EA032682B1 - Sensing method and system - Google Patents
Sensing method and system Download PDFInfo
- Publication number
- EA032682B1 EA032682B1 EA201592216A EA201592216A EA032682B1 EA 032682 B1 EA032682 B1 EA 032682B1 EA 201592216 A EA201592216 A EA 201592216A EA 201592216 A EA201592216 A EA 201592216A EA 032682 B1 EA032682 B1 EA 032682B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- fluid
- sensor
- resonant
- resonance
- properties
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 29
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 158
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 101
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 39
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 34
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims description 27
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 16
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 15
- 239000004071 soot Substances 0.000 claims description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims 1
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 55
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 72
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 70
- 239000010705 motor oil Substances 0.000 description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 17
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 15
- RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 1,4-Dioxane Chemical compound C1COCCO1 RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 239000010408 film Substances 0.000 description 14
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 12
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 11
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 6
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 5
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000011527 multiparameter analysis Methods 0.000 description 5
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 3
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000013145 classification model Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 238000013400 design of experiment Methods 0.000 description 2
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 2
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000012880 independent component analysis Methods 0.000 description 2
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 description 1
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002998 adhesive polymer Substances 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000002199 base oil Substances 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 239000003225 biodiesel Substances 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 1
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- -1 engine exhaust Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 239000012208 gear oil Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 239000010721 machine oil Substances 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 238000012567 pattern recognition method Methods 0.000 description 1
- 238000002256 photodeposition Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000052 poly(p-xylylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013464 silicone adhesive Substances 0.000 description 1
- 239000011877 solvent mixture Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 235000015112 vegetable and seed oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000008158 vegetable oil Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/026—Dielectric impedance spectroscopy
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
- G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
- G01N33/2888—Lubricating oil characteristics, e.g. deterioration
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Раскрываются формы осуществления изобретения, которые касаются способов и систем измерения. Датчики, такие как резонансные датчики, могут включать индуктивно-емкостно-резистивные (LCR) датчики, которые могут использоваться как датчики или преобразователи для измерения параметров текучих сред.Disclosed are embodiments of the invention that relate to measurement methods and systems. Sensors, such as resonant sensors, may include inductance-capacitive-resistive (LCR) sensors, which can be used as sensors or transducers to measure fluid parameters.
Уровень техникиState of the art
Надежное измерение параметров текучих сред может быть полезно при применениях подвижного и стационарного оборудования. Например, если оборудование представляет собой двигатель транспортного средства, а текучая среда представляет собой моторное масло, то сведения о состоянии масла могут использоваться для уменьшения или предотвращения времени неожиданного простоя, обеспечения экономии путем предотвращения ненужной замены масла и улучшения планирования интервалов обслуживания в транспортных средствах, таких как локомотивы, служебные грузовые автомобили большой и малой грузоподъемности, транспортные средства для горной промышленности, строительства и сельского хозяйства. Другие примеры применения стационарного оборудования могут включать турбины и генераторные установки. Кроме того, сведения о состоянии моторного масла помогают предотвратить или уменьшить затраты в течение всего срока службы пассажирских вагонов, улучшить управление интервалами обслуживания и продлить срок службы двигателя.Reliable measurement of fluid parameters can be useful in applications of mobile and stationary equipment. For example, if the equipment is a vehicle’s engine and the fluid is a motor oil, then information about the condition of the oil can be used to reduce or prevent unexpected downtime, provide savings by preventing unnecessary oil changes, and better planning service intervals in vehicles such like locomotives, utility and heavy duty trucks, vehicles for mining, construction and agriculture. Other stationary applications may include turbines and generator sets. In addition, engine oil condition information helps prevent or reduce costs throughout the life of passenger cars, improve service interval management and extend engine life.
Стандартная (классическая) импедансная спектроскопия представляет собой технологию, которая используется, чтобы характеризовать аспекты рабочих характеристик материала. В классической импедансной спектроскопии материал может быть помещен между электродами и исследован в широкой полосе частот (от долей Гц до десятков ГГц) с получением фундаментальной информации о диэлектрических свойствах материала. Однако стандартная импедансная спектроскопия может быть ограничена вследствие ее низкой чувствительности в описываемых измерительных конфигурациях и чрезмерно большого времени сбора данных в широкой полосе частот.Standard (classical) impedance spectroscopy is a technology that is used to characterize performance aspects of a material. In classical impedance spectroscopy, the material can be placed between the electrodes and studied in a wide frequency band (from fractions of Hz to tens of GHz) to obtain fundamental information about the dielectric properties of the material. However, standard impedance spectroscopy may be limited due to its low sensitivity in the described measurement configurations and the excessively long data collection time in a wide frequency band.
Может быть желательно иметь системы и способы, отличающиеся от тех систем и способов, которые имеются в настоящее время.It may be desirable to have systems and methods different from those systems and methods that are currently available.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
В одной форме осуществления изобретения предлагается система для анализа текучей среды. Система может содержать датчик. Датчик может содержать индуктивно-резистивно-емкостный (LCR) резонансный контур, измерительный участок, содержащий по меньшей мере часть LCR-контура, и контроллер, подключенный к измерительному участку. Измерительный участок может помещаться в рабочий контакт с исследуемой текучей средой. Контроллер может принимать электрический сигнал от датчика. Сигнал может представлять спектры резонансного импеданса измерительного участка во время рабочего контакта с текучей средой в измеряемой спектральной полосе частот. Сигнал может использоваться для анализа спектров резонансного импеданса и определения одного или более свойств текучей среды на основе проанализированных спектров резонансного импеданса.In one embodiment, a system for analyzing a fluid is provided. The system may include a sensor. The sensor may comprise an inductive-resistive-capacitive (LCR) resonance circuit, a measurement section comprising at least a portion of the LCR circuit, and a controller connected to the measurement section. The measuring section may be placed in working contact with the fluid to be studied. The controller may receive an electrical signal from the sensor. The signal may represent the resonance impedance spectra of the measuring section during working contact with the fluid in the measured spectral frequency band. The signal may be used to analyze resonance impedance spectra and determine one or more fluid properties based on the analyzed resonance impedance spectra.
В одной форме осуществления изобретения способ включает возбуждение датчика, находящегося в контакте с текучей средой. Датчик может содержать резонансный LCR-контур для работы на одной или более частотах в полосе частот анализа. Сигнал может приниматься от датчика в полосе частот анализа. Сигнал содержит информацию о датчике, находящемся в контакте с текучей средой. Одно или более свойств текучей среды могут определяться по меньшей мере частично на основе спектров резонансного импеданса.In one embodiment of the invention, the method includes driving a sensor in contact with the fluid. The sensor may include a resonant LCR circuit for operation at one or more frequencies in the analysis frequency band. The signal may be received from the sensor in the analysis frequency band. The signal contains information about the sensor in contact with the fluid. One or more fluid properties can be determined at least in part from resonance impedance spectra.
В одной форме осуществления изобретения предлагается система, которая содержит резонансный датчик и контроллер. Датчик может измерять комплексную диэлектрическую проницаемость текучей среды. Контроллер может быть связан с датчиком и может принимать электрический сигнал от датчика. Сигнал может представлять спектры резонансного импеданса текучей среды в измеряемой спектральнойIn one embodiment, a system is provided that includes a resonant sensor and a controller. The sensor can measure the complex dielectric constant of the fluid. The controller may be connected to the sensor and may receive an electrical signal from the sensor. The signal may represent the resonance impedance spectra of the fluid in the measured spectral
- 1 032682 полосе частот. Контроллер может определять комплексную диэлектрическую проницаемость текучей среды, по меньшей мере, частично на основе спектров резонансного импеданса.- 1,032,682 frequency band. The controller may determine the complex dielectric constant of the fluid, at least in part, based on the resonance impedance spectra.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Эти и другие особенности данного изобретения станут более понятными из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых аналогичные обозначения представляют аналогичные части.These and other features of the present invention will become more apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings, in which like designations represent like parts.
На фиг. 1 показана структурная схема системы для оценки текучей среды согласно форме осуществления изобретения;In FIG. 1 shows a block diagram of a system for evaluating a fluid according to an embodiment of the invention;
на фиг. 2 - схема резонансного датчика согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 2 is a diagram of a resonant sensor according to an embodiment of the invention;
на фиг. 3 - схема части примера измерительной системы, использующей узел датчиков, сконфигурированный для измерения текучей среды с использованием множества частот, в соответствии с формами осуществления данного изобретения;in FIG. 3 is a diagram of a portion of an example measurement system using a sensor assembly configured to measure a fluid using a plurality of frequencies, in accordance with embodiments of the present invention;
на фиг. 4 - пример эквивалентной схемы резонансного датчика согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 4 is an example of an equivalent circuit of a resonant sensor according to an embodiment of the invention;
на фиг. 5А - пример приспособленной для резонансного измерения метки радиочастотной идентификации (Radio Frequency Identification, RFID), в которой измерительный участок составляет всю резонансную антенну или ее часть согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 5A is an example of a Radio Frequency Identification (RFID) adapted for resonant measurement, in which the measurement portion constitutes the entire resonant antenna or part thereof according to an embodiment of the invention;
на фиг. 5В - пример приспособленной для резонансного измерения метки RFID, в которой измерительный участок находится в гальваническом контакте с антенной и интегральной схемой памяти, согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 5B is an example of an RFID tag adapted for resonant measurement in which the measurement portion is in galvanic contact with an antenna and a memory integrated circuit according to an embodiment of the invention;
на фиг. 6 - график измеренных параметров резонансного импеданса для формы осуществления резонансного датчика в соответствии с изобретением;in FIG. 6 is a graph of measured resonance impedance parameters for an embodiment of a resonance sensor in accordance with the invention;
на фиг. 7А - пример резонансного датчика согласно форме осуществления изобретения, в котором измерительный участок расположен параллельно оси датчика, вставляемого в измеряемую текучую среду, и поэтому перпендикулярно к гнезду для вставки датчика;in FIG. 7A is an example of a resonant sensor according to an embodiment of the invention, in which the measuring portion is parallel to the axis of the sensor inserted into the measured fluid, and therefore perpendicular to the sensor insertion slot;
на фиг. 7В согласно форме осуществления изобретения показан пример резонансного датчика, в котором измерительный участок расположен перпендикулярно к оси датчика, вставляемого в измеряемую текучую среду, и поэтому параллельно гнезду для вставки датчика;in FIG. 7B, according to an embodiment of the invention, an example of a resonant sensor is shown in which the measuring section is perpendicular to the axis of the sensor inserted into the measured fluid, and therefore parallel to the sensor insertion slot;
на фиг. 8А показан пример измерения свойств текучей среды посредством датчика в резервуаре для текучей среды, когда датчик встроен в резервуар, при этом измерительный участок датчика подвергается воздействию текучей среды, а устройство считывания данных датчика расположено вблизи датчика и соединено с датчиком кабелем согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 8A shows an example of measuring fluid properties by a sensor in a fluid tank when the sensor is integrated in the tank, wherein the measuring portion of the sensor is exposed to the fluid and the sensor data reader is located near the sensor and connected to the sensor by a cable according to an embodiment of the invention;
на фиг. 8В - пример измерения свойств текучей среды посредством датчика в резервуаре для текучей среды, когда датчик встроен в резервуар, при этом измерительный участок датчика подвергается воздействию текучей среды, а устройство считывания данных датчика непосредственно соединено с датчиком согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 8B is an example of measuring fluid properties by a sensor in a fluid tank when the sensor is integrated in the tank, wherein the measuring portion of the sensor is exposed to the fluid and the sensor data reader is directly connected to the sensor according to an embodiment of the invention;
на фиг. 9 - блок-схема оценки свойств текучей среды согласно форме осуществления изобретения;in FIG. 9 is a flowchart for evaluating fluid properties according to an embodiment of the invention;
на фиг. 10 - график данных резонансного импеданса для обнаружения машинного масла, воды и топлива с выделенным просачиванием воды;in FIG. 10 is a graph of resonance impedance data for detecting engine oil, water, and fuel with dedicated water seepage;
на фиг. 11 - график данных резонансного импеданса для обнаружения машинного масла, воды и топлива с выделенным просачиванием топлива;in FIG. 11 is a graph of resonance impedance data for detecting engine oil, water, and fuel with dedicated fuel leakage;
на фиг. 12 - анализ главных компонент спектральных параметров резонансного импеданса;in FIG. 12 - analysis of the main components of the spectral parameters of the resonant impedance;
на фиг. 13 - график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями воды в смесях воды/топлива/масла с использованием одного резонансного датчика;in FIG. 13 is a graph of the correlation between actual (measured) and predicted water concentrations in water / fuel / oil mixtures using one resonant sensor;
на фиг. 14 - график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями топлива в смесях воды/топлива/масла с использованием одного резонансного датчика;in FIG. 14 is a graph of the correlation between actual (measured) and predicted fuel concentrations in water / fuel / oil mixtures using a single resonance sensor;
на фиг. 15А - график спектрального параметра, показывающий разрешающую способность резонансного датчика для различения гексана и толуола;in FIG. 15A is a spectral parameter graph showing a resolution of a resonance sensor for distinguishing between hexane and toluene;
на фиг. 15В - график спектрального параметра, показывающий разрешающую способность определения добавления воды в диоксан;in FIG. 15B is a spectral parameter graph showing a resolution for determining the addition of water to dioxane;
на фиг. 16А - график вещественной части спектров резонансного импеданса после добавления сажи и воды;in FIG. 16A is a graph of the material portion of the resonance impedance spectra after the addition of soot and water;
на фиг. 16В - график мнимой части спектров резонансного импеданса после добавления сажи и воды;in FIG. 16B is a graph of the imaginary part of the resonance impedance spectra after the addition of soot and water;
на фиг. 17 - график счетов анализа главных компонент (Principal Components Analysis, PCA) для главной компоненты 1 (Principal Component 1, РС1) в зависимости от главной компоненты 2 (Principal Component 2, РС2) после воздействия на датчик пятью растворами и выполнения измерений резонансного импеданса;in FIG. 17 is a graph of Principal Component Analysis (PCA) analysis bills for Principal Component 1 (PC1) versus Principal Component 2 (Principal Component 2, PC2) after exposing the sensor to five solutions and performing resonance impedance measurements;
на фиг. 18А - график четырех резонансных спектральных профилей от одного датчика для незагрязненного диоксана;in FIG. 18A is a graph of four resonance spectral profiles from a single sensor for unpolluted dioxane;
на фиг. 18В - график резонансных спектральных профилей от одного датчика после добавления воды в диоксан;in FIG. 18B is a graph of resonance spectral profiles from one sensor after adding water to dioxane;
на фиг. 19 - график влияния конструкции датчика на чувствительность измерений Fp;in FIG. 19 is a graph of the effect of the sensor design on the measurement sensitivity F p ;
- 2 032682 на фиг. 20 - влияние конструкции датчика на чувствительность измерений Zp;- 2 032682 in FIG. 20 - the influence of the design of the sensor on the sensitivity of the measurements Z p ;
на фиг. 21 - график результатов измерений воды в масле с двумя многопараметрическими резонансными датчиками;in FIG. 21 is a graph of the results of measurements of water in oil with two multi-parameter resonant sensors;
на фиг. 22 - график счетов разработанной модели РСА для откликов резонансного датчика на добавления воды при различных значениях температуры, показывающий различные направления отклика;in FIG. 22 is a graph of the accounts of the developed PCA model for the responses of the resonant sensor to the addition of water at various temperatures, showing different directions of response;
на фиг. 23 - график результатов многопараметрической линейной регрессионной модели с использованием метода частных наименьших квадратов для количественного определения концентраций воды в масле с использованием откликов одного датчика;in FIG. 23 is a graph of the results of a multi-parameter linear regression model using the partial least squares method for quantifying the concentrations of water in oil using the responses of a single sensor;
на фиг. 24А - график изменения во времени фактических (измеренных) концентраций воды в масле при трех значениях температуры (сплошная линия) и предсказанных концентраций (незаштрихованные кружки);in FIG. 24A is a graph of the change in time of the actual (measured) concentrations of water in oil at three temperatures (solid line) and predicted concentrations (open circles);
на фиг. 24В - график изменения во времени погрешности предсказания между фактическими и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры;in FIG. 24B is a graph of the change in time of the prediction error between the actual and predicted concentrations of water in oil at three temperatures;
на фиг. 24С - график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры;in FIG. 24C is a graph of the correlation between the actual (measured) and predicted concentrations of water in oil at three temperatures;
на фиг. 25А - график изменения во времени фактических (измеренных) концентраций воды в масле при трех значениях температуры (сплошная линия) и предсказанных концентраций (незаштрихованные кружки) с использованием откликов многопараметрического резонансного датчика и датчика температуры масла;in FIG. 25A is a graph of the change in time of actual (measured) concentrations of water in oil at three temperatures (solid line) and predicted concentrations (open circles) using the responses of a multi-parameter resonant sensor and an oil temperature sensor;
на фиг. 25В - график изменения во времени погрешности предсказания между фактическими и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры с использованием откликов многопараметрического резонансного датчика и датчика температуры масла;in FIG. 25B is a graph of the time variation of the prediction error between the actual and predicted concentrations of water in oil at three temperature values using the responses of a multi-parameter resonant sensor and an oil temperature sensor;
на фиг. 25С - график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры с использованием откликов многопараметрического резонансного датчика и датчика температуры масла;in FIG. 25C is a graph of the correlation between actual (measured) and predicted concentrations of water in oil at three temperature values using the responses of a multi-parameter resonant sensor and an oil temperature sensor;
на фиг. 26 - отклик разработанного резонансного датчика на просачивание воды в моторное масло на уровнях 25, 25 и 50 ppm (10-6);in FIG. 26 - response of the developed resonant sensor to water leakage into the engine oil at 25, 25 and 50 ppm (10 -6 );
на фиг. 27А - отклик эталонного емкостного датчика на просачивание воды в моторное масло на уровнях 25, 25, 50, 100, 200, 500 и 1000 ppm. На вставке показан отклик на начальное просачивание воды;in FIG. 27A is the response of a reference capacitive sensor to water leakage into engine oil at 25, 25, 50, 100, 200, 500, and 1000 ppm levels. The inset shows the response to the initial leakage of water;
на фиг. 27В - отклик разработанного резонансного датчика на просачивание воды в моторное масло на уровнях 25, 25, 50, 100, 200, 500 и 1000 ppm. На вставке показан отклик на начальное просачивание воды;in FIG. 27B is the response of the developed resonance sensor to water leakage into the engine oil at 25, 25, 50, 100, 200, 500 and 1000 ppm levels. The inset shows the response to the initial leakage of water;
на фиг. 28А проиллюстрирована работа разработанного резонансного датчика в одноцилиндровом двигателе локомотива в течение приблизительно 34 суток. Показаны температура масла и отклик датчика;in FIG. 28A illustrates the operation of the developed resonant sensor in a single-cylinder locomotive engine for approximately 34 days. Oil temperature and sensor response are shown;
на фиг. 28В показана корреляция между откликом разработанного резонансного датчика в одноцилиндровом двигателе локомотива в течение приблизительно 34 суток и температурой масла;in FIG. 28B shows the correlation between the response of the developed resonant sensor in a single-cylinder locomotive engine for approximately 34 days and the oil temperature;
на фиг. 29 - схема динамических сигнатур просачивания в типичных компонентах двигателя внутреннего сгорания.in FIG. 29 is a diagram of dynamic leakage signatures in typical components of an internal combustion engine.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Описываются формы осуществления изобретения, которые касаются способов и систем измерения. Датчики, такие как резонансные датчики, могут включать индуктивно-резистивно-емкостные датчики (LCR), которые могут использоваться как датчики или преобразователи для измерения параметров текучих сред. Предлагаемые здесь датчики имеют часть, представляющую собой резонансную структуру, которая показывает различимые изменения в присутствии текучей среды и различных компонентов или загрязняющих примесей в текучей среде.The forms of carrying out the invention are described which relate to measurement methods and systems. Sensors, such as resonant sensors, may include inductance-resistive-capacitive (LCR) sensors, which can be used as sensors or transducers to measure fluid parameters. The sensors provided herein have a part that is a resonant structure that shows distinguishable changes in the presence of a fluid and various components or contaminants in the fluid.
