WO2014154915A1 - Sistema y método de monitorización de un fluido - Google Patents

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WO2014154915A1
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image
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particles
bubbles
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PCT/ES2013/070207
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Eneko Gorritxategi
Jon Mabe
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Fundación Tekniker
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Definitions

  • the present invention belongs to the field of fluid monitoring to determine its general state, both from the point of view of degradation and of particle content. More specifically, it belongs to the field of oil monitoring, in particular lubricants, to obtain from said monitoring the state of degradation thereof, as well as to obtain information about the machinery that these oils lubricate from their oil content. particles
  • the lubricating oil is one of the key components within some of these machines and provides a lot of information regarding the state in which the machine is.
  • the heating of the oil may be indicative that the machine is not operating in optimal conditions, and the existence of particles in the oil may indicate future failure or significant wear on the components being lubricated. It could even indicate the existence of breaks or failures in the joints that allow the entry of external contaminants.
  • Some of the parameters that may be interesting to monitor in a lubricating oil are the following: the determination of particles (for example their quantification, their classification by size or the determination of their shape), the content of bubbles in the system or the degradation of the oil depending on the color. Below we briefly detail these parameters.
  • the determination of particles in lubricated systems is a key aspect in many sectors and applications, since the particles provide information on the state of the machine being monitored. That is, the detection of particles in the oil is indicative in many cases of a situation that will generate a future failure or breakage in the machine, or the presence of a failure in filters or joints.
  • filtration systems do not act on the root cause of the problem, but are limited to reducing the consequences of particle generation, whose existence in the lubrication system can accentuate the generation of more serious problems.
  • filtering systems have a number of limitations: they can fill or saturate, not being able to remove more particles.
  • Light blocking detectors These are systems that are based on the decrease in intensity received by the detectors when a particle passes through the measuring cell where a light beam is being affected. No image is collected, but this reduction of light is observed, mainly at some wavelength. It is not possible to determine the shape of the particles, but their size. The main problem of these systems is the presence of water or air bubbles, which are counted as particles. Pore block detectors: They also use optical detection, but without picking up images. But before this, the oil is passed through a mesh (10 microns approx.) To classify it avoiding the presence of water and air bubbles at the moment the measurement is made.
  • Magnetic / Electrical Detectors Sensors that use a magnetic principle to detect ferromagnetic particles on the fluid, by passing the fluid through a magnetic field that varies with the presence of ferromagnetic particles.
  • Detectors by image analysis They perform an image analysis, quantifying the content of particles by size, by form and by type, by means of an algorithm of neural networks. It is noteworthy, for example, an analysis equipment that uses an image capture system, together with a laser lighting system and powerful image processing software installed on a computer. In addition it is also able to identify contaminants, free water, fibers. The team quantifies wear particles with a size between 4-100 microns, and the shape in particles larger than 20 microns. Particle analysis in this range is useful for detecting mechanical failures in a variety of lubricated systems. Depending on the shape, the particle is classified as: a) cut; b) fatigue; c) slip; d) non metallic.
  • US5572320 describes an image analysis detector that includes a lighting system based on a pulsed laser. Detection is performed by a flat array of light sensitive photodiodes or phototransistors.
  • the system of US5572320 is not able to discriminate the shape of the particles.
  • the measuring cell of US5572320 consists of a moving part that positions the oil in a certain place, and this complicates the development and can be an important source of errors.
  • US7385694B2 describes an image analysis detector that includes a lighting system based on a pulsed laser and a camera for taking pictures of the oil subjected to said lighting.
  • the device This patent does not allow homogeneous lighting over an inspection area larger than the light beam itself.
  • the device needs a pump to pump the fluid to the measurement area.
  • Another parameter that may be interesting to monitor in a lubricating oil is the content of bubbles in the system, since it can be indicative of the generation of foams in the oil and the retention of air in the system, something that is not desirable. Both must be controlled and reduced to the maximum to achieve the optimal operation of the oil within the system. This is critical in systems such as wind turbine multipliers.
