MONITOREO DE LA CONDICION DE FLUIDO DE UNA TRANSMISIÓN AUTOMÁTICA EN TIEMPO REAL
Antecedentes de la Invención La presente invención se refiere al monitoreo de la condición de fluido utilizando un sensor que provee una señal eléctrica indicativa en tiempo real de la condición química del fluido por roonitorearse . Se sabe que los sensores de este tipo emplean técnicas de espectroscopia por impedancia; y un ejemplo de tal sensor es el mostrado y descrito en la patente US 6,278,281, concedida a Bauer y colaboradores el 21 de agosto de 2001, en la cual un par de electrodos separados son excitados de manera secuencial a una frecuencia relativamente baja para determinar la interacción electroquímica en la superficie del electrodo y a una frecuencia relativamente elevada para determinar la impedancia gruesa del fluido. La corriente es medida a ambas frecuencias de excitación y la impedancia calculada para cada medición de corriente y el diferencia de impedancia calculado, lo que permite determinar la condición del fluido mediante una comparación del diferencial de impedancia calculado con el determinado para condiciones conocidas del fluido, según se determinan por análisis químico. Se ha propuesto usar tales dispositivos para monitorear la condición de un fluido en transmisiones de potencia y para monitoreo en tiempo real del aceite lubricante en motores de combustión interna. Un ejemplo adicional de tal aplicación de sensor para motores es el mostrado y descrito en la patente US 6,377,052, concedida a McGinnis y colaboradores el 23 de abril de 2002, en la cual los electrodo espaciados son enrollados espiralmente en una aguja de inmersión para inserción en el cárter del cigüeñal del motor. Los dispositivos del tipo antes mencionado que emplean espectroscopia por impedancia pueden utilizar los arreglos de electrodos del tipo que emplea arreglos aplanados, interdigitados de electrodos o el arreglo espiral antes mencionado o electrodos tubulares espaciados radialmente, concéntricos, tales como por ejemplo los enseñados en la patente US 6,433,560, concedida a Hansen y colaboradores el 13 de agosto de 2002. La antes mencionada patente de Bauer y colaboradores describe en su figura 15 la impedancia determinada a las frecuencias altas y bajas antes mencionadas para fluido de transmisión automática en la nueva condición y después de un número limitado de kilómetros del vehículo en servicio. Sin embargo, como las condiciones reales de servicio del vehículo dependen del tipo de operación del vehículo y la carga y el ambiente durante tal operación, desde hace largo tiempo se ha deseado proveer un sensor que puede proveer durante la vida de servicio del vehículo una indicación en tiempo real de la condición del fluido con base en las características químicas reales del fluido y para indicar la cantidad o el porcentaje de la vida útil remanente (RUL) estimada con base en la condición actual del fluido. Compendio de la Invención La presente invención provee una técnica para generar una señal eléctrica que varía de manera continua, en tiempo real, indicativa de la condición química del fluido que está siendo monitoreado y emplea algoritmos basados en lecturas del sensor en muestras de fluido de condiciones químicas conocidas para proveer una base de datos para comparación con la señal eléctrica en tiempo real para proveer una indicación de la vida útil remanente (RUL) con base en la condición actual del fluido. La presente invención provee algoritmos para determinar la RUL de fluido de transmisión automática, particularmente fluido del tipo que comprende aceite párafínico con cera removida con solvente, en tiempo real, con base en técnicas de impedancia diferencial . La presente invención emplea un par de electrodos espaciados configurados de preferencia como electrodos anulares espaciados radialmente, dispuestos de manera concéntrica, para dispersión mejorada del fluido sobre las superficies de los electrodos. La presente invención utiliza cualquiera de tres parámetros derivados de análisis químico del fluido, a saber el número ácido total (TAN) por ASTM D-664, oxidación delta por ASTM e-168 (???) y tiempo de inducción HPDSC por ASTM D-5483 (MIN) . Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es un diagrama de bloques pictórico del sensor de la presente invención bosquejado en una caja de transmisión llena de fluido; la figura 2 es un diagrama de flujo en bloques de la operación del sistema para determinar la RUL con base en TAN; la figura 3 es un diagrama de flujo similar a la figura 2 para MIN; la figura 4 es un diagrama de bloques similar a la figura 2 para ???; la figura 5 es una vista en perspectiva de la sonda de la presente invención; la figura 6 es una gráfica que gráfica valores de impedancia diferencial como una función de TAN; la figura 7 es una gráfica similar a la figura 6, graficando valores de la impedancia diferencial como una función de ???; la figura 8 es una gráfica que gráfica valores de impedancia diferencial como una función de MIN, y la figura 9 es una gráfica de cambios con la temperatu-ra de valores de ?? . Descripción Detallada de la Invención Haciendo ahora referencia a las figuras 1 y 5, el sensor de la presente invención es indicado generalmente en 10 e incluye un conjunto de sonda indicado generalmente en 12 sumergido en fluido denotado ATF contenido en un alojamiento o caja de transmisión automática 14. La presente invención es particularmente susceptible de usarse con ATF del tipo que tiene aceite parafinico pesado, con cera removida con solvente, como ingrediente esencial . El sensor 12 puede comprender cualquiera de aquéllos conocidos en la materia, como por ejemplo un arreglo aplanado inter-digitado o un par de electrodos configurado en espiral; sin embargo, en la práctica actualmente preferida, la sonda 12 comprende un par de electrodos tubulares o anulares espaciados radialmente, dispuestos de manera concéntrica 16, 18 retenidos en un arreglo concéntrico o anidado, espaciados estrechamente por tapas de extremo 20, 22. El electrodo tubular interno 16 tiene una terminal conectora 24 que se extiende axialmente desde la misma y hacia afuera a través de una hendidura libre 26 formada en un cabezal 22; y, de manera similar, el electrodo externo 18 tiene una terminal conectora 28 que se extiende hacia afuera a través de la hendidura 30 formada en la tapa 22. Un sensor de temperatura, que puede comprender un dispositivo de termistor, indicado por el número de referencia 32, está dispuesto tal que su elemento sensor esté expuesto al
ATF dentro de la caj a 1 . La terminal de electrodo interno 24 está conectada a lo largo de la línea 34 para recibir una señal de excitación del excitador 36. La terminal de conector 28 está conectada a lo largo de la linea 36 a un sensor de corriente 40.
En la práctica actualmente preferida de la invención, la sonda 12 tiene los electrodos concéntricos 16, 18 espaciados radialmente una distancia de alrededor de 0.15 mm para un electrodo interno 18 que tiene un diámetro de alrededor de 6 mm y una longitud de alrededor de 38 mm. Sin embargo, se entenderá que pueden emplearse otros diámetros y longitudes para proveer aproximadamente la misma área superficial expuesta entre los electrodos. En la práctica actualmente preferida, los electrodos 16, 18 son formados de acero inoxidable; sin embargo, pueden emplearse otros materiales de electrodo que son compatibles con ATF . En la práctica actual, se ha encontrado la invención particularmente adecuada para uso con ATF que comprende aceite parafinico pesado, con cera removida con solventes, pero la invención puede ser empleada con otros tipos de ATF. Haciendo referencia de nuevo a la figura 1, el excitador 36 recibe una entrada a lo largo de la línea 42 desde un oscilador 44 que es impulsado por una fuente a bordo del vehículo, tal como la fuente de corriente continua de 12 voltios 46 que también alimenta al excitador 36 a lo largo de la línea 48. Un micro-computador 50 es impulsado por la fuente de energía 46 a lo largo de la línea 52; y el micro-computador recibe una entrada a lo largo de la línea 54 desde el sensor de corriente 40 y una entrada de temperatura a lo largo de la línea 56 desde el sensor 32 y provee una salida a lo largo de la línea 58 a un dispositivo de alarma o lectura 60.