В одной форме осуществления изобретения датчик может содержать индуктивно-резистивноемкостный резонансный контур (LCR) с резонансной частотной характеристикой, обеспечиваемой резонансным импедансом (Z) этого контура. Датчики, которые предлагаются здесь, могут быть способны измерять исследуемые свойства в присутствии различных источников шума и при работе в различных температурных условиях с обеспечением стабильных рабочих характеристик датчика во времени. Предлагаемые здесь датчики содержат индуктивно-резистивно-емкостные контуры (LCR), которые могут функционировать как датчики или как преобразователи. Спектр резонансного импеданса датчика может измеряться посредством индуктивной связи между воспринимающей катушкой и датчиком или непосредственно путем подключения к устройству считывания данных датчика. Электрический отклик датчика может преобразовываться в изменения резонансного импеданса датчика.In one embodiment of the invention, the sensor may comprise an inductive-resistive-capacitive resonant circuit (LCR) with a resonant frequency response provided by the resonant impedance (Z) of this circuit. The sensors that are offered here may be able to measure the properties under study in the presence of various noise sources and when operating in different temperature conditions, ensuring stable sensor performance over time. The sensors offered here contain inductance-resistive-capacitive circuits (LCR), which can function as sensors or as converters. The spectrum of the resonant impedance of the sensor can be measured by inductive coupling between the sensing coil and the sensor, or directly by connecting to a sensor data reader. The electrical response of the sensor can be converted to changes in the resonant impedance of the sensor.
Не ограничивающие изобретение примеры изменений сигнала отдельного датчика могут включать комбинированное и одновременное изменение резонансного импеданса, изменение индуктивности, изменение сопротивления и изменение емкости. Подходящие датчики и системы, раскрытые здесь, могут улучшить возможность измерения изменений в текучей среде, такой как моторное масло или топливо, посредством контакта с ней датчика между электродами, которые образуют резонансный контур датчика. Резонансный контур датчика может быть электрическим резонансным контуром. Другие резонансные контуры могут включать механический резонатор, при этом изменение вязкости и/или плотности текуNon-limiting examples of changes in the signal of an individual sensor may include a combined and simultaneous change in resonant impedance, a change in inductance, a change in resistance, and a change in capacitance. Suitable sensors and systems disclosed herein can improve the ability to measure changes in a fluid, such as engine oil or fuel, by contacting a sensor with it between electrodes that form the resonant circuit of the sensor. The resonant circuit of the sensor may be an electric resonant circuit. Other resonant circuits may include a mechanical resonator, with a change in viscosity and / or density flow
- 3 032682 чей среды влияет на отклик механических резонаторов.- 3 032682 whose medium affects the response of mechanical resonators.
Подходящие механические резонаторы могут включать камертонные резонаторы, резонаторы с колебаниями сдвига по толщине, резонаторы на основе кварцевых кристаллических микровесов, резонаторы поверхностных акустических волн, резонаторы объемных акустических волн и др. В отличие от этих и других механических резонаторов на электрические резонаторы нельзя предсказуемо влиять изменениями вязкости и/или плотности текучей среды. Вместо этого на них можно предсказуемо влиять изменениями комплексной диэлектрической проницаемости текучей среды. Электрические резонаторы могут иметь очень сложную конструкцию, например пороговые генераторы требуют сложных многокомпонентных схем.Suitable mechanical resonators may include tuning fork resonators, resonators with shear thickness, resonators based on quartz crystalline microbalances, resonators of surface acoustic waves, resonators of volume acoustic waves, etc. In contrast to these and other mechanical resonators, resonators cannot be predictably influenced by changes in viscosity and / or density of the fluid. Instead, they can be predictably influenced by changes in the complex dielectric constant of the fluid. Electric resonators can have a very complex structure, for example, threshold generators require complex multicomponent circuits.
Деградация, по меньшей мере, некоторых масел и смазочных материалов может приводить к образованию молекул и/или других функциональных групп, которые могут быть относительно более полярными, чем масло и смазочный материал, из которого они образовались. Базовое масло или смазочный материал могут содержать длинные цепные молекулы углеводорода, которые являются слабо полярными. Таким образом, присутствие полярных загрязняющих примесей может увеличивать одну или более частей комплексной диэлектрической проницаемости масла.The degradation of at least some oils and lubricants can lead to the formation of molecules and / or other functional groups, which may be relatively more polar than the oil and lubricant from which they are formed. The base oil or lubricant may contain long chain hydrocarbon molecules that are weakly polar. Thus, the presence of polar contaminants can increase one or more parts of the complex dielectric constant of the oil.
Согласно одному из аспектов изобретения резонансные преобразователи работают как реконфигурируемые резонансные структуры на множестве частот для контроля состояния текучих сред (и, кроме того, например, состояния исправности оборудования, контактирующего с такими текучими средами) и более точного зондирования диэлектрических свойств любых образцов в присутствии неконтролируемого шума окружающей среды. Контроль состояния текучих сред включает определение состава или загрязнения такой текучей среды.According to one aspect of the invention, resonant transducers operate as reconfigurable resonant structures at a plurality of frequencies to monitor the state of fluids (and, in addition, for example, the working condition of equipment in contact with such fluids) and to more accurately probe the dielectric properties of any samples in the presence of uncontrolled noise the environment. Monitoring the state of fluids involves determining the composition or contamination of such a fluid.
Не ограничивающие изобретение примеры мешающих компонентов и шума окружающей среды включают температуру и наличие помех в образце. Термин помеха включает любой параметр окружающей среды, который нежелательно влияет на точность и достоверность измерений датчика. Термин мешающий компонент относится к материалу или состоянию окружающей среды, которые потенциально могут вызывать ошибочный отклик датчика. Могут использоваться (физические, химические и/или электронные) фильтры, основанные на параметрах, зависящих от применения, для уменьшения, устранения или учета присутствия и/или концентрации таких мешающих компонентов.Non-limiting examples of interfering components and environmental noise include temperature and interference in the sample. The term interference includes any environmental parameter that undesirably affects the accuracy and reliability of the sensor measurements. The term interfering component refers to a material or environmental condition that could potentially cause an erroneous sensor response. (Physical, chemical, and / or electronic) filters may be used based on application-specific parameters to reduce, eliminate, or account for the presence and / or concentration of such interfering components.
На фиг. 1 показана система 10, которая может быть полезной для оценки свойств текучей среды, с которой она контактирует. В качестве иллюстрации типичная текучая среда может быть моторным маслом. Система может содержать резервуар 12 для текучей среды и датчик 14. Альтернативно, датчик может быть установлен в канале для текучей среды. Датчик может быть резонансным датчиком, расположенным в резервуаре или на нем, или может быть соединен с линейными соединителями, связанными по текучей среде с резервуаром для текучей среды и задающими канал для текучей среды. В одной форме осуществления изобретения датчик может обеспечивать непрерывный контроль текучей среды в резервуаре или канале для текучей среды.In FIG. 1 shows a system 10 that may be useful for evaluating the properties of the fluid with which it is in contact. By way of illustration, a typical fluid may be motor oil. The system may comprise a fluid reservoir 12 and a sensor 14. Alternatively, the sensor may be installed in the fluid conduit. The sensor may be a resonant sensor located in or on the reservoir, or may be connected to linear connectors fluidly coupled to the fluid reservoir and defining a fluid path. In one embodiment of the invention, the sensor may provide continuous monitoring of the fluid in the reservoir or channel for the fluid.
Подходящие текучие среды могут включать углеводородные топлива и смазочные материалы. Подходящие смазочные материалы могут включать моторное масло, трансмиссионное масло, рабочую жидкость для гидравлических систем, смазочные масла, смазочные материалы на синтетической основе, смазочные текучие среды, консистентные смазки, силиконы и т.п. Подходящее топливо может включать бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей или керосин, биотопливо, смеси нефтяного дизельного топлива и биодизельного топлива, природный газ (сжиженный или сжатый) и нефтяное топливо. Другими текучими средами могут быть изоляционные масла в трансформаторах, растворители или смеси растворителей. При подходящих параметрах датчика могут быть включены другие текучие среды, такие как вода, воздух, отработанные газы двигателя, биологические текучие среды и органические и/или растительные масла. Текучая среда может быть жидкостью или может быть в газообразной фазе. Кроме того, предполагаются многофазные композиции.Suitable fluids may include hydrocarbon fuels and lubricants. Suitable lubricants may include engine oil, gear oil, hydraulic fluid, lubricating oils, synthetic based lubricants, lubricating fluids, greases, silicones, and the like. Suitable fuels may include gasoline, diesel, jet fuels or kerosene, biofuels, mixtures of petroleum diesel and biodiesel, natural gas (liquefied or compressed) and petroleum. Other fluids may include insulating oils in transformers, solvents, or solvent mixtures. With suitable sensor parameters, other fluids, such as water, air, engine exhaust, biological fluids, and organic and / or vegetable oils, may be included. The fluid may be a liquid or may be in a gaseous phase. In addition, multiphase compositions are contemplated.
Не ограничивающие изобретение примеры различных компонентов текучей среды включают непреднамеренные утечки из ближайших систем (например, жидкость из радиатора в моторном масле или конденсация воды в дизельном топливе или трансформаторном масле). Другие обнаруживаемые компоненты текучей среды могут включать продукты деградации текучей среды, вызванной повышенной температурой эксплуатации или контактом с окислителями (воздухом и т.д.). Эксплуатация системы может вносить такие компоненты текучей среды как грязь, соль, сажа или углерод, металлические частицы износа, продукты износа и другие. В некоторых окружающих средах компонентом текучей среды могут быть отложения из-за бактерий и т.п. Во всех случаях может быть полезно косвенное измерение, такое как возрастание водородного показателя рН, которое указывает на присутствие кислотного компонента.Non-limiting examples of various fluid components include unintentional leaks from nearby systems (for example, radiator fluid in engine oil or condensation of water in diesel fuel or transformer oil). Other detectable fluid components may include fluid degradation products caused by elevated operating temperatures or contact with oxidizing agents (air, etc.). Operation of the system can introduce fluid components such as dirt, salt, soot or carbon, metal particles of wear, wear products and others. In some environments, the component of the fluid may be deposits due to bacteria or the like. In all cases, an indirect measurement, such as an increase in the pH of the pH, which indicates the presence of an acid component, may be useful.
Датчик может определять характеристики текучей среды посредством резонансного импедансного спектрального отклика. Один или более LCR-резонаторов могут измерять резонансный импедансный спектральный отклик. В отличие от простых измерений резонансного импеданса, раскрываемые формы осуществления изобретения зондируют образец с помощью по меньшей мере одного резонансного электрического контура. Спектр резонансного импеданса датчика вблизи образца (датчика в рабочем контакте с текучей средой) изменяется в зависимости от состава и/или компонентов и/или температуры образThe sensor can determine fluid characteristics by means of a resonant impedance spectral response. One or more LCR resonators can measure a resonant impedance spectral response. Unlike simple measurements of resonance impedance, the disclosed embodiments of the invention probe a sample using at least one resonant circuit. The spectrum of the resonant impedance of the sensor near the sample (the sensor in working contact with the fluid) varies depending on the composition and / or components and / or temperature of the image
- 4 032682 ца. Измеренные значения резонансного импеданса Z' (которые могут быть вещественной частью резонансного импеданса Zre) и Z (которые могут быть мнимой частью резонансного импеданса Zim) отражают отклик текучей среды (например, части текучей среды вблизи датчика) на возбуждающее воздействие электрического поля резонансного электрического контура.- 4 032682 tsa. The measured values of the resonant impedance Z '(which can be the real part of the resonant impedance Z re ) and Z (which can be the imaginary part of the resonant impedance Z im ) reflect the response of the fluid (for example, the part of the fluid near the sensor) to the exciting effect of the electric field of the resonant electric contour.
