电阻减小外来物质的组合） ， 因此利用多个 （即， 两个或更多个） 感测 模态的同时多模感测的应用提高了测量结果的保真度和准确度。 0028 在多模态感测中， 测量被组合， 以便利用软件 / 固件编程确定流体的状态 （和状态 变化） ， 以便相对于参考数据比较传感器输入并且跨各种测量维度 （包括时间） 检测变化的 流体条件。设置用于检测油中外来污染物的阈值是很重要的。例如， 随着时间， 足量的水会 造成通常受润滑液保护的关键性元件的侵蚀。 基于这些阈值， 可以提供某些报警和通知， 或 者。
28、通过输出接口发送或者被无线接口轮询， 可选地是利用便携式手持式设备， 诸如智能电 话。 为了验证正在进行的流体条件评估， 可以进行辅助检查， 以便通过周期性的实验室采样 检验测量。外部验证可以是多模态传感器的初始测试期间符合校准过程的一部分。外部验 证还可以证明附加的润滑液和操作环境是合格的。一旦理解了基线， 跨所有集成测量的阈 值就可以编程到半导体中， 以便在集成的测量数据输出之上并超过其提供报警功能性。 说 明 书 CN 103913559 A 7 5/8 页 8 0029 在附加的实施例中， 本文所述的系统与方法检测可能被错误地引入润滑系统中的 错误流体或不合适润滑液的使用。如果不立即补。
29、救的话， 利用错误的润滑液操作机器会造 成无法弥补的伤害。多模态传感器 “预期” 符合的润滑液， 当不符合的流体被引入并且随后 被检测到时发出报警。 0030 特定的个别传感器可以组合到一个框架中， 这个框架提供对系统状态的更加完整 的理解， 既对于立即测量又对于纵向监测。这种传感器框架大大改善了系统条件的实时监 测并且大大提高了系统自动识别并响应多种操作事件的能力。 0031 特别地， 结合磁传感器的框架方便黑色金属污染物的及时识别。 例如， 顺磁共振可 以特征化黑色颗粒的本质， 并且有可能特征化它们的尺寸。 0032 把光学透射计、 不透明度测量或频谱测量集成到框架中提供了特定污染物的指 。
30、示， 例如， 烟灰、 水或者防冻液。另外， 本发明可以通过结合多模态感测分析来改进， 以便包 括例如可能改变流体的光学属性的压力和温度。 可以应用这些校正因素来提高测量的准确 度。 0033 把电气测量集成到框架中提供了流体条件更加完整的图。 这些测量还可以检测而 且可以提供区分备用流体状态与条件诊断的独立途径。 这种状态改变可以通过一组至少一 个传感器模态来检测。 0034 控制系统集成异类的传感器， 利用传感器条件的模式来 “识别” 或 “诊断” 值得进 一步关注的条件集合。为这种分析所建立的数学算法包括而且不限于卡尔曼滤波 （和增强 的卡尔曼滤波） 、 隐式马尔可夫模型、 贝叶斯分析、 。
31、人工神经网络或模糊逻辑。这些控制系 统可以很容易地在软件、 固件或硬件或者其组合中实现。 （参见 2011 年 7 月 Solid State Technology第18-21页由Esfandyari,J,De Nuccio,R,Xu,G.所写的 “Solutions for MEMS Sensor Fusion” ， 该文献的公开内容全文通过引入并入本文） 。 0035 在进一步的实施例中， 可以获得在不同机器操作条件下对流体属性的附加理解， 例如， 包括当系统不操作时的 “静止” 或者在系统停机之后实际上可能发生的 “峰值热量” 。 在停机之后， 当没有冷却液循环时， 温度可能增加。流体属。
32、性将随着流体加热和冷却而变 化。 跨短暂的加热或冷却间隔测量这些变化会产生有价值的附加指示和对润滑液属性的了 解。例如， 光学吸收可能随着流体加热而变化。此外， 跟踪电气属性随温度的变化会提供关 于流体条件的进一步信息。例如， 不仅在机器在操作的时候， 而且在启动或停机的时候， 偏 差都可能使控制系统请求测量。 0036 本申请克服了传统诊断的多个限制。首先， 传统的从流体采样到测试的时间延迟 可能把关键性装备置于受损害的危险之中。有时候， 润滑液是在其交换的时候采样的。虽 然对于提供对内部部件磨损的了解可能有用， 但是， 在从实验室返回结果之前， 机器可能在 有可能不安全的条件下操作。 其次。