En la práctica actual de la invención, el oscilador 44 provee un voltaje alternante de baja frecuencia, de una frecuencia no mayor de alrededor de 0.1 Hz (100 miliHz) y un voltaje alternante de frecuencia relativamente alta, de una frecuencia no menor de alrededor de 7.5 Hz . El micro-computador 50 está programado con tablas de consulta basadas en datos tomados del envejecimiento químico en laboratorio de ATF y determinando la impedancia diferencia a intervalos sucesivos . Las muestras de fluido por probarse para determinar cualquiera de tres parámetros de prueba conocidos, a saber Número Ácido Total por ASTM ?-664 (TAN) , Oxidación Delta por ASTM E168 (???) , y tiempo de inducción HPDSC por ASTM D-5483 (MIN) . Los datos son entonces graficados para cada uno de los parámetros y las curvas trazadas entre ellos como se despliega respectivamente en las figuras 6 a 8. Las gráficas incluyen puntos de datos tomados para ATF sometido a esfuerzo por pruebas de envejecimiento por oxidación en laboratorio, tales como la Prueba de Oxidación en Vaso de Precipitados de Aluminio (ABOT) , por el Southwest Research Institute, de San Antonio, Texas, Estados Unidos, procedimiento BJ110-4, y algo de fluido ATF drenado de vehículos en servicio real . Se observará a partir de las figuras 6 a 8 que pueden realizarse aproximaciones lineales para los datos; y los algoritmos para la pendiente usada para calcular el parámetro químico respectivo para las válvulas de ??te son indicados en las gráficas.
Haciendo referencia a la figura 2 , la operación de los circuitos del sistema es denotada generalmente por el número de referencia 62; y al ocurrir el inicio por parte del usuario en el paso 64, el sistema prosigue al paso 68. En el paso 68, el sistema interroga respecto de si la temperatura de fluido Tf está dentro de límites deseados, TMIM, T^; y si la respuesta es negativa, el sistema prosigue a abortar o parar. Sin embargo, si la determinación en el paso 68 es afirmativa, el sistema prosigue al paso 70 y excita la sonda 32 con un voltaje alternante a una frecuencia relativamente elevada y mide la corriente IHI . El sistema prosigue entonces al paso 72 y calcula y almacena la impedancia ZHI de la corriente medida IHI. El sistema luego excita la sonda 32 con un voltaje alternante de frecuencia relativamente ba a y mide la corriente y luego prosigue al paso 76 y calcula y almacena la impedancia
ZL0 a partir de la corriente medida IL0. El sistema luego prosigue al paso 78 y calcula el * ¡» » vector ??? restando ZL0 de ZHI, dando como resultado el vector resultante ???. El sistema prosigue entonces al paso 80 y calcula el valor absoluto de ??? y prosigue al paso 82 y determina AZTC, el diferencial de impedancia compensado por la temperatura a partir de una tabla de consulta de valores de AZTC versus la temperatura, la cual tabla es compilada tomando puntos de datos a partir de una curva de corrección de temperatura. Las curvas típicas para tal compensación de temperatura son mostradas en la figura 9. Se observará que se presenta en la figura 9 una familia de tres gráficas; a saber, en la gráfica superior: ??ta = 1.59E + 04 * T + 1.92E + 06, una gráfica inferior: AZTC = 9.98E + 03 * T + 1.18E + 0.6, y una gráfica media: AZTC = 1.1SE + 04 * T + 1.39E + 06 graficada interpolando entre las gráficas superior e inferior. Se observará que las formas y las intersecciones de las tres gráficas son similares y de esta manera aportan una región a partir de la cual puede calcularse ??ta. El sistema prosigue entonces a almacenar el valor determinado en el paso 82 como ??ta, en el paso 84; y después de un retraso de tiempo adecuado de no mas de alrededor de 10 segundos en el paso 86, el sistema prosigue al paso 88 y repite los pasos 70 a 82 y almacena el resultado como ????, en el paso 90. El sistema prosigue entonces al paso 92, calcula el cambio en ?? denotado ??? restando AZTC1 de AZTC2 y prosigue al paso 94 e interroga si ??? es positivo. Si la determinación en el paso 94 es afirmativa, el sistema prosigue al paso 98 y calcula TAN a partir de una tabla de consulta de valores de TAN versus AZTC con base en el algoritmo de la figura 6 :