Электрическое поле может прикладываться датчиком с помощью электродов. Электроды могут быть в прямом или непрямом электрическом контакте с образцом. Например, датчик может быть комбинацией измерительного участка и связанных с ним схем. Измерительный участок может быть оголенным или покрытым диэлектрическим защитным слоем. В обоих случаях измерительный участок может рассматриваться как находящийся в рабочем контакте с текучей средой. В таких формах осуществления изобретения схемы настройки могут непосредственно не контактировать с текучей средой. Примером косвенного электрического контакта с образцом может быть случай, когда структура воспринимающего электрода покрыта диэлектрическим защитным покрытием, а электрическое поле, которое может формироваться между электродами, взаимодействует с текучей средой после проникновения сквозь диэлектрическое защитное покрытие. Соответствующее диэлектрическое защитное покрытие может быть конформно нанесено на электрод.An electric field can be applied by a sensor using electrodes. The electrodes may be in direct or indirect electrical contact with the sample. For example, a sensor may be a combination of a measuring section and associated circuits. The measuring section may be bare or coated with a dielectric protective layer. In both cases, the measuring section can be considered as being in working contact with the fluid. In such embodiments, the tuning circuits may not directly come in contact with the fluid. An example of indirect electrical contact with a sample can be the case when the structure of the receiving electrode is coated with a dielectric protective coating, and the electric field that can form between the electrodes interacts with the fluid after penetrating through the dielectric protective coating. An appropriate dielectric protective coating can be conformally applied to the electrode.
Подходящие датчики могут включать однократно или многократно используемые датчики. Подходящий многократно используемый резонансный датчик может быть датчиком многоразового использования и может использоваться в течение срока службы системы, в которую он встроен. В одной форме осуществления изобретения резонансный датчик может быть однократно используемым датчиком, который может использоваться в течение всей или части реакции или процесса. Например, резонансный датчик может содержать одну или более пар электродов и один или более элементов настройки, например, резистор, конденсатор, катушку индуктивности, резонатор, трансформатор импеданса или комбинацию двух или более из них для формирования индуктивно-резистивно-емкостного резонансного контура (LCR), работающего по меньшей мере на одной резонансной частоте. В некоторых формах осуществления изобретения различные резонансные контуры из множества резонансных контуров резонансного датчика могут быть сконфигурированы для обеспечения резонанса на различных частотах. Различные частоты могут быть выбраны так, чтобы охватывать профиль дисперсии измеряемой композиции текучей среды. Профиль дисперсии может представлять собой зависимость диэлектрических свойств композиции текучей среды от частоты зондирования. Различные компоненты текучей среды имеют различные профили дисперсии. При измерении на множестве резонансных частот могут быть определены концентрации различных компонентов текучей среды.Suitable sensors may include once or reusable sensors. A suitable reusable resonant sensor may be a reusable sensor and may be used during the life of the system in which it is integrated. In one embodiment of the invention, the resonance sensor may be a single-use sensor that may be used throughout all or part of the reaction or process. For example, a resonance sensor may include one or more pairs of electrodes and one or more tuning elements, for example, a resistor, capacitor, inductor, resonator, impedance transformer, or a combination of two or more of them to form an inductive-resistive-capacitive resonant circuit (LCR) operating at least one resonant frequency. In some embodiments of the invention, various resonant circuits from a plurality of resonant circuits of the resonant sensor can be configured to provide resonance at different frequencies. Different frequencies can be chosen to cover the dispersion profile of the measured fluid composition. The dispersion profile may be a dependence of the dielectric properties of the fluid composition on the sounding frequency. Different fluid components have different dispersion profiles. When measured at multiple resonant frequencies, the concentrations of various fluid components can be determined.
Данные от резонансного датчика могут собираться с помощью схемы 16 сбора данных, которая может быть связана с датчиком или с системой управления, такой как контроллер или рабочая станция 22, содержащая схему обработки данных, в которой может выполняться дополнительная обработка и анализ. Контроллер или рабочая станция могут содержать один или более компонентов беспроводной или проводной связи и могут также поддерживать связь с другими компонентами системы. Подходящие модели связи включают беспроводную или проводную связь. По меньшей мере одна подходящая беспроводная модель включает радиочастотные устройства, такие как устройства радиосвязи на основе технологии радиочастотной идентификации (RFID). Другие способы радиосвязи могут использоваться на основе специфических для применения параметров. Например, при наличии электромагнитных помех некоторые способы могут работать, а другие нет. Электрическая схема сбора данных может быть расположена в резервуаре для жидкости, как показано на фиг. 2. Другие подходящие места могут включать расположение в рабочей станции. Кроме того, рабочая станция может быть заменена системой управления всем технологическим процессом, в которой резонансный датчик и его схема сбора данных могут быть подключены к системе управления технологическим процессом.Data from the resonant sensor may be collected using data collection circuitry 16, which may be connected to the sensor or to a control system, such as a controller or workstation 22, comprising a data processing circuit in which additional processing and analysis can be performed. The controller or workstation may contain one or more components of wireless or wired communication and may also communicate with other components of the system. Suitable communication models include wireless or wired communication. At least one suitable wireless model includes radio frequency devices, such as radio communication devices based on radio frequency identification technology (RFID). Other radio communication methods may be used based on application-specific parameters. For example, in the presence of electromagnetic interference, some methods may work, while others may not. A data acquisition circuitry may be located in the fluid reservoir, as shown in FIG. 2. Other suitable locations may include a workstation location. In addition, the workstation can be replaced by an entire process control system in which the resonant sensor and its data acquisition circuit can be connected to the process control system.
Во время работы процесс контроля может связываться, помимо прочего, с работой двигателя внутреннего сгорания, с работой маслонаполненного трансформатора, процессом химической реакции, процессом биологической реакции, процессом очистки и/или разделения, каталитическим процессом, обычным процессом сгорания, производством сырой нефти, производством неочищенного газа, извлечением вещества и другими промышленными процессами. Схема сбора данных может быть в виде устройства считывания данных датчика, которое может быть сконфигурировано для осуществления беспроводной или проводной связи с резервуаром для текучей среды и/или рабочей станцией. Например, устройство считывания данных датчика может быть работающим от батареи устройством и/или может питаться с использованием энергии, подаваемой от главной системы управления, или с использованием энергии, собираемой от окружающих источников (световой, вибрационной, тепловой или электромагнитной энергии).During operation, the control process may be associated, inter alia, with the operation of the internal combustion engine, the operation of an oil-filled transformer, the chemical reaction process, the biological reaction process, the purification and / or separation process, the catalytic process, the conventional combustion process, the production of crude oil, the production of crude gas, substance extraction and other industrial processes. The data acquisition circuit may be in the form of a sensor data reader that can be configured to wirelessly or wiredly communicate with a fluid reservoir and / or workstation. For example, the sensor data reader may be a battery-powered device and / or may be powered using energy supplied from the main control system, or using energy collected from surrounding sources (light, vibration, thermal or electromagnetic energy).
Кроме того, электрическая схема сбора данных может принимать данные от одного или более резонансных датчиков 14 (например, множества датчиков, скомпонованных в матрицу, или множества датчиков, установленных в различных местах в резервуаре для текучей среды или вокруг него). Данные могут сохраняться в кратковременных или долговременных запоминающих устройствах, таких как системы хранения и передачи, которые могут быть расположены в системе или удаленно от нее, и/или воспроизводиться и отображаться для оператора, например, на рабочей станции оператора. Не ограничивающиеIn addition, the data acquisition circuitry may receive data from one or more resonant sensors 14 (for example, a plurality of sensors arranged in a matrix, or a plurality of sensors installed at various locations in or around the fluid reservoir). Data can be stored in short-term or long-term storage devices, such as storage and transmission systems, which can be located in the system or remotely from it, and / or reproduced and displayed for the operator, for example, on the operator's workstation. Non-limiting
- 5 032682 изобретение примеры расположения и установки датчиков и систем датчиков данной технологии включают резервуары для топлива или текучей среды, связанные с ними компоненты трубопроводов, соединители, проточные компоненты и любые другие соответствующие компоненты технологического процесса.- 5 032682 invention examples of the arrangement and installation of sensors and sensor systems of this technology include fuel or fluid tanks, associated piping components, connectors, flow components, and any other relevant process components.
В дополнение к отображению данных рабочая станция оператора может управлять описанными выше операциями и функциями системы. Рабочая станция оператора может содержать один или более компонентов на основе процессора, таких как универсальные или специализированные компьютеры 24. В дополнение к компонентам на основе процессора компьютер может содержать различные компоненты памяти и/или хранения, включая магнитные и оптические запоминающие устройства большой емкости, внутреннюю память, такую как интегральные схемы оперативной памяти (Random Access Memory, RAM). Компоненты памяти и/или хранения могут использоваться для хранения программ и подпрограмм для реализации описанной здесь технологии, которые могут выполняться рабочей станцией оператора или связанными с ней компонентами системы. Альтернативно, программы и подпрограммы могут храниться на доступном компьютеру запоминающем устройстве и/или в памяти, удаленной от рабочей станции оператора, но доступной посредством сети и/или интерфейсов связи, имеющихся на компьютере. Компьютер может содержать также различные интерфейсы ввода-вывода (Input/Output, I/O), a также различные сетевые интерфейсы или интерфейсы связи. Различные интерфейсы ввода-вывода могут обеспечивать возможность связи с интерфейсными устройствами пользователя, такими как дисплей 26, клавиатура 28, мышь 30 и принтер 32, которые могут использоваться для просмотра и ввода информации о конфигурации и/или для работы системы отображения. Другие устройства, не показанные на чертежах, могут быть полезны для связи с помощью интерфейсов, таких как сенсорные панели, устройства индикации на лобовом стекле, микрофоны и т.п. Различные сетевые интерфейсы и интерфейсы связи могут обеспечивать подключение к локальным и глобальным интрасетям и сетям хранения данных, а также к сети Интернет. Различные интерфейсы ввода-вывода и связи могут использовать провода, линии или подходящие беспроводные интерфейсы при необходимости.In addition to displaying data, the operator workstation can manage the operations and functions of the system described above. An operator workstation may comprise one or more processor-based components, such as general purpose or specialized computers 24. In addition to processor-based components, a computer may comprise various memory and / or storage components, including high-capacity magnetic and optical storage devices, internal memory such as integrated circuits of random access memory (Random Access Memory, RAM). The memory and / or storage components may be used to store programs and routines for implementing the technology described herein, which may be performed by an operator workstation or associated system components. Alternatively, programs and routines may be stored on a computer accessible memory device and / or in memory remote from the operator's workstation but accessible through the network and / or communication interfaces available on the computer. The computer may also contain various input / output interfaces (Input / Output, I / O), as well as various network interfaces or communication interfaces. Various input / output interfaces can provide communication with user interface devices, such as a display 26, a keyboard 28, a mouse 30, and a printer 32, which can be used to view and enter configuration information and / or to operate a display system. Other devices not shown in the drawings may be useful for communication using interfaces, such as touch panels, display devices on the windshield, microphones, etc. Various network and communication interfaces can provide connectivity to local and global intranets and storage networks, as well as to the Internet. Various I / O and communication interfaces may use wires, lines, or suitable wireless interfaces if necessary.
Датчик может содержать множество резонансных контуров, которые могут быть сконфигурированы для зондирования текучей среды с использованием множества частот в резервуаре для текучей среды. Резервуар для текучей среды может быть резервуаром, который ограничен изготовленными непроницаемыми для текучей среды стенками или естественно сформированными непроницаемыми для текучей среды стенками, или расстоянием распространения электромагнитной энергии, излучаемой из измерительного участка для зондирования текучей среды. Кроме того, могут использоваться различные частоты для зондирования образца текучей среды на различных глубинах. В некоторых формах осуществления изобретения кристалл интегральной схемы памяти может быть гальванически соединен с резонансным датчиком. Кристалл интегральной схемы памяти может содержать различные виды информации. Не ограничивающие изобретение примеры такой информации в памяти кристалла интегральной схемы включают калибровочные коэффициенты для датчика, номер партии датчиков, дату производства, информацию для конечного пользователя. В другой форме осуществления изобретения резонансный датчик может быть встречно-штыревой структурой, которая является частью резонатора и имеет измерительный участок.The sensor may comprise a plurality of resonant circuits, which may be configured to probe the fluid using a plurality of frequencies in the fluid reservoir. The fluid reservoir may be a reservoir that is limited to manufactured fluid impervious walls or naturally formed fluid impervious walls, or the propagation distance of electromagnetic energy emitted from a measurement portion for sensing a fluid. In addition, different frequencies can be used to probe a fluid sample at various depths. In some embodiments of the invention, the memory integrated circuit chip may be galvanically coupled to a resonant sensor. A memory integrated circuit chip may contain various kinds of information. Non-limiting examples of such information in the integrated circuit chip memory include calibration factors for the sensor, batch number of sensors, production date, and end-user information. In another embodiment, the resonance sensor may be an interdigital structure that is part of the resonator and has a measuring portion.
В некоторых формах осуществления изобретения, когда кристалл интегральной схемы памяти может быть гальванически подключен к резонансному датчику, считывание отклика датчика может выполняться устройством считывания данных датчика, которое содержит схему, пригодную для считывания аналоговой части датчика. Аналоговая часть датчика может содержать резонансный импеданс. Цифровая часть датчика может содержать информацию из кристалла интегральной схемы памяти.In some embodiments of the invention, when the chip of the integrated memory circuit can be galvanically connected to the resonant sensor, the sensor response can be read by a sensor data reader that contains a circuit suitable for reading the analog part of the sensor. The analog part of the sensor may contain resonant impedance. The digital part of the sensor may contain information from the chip integrated circuit memory.
На фиг. 2 показан не ограничивающий изобретение пример конструкции резонансного датчика. Структура 34 воспринимающего электрода датчика может быть соединена со схемами настройки и схемой сбора данных. Структура 34 воспринимающего электрода может быть оголенной и может находиться в непосредственном контакте с текучей средой. Альтернативно, структура воспринимающего электрода может быть покрыта защитным покрытием 36. Структура воспринимающего электрода без защитного покрытия или с защитным покрытием формирует измерительный участок 38. Покрытие может наноситься конформно и может быть диэлектрическим материалом. Структура воспринимающего электрода без защитного покрытия или с защитным покрытием, которая формирует измерительный участок, может при работе контактировать с текучей средой. Текучая среда содержит вещество, определяемое при анализе, или примесь (примеси). Структура воспринимающего электрода может быть без защитного покрытия (оголенная) или с защитным покрытием. Оголенная структура воспринимающего электрода может формировать между электродами электрическое поле, которое непосредственно взаимодействует с текучей средой. Структура воспринимающего электрода с диэлектрическим защитным покрытием может формировать электрическое поле между электродами, которое взаимодействует с текучей средой после проникновения сквозь диэлектрическое защитное покрытие. В одной форме осуществления изобретения покрытие может наноситься на электроды для образования конформного защитного слоя, имеющего одинаковую толщину на всей поверхности электродов и между электродами на подложке. Там, где покрытие наносилось на электроды для образования защитного слоя, оно может иметь в основном постоIn FIG. 2 illustrates a non-limiting example of a resonant sensor design. The sensor pickup electrode structure 34 may be coupled to tuning circuits and a data acquisition circuit. The structure 34 of the sensing electrode may be exposed and may be in direct contact with the fluid. Alternatively, the structure of the sensing electrode may be coated with a protective coating 36. The structure of the sensing electrode without a protective coating or with a protective coating forms a measuring portion 38. The coating may be applied conformally and may be a dielectric material. The structure of the sensing electrode without a protective coating or with a protective coating that forms the measuring section can be in contact with the fluid during operation. The fluid contains a substance determined in the analysis, or an impurity (impurities). The structure of the sensing electrode may be without a protective coating (bare) or with a protective coating. The bare structure of the sensing electrode can form an electric field between the electrodes that interacts directly with the fluid. The structure of the receiving electrode with a dielectric protective coating can form an electric field between the electrodes, which interacts with the fluid after penetrating through the dielectric protective coating. In one embodiment of the invention, the coating can be applied to the electrodes to form a conformal protective layer having the same thickness on the entire surface of the electrodes and between the electrodes on the substrate. Where the coating was applied to the electrodes to form a protective layer, it can mainly be
- 6 032682 янную или переменную конечную толщину на подложке и электродах датчика на подложке. В другой форме осуществления изобретения подложка одновременно служит защитным слоем, если электроды отделяются от текучей среды подложкой. В этом варианте подложка имеет электроды на одной стороне, которая может не контактировать непосредственно с текучей средой, так что другая сторона подложки не имеет электродов, которые обращены к текучей среде. Измерение текучей среды может выполняться, когда электрическое поле от электродов проникает через подложку в текучую среду. Подходящие примеры таких материалов подложки могут включать керамику, оксид алюминия, оксид циркония и другие.- 6,032,682 the final or variable final thickness on the substrate and the sensor electrodes on the substrate. In another embodiment, the substrate simultaneously serves as a protective layer if the electrodes are separated from the fluid by the substrate. In this embodiment, the substrate has electrodes on one side that may not be in direct contact with the fluid, so that the other side of the substrate does not have electrodes that are facing the fluid. Fluid measurement can be performed when an electric field from the electrodes penetrates through the substrate into the fluid. Suitable examples of such support materials may include ceramics, alumina, zirconia, and others.