33、， 润滑液在操作过渡期间可能暴露给极端温度， 这个温度 常常超过 150 摄氏度， 这有可能造成润滑液中添加剂的某种分解。这种问题不是总能检测 到， 因为在这些条件下装备常常被 “断开” 。 虽然不会产生新的热量， 但是残留的热量转移到 润滑液中并且有可能影响其性能。 这种温度极端常常需要特定的技术工作来设计集成的原 位 （in-situ） 感测系统， 以支持可靠的操作 （例如， 从 -50C 到 +150C） 。另外， 传感器和其它 电有源元件需要支持这种环境。 同样重要的是对润滑液在正常和高负荷操作期间可能经历 的各种压力的支持。 原位传感器框架必须设计成经得起随时间在润滑系统中经历的峰值。
34、温 说 明 书 CN 103913559 A 8 6/8 页 9 度和压力。 0037 几个变量提供对润滑液属性的了解。 有些变量可以直接测量， 而其它的可以导出。 为了获得对流体条件的基本理解， 对润滑剂的几个测量 （传感器模态） 可能是有帮助的， 包 括， 例如， 温度、 绝对压力、 电阻抗或电阻、 pH、 光学透射或吸收， 及磁测量。测量或者是直接 的 （例如， 经温度传感器对温度的测量） 或者是导出的诸如经电气和光学变化的组合测量 导出的碳积聚的程度。如今， 可以获得并使用标准的技术， 诸如热电偶和压力传感器， 来获 得这些数据点中的一些。导出的测量 （例如， 操作范围内的粘度一致性）。
35、 可以从直接测量计 算， 而且可以在温度和压力的范围之上外推。附加的检测方法包括一个或多个感应线圈及 磁传感器的使用， 以便增强对移动的金属颗粒的检测。 例如， 由光学光源和光学检测器组成 的光透射计测量在各个波长对光的吸收， 以便特征化润滑液中碳灰积聚与其它可能的污染 物与物质。所有这些测量都应当是温度与压力补偿的 （或者标准化的） ， 以便提供对润滑液 基本健康情况的准确指示。 0038 粘度分析从多个传感器读数导出摩擦系数， 以便确定润滑剂的净流体摩擦。本发 明给出了一种通过例如测量选定位置流体润滑剂中的两个磁传感器以便测量流速来导出 粘度的简单方法。这些磁传感器， 诸如无延迟的霍尔 （。
36、Hall） 传感器， 基本上是类似的并且 位于润滑剂流内彼此紧靠的位置。 一个小型湍流感应器基于感应出的流扰动启用流中传感 器附近轻微差别的测量。这种测量可以进一步与利用光透射计的光学吸收测量集成。通过 与温度或压力读数耦合， 这种集成的测量提供了用于计算摩擦系数的框架。基于霍尔的传 感器设计成尽可能相似。 不是由湍流感应器造成的时间与空间变化利用两个几乎完全相同 的传感器减去。 另外， 湍流感应器的形状设计成产生与流体速度相关的微小变化， 与其中流 体分子以稍不同的速度在机翼上下行进的航空应用类似。 利用文档记录的润滑剂粘性参考 数据， 粘度可以从这些稍不同的测量连同局部温度和压力一起导出，。
37、 从而提供实时润滑剂 条件的指示。 0039 传感器适当地设计成经得起发动机润滑剂的高温。高温热电偶测量温度， 厚膜电 阻器启用压力感测， 而且高温磁传感器。 光学测量方法是基于经过证明的高温设计。 光学频 谱适当地从 UV 到中 IR 变化， 其中， 依赖于流体和环境及可能的污染物， 润滑液在高温不发 射能量。 透射计范围是以毫米为单位测量的而且发射元件与接收元件之间的距离是利用已 知的 MEMS 制造技术精确控制的。光学发射与接收元件之间的这种距离必须非常准确。所 有这些元件都已经以中继有用数据这样一种方式在这些极端的温度与压力环境中实现并 且个别地操作。设计不限于这些方法。目前， 这些方。
38、法被证明是有效的并且提供简单的解 决方案。 0040 在实施例中， 贯穿本文所描述的系统与方法提供了流体的实时监测， 诸如与内部 内燃机中所存在和或者与其关联的高温环境关联的那些流体 （即， 在不存在除去样本的延 迟的情况下监测发动机活动期间的流体） 。适当地， 这些系统与方法监测通常与内部内燃机 一起使用的基于油的流体润滑剂， 及诸如传动液的其它流体或者诸如防冻液的基于乙二醇 的冷却剂， 及制造环境和医疗保健行业中使用的关键性挽救生命医疗装备中的其它流体。 这些系统与方法利用多个传感器模态适当地提供实时监测， 以便确定各种操作条件下所监 测的流体的降级。另一方面是本发明检测润滑剂中已知有害颗。