??te = 2.77? + 05 * TAN - 2.7? + 0.5 Sin embargo, si la determinación en el paso 94 es negativa, el sistema prosigue al paso 96 y repite los pasos 70 a 94. Después de completarse cualquier elemento del paso 98, el sistema prosigue al paso 100 y almacena el valor determinado como A -L y prosigue al paso 102 por un retraso de tiempo ?? de no menos de alrededor de una hora. El sistema prosigue entonces al paso 104 y repite los pasos 70 a 102 y almacena el resultado como TAN2 en el paso 106. El sistema luego prosigue al paso 108 y calcula la tasa de decaimiento ? restando TAN2 de TAN2 y dividiendo el diferencia entre ??. El sistema prosigue entonces al paso 110 y recupera un valor almacenado TANE0L y luego prosigue al paso 112 y calcula la vida útil remanente (RUL) en horas, restando TANE0L de TAN2 y dividiendo el diferencial entre ?. El sistema luego despliega el valor calculado de RUL en el paso 114. Haciendo referencia a la figura 3, el diagrama de flujo para determinar la RUL a partir del parámetro del tiempo de inducción HPDSC por ASTM D-5483 (MIN) es mostrado, donde el sistema, al iniciar en el paso 116, procede a leer la temperatura del fluido en el paso 118 a partir del sensor 32. El sistema procede entonces al paso 120 y pregunta si la lectura de temperatura en la lectura Tf en el paso 118 está entre los límite TMAX/ ?µ??; y si la determinación es negativa, el sistema procede a abortar o detenerse. Sin embargo, si la determinación en el paso 120 es afirmativa, el sistema procede al paso 122 y excita la sonda al voltaje alternante de frecuencia relativamente elevada y mide la corriente IHI. El sistema prosigue al paso 124, calcula y almacena la impedancia ZHI calculada a partir de la corriente medida en el paso 122. El sistema prosigue entonces al paso 126 y excita la sonda al voltaje alternante de frecuencia relativamente baja y mide la corriente IL0. El sistema procede entonces al paso 128 y calcula y almacena la impedancia ZL0 a partir de la corriente medida en el paso 126. El sistema procede entonces al paso 130, calcula la ¿ =, diferencia vectorial áZt restando ZL0 de ZHI y procede al paso 132 y determina el valor absoluto ???. El sistema prosigue entonces al paso 134 y determina AZTC a partir de una tabla de consulta de ??? versus temperatura, la cual tabla de consulta es determinada a partir de puntos de datos tomados de curvas tales como las mostradas en la figura 9, que identifican el cambio en la impedancia diferencial con la temperatura para muestras de fluido de condición conocida. El procedimiento es el mismo que para el paso 82. El sistema prosigue entonces al paso 136 y almacena el valor ??ta, calculado en el paso 134, y procede al paso 138 para un retraso de tiempo de no mas de alrededor de 10 segundos. El sistema prosigue entonces al paso 140 y repite los pasos 122 a 134 y almacena el valor AZTC2 calculado en el paso 142.
El sistema prosigue entonces a calcular el cambio en AZTC denotado ??? restando AZTC1 de AZTC2. El sistema procede entonces al paso 146 e interroga si ??? es positivo; y si la respuesta es afirmativa, el sistema procede al paso 148 y repite los pasos 122 a 146. Sin embargo, si la determinación en el paso 146 es negativa, el sistema procede al paso 150 y pregunta si AZTC es igual o mayor que 3.4E + 05. Si la interrogación en el paso 150 es afirmativa en su respuesta, el sistema prosigue al paso 152 y determina MIN a partir de una tabla de consulta de valores de MIN versus AZTC calculado a partir de la gráfica de la figura 8 usando el algoritmo : ??ta = -2.78E + 05 * MIN + 2.95É + 06. Sin embargo, si la determinación en el paso 150 es negativa, el sistema procede al paso 154 y determina MIN a partir de una tabla de consulta de valores de ???0 versus MIN compilada a partir de la gráfica de la figura 8 usando el algoritmo: ???? = -1.98E + 04 * MIN + 5.26E + 05. Al completarse uno de los pasos 152 o 154, el sistema procede al paso 156 y almacena el valor determinado de MIN como MINX y procede al paso 158 para un retraso de tiempo ?? de no menos de alrededor de una hora y luego procede al paso 160 y repite los pasos 122 a 154. El valor de MIN determinado en el paso 160 es entonces almacenado como MIN2 en el paso 162 y el sistema procede al paso 164 y calcula la tasa de decaimiento ? determinada restando MINX de MIN2 y dividiendo el diferencial entre ?? . El sistema prosigue