На фиг. 3 показана часть системы резонансных датчиков, имеющая один измерительный участок 38 и используемая в блоке 40 датчиков, пригодном для зондирования образца текучей среды с использованием множества частот. Измерительный участок может располагаться на подложке и может содержать подходящий воспринимающий материал. В некоторых формах осуществления изобретения подложка датчика может быть диэлектрической подложкой. В некоторых формах осуществления изобретения блок датчиков может содержать множество элементов 42 настройки. Множество элементов настройки может быть функционально связано с одним измерительным участком с образованием множества резонансных контуров. Элементы настройки наряду с одним измерительным участком могут образовывать множество резонансных контуров. Каждый резонансный контур из множества резонансных контуров может содержать один или более элементов настройки из множества элементов настройки. Не показаны на чертеже полупроницаемая пленка, полупроницаемая мембрана или полупроницаемый неорганический барьер (все вместе называемые избирательным барьером), который позволяет (или препятствует) выборочным анализируемым веществам или загрязняющим примесям проходить сквозь избирательный барьер в измерительный участок.In FIG. 3 shows a portion of a resonant sensor system having one measuring section 38 and used in a sensor unit 40 suitable for sensing a fluid sample using a plurality of frequencies. The measuring section may be located on the substrate and may contain suitable receptive material. In some embodiments, the sensor substrate may be a dielectric substrate. In some embodiments of the invention, the sensor unit may comprise a plurality of tuning elements 42. A plurality of tuning elements may be operatively connected to a single measuring section to form a plurality of resonant circuits. The tuning elements, along with one measuring section, can form many resonant circuits. Each resonant circuit of a plurality of resonant circuits may comprise one or more tuning elements from a plurality of tuning elements. Not shown in the drawing is a semi-permeable film, a semi-permeable membrane, or a semi-permeable inorganic barrier (collectively referred to as a selective barrier) that allows (or prevents) selective analytes or contaminants from passing through the selective barrier to the measurement section.
Подходящие структуры встречно-штыревых электродов включают структуры с двумя и четырьмя электродами. Подходящие материалы для электродов включают нержавеющую сталь, платину, золото, благородные металлы и другие. Подходящие материалы для подложки и/или диэлектрического защитного слоя могут включать диоксид кремния, нитрид кремния, парилен, силикон, фторированные полимеры, оксид алюминия, керамику и другие. Подходящие электроды могут формироваться с использованием технологий травления металла, трафаретной печати, струйной печати и способов осаждения металла на основе фотошаблона. Толщина изготавливаемых электродов на подложках может быть в диапазоне приблизительно от 10 нм до 1000 мкм. Материалы для структур встречно-штыревых электродов, подложки, диэлектрического защитного слоя и способы формирования электродов могут выбираться, по меньшей мере, частично на основе параметров, зависящих от применения.Suitable interdigital electrode structures include structures with two and four electrodes. Suitable materials for the electrodes include stainless steel, platinum, gold, precious metals and others. Suitable materials for the substrate and / or dielectric protective layer may include silicon dioxide, silicon nitride, parylene, silicone, fluorinated polymers, alumina, ceramics and others. Suitable electrodes can be formed using metal etching, screen printing, inkjet and photo-deposition metal deposition techniques. The thickness of the manufactured electrodes on the substrates can be in the range from about 10 nm to 1000 μm. Materials for interdigital electrode structures, substrates, dielectric protective layers, and electrode forming methods can be selected, at least in part, based on application-specific parameters.
Как показано на чертеже, в форме осуществления изобретения множество элементов настройки может быть расположено вне датчика. Однако в одной форме осуществления изобретения элементы настройки могут быть расположены на подложке датчика. В другой форме осуществления изобретения часть множества элементов настройки может быть расположена вне подложки датчика, в то время как другие элементы настройки могут быть расположены на подложке. Элементы настройки могут включать резистор, конденсатор, катушку индуктивности, резонатор, трансформатор импеданса или их комбинации.As shown in the drawing, in an embodiment of the invention, a plurality of tuning elements may be located outside the sensor. However, in one embodiment of the invention, the tuning elements may be located on the sensor substrate. In another embodiment, a portion of the plurality of settings may be located outside the sensor substrate, while other settings may be located on the substrate. The tuning elements may include a resistor, a capacitor, an inductor, a resonator, an impedance transformer, or combinations thereof.
Блок 10 датчиков может содержать контроллер, который имеет мультиплексор 44. Мультиплексор может обеспечивать электронное переключение между элементами настройки. Мультиплексор может выбирать один или более сигналов, связанных с частотами зондирования, и пересылать выбранный сигнал на выходное устройство или устройство считывания. В одной форме осуществления изобретения мультиплексор может избирательно передавать сигналы на выходное устройство или устройство считывания. Мультиплексор может одновременно передавать множество сигналов на устройство считывания данных датчика. Мультиплексор может осуществлять электронное переключение между измерительными участками.The sensor unit 10 may include a controller that has a multiplexer 44. The multiplexer may provide electronic switching between the settings. The multiplexer may select one or more signals associated with the sounding frequencies, and forward the selected signal to the output device or reader. In one embodiment, the multiplexer may selectively transmit signals to an output device or reader. The multiplexer can simultaneously transmit multiple signals to the sensor data reader. The multiplexer can electronically switch between measuring sections.
Во время работы каждый резонансный контур может резонировать на определенной частоте. По меньшей мере один резонансный контур может резонировать на частоте, которая может отличаться от резонансной частоты других резонансных контуров. Для примера, если измерительный участок содержит пару электродов, элементы настройки могут быть резистором, конденсатором и катушкой индуктивности и формировать индуктивно-резистивно-емкостный резонансный контур (LCR). Элементы настройки могут быть электрически соединены с измерительным участком. В одной форме осуществления изобретения элементы настройки могут быть подключены параллельно измерительному участку. В некоторых формах осуществления изобретения различные резонансные контуры из множества резонансных контуров могут быть сконфигурированы для обеспечения резонанса на различных частотах. Различные резонансные контуры могут быть сконфигурированы так, чтобы зондировать образец текучей среды с использованием множества резонансных частот. Могут использоваться различные резонансные частоты для зондирования образца текучей среды в полосе частот спектральных дисперсий. Спектральные дисперсии, которые могут контролироваться датчиками данного изобретения, могут быть в полосе частот приблизительно от 0,1 Гц до 100 ГГц и включать альфа, бета, гамма, дельта и другие типы спектральных дисперсий, что определяется параметрами, зависящими от применения.During operation, each resonant circuit can resonate at a specific frequency. At least one resonant circuit can resonate at a frequency that may differ from the resonant frequency of other resonant circuits. For example, if the measuring section contains a pair of electrodes, the tuning elements can be a resistor, a capacitor and an inductor and form an inductive-resistive-capacitive resonant circuit (LCR). The settings can be electrically connected to the measuring section. In one embodiment of the invention, the tuning elements may be connected in parallel with the measuring section. In some embodiments of the invention, various resonant circuits from a plurality of resonant circuits can be configured to provide resonance at different frequencies. Various resonant circuits may be configured to probe a fluid sample using a plurality of resonant frequencies. Various resonant frequencies can be used to probe a fluid sample in the frequency band of spectral dispersions. Spectral dispersions that can be controlled by the sensors of the present invention can be in the frequency range from about 0.1 Hz to 100 GHz and include alpha, beta, gamma, delta and other types of spectral dispersions, which are determined by application-specific parameters.
На фиг. 4 показана другая схема 10 датчика. Измерительный участок 38 (показанный с переменнымIn FIG. 4 shows another sensor circuit 10. Measurement 38 (shown with variable
- 7 032682 резистором и конденсатором) объединен с компонентами 42 настройки (показанными с переменными индуктивностью и емкостью). Чтобы реализовать оклик датчика в другой полосе частот, для настройки полосы частот могут использоваться дополнительные элементы схемы. Поэтому датчик может работать в нескольких полосах частот с использованием определяемой или выбираемой комбинации дополнительных компонентов схемы, таких как катушки индуктивности, конденсаторы и трансформаторы импеданса. Эти компоненты могут быть включены параллельно или последовательно с датчиком для изменения рабочей полосы частот. Контроллер может управлять коэффициентом преобразования трансформатора импеданса, чтобы воздействовать на чувствительность. Частотная характеристика датчика и ее амплитуда могут быть основаны, по меньшей мере, частично на полных изменениях входного резонансного импеданса вследствие отклика датчика на состояние ячейки, ее поведение и т.п. Таким образом, чувствительность датчика может управляться посредством возможности динамической настройки коэффициента преобразования. Настройка отклика каждого канала может достигаться, например, с использованием одной или более катушек индуктивности. В одной форме осуществления изобретения беспроводное считывание с электродов может обеспечивать улучшение избирательности и чувствительности отклика. В одной форме осуществления изобретения связь на основе трансформатора может устранить паразитные LCR-компоненты из оборудования (анализатора, кабелей, среди прочего). LCR-резонатор, показанный на фиг. 4, имеет относительно простую конструкцию по сравнению с другими резонаторами, например по сравнению с пороговыми генераторами, которые требуют сложных многокомпонентных схем для их работы и включают усилитель с обратной связью по току и другие компоненты.- 7 032682 resistor and capacitor) combined with tuning components 42 (shown with variable inductance and capacitance). To implement the sensor response in a different frequency band, additional circuit elements can be used to adjust the frequency band. Therefore, the sensor can operate in several frequency bands using a definable or selectable combination of additional circuit components, such as inductors, capacitors and impedance transformers. These components can be connected in parallel or in series with the sensor to change the operating frequency band. The controller can control the conversion factor of the impedance transformer to affect sensitivity. The frequency response of the sensor and its amplitude can be based, at least in part, on the total changes in the input resonance impedance due to the response of the sensor to the state of the cell, its behavior, etc. Thus, the sensitivity of the sensor can be controlled by the ability to dynamically adjust the conversion factor. Adjustment of the response of each channel can be achieved, for example, using one or more inductors. In one embodiment of the invention, wireless electrode reading may provide improved selectivity and response sensitivity. In one embodiment of the invention, transformer-based communication can eliminate spurious LCR components from equipment (analyzer, cables, among others). The LCR cavity shown in FIG. 4, has a relatively simple design compared to other resonators, for example, compared to threshold generators, which require complex multi-component circuits for their operation and include a current feedback amplifier and other components.
Как отмечено здесь, подходящий беспроводной датчик может быть датчиком радиочастотной идентификации (RFID), в котором пассивная метка RFID может быть сконфигурирована для выполнения функции измерения. На фиг. 5А и 5В показана форма осуществления изобретения, в которой резонансный датчик может быть сконфигурированной меткой RFID. На фиг. 5А резонансная антенна 50 и интегральная схема 52 памяти могут быть покрыты защитным материалом или воспринимающим материалом 56. Воспринимающий материал может быть измерительным участком метки RFID. На фиг. 5В измерительный участок (который может опционально содержать защитный или воспринимающий материал) может быть прикреплен к антенне. В обоих случаях (фиг. 5А и 5В) электрический отклик измерительного участка может быть преобразован в изменения отклика резонансного импеданса датчика. Датчик RFID, имеющий интегральную схему памяти, может работать с частотой, определяемой, по меньшей мере, частично рабочей частотой, используемой интегральной схемой памяти. Т.е. некоторые рабочие частоты (датчика и интегральной схемы) могут создавать помехи друг другу, при этом может быть нежелательно иметь создающие помехи гармоники или вредные колебания. Датчик может иметь круглый, квадратный, цилиндрический, прямоугольный или другой подходящей формы измерительный участок и/или антенну.As noted here, a suitable wireless sensor may be a radio frequency identification (RFID) sensor in which a passive RFID tag may be configured to perform a measurement function. In FIG. 5A and 5B show an embodiment of the invention in which the resonant sensor may be a configured RFID tag. In FIG. 5A, the resonant antenna 50 and the memory integrated circuit 52 may be coated with a protective material or sensing material 56. The sensing material may be a measuring portion of an RFID tag. In FIG. 5B, a measurement portion (which may optionally contain protective or sensing material) may be attached to the antenna. In both cases (Figs. 5A and 5B), the electrical response of the measurement section can be converted to changes in the response of the resonant impedance of the sensor. An RFID sensor having an integrated memory circuit may operate at a frequency determined at least in part by the operating frequency used by the integrated circuit memory. Those. some operating frequencies (of the sensor and integrated circuit) may interfere with each other, while it may not be desirable to have interfering harmonics or harmful vibrations. The sensor may have a round, square, cylindrical, rectangular or other suitable shape measuring section and / or antenna.
Резонансная частота антенного контура может быть установлена на частоту, более высокую, чем резонансная частота схемы датчика. Степень различия частот может быть, например, в диапазоне приблизительно от 4 до 1000 раз выше. В одной форме осуществления изобретения схема датчика может иметь резонансную частоту, которая может отвечать определенному воспринимаемому состоянию окружающей среды. Эти два резонансных контура могут быть связаны так, что когда энергия переменного тока (Alternating Current, AC) принимается антенным резонансным контуром, то он может использовать энергию постоянного тока для питания резонансного контура датчика. Энергия АС может подаваться с помощью диода и конденсатора и может передаваться резонансному контуру датчика посредством параллельного LC-контура или отвода у катушки L параллельного LC-контура или отвода у конденсатора С параллельного LC-контура. Кроме того, эти два резонансных контура могут быть соединены так, что напряжение от резонансного контура датчика может изменять импеданс антенного резонансного контура. Модуляция импеданса антенной схемы может осуществляться с помощью транзистора, например полевого транзистора (Field-Effect Transistor, FET).The resonant frequency of the antenna circuit can be set to a frequency higher than the resonant frequency of the sensor circuit. The degree of frequency difference can be, for example, in the range of about 4 to 1000 times higher. In one embodiment of the invention, the sensor circuit may have a resonant frequency, which may correspond to a certain perceived state of the environment. These two resonant circuits can be connected so that when Alternating Current (AC) energy is received by the antenna resonant circuit, it can use direct current energy to power the resonant circuit of the sensor. AC energy can be supplied using a diode and a capacitor and can be transmitted to the resonant circuit of the sensor by means of a parallel LC circuit or by removal of a parallel LC circuit from coil L or by removal of a parallel LC circuit from capacitor C. In addition, these two resonant circuits can be connected so that the voltage from the resonant circuit of the sensor can change the impedance of the antenna resonant circuit. Modulation of the impedance of the antenna circuit can be carried out using a transistor, such as a Field Effect Transistor (FET).