  • the maximum acceptable foam levels for a used oil should not exceed:
  • the retained oil content must not exceed 25% with respect to the new oil according to ASTM-D3427.
  • Oil degradation is a key indicator of oil quality and how it fulfills its lubrication mission. It does not give information about the machine directly, but indirectly with the speed of degradation, information about the operation of the machine could be extracted.
  • the degradation process of an oil follows several totally known steps: first it suffers a loss of the content of additives, then acidic compounds are generated, and finally, when they are in an advanced degradation process, start with polymerization processes of these acidic compounds They are generated.
  • the percentage of acid constituents in the form of additives in the case of new lubricants and in the form of oxidation compounds in the case of in-service lubricants) is determined by analytical techniques. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the present invention seeks to solve the aforementioned drawbacks by means of a system for the inspection of an oil, which comprises a cell through which an oil flows along a conduit.
  • the system comprises within said cell: a lighting system based on at least one LED diode and configured to make a white light beam influence the oil flow; a diffuser located between the lighting system and the oil flow, configured to provide homogeneous lighting in the illuminated area; an image capture system located on the opposite side of the conduit through which the oil flows with respect to the lighting system and configured to capture a sequence of images of the oil flowing through said conduit; a lens located between the image capture system and the oil flow, configured to focus the captured images; a calibration device located between the lens and the oil flow; a processor configured to process said image sequence and determine the presence of particles and bubbles and an oil degradation value.
  • the lighting system comprises a polarization control system of at least one LED diode configured to avoid emission fluctuations due to temperature changes.
  • the diffuser is located by closing and sealing a hole made in the conduit through which the fluid flows.
  • the diffuser is a frosted glass.
  • the image capture system is a camera.
  • the calibration device located between the lens and the oil flow comprises a plurality of marks designed to calibrate the system.
  • the calibration device is located by closing and sealing a hole made in the conduit through which the oil flows.
  • a method of self-calibration of the system for the inspection of an oil mentioned above comprises the stages of:
  • a method of detecting and discriminating particles and bubbles in an oil comprising the steps of:
  • a method of obtaining an oil degradation parameter is provided by the oil inspection system described above, which comprises the steps of:
  • Figure 1 represents a general scheme of the monitoring system of the invention.
  • Figure 2 shows a schematic of the measurement module according to a possible embodiment of the invention.
  • Figure 3 schematically illustrates a method of self-calibration of the measurement system, in accordance with a possible embodiment of the invention.
  • Figure 1 represents a general scheme of the monitoring or inspection system of the invention.
  • the system is composed of a series of subsystems connected to each other and contained in a container or container 10.
  • the subsystems are as follows:
  • a hydraulic conditioning subsystem consisting of components for flow control 12, oil flow control by means of solenoid valves 1 1 19, pressure control 13, safety filter 14 and the inlet 15i and outlet 15o pipe.
  • the reading and operation of the active hydraulic elements is carried out from the electronic subsystem 16.
  • the hydraulic conditioning subsystem does not include any pumps, unlike the system described in US7385694B2.
  • the system of the invention is designed to be installed in a bypass of a lubrication system of certain machinery. The installation takes advantage of the pressure difference so that the fluid circulates until it reaches the measuring module 18 in which the oil inspection is to be carried out.
  • An electronic subsystem consisting of an embedded electronics platform 16 for the management of all active subsystems and data channel management. This embedded electronics platform 16 performs the global information management and control of the hydraulic and measurement subsystems. Additionally, internal and external electronics and power supply system 17 are considered part of this subsystem.
  • the measurement module 18 delivers the values of the totally valid measurements and without the need to be processed.
  • the container and anchoring system 10 that incorporates the hydraulic and electrical connections to the outside and the anchoring system (not illustrated in Figure 1) to the installation destination.
