基于AVR的油液监测系统外文翻译资料

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美国专利

摘要

这是一种适用于实时监测流体系统中流体的流体状态监测器，例如车载的车辆监控通过监控发动机机油和传动液体来确定污染情况。将电容性间隔的阵列电极探针浸入流体中，施加至少一赫兹的第一频率振荡电压，I_B为流体阻抗的当前的模拟测量值。将小于一赫兹的第二频率电压施加到探头，I_S为电极表面阻抗的模拟测量值。计算电流的之间的差异并与预定的电流阈值相比较；并且将所测量的第一频率电流I_B与通过已知基线流体并凭经验所确定的I_B的上限值和下限值进行比较。如果低于阈值或I_B不在上限和下限范围内，则声明故障状态，激活指示器来警告流体不适合在系统内继续工作。替代实施案例包括一个液位传感器。

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流体条件监测

关于交叉引用的相关授权:不适用于有关联邦进行资助的研究或开发的申明中，不适用于附录中，不适用于开发背景中。

本发明涉及用于监测系统中工作流体状态的装置或系统中，例如发动机或动力传递装置中的润滑油，通过引入诸如发动机冷却剂中的异物或者是因燃烧或老化产物的化学活性而导致劣化产生的油污染。

机动车辆在运行中，从很久前开始就一直希望车辆具有在操作期间及运行的基础上实时监控诸如发动机和动力传递部件中的流体的能力，并且能够向车辆操作者提供警告或指示润滑液已经达到污染或劣化的状态，用以提醒车辆不适于继续操作。迄今为止，已经尝试利用交流阻抗谱来检测流过浸入流体中的电容器的低电平电流的阻抗变化。使用AC电阻抗光谱的这种系统的例子在Meitzler等人的美国专利No.4733556中，Wang等人的美国专利No.5274335中，Yasuhara等人的美国专利No.4646070中都有应用。这些系统用于描述由发动机冷却剂引起的内燃机润滑油污染的状况以及由于燃烧和老化产物对发动机润滑油的化学作用而劣化的电阻抗谱技术的应用。上述的系统是采用将相对高频的AC信号电流施加到电容器的电极并确定其上测量的阻抗的变化的技术。这种频率通常在10赫兹到500千赫兹之间的多赫兹范围内。

之前有一个由S.S.Wang等人于1997年1月4日出版在Elselvier Science S.A. 上的“用于检测发动机油中的乙二醇污染物的AC阻抗技术的应用”的报告中进行了描述了早期的工作。这个在后来的工作中描述了在从一个微型赫兹到一千赫兹的频率范围内以2.5伏峰值的正弦电压扫描浸没的电容器。然而，这个后续的工作仅利用了在100赫兹和1千赫兹之间的范围内的频率确定的流体的体积电阻，而且页不适用于板上连续的流体监测。

然而，上述现有技术系统中没有一个为车载车辆监测润滑流体的状况提供了低成本和可用的技术，因此，提供一种用于指示润滑流体，特别是机动车辆发动机和动力传递装置中的润滑流体，的污染或劣化的简单的低成本系统的方法或手段是被大众所期望的。

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发明内容

本发明提供了一种使用AC电阻抗谱技术来监测诸如润滑剂的工作流体状况的有用且新颖的技术，适用于车载机动车辆的使用，用以实时监测发动机或变速箱内的润滑油的状况。

本发明采用低电平振荡电压信号跨越电容器或浸在被监测流体中的电容器的间隔电极，然后测量与流体的体阻抗相关联的第一或高频施加的电流信号以及测量与电极表面的电化学特性相关联的第二低频电流，并确定第一和第二测量电流的差。将电流差与预定阈值进行比较，如果满足上述两个条件，则认为流体适于继续操作；否则，如果不符合任一条件，监视器提供电子指示，表明流体不适合继续操作。

在优选实施例中，出于比较的目的，测量了电流并将其转换为了电压。

在第二实施例中，电容的电极被定位在分开的板式电极附近，其中还施加了第一高频信号电压用于液位检测；并且如果电平检测器指示低电平状态，则用于监视流体状况检测电容的电路是被禁用的。

因此，本发明提供了用于机动车辆和其它系统应用中的发动机和动力传递装置中使用的润滑流体的实时车载监控的简单低成本技术。

附图说明

图1是其最简单形式的本发明的框图；

图2是图1的系统的计算算法的框图；

图3是图1的系统的放大器和电流电压转换器的电路原理图；

图4是图3的开关的控制逻辑的框图；

图5是以温度为函数绘制的图1的系统的在较高频率处测量的电流的曲线图；

图6是图1的系统的流体状况监测探头的剖视图；

图7是图6的探头的仰视图；

图8是图6的探针组件的右视图；

图9是图1的流体监测探头用电极的结构的详细图；

图10是图1的系统的替代实施例的框图；

图11是在图10的系统中采用的算法的框图；

图12是新型重型卡车变速箱合成润滑剂的三级发动机冷却剂污染的频率与阻力波特图；

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图13是类似于图12的波特图，适用于合成重型卡车变速箱油的三种冷却剂污染水平；