Интегральная схема памяти датчика RFID может быть опциональной. Датчик RFID без интегральной схемы памяти может быть резонансным LCR-датчиком и может работать в различных полосах частот от килогерца до гигагерца. Т.е. отсутствие интегральной схемы памяти может расширить доступную полосу частот.An RFID sensor memory integrated circuit may be optional. An RFID sensor without an integrated memory circuit can be a resonant LCR sensor and can operate in various frequency bands from kilohertz to gigahertz. Those. the absence of an integrated memory circuit can expand the available frequency band.
Подходящие воспринимающие материалы и воспринимающие пленки, которые описаны здесь, могут включать материалы, нанесенные на датчик для выполнения функции предсказуемого и воспроизводимого воздействия на резонансный импедансный отклик датчика после взаимодействия со средой. Например, проводящий полимер, такой как полианилин, изменяет свою электропроводность при воздействии растворов с различным уровнем рН. Т.е. характеристика резонансного импеданса датчика изменяется как функция рН, когда такая пленка проводящего полимера наносится на поверхность датчика RFID. Таким образом, такой датчик RFID работает как датчик рН.Suitable sensing materials and sensing films, which are described herein, may include materials deposited on the sensor to act as a predictable and reproducible effect on the resonant impedance response of the sensor after interaction with the medium. For example, a conductive polymer, such as polyaniline, changes its electrical conductivity when exposed to solutions with different pH levels. Those. The characteristic of the resonant impedance of the sensor changes as a function of pH when such a film of conductive polymer is applied to the surface of the RFID sensor. Thus, such an RFID sensor works like a pH sensor.
В качестве примера обнаружения газовой среды, когда такая полианилиновая пленка нанесена на датчик RFID для проведения измерения в газовой фазе, характеристика комплексного резонансного импеданса датчика также изменяется при воздействии основных (например, NH3) или кислых (например, HCl) газов. Подходящие пленки датчика включают полимерные, органические, неорганические, биолоAs an example of gas detection, when such a polyaniline film is applied to an RFID sensor for measurement in the gas phase, the complex resonant impedance characteristic of the sensor also changes when exposed to basic (e.g., NH 3 ) or acidic (e.g., HCl) gases. Suitable sensor films include polymeric, organic, inorganic, biolo
- 8 032682 гические, композитные и нанокомпозитные пленки, которые изменяют свои электрические и/или диэлектрические параметры в зависимости от среды, в которую они помещены. Другими примерами воспринимающих пленок может быть сульфированный полимер, такой как коммерчески доступный Нафион, клеевой полимер, такой как силиконовый клей, неорганическая пленка, такая как пленка, приготовленная с помощью золь-гелевой технологии, композитная пленка, такая как углеродно-полиизобутиленовая пленка, нанокомпозитная пленка, такая как пленка на основе углеродных нанотрубок на основе нафиона, полимерная пленка с наночастицами золота, полимерная пленка с наночастицами металла, цеолиты, металлоорганические структуры, клеточные соединения, клатраты, соединения включения, полученные методом электроформования полимерные нановолокна, полученные методом электроформования неорганические нановолокна, полученные методом электроформования композитные нановолокна и другие воспринимающие материалы, выбираемые на основе параметров, зависящих от применения. Для уменьшения или предотвращения просачивания материала воспринимающей пленки датчика в жидкую среду, воспринимающие материалы могут быть прикреплены к поверхности датчика с использованием стандартных способов, таких как ковалентное связывание, электростатическое связывание и другие способы.- 8 032682 chemical, composite and nanocomposite films that change their electrical and / or dielectric parameters depending on the medium in which they are placed. Other examples of sensing films can be a sulfonated polymer, such as the commercially available Nafion, an adhesive polymer, such as a silicone adhesive, an inorganic film, such as a film prepared by sol-gel technology, a composite film, such as a carbon-polyisobutylene film, a nanocomposite film such as a film based on carbon nanotubes based on Nafion, a polymer film with gold nanoparticles, a polymer film with metal nanoparticles, zeolites, organometallic structures, adhesives confrontations compound clathrates, inclusion compounds obtained by electrospinning polymeric nanofibers obtained by electrospinning inorganic nanofibers obtained by electrospinning nanofiber composite sensing and other materials selected based on parameters dependent on the application. To reduce or prevent leakage of the sensor film material into the liquid medium, the sensor materials can be attached to the sensor surface using standard methods such as covalent bonding, electrostatic bonding, and other methods.
В одной форме осуществления изобретения система может измерять резонансный импеданс Z(f) датчика (представленный уравнением (1)) ζ(0 = ζ„(0+/ζ^0. (Я где Zre(f) может быть вещественной частью резонансного импеданса, а Zim(f) может быть мнимой частью резонансного импеданса. В одной форме осуществления изобретения резонансный импедансный отклик датчика может быть многопараметрическим откликом, поскольку может использоваться более одной частоты для измерения отклика датчика при резонансе датчика. В некоторых формах осуществления изобретения резонансный импедансный отклик датчика может быть многопараметрическим откликом, потому что может использоваться более одной частоты для измерения отклика датчика вне резонансного максимума датчика. В некоторых формах осуществления изобретения отклик датчика может измеряться на множестве частот при резонансе датчика. Например, если датчик резонирует приблизительно на 1 МГ ц, измеряемые частоты и связанные с ними отклики датчика могут измеряться приблизительно от 0,25 до 2 МГц. Этот многопараметрический отклик может быть проанализирован с использованием многопараметрического анализа. Многопараметрический отклик датчика включает полный спектр резонансного импеданса датчика и/или несколько отдельно измеренных параметров, включая, не ограничиваясь этим, Fp, Zp, Fz, F1, F2, Z1 и Z2.In one embodiment of the invention, the system can measure the resonant impedance Z (f) of the sensor (represented by equation (1)) ζ (0 = ζ „(0 + / ζ ^ 0. (I where Z re (f) can be the real part of the resonance impedance and Z im (f) may be the imaginary part of the impedance of the resonance. In one embodiment, the resonant impedance of the sensor response may be a multivariable response, since more than one can be used to measure the frequency response of the sensor when the sensor resonance. In some embodiments of the invention, the reason The apparent impedance response of the sensor can be a multi-parameter response because more than one frequency can be used to measure the response of the sensor outside the resonance maximum of the sensor. In some embodiments of the invention, the response of the sensor can be measured at multiple frequencies at the resonance of the sensor, for example, if the sensor resonates at about 1 MG c, the measured frequencies and the associated sensor responses can be measured from approximately 0.25 to 2 MHz. This multi-parameter response can be analyzed using multi-parameter analysis. The multi-parameter response of the sensor includes the full spectrum of the resonant impedance of the sensor and / or several separately measured parameters, including, but not limited to, F p , Z p , F z , F 1 , F 2 , Z 1 and Z 2 .
На фиг. 6 показан график измеряемых параметров резонансного импеданса для формы осуществления резонансного датчика в соответствии с формами осуществления данной технологии. Эти и другие измеренные параметры могут быть спектральными параметрами. Эти параметры включают частоту максимума вещественной части резонансного импеданса (Fp, положение резонансного максимума), амплитуду вещественной части резонансного импеданса (Zp, высоту пика), частоту нулевого реактивного сопротивления (Fz, частоту, на которой мнимая часть резонансного импеданса может быть нулевой), резонансную частоту мнимой части резонансного импеданса (F1), и антирезонансную частоту мнимой части резонансного импеданса (F2), амплитуду сигнала (Z1) на резонансной частоте мнимой части резонансного импеданса (F1) и амплитуду сигнала (Z2) на антирезонансной частоте мнимой части резонансного импеданса (F2). Могут измеряться другие параметры с использованием всего спектра резонансного импеданса, например добротность резонанса, фазовый угол и амплитуда резонансного импеданса.In FIG. Figure 6 shows a graph of the measured parameters of the resonance impedance for the implementation form of the resonance sensor in accordance with the forms of implementation of this technology. These and other measured parameters may be spectral parameters. These parameters include the maximum frequency of the real part of the resonant impedance (F p , the position of the resonant maximum), the amplitude of the real part of the resonant impedance (Z p , peak height), the frequency of zero reactance (Fz, the frequency at which the imaginary part of the resonant impedance can be zero) , the resonant frequency of the imaginary part of the resonant impedance (F 1 ), and the antiresonant frequency of the imaginary part of the resonant impedance (F 2 ), the signal amplitude (Z 1 ) at the resonant frequency of the imaginary part of the resonant impedance (F 1 ) and amplitudes a signal (Z 2 ) at the antiresonance frequency of the imaginary part of the resonant impedance (F2). Other parameters may be measured using the entire spectrum of the resonant impedance, for example, the quality factor of the resonance, phase angle, and amplitude of the resonant impedance.
Для измерений свойств текучей среды в резервуарах для текучей среды датчики с их измерительными участками могут быть разработаны так, чтобы соответствовать стандартным гнездам или специально сделанным отверстиям в резервуарах. Подходящие примеры конструкции показаны на фиг. 7А и 7В. Предлагается пример резонансного датчика 50 с соосным измерительным участком 51. Измерительный участок определяет первую ось А, которая перпендикулярна поперечной оси, обозначенной как ось В. Структура 53 гнезда для вставки определяет отверстие 54 для вставки, которое вытянуто вдоль оси А. Тогда измерительный участок располагается параллельно вытянутому отверстию гнезда, а поступательное движение вдоль оси В обеспечивает вставку измерительного участка в гнездо и приведение его в контакт с измеряемой текучей средой. Пример другого резонансного датчика 55, в котором измерительный участок 56 не ограничен его формой относительно отверстия 57, определяемого структурой 58 гнезда, показан на фиг. 7В. При необходимости могут использоваться не показанные центрирующие штифты для выравнивания датчика и измерительного участка относительно отверстия гнезда.To measure the properties of the fluid in the fluid reservoirs, sensors with their measuring sections can be designed to fit standard sockets or specially made openings in the reservoirs. Suitable construction examples are shown in FIG. 7A and 7B. An example of a resonance sensor 50 with a coaxial measuring section 51 is provided. The measuring section defines a first axis A, which is perpendicular to the transverse axis, designated as axis B. The insertion slot structure 53 defines an insertion hole 54 that is elongated along axis A. Then, the measurement section is parallel elongated hole of the socket, and translational movement along axis B allows the insertion of the measuring section into the socket and bringing it into contact with the measured fluid. An example of another resonant sensor 55, in which the measuring section 56 is not limited by its shape relative to the hole 57 defined by the socket structure 58, is shown in FIG. 7B. If necessary, centering pins not shown can be used to align the sensor and the measuring section with respect to the socket opening.
Измерения свойств текучей среды в резервуарах для текучей среды могут выполняться с использованием датчиков с их измерительными участками, подвергающимися воздействию текучей среды, как показано на фиг. 8А и 8В. Датчик, показанный на фиг. 7В, устанавливается в трубопроводе 59А для переноса текучей среды и соединяется с устройством 59В считывания данных датчика. Устройство считывания данных датчика может быть связано проводом или кабелем и расположено вблизи датчика, как показано на фиг. 8А. В другой форме осуществления изобретения устройство считывания данных датчика может быть непосредственно связано с датчиком без кабеля, как показано на фиг. 8В. Во время работы текучая среда течет через трубу и контактирует с измерительным участком. Когда измерительный участок воспринимаетMeasurement of fluid properties in fluid reservoirs can be performed using sensors with their measuring portions exposed to the fluid, as shown in FIG. 8A and 8B. The sensor shown in FIG. 7B is installed in the fluid transfer pipe 59A and connected to the sensor data reader 59B. The sensor data reader may be connected by wire or cable and located near the sensor, as shown in FIG. 8A. In another embodiment of the invention, the sensor data reader can be directly connected to the sensor without a cable, as shown in FIG. 8B. During operation, fluid flows through the pipe and contacts the measuring section. When the measuring area perceives
- 9 032682 анализируемый компонент, он подает сигнал устройству считывания данных датчика.- 9 032682 analyzed component, it sends a signal to the sensor data reader.
Блок-схема способа 60 показана на фиг. 9. В одной форме осуществления изобретения способ контроля состояния масла включает погружение датчика в текучую среду, такую как масло (шаг 62), и измерение параметров электрического резонанса для резонансных спектров (шаг 64) на нескольких резонансах одного датчика. Для количественного определения датчиком загрязнения машинного масла водой, протекающим топливом и сажей датчик может быть помещен в рабочий контакт с текучей средой на шаге 62. В конкретной форме осуществления изобретения на шаге 64 могут быть определены спектры резонансного импеданса Z(f)=Zre(f)+jZim(f) датчика, такого как датчик. Например, на основе измеренных спектров Z(f) могут быть рассчитаны параметры, такие как положение частоты Fp и амплитуда Zp вещественной части импеданса Zre(f) и резонансная F1 и антирезонансная F2 частоты, их амплитуды Z1 и Z2 мнимой части импеданса Zim(f) и частота Fz нулевого реактивного сопротивления мнимой части импеданса Zim(f).A flowchart of method 60 is shown in FIG. 9. In one embodiment of the invention, a method for monitoring the state of an oil involves immersing the sensor in a fluid such as oil (step 62), and measuring the electrical resonance parameters for the resonance spectra (step 64) at several resonances of one sensor. In order to quantify the sensor measuring engine oil pollution with water, flowing fuel and soot, the sensor can be placed in working contact with the fluid in step 62. In a specific embodiment of the invention, the resonance impedance spectra Z (f) = Z re (f ) + jZ im (f) a sensor, such as a sensor. For example, based on the measured spectra Z (f), parameters can be calculated, such as the position of the frequency F p and the amplitude Z p of the real part of the impedance Z re (f) and the resonant F 1 and antiresonance F 2 frequencies, their amplitudes Z 1 and Z 2 the imaginary part of the impedance Z im (f) and the frequency F z of zero reactance of the imaginary part of the impedance Zim (f).
Способ 60 включает классификацию параметров электрического резонанса на шаге 70. Это может быть сделано с использованием определенной модели 72 классификации для оценки, например, одного или более из следующего: влияния 74 воды, влияния 75 топлива и влияния 76 температуры. Количественное определение параметров электрического резонанса может выполняться на шаге 80 с использованием заранее заданной и сохраненной модели 82 количественного определения и путем определения компонентов 86 в масле, таких как вода, топливо, сажа и металлические частицы 90 износа, а также температуры 92 и предсказания состояния 98 масла и состояния 100 двигателя. Это может быть сделано с использованием одного или более определенных дескрипторов 102 состояния двигателя и дескрипторов 104 состояния масла, а также входных данных от любых дополнительных датчиков 108. Подходящие дополнительные датчики могут включать те, которые воспринимают коррозию, температуру, давление, нагрузку системы (двигателя), местоположение системы (например, с помощью сигнала глобальной системы определения местоположения (Global Positioning System, GPS)), калькулятор продолжительности работы оборудования, рН и т.п.Method 60 includes classifying the electrical resonance parameters in step 70. This can be done using a specific classification model 72 to evaluate, for example, one or more of the following: effect of water 74, effect of 75 fuel, and effect of temperature 76. Quantification of the electrical resonance parameters can be performed in step 80 using a predetermined and stored quantification model 82 and by determining components 86 in the oil, such as water, fuel, soot and metal particles 90 wear, as well as temperature 92 and prediction of the state 98 of the oil and state 100 of the engine. This can be done using one or more specific engine state descriptors 102 and oil state descriptors 104, as well as input from any additional sensors 108. Suitable additional sensors may include those that perceive corrosion, temperature, pressure, and system (engine) load. , the location of the system (for example, using a signal from the global positioning system (GPS)), a calculator of the operating time of the equipment, pH, etc.