  • System 10 is specifically designed for direct integration into machinery lubrication systems but without affecting its operating conditions. This is achieved through the hydraulic subsystems of the sensor that allow controlled sampling and low lubricant content.
  • the container and anchoring system 10 houses and integrates the different elements in an appropriate manner and allows communication with the outside for the entry and exit of the fluid, through the respective inlet 15i and outlet 15o (since the measurement is made in the subsystem of measurement 18) and provides the communication and power interfaces 17 to be able to take the results of the sensor to the machine in question or wherever desired.
  • the hydraulic subsystems allow in turn to condition the fluid to be measured, thereby reducing the effects of external factors or conditions on the final result.
  • the system has also been developed to avoid the influence of environmental factors such as temperature changes. In this sense, the sensor system has temperature meters that activate the intensity of the light emitter and thus avoid emission differences related to temperature changes.
  • the fluid accesses the container 10 through the inlet 15i.
  • the fluid flow follows the direction of the dashed arrow.
  • the fluid circulates inside the container 10 by appropriate conduction means, such as pipes.
  • a representative sampling of the fluid for example, oil is achieved and conditioned to obtain measurements representative of its real state.
  • the flow control 12 allows to obtain a fixed flow rate in the system that makes it possible to know the amount of fluid being measured and thus be able to obtain the concentration of particles in it. That is, flow control 12 allows values of, for example, 100 particles per milliliter. If not, one could only say that 100 particles have been detected, in absolute terms.
  • a safety filter or filter with pressure control 14 which serves to prevent large particles from entering the measurement module 18, which can damage or dirty the module windows and even ensure that the system is not clogged with large particles.
  • the pressure switch 13 is a pressure system that ensures that there is pressure in the system and thus ensuring that there is fluid flow (eg, of oil). It is therefore a pressure switch to identify low pressures.
  • the ON / OFF arrows indicate with respect to the components next to those shown in figure 1 that these components are controlled by electronics, specifically, on solenoid valves 1 1 19 the ON / OFF arrows indicate opening and closing the oil flow, and on the pressure switch 13 and filter 14 the ON / OFF arrows give an indication of the pressure level in the system
  • the pressure switch 13 is in the "ON" state when no more than a certain pressure value passes and it is assumed that oil has entered;
  • the pressure control it incorporates ensures that the oil does not exceed a maximum pressure value.
  • FIG 2 represents a schematic of the measurement subsystem or sensor subsystem of the invention (subsystem 18 in Figure 1).
  • This module or measurement subsystem 28 It has been conceived as an autonomous subsystem with a totally independent operation, which delivers self-interpreting, calibrated and corrected measures for the entire defined operating range.
  • the measurement subsystem 28 operates on a micro-mechanical cell 280 through which fluid 281 circulates under supervision.
  • this fluid is an oil, more preferably a lubricating oil.
  • the fluid 281 is conducted inside conduit means, such as a pipe.
  • the measurement module or subsystem 28 comprises an optical part and an electronic part (or video acquisition and processing subsystem).
  • this video acquisition and processing subsystem is an electronics independent of the embedded electronics platform 16 of the complete system. The first is inside the measurement module 18 28, while the second is a module 16 outside the measurement module.
  • This video acquisition and processing subsystem performs the activities related to the measures, among other things.
  • the video acquisition and processing subsystem is formed by an embedded image capture system 282 and by an electronics 285 comprising an embedded processor 2851.
  • the measurement subsystem 28 is based on an embedded artificial vision measurement system, where an image sequence 282 captures a video sequence that is processed in an embedded processor 2851.
  • the purpose of the processing is to determine the presence of particles and / or bubbles and the degradation value of the fluid (for example, oil) (OD).
  • the arrow between the image capture system 282 and the embedded processor 2851 schematizes the video control and data lines.
  • a 4-frame / second (4FPS) acquisition and processing system is used.