39、粒 （诸如金属） 的存在的能 力。所解决的另一方面是利用持续地浸入润滑液中的传感器模块监测流体。所解决的另一 说 明 书 CN 103913559 A 9 7/8 页 10 方面是流体条件的并行且集成的实时分析。 本发明还解决了在这种机器的操作环境中所经 历的高温与其它条件。 0041 在示例性实施例中， 实时多模态流体感测系统是在包括有源感测环境 （100） 的单 个单元的自包含实施例中， 该有源感测环境 （100） 要浸入被监测的流体中。 传感器附接到可 以放到流体中的组件， 其中电子和有源传感器嵌入到经螺栓 （200） 固定到位的塞子 （300） 中。螺栓头容纳自包含系统 （400） 的。
40、非传感器元件， 以包括微控制器、 滤波器和其它元件。 在该组件内还适当地包含的有感应器线圈 （108） 和其它方法的信号源以包括操作系统的电 源。螺栓组件是可以由技术人员安装并除去的自包含平台。这种环境是汽车上的放油塞或 者润滑返回系统中类似的 “低点” 的特征， 其中润滑返回系统也可以充当流体的储蓄池。流 体环境可能通过正常与异常操作经受温度和压力的变化。因此， 传感器设计成在温度和压 力规格内操作 及超出正常操作环境的定制容限， 以便能够检测异常条件。 0042 在感测环境中， 系统编程性地跨多个传感器模态 （包括磁、 光和电） 生成其自己的 局部和低能量参考信号， 并且持续地检测其中的值。
41、及被动地接收持续的压力和温度测量。 在测量的时候， 传感器平台 （100） 的有源元件要浸入流体中。在传感器没有完全或部分地 浸入流体的情况下， 这可以被检测并通过预期值容限跨光 （106） 发射到光接收 （107） 及到 电源 （101） 到接收 （104） 的多传感器确认来确认。以这种方式， 缺乏流体的条件可以通过多 种方法检测， 及检验电和光学传感器被正确且协作性地交叉检查。 0043 磁感测是通过生成预定义和可编程的特性 （102） 的信号来获得的， 该信号在与磁 传感器 （103） 紧靠的地方具有固定的参考距离， 该信号被执行信号放大、 A/D 转换和数据滤 波的控制单元 （109）。
42、 接收并处理。感测可以通过一种类型的一个或多个传感器 （103） 实现， 使得提供与信号相称的响应速率， 这可以是相同类型或者不同的， 并且提供流体条件的直 接与差分测量。控制单元 （109） 执行过滤和分析信号的步骤， 包括放大、 噪声减小滤波， 然 后信号被传送到微控制器 （140） 。 当与其它测量维度耦合时， 磁测量既允许所检测到的条件 的确认又允许用于例外条件的检测的矢量， 诸如在激活时演变出可以被检测到的磁场特征 的顺磁纳米颗粒。纳米颗粒的激活独立于传感器而且在例外条件下被触发 诸如极端温 度限制被超过， 等等。 0044 一个或多个光学传感器 （107） 可以耦合到一个或多个光源。
43、 （106） ， 这些光源可以 包括一个或多个特定的光学波长发射器， 诸如窄频调谐的发光二极管 （LED） 和诸如感光器 的光接收器。如今的光发射器可以配置成在窄频带内发射光。这种波长依赖于特定的流体 类型和可能在流体中积累的污染物。图 6 示出了这种光发射器在近红外线区域上的代表性 图。当 LED 发光时， 光感测可以确定多种特性， 包括但不限于流体的存在。另外， LED 可以 放在与附带的感光器不同的已知且固定的距离， 以便提供跨不同频率的吸收水平的基于距 离的分布。这种实施例可以由到感光器处于已知距离的单个 LED 发射器及以已知序列脉动 的、 离感光器以已知距离隔开的多个 LED 实现。
44、。控制逻辑是通过微控制器 （140） 中和预处 理模块 （109） 中的软件 / 固件来管理的。光感测可以检测特定波长吸收和光特性中时间序 列变化中的差别。所演变的光感测既在有源又在无源模式操作。在有源模式， 光源脉动已 知强度和波长的光通过流体， 以便测量来自光源的光的吸收程度和水平。这种小规模的透 射计配置成检测特定的污染物和/或变化， 诸如跨特定波长的流体属性的破坏， 诸如图6中 所示出的。 说 明 书 CN 103913559 A 10 8/8 页 11 0045 感测电气属性中的变化是通过放在离测量诸如流体的电介质含量的电容处于已 知参考距离的电源 （101） 实现的。信号和测量的强。