Например, в одной форме осуществления изобретения система с датчиком может быть электрическим резонатором, который может возбуждаться проводным или беспроводным способом, при этом может собираться и анализироваться резонансный спектр для получения по меньшей мере четырех параметров, которые могут далее обрабатываться после автоматического выбора масштаба или центрирования параметров по среднему значению, и для количественного предсказания концентрации воды и топлива в машинном масле и предсказания оставшегося срока службы машинного масла и/или оставшегося срока службы двигателя. Спектральный отклик резонансного спектра, например Fp, Zp, Fz, F1, F2, Z1 и Z2, или весь резонансный спектр с одним или более резонаторами может использоваться для обработки данных.For example, in one embodiment of the invention, the sensor system may be an electric resonator, which can be excited by wire or wireless, while the resonance spectrum can be collected and analyzed to obtain at least four parameters that can be further processed after automatically selecting a scale or centering the parameters on average, and for quantitative prediction of the concentration of water and fuel in engine oil and prediction of the remaining life of the machine oil and / or remaining engine life. The spectral response of the resonance spectrum, for example Fp, Zp, Fz, F1, F2, Z1 and Z2, or the entire resonance spectrum with one or more resonators can be used to process the data.
Модель классификации (см. модель 72 на фиг. 9) может быть построена с использованием предсказываемых вкладов спектральных параметров для незагрязненной текучей среды и для загрязнения текучей среды с использованием ранее определенных влияний компонентов и их соответствующих спектральных параметров. Такие влияния могут определяться количественно (например, см. модель 82 количественного определения на фиг. 9) для предсказания, имеет ли измеряемая или воспринимаемая текучая среда какие-либо влияния воды, влияния утечки топлива или влияния температуры. Т.е. на основе ранее или эмпирически определяемых влияний компонентов на конкретную текучую среду, параметры резонанса, реальные и мнимые, могут подвергаться влиянию, которое можно количественно определить, если присутствуют компоненты, представляющие интерес. Далее, на основе измеренных параметров концентрация конкретного компонента может также быть предсказана и могут быть сформированы многокомпонентные модели. Раскрытые способы могут использоваться для измерения подходящей текучей среды и построения модели влияния компонента и окружающей среды.A classification model (see model 72 in FIG. 9) can be constructed using predicted contributions of spectral parameters for an uncontaminated fluid and for contaminating a fluid using the previously determined effects of the components and their corresponding spectral parameters. Such influences can be quantified (for example, see quantification model 82 in FIG. 9) to predict whether the measured or perceived fluid has any effects of water, effects of fuel leakage, or effects of temperature. Those. Based on previously or empirically determined effects of components on a particular fluid, resonance parameters, real and imaginary, can be influenced, which can be quantified if components of interest are present. Further, based on the measured parameters, the concentration of a particular component can also be predicted and multicomponent models can be formed. The disclosed methods can be used to measure a suitable fluid and build a model of the influence of the component and the environment.
В одной форме осуществления изобретения, измерения свойств текучих сред могут выполняться при двух или более значениях температуры текучей среды. Измерения при различных значениях температуры дают информацию об исследуемых веществах и других веществах (химических компонентах) в текучей среде, когда измеряются профили частотной дисперсии в широкой полосе частот или когда измеряются частотные характеристики в относительно узкой полосе частот. Выполнение анализа спектров резонансного импеданса датчика, собираемых при различных значениях температуры, и определение двух или более свойств текучей среды при каждом значении температуры на основе проанализированных спектров резонансного импеданса позволяют улучшить точность датчика при определении свойств исследуемого вещества. Эта улучшения могут быть вследствие различий частотных характеристик исследуемых веществ и других веществ в текучей среде как функции температуры, вызванных молекулярной структурой этих различных веществ. Измерения при различных значениях температуры могут выполняться резонансным датчиком, который имеет термоэлемент, находящийся в тепловом контакте с измерительным участком резонансного датчика. Термоэлемент создает локальное изменение температуры текучей среды вблизи измерительного участка. Это локальное изменение температуры может быть выше или ниже температуры основного объема текучей среды в емкости с датчиком. Не ограничивающие изобретение примеры термоэлементов включают охлаждающий элемент Пельтье, тонкопленочныйIn one embodiment of the invention, measurements of fluid properties can be performed at two or more fluid temperatures. Measurements at various temperatures provide information on the test substances and other substances (chemical components) in the fluid when the frequency dispersion profiles are measured in a wide frequency band or when the frequency characteristics are measured in a relatively narrow frequency band. Performing an analysis of the resonance impedance spectra of the sensor collected at different temperature values and determining two or more properties of the fluid at each temperature value based on the analyzed resonance impedance spectra can improve the accuracy of the sensor when determining the properties of the analyte. This improvement may be due to differences in the frequency characteristics of the test substances and other substances in the fluid as a function of temperature, caused by the molecular structure of these various substances. Measurements at various temperatures can be performed by a resonant sensor, which has a thermocouple in thermal contact with the measuring section of the resonant sensor. The thermocouple creates a local change in the temperature of the fluid near the measuring section. This local temperature change may be higher or lower than the temperature of the main fluid volume in the tank with the sensor. Non-limiting examples of thermocouples include a Peltier cooling element, thin film
- 10 032682 нагреватель и карандаш-нагреватель. Термоэлемент может создавать локальное изменение температуры текучей среды в диапазоне приблизительно от 1 до 50°С.- 10 032682 heater and pencil heater. The thermocouple can create a local change in fluid temperature in the range of about 1 to 50 ° C.
В одной форме осуществления изобретения измерения свойств текучих сред могут выполняться для определения динамических сигнатур изменений химических компонентов в текучей среде. Масштабы времени этих динамических сигнатур могут значительно изменяться. Подходящие масштабы времени в диапазоне приблизительно от 1 с до 200 сут. могут быть полезны для определения различных типов утечек текучих сред в двигателях. Такие определения позволяют выполнить идентификацию динамических сигнатур утечек в двигателе, взаимосвязь идентифицированной сигнатуры с известной сигнатурой утечки из конкретного компонента двигателя и определение места утечки на основе этой сигнатуры.In one embodiment of the invention, measurements of fluid properties can be performed to determine dynamic signatures of changes in chemical components in the fluid. The time scales of these dynamic signatures can vary significantly. Suitable time scales in the range of about 1 s to 200 days. may be useful in identifying various types of fluid leaks in engines. Such definitions allow the identification of dynamic leak signatures in the engine, the relationship of the identified signature with a known leak sign from a specific engine component, and the determination of the leak location based on this signature.
Измерения свойств текучих сред могут выполняться в условиях экстремальных температур. В зависимости от применения эти условия могут охватывать диапазон от низких температур приблизительно до -260°С и до высоких температур приблизительно до +260°С. Такие жесткие температурные условия с отрицательной температурой приблизительно до -260°С могут быть полезны в связи со сжиженным природным газом (Liquefied Natural Gas, LNG) и с хранением биологических и других видов образцов. Жесткие температурные условия с положительной температурой приблизительно до +260°С могут быть полезны в оборудовании контроля, где температура работающих компонентов оборудования может достигать приблизительно +260°С. Примеры такого оборудования могут включать скважинное оборудование при добыче нефти и газа и при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (дизельного, на природном газе, водороде (прямого сгорания или с топливными элементами), бензине, их комбинации и т.п.) для одного или более видов топлива, систему смазки и систему охлаждения/радиатора. Другой пример такого оборудования может включать маслонаполненный трансформатор.Fluid properties can be measured at extreme temperatures. Depending on the application, these conditions can cover a range from low temperatures to approximately -260 ° C and to high temperatures to approximately + 260 ° C. Such severe temperature conditions with a negative temperature of up to approximately -260 ° C may be useful in connection with liquefied natural gas (Liquefied Natural Gas, LNG) and with the storage of biological and other types of samples. Rigid temperature conditions with a positive temperature of up to approximately + 260 ° C can be useful in control equipment, where the temperature of the operating components of the equipment can reach approximately + 260 ° C. Examples of such equipment may include downhole equipment in oil and gas production and in the operation of an internal combustion engine (diesel, natural gas, hydrogen (direct combustion or with fuel cells), gasoline, a combination thereof, etc.) for one or more types fuel, lubrication system and cooling / radiator system. Another example of such equipment may include an oil filled transformer.
Применимость многопараметрических электрических резонаторов может быть продемонстрирована обнаружением загрязнения машинного масла водой и дизельным топливом и определением воды в модельной текучей среде, такой как диоксан, который имеет диэлектрическую проницаемость, подобную проницаемости масла. Определение разрешающей способности измерений датчика может выполняться с использованием гексана и толуола как модельных систем. Образцы некоторого машинного масла были получены от фирмы GE Transportation, в то время как другие химикалии могут быть коммерчески получены от фирмы Aldrich.The applicability of multi-parameter electric resonators can be demonstrated by detecting contamination of engine oil with water and diesel fuel and detecting water in a model fluid such as dioxane, which has a dielectric constant similar to that of oil. Determining the resolution of sensor measurements can be performed using hexane and toluene as model systems. Samples of some engine oil were obtained from GE Transportation, while other chemicals may be commercially available from Aldrich.
Измерения резонансного импеданса датчиков могут выполняться сетевым анализатором (фирмы Agilent) или прецизионным анализатором импеданса (фирмы Agilent) под управлением компьютера с использованием среды LabVIEW. Собранные данные резонансного импеданса могут анализироваться с использованием программы KaleidaGraph (фирмы Synergy Software, Рединг, Пенсильвания) и пакета PLS_Toolbox (фирмы Eigenvector Research, Inc., Мансон, Вашингтон), используемого в среде Matlab (The Mathworks Inc, Натик, Массачусетс).Measurements of the resonant impedance of sensors can be performed by a network analyzer (Agilent) or a precision impedance analyzer (Agilent) under computer control using LabVIEW. The collected resonance impedance data can be analyzed using the KaleidaGraph program (Synergy Software, Reading, PA) and the PLS_Toolbox package (Eigenvector Research, Inc., Manson, Washington) used in Matlab (The Mathworks Inc, Natick, Mass.).
Различные объемы просачивания топлива и воды в масло могут быть определены количественно и экспериментально одним многопараметрическим резонансным датчиком. Подходящее масло может быть маслом двигателя внутреннего сгорания железнодорожного локомотива. Подходящее топливо может быть дизельным топливом. Двух- и трехкомпонентные смеси воды и топлива в масле могут быть произведены в различных пропорциях. Концентрации воды могут составлять 0, 0,1 и 0,2% (по объему). Концентрации топлива могут составлять 0, 3 и 6% (по объему).Different volumes of fuel and water seepage into the oil can be quantified and experimentally determined by a single multi-parameter resonant sensor. A suitable oil may be internal combustion engine oil of a railway locomotive. Suitable fuels may be diesel. Two- and three-component mixtures of water and fuel in oil can be produced in various proportions. Water concentrations may be 0, 0.1 and 0.2% (by volume). Fuel concentrations can be 0, 3 and 6% (by volume).
Резонансные спектры на основе измеренных образцов могут обрабатываться, и обработанные данные могут служить входными данными для инструментального средства анализа главных компонент (РСА, Principal Components Analysis). Анализ РСА может представлять собой способ распознавания образов, который объясняет дисперсию данных как взвешенные суммы исходных переменных, известных как главные компоненты (Principal Component, PC). Выделение обнаружения воды в смесях машинного масла, воды и топлива может быть показано на фиг. 10, на которой показан график счетов разработанной модели РСА. Выделение обнаружения топлива в смеси машинного масла, воды и топлива может быть показано на фиг. 11, которая изображает график счетов разработанной модели РСА. На фиг. 10 и 11 концентрации воды 0,1 и 0,2% обозначены как W0.1 и W0.2 соответственно. Концентрации топлива 3 и 6% обозначены как D3 и D6 соответственно. Многопараметрический отклик резонансных измерительных преобразователей происходит от всех измеренных резонансных спектров преобразователя, после чего следуют обработка этих спектров с использованием инструментальных средств многопараметрического анализа. Для количественного определения загрязнения машинного масла утечками воды и топлива одним многопараметрическим датчиком могут быть измерены спектры резонансного импеданса Z(f)=Zre(f)+jZim(f) резонансного преобразователя. На основе измеренных спектров Z(f) могут быть рассчитаны несколько параметров, которые включают частотное положение Fp и амплитуду Zp для Zre(f) и резонансную F1 и антирезонансную F2, частоты, их амплитуды Z1 и Z2 для Zim(f), а также частоту FZ нулевого реактивного сопротивления для Zim(f), как показано на фиг. 6.Resonance spectra based on the measured samples can be processed, and the processed data can serve as input to the Principal Components Analysis (PCA) tool. PCA analysis can be a pattern recognition method that explains the variance of data as the weighted sums of the original variables known as Principal Components (PCs). The highlight of water detection in mixtures of engine oil, water and fuel can be shown in FIG. 10, which shows a graph of the accounts of the developed PCA model. The highlight of fuel detection in a mixture of engine oil, water and fuel can be shown in FIG. 11, which depicts a graph of the accounts of the developed PCA model. In FIG. 10 and 11 water concentrations of 0.1 and 0.2% are designated as W0.1 and W0.2, respectively. Fuel concentrations of 3 and 6% are indicated as D3 and D6, respectively. The multi-parameter response of the resonant measuring transducers comes from all measured resonant spectra of the transducer, followed by processing of these spectra using multi-parameter analysis tools. To quantify the contamination of engine oil by water and fuel leaks with a single multi-parameter sensor, the resonance impedance spectra Z (f) = Z re (f) + jZ im (f) of the resonant transducer can be measured. Based on the measured spectra Z (f), several parameters can be calculated that include the frequency position F p and the amplitude Z p for Z re (f) and the resonant F 1 and antiresonance F 2 , frequencies, their amplitudes Z 1 and Z 2 for Z im (f), as well as the frequency F Z of zero reactance for Z im (f), as shown in FIG. 6.
Используя многопараметрический анализ вычисленных параметров спектров Z(f), можно выполнять классификацию исследуемого компонента. Подходящие способы анализа для многопараметрического анализа спектральных данных от многопараметрических датчиков могут включать анализ главныхUsing a multi-parameter analysis of the calculated spectral parameters Z (f), it is possible to classify the component under study. Suitable methods of analysis for multi-parameter analysis of spectral data from multi-parameter sensors may include analysis of the main
- 11 032682 компонент (РСА), анализ независимых компонент (Independent Component Analysis, ICA), линейный дискриминантный анализ (Linear Discriminant Analysis, LDA) и гибкий дискриминантный анализ (Flexible Discriminant Analysis, FDA). Анализ РСА может использоваться для установления различия между различными парами с использованием воспринимающего материала на основе пептида. График нагрузок модели РСА показан на фиг. 12. Этот график иллюстрирует вклады отдельных компонент из резонансного спектра. График показывает, что все компоненты, такие как Fp, F1, F2, Fz, Zp, Z1 и Z2, дали вклады в отклик датчика.- 11 032682 component (PCA), analysis of independent components (Independent Component Analysis, ICA), linear discriminant analysis (Linear Discriminant Analysis, LDA) and flexible discriminant analysis (Flexible Discriminant Analysis, FDA). PCA analysis can be used to distinguish between different pairs using peptide-based sensing material. The load curve of the PCA model is shown in FIG. 12. This graph illustrates the contributions of individual components from the resonance spectrum. The graph shows that all components, such as F p , F 1 , F 2 , F z , Z p , Z 1 and Z 2 , contributed to the sensor response.