  • an Omnivision detector with a 14 megapixel camera can be used.
  • the optical part comprises a lighting system 284 to subject the fluid flow 281 to a light beam and an image capture system 282 to capture a video sequence that will then be processed in an embedded processor 2851 of the electronic part 285
  • the embedded processor 2851 is a DSP (Digital Signal Processor) device.
  • the lighting system 284 is designed to make a white light beam strike the fluid.
  • the lighting system is based on one or more LEDs that continuously illuminate the flow 281 circulating through the micro-mechanical cell 280. That is, preferably the lighting system is an LED emitter 284.
  • the emission system 284 has a control system (closed loop control) of the polarization of the LED emitter based on temperature changes that avoid emission fluctuations due to said temperature changes.
  • a control system closed loop control
  • the lighting system 284 also comprises a photodiode in the vicinity of the lighting zone to calculate the error of that closed loop.
  • the embedded processor 2851 controls the lighting system 284, through LED control signals and compensation data 2857.
  • the diffuser 286 Between the lighting system 284 (preferably LED emitter) and the fluid flow 281 (circulating inside a pipe), there is a diffuser 286 whose main mission is the diffusion of the amount of light emitted by the lighting system 284 to obtain homogeneous illumination throughout the area (amount of fluid, preferably oil) that is inspected.
  • the diffuser 286 is a window. Diffuser 286 is called a "window" because it is the element that gives visual access to the fluid under inspection. Thanks to this diffuser 286 it is possible to illuminate the area under inspection evenly.
  • the diffuser (diffuser window) 286 is placed by closing a hole made in the pipe through which the fluid 281 flows. That is, the fluid (oil) passes through the pipe or conduit, but transversely to the advance of the fluid a hole is made which is where the fluid is to be inspected and measured.
  • the hole is preferably circular and the diffuser window 286 is also preferably.
  • This diffuser 286 prevents the fluid (oil) from flowing through the holes made.
  • This window 286 acts as a seal so that the fluid does not escape through the transverse hole.
  • the diffuser 286 is also a transparent material that lets light through.
  • the lighting system 284 can adequately illuminate the fluid, and by means of the detection system 282 it is possible to visualize this area and collect the image of the fluid.
  • window 286 It is a crystal, for example a frosted glass.
  • a detector for example, a photodiode or array of photodiodes.
  • the optical receiving element when using back lighting, collects the light that flows through the fluid flow (for example, oil).
  • an image capture system 282 is located for capturing the video sequence (which is nothing but a train of images) of the area of interest of the fluid passage (preferably oil).
  • This image capture is performed with a defined spatial resolution and maintaining the general criterion of reduced size and low cost.
  • the "spatial resolution defined” refers to the capture system 282 is able to determine a minimum defined particle size, that is around 4 microns on an inspection area of about 100mm 2.
  • Such resolution is achieved by optimizing various conditions, such as the area to be inspected, the size of the camera, its number of pixels and the characteristics of the lens 283 (mentioned below).
  • the module 28 and in general the complete system 10 must be small in size and be as compact as possible.
  • the image capture system 282 is a camera, more preferably a camera based on a CMOS sensor or CMOS detector (the CMOS sensor is the component of the camera that receives the image).
  • CMOS sensor is the component of the camera that receives the image.
  • CMOS detector is used to refer to camera 282.
  • the images captured by this camera are processed in the embedded processor 2851 of the electronic part 285.
  • the embedded processor 2851 is a DSP (Digital Signal Processor) device. This embedded processor 2851 is the one that for each image, analyzes if there are bubbles and particles and counts them according to the procedure described below.
  • DSP Digital Signal Processor
  • the processor is responsible for extracting the image from the CMOS and processing it. To do this, it has a buffer memory 2854 for further processing. In a possible embodiment, that buffer is an external DDR2 memory.