entonces al paso 168 para obtener un valor almacenado de MINE0L y procede al paso 170 y calcula la vida útil remanente RUL restando INE0L de MIN2 y dividiendo el diferencial entre ? como se determina en el paso 164. El sistema procede entonces a desplegar el valor calculado de RUL en el paso 172. Haciendo referencia a la figura 4, el diagrama de flujo para determinar RUL del parámetro de Oxidación Delta por ASTM E-168 (???) es mostrado donde el sistema, al iniciar el usuario en el paso 174, procede a leer la temperatura de fluido en el paso 176 y entonces procede al paso 178 para determinar si la temperatura Tf está dentro de los límites Tt¾x, TMIN. Si la determinación en el paso 178 es negativa, el sistema aborta o procede a detenerse. Sin embargo, si la determinación en el paso 178 es afirmativa, el sistema procede al paso 180 para excitar la sonda 32 con un voltaje alternante de frecuencia relativamente elevada y mide la corriente IHI resultante. El sistema procede entonces al paso 182, calcula la impedancia ZHI a partir de la corriente medida y almacena el valor calculado. El sistema procede entonces al paso 184 y excita la sonda 12 con un voltaje alternante de frecuencia relativamente baja y mide la corriente IL0 resultante y procede al paso 186 y calcula y almacena la impedancia ZL0 a partir de la corriente medida ILO. El sistema procede entonces al paso 190 y calcula el diferencial de impedancia vectorial AZt restando ZL0 de ZHI' y luego determina el valor absoluto del diferencial calculado ??? en el paso 192. El sistema procede entonces al paso 194 y determina el valor compensado- en temperatura AZTC, compilado a partir de puntos de datos tomados a partir de curvas tales como las mostradas en la figura 9 a partir de la tabla de consulta de valores de AZTC versus la temperatura y el sistema procede entonces al paso 196 y almacena el valor calculado como AZTC1. El sistema procede entonces al paso 198 y provee un retraso de tiempo de no mas de alrededor de 10 segundos y luego procede al paso 200 y repite los pasos 180 a 194 y almacena el valor calculado como AZTC2 en el paso 202. El sistema luego calcula el cambio ??? en el diferencial de impedancia ?? restando ???01 de ???? en el paso 204 y procede al paso 206 y pregunta si ??? es positivo. Si la respuesta a la interrogación en el paso 206 es negativa, el sistema procede al paso 208 y repite los pasos 180 a 204. Si la interrogación en el paso 206 es respuesta de manera afirmativa, el sistema procede al paso 210 y pregunta si ??ta es igual o menor que 3.40E + 05. Si la determinación en el paso 210 es afirmativa, el sistema procede al paso 212 y determina a partir de una tabla de consulta los valores de ?0? versus AZTC calculados a partir de la gráfica de la figura 7 usando el algoritmo: ??ta = 1.35E + 04 * ?0? + 1.32E + 05.
Si el sistema responde de manera negativa en el paso 210, el sistema procede al paso 214 y determina ??? a partir de una tabla de consulta de valores de ??? versus AZTC con base en la gráfica de la figura 7 usando el algoritmo: ??ta = 2.67E + 04 * ?0? - 6.86E + 04. Después de consumar una de las operaciones 214, 212, el sistema procede al paso 216 y almacena el resultado como ???1( y procede a ejecutar un retraso de tiempo de no menos de alrededor de una hora en el paso 218. El sistema procede entonces a repetir los pasos 180 a 214 en el paso 220 y almacena el resultado como ?0?2 en el paso 224. El sistema procede entonces al paso 226 y calcula la diferencia ? de los valores de ??? restando ???a de ?0?2 y dividiendo el resultado entre ??. El sistema procede entonces al paso 228 y llama un valor almacenado de ?0??0?? y procede al paso 230 para calcular la vida útil remanente (RUL) restando A0XEOL de ?0?2 y dividiendo el resultado entre el valor calculado de | y procede al paso 232 para desplegar el valor de RUL. Independiente de cuál se calcule de TAN, ?0? o MIN, si se mide ???0 igual o mayor que 6.5 x 105, se considera que el fluido ATF ha alcanzado el fin de su vida útil . Aunque la invención ha sido descrita en lo que antecede con respecto de las formas de realización ilustradas, se entenderá que la invención es susceptible de modificaciones y variaciones y solamente está limitada por las reivindicaciones siguientes .