Количественное определение воды и топлива в масле в двух- и трехкомпонентных смесях может далее выполняться с помощью одного многопараметрического резонансного датчика, использующего пакет PLS Toolbox (фирмы Eigenvector Research, Inc., Мансон, Вашингтон) в среде Matlab (The Mathworks Inc, Натик, Массачусетс). На фиг. 13 показан график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями воды в смесях воды/топлива/масла с использованием одного резонансного датчика. На фиг. 14 показан график корреляции между измеренными и предсказанными концентрациями топлива в смесях воды/топлива/масла с использованием одного резонансного датчика. Ошибки предсказания одновременного количественного определения воды и топлива в масле одним датчиком могут составлять 0,02% воды и 1,3% топлива.Quantitative determination of water and fuel in oil in two- and three-component mixtures can then be performed using a single multi-parameter resonance sensor using the PLS Toolbox package (Eigenvector Research, Inc., Manson, Washington) in a Matlab environment (The Mathworks Inc, Natick, Massachusetts ) In FIG. 13 shows a graph of the correlation between actual (measured) and predicted water concentrations in water / fuel / oil mixtures using a single resonance sensor. In FIG. 14 shows a graph of the correlation between measured and predicted fuel concentrations in water / fuel / oil mixtures using a single resonance sensor. Errors in predicting the simultaneous quantitative determination of water and fuel in oil by one sensor can be 0.02% water and 1.3% fuel.
В другом примере разрешающая способность датчика может быть определена в многоэтапных экспериментах. В первом эксперименте гексан и толуол могут использоваться как модельные химикаты для определения разрешающей способности датчика для определения различия диэлектрической проницаемости. Гексан имеет диэлектрическую проницаемость 1,88, в то время как толуол имеет диэлектрическую проницаемость 2,38. Разработанный датчик может различать эти две текучие среды с разрешающей способностью диэлектрической проницаемости 0,0004-0,0012. Ожидаемые результаты показаны на фиг. 15А. Во втором эксперименте 1,4-диоксан может использоваться как модельный химикат для масла из-за его диэлектрической проницаемости, подобной маслу, и способности легко смешиваться с водой. Датчик может обнаруживать добавления воды в диоксан вплоть до 7-20 ppm. Ожидаемые результаты, показанные на фиг. 15В, иллюстрируют, что разработанный датчик может обнаруживать добавления воды в диоксан (модельную систему для масла) вплоть до 7-20 ppm с добавлениями воды, сделанными с приращениями 200 ppm.In another example, the resolution of the sensor can be determined in multi-stage experiments. In the first experiment, hexane and toluene can be used as model chemicals to determine the resolution of the sensor to determine the difference in permittivity. Hexane has a dielectric constant of 1.88, while toluene has a dielectric constant of 2.38. The developed sensor can distinguish between these two fluids with a permittivity of 0.0004-0.0012. The expected results are shown in FIG. 15A. In the second experiment, 1,4-dioxane can be used as a model chemical for oil because of its dielectric constant, similar to oil, and its ability to mix easily with water. The sensor can detect water addition to dioxane up to 7-20 ppm. The expected results shown in FIG. 15B illustrate that the developed sensor can detect water additions to dioxane (a model oil system) up to 7-20 ppm with water additions made in increments of 200 ppm.
В другом примере добавления воды и сажи (углеродной сажи) могут быть сделаны к диоксану и измерены датчиком. Добавления воды могут быть сделаны как добавления 500, 1000 и 2500 ppm. Сажа (углеродная сажа) может быть добавлена как 100 ppm углеродной сажи с 2500 ppm воды. Примеры резонансных спектров датчика представлены на фиг. 16А и 16В. Результаты многопараметрического анализа представлены на фиг. 17. На фиг. 16А показана вещественная часть Zre(f), а на фиг. 16В показана мнимая часть Zim(f) резонансного импеданса. Измеренными образцами могут быть: (0) чистое модельное масло (диоксан); (1) добавление 500 ppm воды; (2) добавление 1000 ppm воды; (3) добавление 2500 ppm воды; (4) добавление 2500 ppm воды и 100 ppm сажи (углеродной сажи). На фиг. 17 показан график счетов главной компоненты 1 в зависимости от главной компоненты 2, иллюстрирующий спектральные соотношения между откликами датчика на различные виды загрязнения. Образцами могут быть: (0) чистое модельное масло (диоксан); (1) добавка 500 ppm воды; (2) добавка 1000 ppm воды; (3) добавка 2500 ppm воды; (4) добавка 2500 ppm воды и 100 ppm сажи (углеродной сажи).In another example, additions of water and soot (carbon black) can be made to dioxane and measured by a sensor. Water additions can be made as additions of 500, 1000 and 2500 ppm. Soot (carbon black) can be added as 100 ppm carbon black with 2500 ppm water. Examples of resonance spectra of the sensor are shown in FIG. 16A and 16B. The results of multi-parameter analysis are presented in FIG. 17. In FIG. 16A shows the real part Z re (f), and in FIG. 16B shows the imaginary part Z im (f) of the resonant impedance. Measured samples may be: (0) pure model oil (dioxane); (1) adding 500 ppm of water; (2) adding 1000 ppm of water; (3) adding 2500 ppm of water; (4) adding 2500 ppm of water and 100 ppm of carbon black. In FIG. 17 is a graph of the scores of the main component 1 versus the main component 2, illustrating the spectral relationships between the sensor responses to various types of pollution. Samples can be: (0) pure model oil (dioxane); (1) a supplement of 500 ppm of water; (2) an additive of 1000 ppm of water; (3) an additive of 2500 ppm of water; (4) the addition of 2500 ppm of water and 100 ppm of soot (carbon black).
В другом примере может быть построена система многорезонансного датчика с четырьмя резонансными частотами. 1,4-диоксан может использоваться как модельный химикат для масла, потому что его диэлектрическая проницаемость до некоторой степени подобна проницаемости масла и он смешивается с водой. Добавления воды могут быть сделаны к диоксану и измерены датчиком. Четыре примера резонансных спектров датчика представлены на фиг. 18А и 18В. Эти значения показывают, что профиль дисперсии датчика в незагрязненном диоксане (фиг. 18А) изменил свою форму после добавления воды (фиг. 18В). Также ширина и амплитуда резонансных максимумов изменились после добавления воды.In another example, a multi-resonance sensor system with four resonant frequencies can be constructed. 1,4-dioxane can be used as a model chemical for oil because its dielectric constant is somewhat similar to that of oil and mixes with water. Water additions can be made to dioxane and measured by a sensor. Four examples of resonance spectra of the sensor are shown in FIG. 18A and 18B. These values show that the dispersion profile of the sensor in unpolluted dioxane (FIG. 18A) changed shape after adding water (FIG. 18B). Also, the width and amplitude of the resonance maxima changed after adding water.
В другом примере геометрия электродов и резонансная частота датчика могут быть оптимизированы для максимальных откликов Fp и Zp на воду. Двухфакторное планирование экспериментов может быть выполнено путем изменения интервала D между встречно-штыревыми электродами (Interdigital Electrode, IDE) и шириной W электродов, где D=W=150, 300, 450 мкм, и путем изменения резонансной частоты Fp как Fp=20, 35, 50 МГц (в воздухе). Измерения могут выполняться с добавлением воды к диоксану при концентрации 5000 ppm. На фиг. 19 показано влияние конструкции датчика на чувствительность измерений Fp. На фиг. 20 показано влияние конструкции датчика на чувствительность измерений Zp. Интервал 300 мкм между электродами IDE и рабочая частота 50 МГц дают сильные сигналы как Fp, так и Zp.In another example, the geometry of the electrodes and the resonant frequency of the sensor can be optimized for maximum responses F p and Z p to water. Two-factor design of experiments can be performed by changing the interval D between interdigital electrodes (Interdigital Electrode, IDE) and the width W of the electrodes, where D = W = 150, 300, 450 μm, and by changing the resonant frequency F p as F p = 20 , 35, 50 MHz (in air). Measurements can be made with the addition of water to dioxane at a concentration of 5000 ppm. In FIG. 19 shows the effect of the design of the sensor on the measurement sensitivity F p . In FIG. Figure 20 shows the effect of sensor design on the sensitivity of Zp measurements. The 300 μm spacing between the IDE electrodes and the operating frequency of 50 MHz give strong signals of both F p and Zp.
В другом примере, показанном на фиг. 21, определение воды в масле может выполняться циркулированием масла в опытном контуре и добавлением воды с приращениями 2000 ppm для создания концентрации воды в масле 2000, 4000 и 6000 ppm. Измерения могут выполняться с использованием двух резонансных датчиков. Датчик 1 имеет площадь 2 см2 с шириной электродов 0,4 мм и расстоянием между ними 0,4 мм и резонирует на 80 МГц в воздухе. Датчик 2 имеет геометрические параметры из проекта экспериментов, площадь 4 см2 с шириной электродов 0,15 мм и интервалом между ними 0,15 мм и резоIn another example shown in FIG. 21, the determination of water in oil can be accomplished by circulating the oil in the pilot circuit and adding water in increments of 2000 ppm to create a water concentration of 2000, 4000 and 6000 ppm in the oil. Measurements can be performed using two resonant sensors. Sensor 1 has an area of 2 cm 2 with a width of electrodes of 0.4 mm and a distance between them of 0.4 mm and resonates at 80 MHz in air. Sensor 2 has geometric parameters from the design of experiments, an area of 4 cm 2 with an electrode width of 0.15 mm and an interval between them of 0.15 mm and a cut
- 12 032682 нирует на ~50 МГц в воздухе. Предел обнаружения воды в масле может быть определен при уровне три для отношения сигнал/шум равным 3-12 ppm (датчик 1) и 0,6-2,6 ppm (датчик 2) на основе измеренных уровней шума датчика и уровней сигнала при 2000 ppm добавленной воды.- 12 032682 nits at ~ 50 MHz in air. The detection limit of water in oil can be determined at level three for a signal to noise ratio of 3-12 ppm (sensor 1) and 0.6-2.6 ppm (sensor 2) based on the measured sensor noise levels and signal levels at 2000 ppm added water.
В другом примере определение воды в масле при различных значениях температуры масла может выполняться циркулированием масла в опытном контуре и добавлением воды с приращениями 400 ppm для создания концентрации воды в масле 400, 800, 1200 и 1600 ppm. Номинальными значениями температуры масла могут быть значения Т1=80°С, Т2=100°С и Т3=120°С, которые создавались горячей ванной. На фиг. 22 показан график счетов разработанной модели РСА, иллюстрирующей то, что отклики резонансного датчика на добавления воды при различной температуре могут быть в различных направлениях. Каждая отдельная стрелка на фиг. 22 указывает направление увеличивающихся концентраций воды при значениях температуры масла Т1, Т2 и Т3. Фиг. 23 может изображать результаты многопараметрической линейной регрессионной модели с использованием метода частных наименьших квадратов (Partial Least Squares, PLS) для количественного определения концентраций воды в масле с использованием откликов одного датчика. Метод PLS может определять корреляции между независимыми переменными и откликом датчика путем нахождения направления в многомерном пространстве отклика датчика, которое объясняет максимальную дисперсию для независимых переменных. На фиг. 24 показано, что такая многопараметрическая линейная регрессия может быть способна предсказывать концентрации воды независимо от температуры масла.In another example, the determination of water in oil at different temperatures of the oil can be accomplished by circulating the oil in the pilot circuit and adding water in increments of 400 ppm to create a water concentration of 400, 800, 1200 and 1600 ppm in the oil. The nominal values of the oil temperature can be T1 = 80 ° C, T2 = 100 ° C and T3 = 120 ° C, which were created by a hot bath. In FIG. 22 is a graph of bills of a developed PCA model illustrating that the responses of the resonance sensor to the addition of water at different temperatures can be in different directions. Each individual arrow in FIG. 22 indicates the direction of increasing water concentrations at oil temperatures T1, T2, and T3. FIG. 23 can depict the results of a multi-parameter linear regression model using the Partial Least Squares (PLS) method for quantifying oil water concentrations using single sensor responses. The PLS method can determine the correlations between independent variables and the sensor response by finding the direction in the multidimensional space of the sensor response, which explains the maximum variance for the independent variables. In FIG. 24 shows that such multi-parameter linear regression may be able to predict water concentrations regardless of oil temperature.
Анализ этих данных определения датчиком воды в масле (0, 400, 800, 1200 и 1600 ppm) при различных номинальных значениях температуры масла (80, 100 и 120°С) может выполняться с использованием многопараметрической нелинейной (квадратичной) регрессии. На фиг. 24А изображены фактические (измеренные) концентрации воды в масле при трех значениях температуры (сплошная линия) и предсказанные концентрации (незаштрихованные кружки). На фиг. 24В изображена ошибка предсказания между фактическими и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры. На фиг. 24С изображен график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры.The analysis of these data by the sensor determining water in oil (0, 400, 800, 1200 and 1600 ppm) at various nominal oil temperature values (80, 100 and 120 ° С) can be performed using multi-parameter non-linear (quadratic) regression. In FIG. 24A shows the actual (measured) concentrations of water in oil at three temperatures (solid line) and the predicted concentrations (open circles). In FIG. 24B depicts a prediction error between actual and predicted concentrations of water in oil at three temperatures. In FIG. 24C shows a graph of the correlation between the actual (measured) and predicted concentrations of water in oil at three temperatures.
Анализ этих данных определения датчиком воды в масле (0, 400, 800, 1200 и 1600 ppm) при различных номинальных значениях температуры масла (80, 100 и 120°С) может далее выполняться с использованием многопараметрической нелинейной (квадратичной) регрессии с дополнительным входным сигналом от датчика температуры, установленного в исследуемом масле. На фиг. 25А изображены фактические (измеренные) концентрации воды в масле при трех значениях температуры (сплошная линия) и предсказанные концентрации (незаштрихованные кружки). На фиг. 25В изображена ошибка предсказания между фактическими и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры. На фиг. 25С изображен график корреляции между фактическими (измеренными) и предсказанными концентрациями воды в масле при трех значениях температуры.The analysis of these data by determining the water-in-oil sensor (0, 400, 800, 1200 and 1600 ppm) at various nominal oil temperature values (80, 100 and 120 ° С) can be further performed using multi-parameter non-linear (quadratic) regression with an additional input signal from a temperature sensor installed in the test oil. In FIG. 25A depicts the actual (measured) concentrations of water in oil at three temperatures (solid line) and the predicted concentrations (open circles). In FIG. 25B shows a prediction error between the actual and predicted concentrations of water in oil at three temperatures. In FIG. 25C shows a graph of the correlation between the actual (measured) and predicted concentrations of water in oil at three temperatures.
Один из разработанных многопараметрических датчиков, имеющий площадь 4 см2 с шириной электродов 0,15 мм и интервалом между ними 0,15 мм и резонирующий на ~50 МГц в воздухе, может измерять низкие концентрации просачивания воды в масло. На фиг. 26 показан отклик этого разработанного резонансного датчика на просачивание воды в моторное масло на уровнях 25, 25 и 50 ppm. Данные на этом чертеже иллюстрируют то, что этот датчик может обнаруживать просачивания воды, по меньшей мере, на самом низком проверенном уровень 25 ppm с высоким отношением сигнал/шум.One of the developed multi-parameter sensors, having an area of 4 cm 2 with an electrode width of 0.15 mm and an interval between them of 0.15 mm and resonating at ~ 50 MHz in air, can measure low concentrations of water seepage into the oil. In FIG. Figure 26 shows the response of this developed resonant sensor to water leakage into engine oil at 25, 25, and 50 ppm levels. The data in this drawing illustrates that this sensor can detect water leakage at least at the lowest tested level of 25 ppm with a high signal to noise ratio.