图14是具有5％发动机冷却剂污染物的合成10W30二手客车发动机排放油测量的电阻与频率的波特图；

以及图15是自动变速器油液测量的频率与阻力波特图。

发明的详细说明

参考图1，本发明的基本系统的整体以10表示，以12表示的探针组件，该探针组件部分地浸没在容器16中所装的流体14中，容器16可以是发动机曲轴箱或动力传递壳体或其他流体容器。之后将更详细地描述探针组件；并且，装有电阻温度装置18的温度传感器也浸没在流体14中。探头12从微处理器上微控制器的AC激励部分20接收并沿着线24的输入，这个总体以22表示，并且探针组件12是沿着具有接地屏蔽28的线路26输出给放大器/电流-电压转换器30，该输入端的输出端沿着线32连接到微控制器22的信号获取部分34。温度传感器18通过线路36,38连接，该线路与具有接地屏蔽42到放大器40的输入端连接。放大器40的输出也沿着线43连接到信号获取部分34。放大器/电流 - 电压转换器30具有“自动量程”增益控制功能，并且与微控制器22的数字控制器部分48连接，沿着线路44,46接收输入。微控制器包含数字输出线路部分50，其沿着线路52连接到条件警告指示器54以提供激励信号。

微控制器22包括一个八位微处理器56，一个存储器部分58，用于连接探针12的算法的嵌入式软件，如部分60所示，以及地址和数据控制功能部分62，其中定时触发和中断控制由部分64执行。

应当理解，探针12和温度传感器18可以安装在公共支撑结构上，通过壳体或壳体16中的开口进行连接。

温度传感器40通常连接在惠斯通电桥电路中并形成其一条臂；因此，为了简洁起见，省略了电路的细节。在本发明的现行实践中，传感器18是由陶瓷衬底上的铂元素构成，并且在0摄氏度时具有与温度成比例的电阻变化，额定电阻为100欧姆，正温度系数为0.00385欧姆/欧姆每摄氏度。在本发明的实际应用中使用的合适的陶瓷基底约为2times;2times;1.3毫米。在本发明的实际使用中，传感器18由保护铜管（图1中未示出）包围。

在本发明的目前优选的实际案例中，放大器30,40尽可能靠近壳体或壳体16进行安装，并且可以封闭在在附图中标记了17来表示的合适的保护外壳中，这在图1中以虚线轮廓示出。这样的一种布置可以将屏蔽电缆42,28的长度保持在最小，并降低了探头12和温度传感器18及其各自的放大器之间的信号损失。

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参考图3，放大器30的输入连接处是从探测器输出线26接收电流信号，该信号被施加到在附图中标记66所表示的虚线轮廓所示的保护环保护的装置IC-1的反相输入端之上。探头12由具有1.0伏交流电场的恒定电源电压进行激励，在第一和第二振荡频率下具有1.6伏峰值幅度，更优地包括了正弦交替的零交叉波形。但是应当理解，这里可以采用其它形式的振荡电压。

二极管D1和D2是为了防止输入被驱动到电源电压以上或以下，并连接到接点68处的输入线，同时分别连接到IC-1的引脚7和4。在本发明的实际应用中，器件IC-1是指零件号为OPA128的Burr-Brown零件，或者可以指包括电流到电压转换装置的部件号为549的模拟装置。IC-1的正极输入通过接点70接地.IC-1的输出通过接线72连接到线路32，接线端72也通过电阻网络连接到IC-1输入线的接点74。电阻网络包括连接在结72和结74之间的支脚上的R1和与之并联的支脚，其中包括开关SW1和串联电阻器R2和R3.另一支路也与R1并联连接，并包括与电阻器R4串联的开关SW2。电阻网络需要自动调节由来自探针12的输入电流信号的三十倍的摆幅所引起的增益。计算机按顺序将开关SW1，SW2启动到接近状态，以将输出电压维持在正或负8.5伏特、峰值为6伏的交流电场。连接在IC-1的引脚5和1之间的电阻RS是一个用于零点调节的可变电位器。

在目前优选的实际应用中，开关SW1，SW2是磁力驱动的玻璃舌簧开关，并且与表示为分别通过沿其一侧的线44,46连接的继电器线圈76,78的通电而闭合。并且每个线圈76,78的相对侧被从电源接收10至15伏直流电而连接。电阻网络是用于通过改变包括电阻网络的反馈回路中的电阻电平来调节器件IC-1的增益。