45、度与频率是基于可编程的微控制器固件 并且基于并依赖于要持续监测的、 位于源和测量感测之间的流体的基本特性。电阻和电容 可以经数据获取控制单元 （109） 跨间隙测量。不同的流体将具有不同的属性， 而且因此编 程性配置并控制源场与传感器接收属性的能力是本发明的一个重要方面。压力感测 （111） 和温度感测 （110） 也连接到数据获取控制单元 （109） 。这些传感器还可以检测热量和压力 水平中的正常与异常条件并且提供对该环境操作状态的了解。流体条件变化 诸如通过 峰值操作环境的静止 （当系统不操作时） 可以由可编程的微控制器单元 （140） 评估。这种 应用可以在软件 / 固件中开发， 以便包。
46、括开发对 “静止” 和 “操作” 条件二者的理解。另外， 处于特定压力和温度的分布对于确定计算 （由于温度/压力造成的偏移量诸如如果磁传 感器基于利用霍尔效应 （103） ） 及由于温度和压力分布造成的光学属性变化都会是有用的。 0046 实时时钟 （150） 提供由微控制器模块 （140） 触发监测事件的准确时间基础并且关 联所获得的数据与用于纵向分析的时间基础。 该实时时钟提供可以与每个所记录的多模态 传感器测量关联的时间与日期信息。 0047 可编程的微控制器 （140） 还提供信息的预处理和后处理， 包括使用滤波和其它算 法来提供数据校正。结果经通信模块 （160） 或者经有线或者经无。
47、线连接传送到显示单元 （170） 。显示单元和微控制器都可以拥有记录并评估时间序列数据的内部存储器 （280） 。 0048 在微控制器 （140） 内， 传感器数据积累并且跨多个传感器经受附加的滤波和集成。 原始数据经受由一组至少一个数字信号处理器 （DSP） 进行的处理， 这组至少一个数字信 号处理器用于个别传感器模态中的每一种， 诸如温度、 压力、 光学吸收、 电阻抗和磁场特征 （203、 204、 205、 206、 207 和 208） 。结果的并行输出 预先和后数据校正滤波 （220） 都提供 可以经通信模块 （160） 传送的原始数据输出 （260） 。 0049 配置模块 （2。
48、70） 能够动态地对增强的滤波 （220） 设置滤波和处理参数， 以便包括 基线和错误条件及其它参数， 包括配置存储器、 事件监测、 触发等。配置模块经通信模块 （160） 连接到外部设备。 0050 另外， 在操作期间， 其能够是持续的或者以微处理器和关联编程软件指定的间隔 进行轮询并且通过包括提供准确时间基础 （150） 的实时时钟来进一步增强。这种测量 “交 叉检查” 提供了固有的价值确认， 提高了数据正确性 （例如， 通过卡尔曼滤波和其它算法技 术） 和整体的传感器系统完整性。对于许多高价值的系统， 当检测到 “故障” 时， 该故障常常 不是在环境中， 而是在传感器中。 通过跨多个测量。
49、标准持续地验证， 本发明提供了固有传感 器平台的交叉关联和检验， 使得预期和预计的传感器输出 / 值可以持续地验证传感器系统 性能。以这种方式， 错误条件 （例如， 传感器故障） 的隔离本身就是一种对操作人员来说有价 值的了解 作为已知的发生故障的设备识别并替换发生故障传感器。 0051 为了解释， 已经参考具体的实施例描述了以上描述。 但是， 以上的说明性讨论不是 详尽的或者要把本发明限定到所公开的精确形式。鉴于以上教义， 许多修改和变体都是可 能的。实施例的选择与描述是为了解释本发明的原理及其实践应用， 由此使本领域其他技 术人员能够最好地利用本发明及其具有适于预期特定用途的各种修改的各种实施例。 说 明 书 CN 103913559 A 11 1/5 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103913559 A 12 2/5 页 13 图 3 说 明 书 附 图 CN 103913559 A 13 3/5 页 14 图 4 说 明 书 附 图 CN 1039135。