Рабочие характеристики этого разработанного резонансного датчика могут сравниваться с рабочими характеристиками стандартного нерезонансного емкостного датчика, который служит как эталонный емкостный датчик. Сравнение может выполняться при нахождении обоих датчиков в одном и том же контуре циркуляции масла, в котором просачивания воды могут быть введены и представлены обоим датчикам. Уровни просачивания воды могут быть 25, 25, 50, 100, 200, 500 и 1000 ppm. На фиг. 27А показан отклик эталонного емкостного датчика на просачивания воды в моторное масло на уровнях 25, 25, 50, 100, 200, 500 и 1000 ppm. Этот чертеж иллюстрирует, что эталонный емкостный датчик не показывал заметного изменения сигнала от его шума, пока не были введены просачивания воды 25, 25, 50, 100 и 200, 200 ppm. Напротив, на фиг. 27В показан отклик резонансного датчика согласно форме осуществления изобретения на просачивания воды в моторное масло, где этот датчик может обнаруживать наименьшее просачивание воды при 25 ppm и обнаруживать все другие просачивания воды, представленные обоим датчикам.The performance of this developed resonant sensor can be compared with the performance of a standard non-resonant capacitive sensor, which serves as a reference capacitive sensor. Comparison can be made when both sensors are in the same oil circuit, in which water leaks can be introduced and presented to both sensors. Water leakage levels can be 25, 25, 50, 100, 200, 500 and 1000 ppm. In FIG. 27A shows the response of a reference capacitive sensor to water seeping into engine oil at 25, 25, 50, 100, 200, 500, and 1000 ppm. This drawing illustrates that the reference capacitive sensor did not show a noticeable change in signal from its noise until water leaks of 25, 25, 50, 100 and 200, 200 ppm were introduced. In contrast, in FIG. 27B shows the response of a resonance sensor according to an embodiment of the invention for water leakage into engine oil, where this sensor can detect the smallest water leakage at 25 ppm and detect all other water leakages presented to both sensors.
Этот резонансный датчик может быть испытан на испытательном стенде одноцилиндрового локомотивного двигателя в течение приблизительно 34 суток. На фиг. 28А можно изобразить результаты работы разработанного резонансного датчика в одноцилиндровом локомотивном двигателе для температуры масла и отклика датчика. Фиг. 28В иллюстрирует корреляцию между откликом разработанного резонансного датчика в одноцилиндровом локомотивном двигателе в течение приблизительно 34 суток и температурой масла.This resonant sensor can be tested on the test bench of a single-cylinder locomotive engine for approximately 34 days. In FIG. 28A, the results of the developed resonant sensor in a single-cylinder locomotive engine for oil temperature and sensor response can be depicted. FIG. 28B illustrates the correlation between the response of the developed resonant sensor in a single-cylinder locomotive engine for approximately 34 days and the oil temperature.
В другом примере источники утечки в двигателе могут быть определены путем идентификации динамических сигнатур утечек с помощью связывания идентифицированной сигнатуры с известной сигнаIn another example, sources of leakage in the engine can be determined by identifying dynamic leak signatures by linking the identified signature to a known signal
- 13 032682 турой утечки из определенного компонента двигателя и определения местоположения утечки на основе сигнатуры. Такой подход может предоставить возможность для упреждающего технического обслуживания, может заменить реактивное техническое обслуживание и может увеличить время работы для средства, имеющего системы смазки или двигатель внутреннего сгорания.- 13 032682 leak detection from a specific engine component and locating leak based on signature. Such an approach may provide an opportunity for proactive maintenance, may replace reactive maintenance, and may increase the runtime for a facility having a lubrication system or internal combustion engine.
Не ограничивающие изобретение примеры такого средства с двигателями внутреннего сгорания включают транспортные средства различного типа, каждое из которых имеет свой собственный набор рабочих параметров. Формы осуществления изобретения, раскрытые здесь, могут обеспечить прогностический инструмент датчика для раннего определения утечки компонентов посредством динамических сигнатур утечки. Эти датчики могут применяться в нескольких местах в двигателе для точного определения источника утечки. На фиг. 29 изображена схема динамических сигнатур утечек турбонагнетателя (1-2 турбонагнетателя на двигатель), промежуточного охладителя (2 промежуточных охладителя на двигатель), водяного насоса (1 водяной насос на двигатель) и головки цилиндра (12-16 головок цилиндра на двигатель).Non-limiting examples of such a device with internal combustion engines include vehicles of various types, each of which has its own set of operating parameters. The embodiments disclosed herein may provide a predictive sensor tool for early detection of component leakage through dynamic leak signatures. These sensors can be used in several places in the engine to accurately determine the source of the leak. In FIG. Figure 29 shows a diagram of dynamic leak signatures of a turbocharger (1-2 turbochargers per engine), an intercooler (2 intercoolers per engine), a water pump (1 water pump per engine) and a cylinder head (12-16 cylinder heads per engine).
Технические эффекты могут включать способы оценки состояния текучей среды, например состояния машинного масла. Такие способы могут определять, является ли текучая среда загрязненной или должна быть заменена, что обеспечивает преимущества для технического обслуживания и всего процесса, такие как улучшение состояния двигателя в случае текучих сред, используемых в двигателях.Technical effects may include methods for evaluating the state of a fluid, for example, the state of an engine oil. Such methods can determine whether the fluid is contaminated or needs to be replaced, which provides benefits for maintenance and the entire process, such as improving the condition of the engine in the case of fluids used in engines.
В данном описании приведены примеры, чтобы раскрыть изобретение, а также позволить любому специалисту в данной области техники применить изобретение на практике, включая создание и использование устройств или систем и применение способов. Объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые понятны специалистам в данной области техники. Такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они имеют структурные элементы, которые не отличаются от формулировок, используемых в формуле изобретения, или если они имеют эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от дословных формулировок, используемых в формуле изобретения.Examples are provided herein to disclose the invention, as well as to enable any person skilled in the art to put the invention into practice, including the creation and use of devices or systems and the application of methods. The scope of the invention is defined by the claims and may include other examples that are clear to specialists in this field of technology. Such other examples are within the scope of the claims if they have structural elements that do not differ from the wording used in the claims, or if they have equivalent structural elements with insignificant differences from the literal formulations used in the claims.
Claims (22)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14/585,690 US10914698B2 (en) | 2006-11-16 | 2014-12-30 | Sensing method and system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201592216A1 EA201592216A1 (en) | 2016-10-31 |
| EA032682B1 true EA032682B1 (en) | 2019-07-31 |
Family
ID=56116816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201592216A EA032682B1 (en) | 2014-12-30 | 2015-12-18 | Sensing method and system |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6397395B2 (en) |
| CN (2) | CN114594140A (en) |
| AU (1) | AU2015268746B2 (en) |
| DE (1) | DE102015122926A1 (en) |
| EA (1) | EA032682B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2750266C1 (en) * | 2020-01-27 | 2021-06-25 | Общество с ограниченной ответственностью Кондитерская фабрика "ЭКОКОН ГРУПП" | Edible container for hot beverages |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10368146B2 (en) * | 2016-09-20 | 2019-07-30 | General Electric Company | Systems and methods for environment sensing |
| US8542023B2 (en) | 2010-11-09 | 2013-09-24 | General Electric Company | Highly selective chemical and biological sensors |
| US10598650B2 (en) | 2012-08-22 | 2020-03-24 | General Electric Company | System and method for measuring an operative condition of a machine |
| US11353445B2 (en) | 2016-09-13 | 2022-06-07 | Passerro Gmbh | Method and device for determining and/or monitoring the state of a transformer oil |
| AU2018263293A1 (en) * | 2017-05-05 | 2019-11-14 | Royal Melbourne Institute Of Technology | Multi-gas sensing system |
| CN110945353B (en) * | 2017-06-13 | 2023-04-07 | 通用电气公司 | Dissolved gas analysis with impedance gas sensor |
| JP7099816B2 (en) | 2017-10-27 | 2022-07-12 | 株式会社日立製作所 | Lubricating oil deterioration diagnostic method, lubricating oil monitoring system and method for rotating machinery |
| EP3704475A4 (en) * | 2018-01-24 | 2020-11-25 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Fluidic property determination from fluid impedances |
| DK3527959T3 (en) * | 2018-02-14 | 2024-01-15 | Grieshaber Vega Kg | FILLING LEVEL AURA RADAR WITH ADHESION DETECTOR |
| US11423711B2 (en) * | 2018-05-15 | 2022-08-23 | Robert Bosch Automotive Steering Llc | Force-based corrosion detection for vehicle steering rack |
| JP7108962B2 (en) * | 2018-12-03 | 2022-07-29 | 株式会社オートネットワーク技術研究所 | In-vehicle backup power supply control device and in-vehicle backup power supply device |
| US20220050071A1 (en) * | 2018-12-21 | 2022-02-17 | Bl Technologies, Inc. | Multi-phase water oil composition and salinity metering system and method |
| KR102148027B1 (en) * | 2019-02-27 | 2020-08-25 | 광운대학교 산학협력단 | Chipless RFID Permittivity Sensor System |
| JP7279489B2 (en) * | 2019-04-17 | 2023-05-23 | 中国電力株式会社 | Measuring device and its measuring method |
| JP7179674B2 (en) | 2019-05-10 | 2022-11-29 | 株式会社日立製作所 | Lubricant diagnostic method and lubricating oil monitoring system |
| CN113418969B (en) * | 2021-06-07 | 2023-04-25 | 武汉大学 | High-sensitivity millimeter wave dielectric resonance sensor for biomedical detection |
| WO2024126422A1 (en) | 2022-12-12 | 2024-06-20 | Ilmsens Gmbh | Method and measuring system for performing measurements by means of impedance spectroscopy |
| DE102022133019A1 (en) | 2022-12-12 | 2024-06-13 | Ilmsens Gmbh | Method for calibrating a measuring instrument, in particular for impedance spectroscopic measurements |
| CN117216721B (en) * | 2023-11-09 | 2024-02-02 | 安徽安大清能电气科技有限公司 | Resonance state and resonance path identification method based on multi-criterion fusion |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070090926A1 (en) * | 2005-10-26 | 2007-04-26 | General Electric Company | Chemical and biological sensors, systems and methods based on radio frequency identification |
| US20110101996A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | General Electric Company | Method and system for performance enhancement of resonant sensors |
| US20120161787A1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-06-28 | General Electric Company | Temperature-independent chemical and biological sensors |
| US8232091B2 (en) * | 2006-05-17 | 2012-07-31 | California Institute Of Technology | Thermal cycling system |
| US20140091811A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | General Electric Company | Systems and methods for monitoring sensors |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0943007A (en) * | 1994-11-30 | 1997-02-14 | Omron Corp | Detection apparatus, detection method and sensor |
| US6111520A (en) * | 1997-04-18 | 2000-08-29 | Georgia Tech Research Corp. | System and method for the wireless sensing of physical properties |
| GB9709290D0 (en) * | 1997-05-07 | 1997-06-25 | Collister Christopher J | Electrical measurement apparatus for oil |
| AU2006244091B2 (en) * | 2005-05-10 | 2010-12-23 | Schrader Bridgeport International, Inc. | System and method for sensing the level and composition of liquid in a fuel tank |
| US7456744B2 (en) * | 2006-05-16 | 2008-11-25 | 3M Innovative Properties Company | Systems and methods for remote sensing using inductively coupled transducers |
| US9389260B2 (en) * | 2012-09-28 | 2016-07-12 | General Electric Company | Systems and methods for monitoring sensors |
| US8936191B2 (en) * | 2010-06-30 | 2015-01-20 | General Electric Company | Field-portable impedance reader and methods of making the same |
| US9097639B2 (en) * | 2012-12-28 | 2015-08-04 | General Electric Company | Systems for analysis of fluids |
| US9658178B2 (en) * | 2012-09-28 | 2017-05-23 | General Electric Company | Sensor systems for measuring an interface level in a multi-phase fluid composition |
| US9538657B2 (en) * | 2012-06-29 | 2017-01-03 | General Electric Company | Resonant sensor and an associated sensing method |
| US8364419B2 (en) | 2009-04-15 | 2013-01-29 | General Electric Company | Sensor system and methods for selective analyte detection using resonance sensor circuit |
| CN102803910A (en) * | 2009-06-26 | 2012-11-28 | 施拉德尔电子学有限公司 | Liquid level and quality sensing apparatus, systems and methods using emf wave propagation |
| CN102575998B (en) * | 2009-09-22 | 2016-03-30 | Adem有限公司 | For measuring the impedance sensing system and method for solid and liquid object formation |
-
2015
- 2015-12-16 JP JP2015244700A patent/JP6397395B2/en active Active
- 2015-12-16 AU AU2015268746A patent/AU2015268746B2/en active Active
- 2015-12-18 EA EA201592216A patent/EA032682B1/en not_active IP Right Cessation
- 2015-12-29 DE DE102015122926.9A patent/DE102015122926A1/en active Pending
- 2015-12-30 CN CN202210116058.7A patent/CN114594140A/en active Pending
- 2015-12-30 CN CN201511015982.2A patent/CN105738420A/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070090926A1 (en) * | 2005-10-26 | 2007-04-26 | General Electric Company | Chemical and biological sensors, systems and methods based on radio frequency identification |
| US8232091B2 (en) * | 2006-05-17 | 2012-07-31 | California Institute Of Technology | Thermal cycling system |
| US20110101996A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | General Electric Company | Method and system for performance enhancement of resonant sensors |
| US20120161787A1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-06-28 | General Electric Company | Temperature-independent chemical and biological sensors |
| US20140091811A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | General Electric Company | Systems and methods for monitoring sensors |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2750266C1 (en) * | 2020-01-27 | 2021-06-25 | Общество с ограниченной ответственностью Кондитерская фабрика "ЭКОКОН ГРУПП" | Edible container for hot beverages |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201592216A1 (en) | 2016-10-31 |
| AU2015268746A1 (en) | 2016-07-14 |
| JP2016126007A (en) | 2016-07-11 |
| AU2015268746B2 (en) | 2017-09-07 |
| JP6397395B2 (en) | 2018-09-26 |
| CN114594140A (en) | 2022-06-07 |
| CN105738420A (en) | 2016-07-06 |
| DE102015122926A1 (en) | 2016-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EA032682B1 (en) | Sensing method and system | |
| US10914698B2 (en) | Sensing method and system | |
| US11674915B2 (en) | Sensing system and method | |
| US10539524B2 (en) | Resonant sensing system and method for monitoring properties of an industrial fluid | |
| US10018613B2 (en) | Sensing system and method for analyzing a fluid at an industrial site | |
| US10254270B2 (en) | Sensing system and method | |
| US10260388B2 (en) | Sensing system and method | |
| US11408874B2 (en) | Sensing system and method | |
| US20190156600A1 (en) | Locomotive sensor system for monitoring engine and lubricant health | |
| Mujahid et al. | Monitoring automotive oil degradation: analytical tools and onboard sensing technologies | |
| Zhu et al. | Survey of lubrication oil condition monitoring, diagnostics, and prognostics techniques and systems | |
| US7043402B2 (en) | On-line oil condition sensor system for rotating and reciprocating machinery | |
| US7370514B2 (en) | Determining quality of lubricating oils in use | |
| US20180158261A1 (en) | System and method for sensing lubricant and engine health | |
| US20160334353A1 (en) | Sensor for in situ selective detection of components in a fluid | |
| US9176000B2 (en) | System for measurement of fluid levels in multi-phase fluids | |
| Ulrich et al. | Simultaneous estimation of soot and diesel contamination in engine oil using electrochemical impedance spectroscopy | |
| US20210270798A1 (en) | Resonant sensor probe assembly | |
| EP3548718B1 (en) | Sensing system and method | |
| Potyrailo et al. | Multivariable electrical resonant sensors for independent quantitation of aging and external contaminants in lubricating oils | |
| CN102230816A (en) | Sensor and method for detecting oil deterioration and oil level | |
| Yang et al. | Oil contamination monitoring based on dielectric constant measurement | |
| WO2017151847A1 (en) | Sensing system and method | |
| Voglhuber-Brunnmaier et al. | A multi-parameter physical fluid sensor system for industrial and automotive applications | |
| Tari et al. | A non-invasive measurement system for pollutant detection in oil: a preliminary analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KG TJ TM |