SW1和SW2两者都打开的情形下默认增益只有作为反馈电阻的R1，并提供每纳安1伏特的转换输入到IC-1。当SW1闭合时，电阻器R1，R2和R3的有效电阻提供每纳安放电0.1伏特的转换；并且SW1和SW2都关闭，R4连接到网络，有效增益为1.01伏每纳安。玻璃干簧继电器SWl1和SW2提供极高的漏电阻和低电容。当开始采集探测信号时，获取部分34确定是否有任何放大器输出被驱动到接近饱和。如果是这种情况，则重新开始采集，该放大器的增益被索引到下一个较低的条件并重新启动。如果在任何电流下再次出现饱和，则其增益进一步被索引到最低级。因此，根据需要单独调整放大器30的增益，直到可以完成完整的采集序列。获取部分34通过向控制放大器增益部分48发送逻辑信号来响应饱和度而这一操作是通过“自动测距”来实现的，控制放大器增益部分48又向放大器部分30中的各个继电器线圈提供电流信号，用于控制开关SW1，SW2。已经确定探头12需要在高达900摄氏度的温度下起作用，因此在范围内可能需要多组的放大器增益控制。

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参考图3，电路的各种电子部件的指定和值被列在下面的表I中。

参考图4，以框图的形式展示出了系统控制功能，其中的步骤80为给定的信号周期用于确定放大器30的最大输出，并且在步骤82确定开关SW1，SW2的状态。在步骤84利用来自步骤82的状态来确定开关SW1是否断开并且开关SW2是否闭合的。如果确定是肯定的，则系统进行到步骤86以打开开关SW2并将IC-1的增益改变到下一较高电平。如果确定是肯定的，则系统进行到步骤86以打开开关SW2并将IC-1的增益改变到下一较高电平。然而，如果步骤84的确定是否定的，则系统进行到步骤88以确定振幅A_max是否大于0.85伏且等于或小于8.50伏特。如果确定为肯定，则系统进行到步骤90以保持开关SW1，SW2的现有状态。

如果步骤88的确定是否定的，则系统进行到步骤92以确定A_max是否等于或小于0.85伏；并且如果肯定的话，系统进行到步骤94并询问SW1和SW2是否都是打开的。如果步骤92的确定是否定的并且A_max大于8.50伏特，则系统进行到步骤96并询问SW1和SW2是否都是打开的。

如果步骤94的确定是否定的，则系统进行到步骤98并询问是否SW1关闭并且SW2是否打开。如果步骤94的确定是肯定的，则系统进行到步骤95并保持SW1和SW2的状态。

如果步骤98的确认是肯定的，则系统在步骤99打开开关SW1。如果在步骤98确认为否定意味着SW1和SW2均被关闭，则系统在步骤100进入打开开关SW2。

如果系统在步骤96确定SW1和SW2是打开的，则系统进行到步骤102并关闭开关SW1。

如果在步骤96的确定是否定的，则系统进行到步骤104并询问SW1是否关闭并且SW2是否打开。如果对步骤104的响应是肯定的，则系统进行到步骤106以关闭开关SW2。如果在步骤104的确认是否定的，意味着SW1和SW2均被关闭，则系统进行到步骤108以保持SW1和SW2的状态。

图4的流程图的真值表如下表II所示。

参考图6,7和8，展示出了探针12的机械结构安装在基座110上，基座110安装在管状中空插座112，管状中空插座112被螺纹接合在流体容器16的壳体或壳体壁中并通过锁定螺母114固定在其中的孔中。在本发明的实际操作中，插座112具有直角构型，用于在其中容纳电缆116，电缆116包含用于与探针12和温度传感器18电连接的引线。如果需要，底座110可以具有附接的附加装置，如下文关于图10和图11的实施案例所述。探针12由支撑板118支撑，支撑板118从基部110向上延伸到壳体16内的周围流体中。诸如端子120的电端子从支撑结构118延伸穿过基座110，以提供引线24,26的电连接。

参考图9，在优选实际案例中示出了探针12安装在基板122上，该基板122包括玻璃填充的聚四氟乙烯（PTFE）基板；并且，基板122安装在支撑结构118上，该支撑结构118优选地由诸如聚醚酰亚胺塑料的高介电材料形成。

在本发明的目前优选实际案例中，探针12包括形成在衬底122上的两个间隔开的电极124,126，其中的指状物从那里延伸，如图9所示，以形成分别由附图标记128,130的每个电极的交错的平行电容元件阵列。在本发明的当前实际案例中，电极阵列124,126具有约2英寸的长度和约1英寸的宽度，图9中的尺寸t表示为0.040英寸（1.0毫米）的厚度。在本发明的当前优选实践中，在图9中附图标记的S表示的间距在约0.127毫米至约1.0毫米的范围内。

电极124,

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