  • a lens 283, preferably a macro lens is placed in charge of transporting the image from the object to the camera 282, that is, it is responsible for that the camera 282 properly focuses on what is to be detected.
  • the lens allows you to focus objects on the light reactive element and be able to capture objects. The lens brings the light in a focused manner to the light receiving area.
  • optical window 287 Between the lens (macro lens) 283 and the conduit that collects the fluid flow 281 under inspection is another optical device or optical window 287 that is also placed by closing a hole made in the pipe through which the fluid 281 flows. This hole is opposite the hole described above (and closed by diffuser 286). This second optical window 287 also acts as a seal so that the fluid does not escape through the transverse hole. It is also a transparent material that lets light through.
  • the hole is preferably circular and the optical window 287 is also preferably.
  • window 287 is a calibration window comprising marks or patterns that allow its self-calibration (explained below). The marks are of determined size and thus it is possible to automatically calibrate the equipment avoiding errors or dispersions due to assembly or manufacturing.
  • An enlarged detail of the optical device or optical window 287 which includes two exemplary marks is illustrated in Figure 2.
  • the minimum particle size to discriminate is approximately 4 ⁇ .
  • the area to be captured in each image by the image capture system (CMOS detector) 282 must be such that it is capable of collecting particles of 4 ⁇ and greater.
  • the area to be captured is several square millimeters. In one example, said area to capture is 100mm 2 .
  • the maximum depth of field (range in which the lens 283 is capable of providing a focused image) is marked by the width of the oil passage of the mechanical microcell 280.
  • the measuring module or subsystem 28 comprises means from dissemination 286 of the inspected area. Thanks to the LEDs and these diffusion media, it is possible to obtain a homogeneous illumination throughout the inspected area.
  • Conventional oil monitoring systems do not homogenize the area under supervision, so particle detection is not optimal. The inventors have observed that, especially when white lighting is used, this homogenization is important for reliable results.
  • the video acquisition and processing subsystem (embedded image collector 282 and electronics 285 with embedded processor 2851) is responsible for acquiring and processing the video sequence delivered by camera 282 of the optical subsystem.
  • the power and accuracy of the sensor or measurement subsystem 28 is a direct result of the processing algorithms executed by this video acquisition and processing subsystem.
  • the electronic part 285 comprises, in addition to the embedded processor 2851, auxiliary systems (communication interface 2852, power supply 2853, memory 2854, temperature sensor 2855 ).
  • Reference 2856 indicates the electronic communication interface and power supply).
  • the video acquisition and processing subsystem is responsible for applying algorithms for the dimensional calibration of the measurement module 28.
  • the self-calibration is based on identifying some marks by means of the image capture system (CMOS detector) 282, of known size, made on the calibration window 287 in order to scale any identified image.
  • CMOS detector image capture system
  • Figure 3 schematically illustrates the self-calibration of the proposed measurement system.
  • the calculation of the size of the detected particles is the product of the entire configuration of the optical subsystem. It is known that manufacturing and assembly tolerances introduce a dispersion in the system approach, and consequently in the apparent size of the objects captured in the chamber.
  • This self-calibration is the result of applying some algorithms for identifying dimensions (explained below) to known shapes marked in the calibration window 287 and then applying that proportionality to all the dimensions calculated by the system.
  • This self-calibration allows to dampen the effects of mechanical and assembly tolerance on the size of the images of particles captured in the chamber.
  • Self-calibration allows, in comparison to conventional oil monitoring systems, to automatically compensate for these differences in the sizes of captured objects due to the dispersion of manufacturing and assembly. It also allows not having to dimensionally calibrate each of the equipment. In addition, it makes the system more robust to possible degradations occurred in the machine. In other words, the algorithm and self-calibration system impose the required accuracy of the system (4 ⁇ ) on the self-calibration marks and not on the entire micromechanical system, although in practice the result is equivalent to imposing those precision requirements on the entire system.
  • the particle detection and discrimination algorithm must, on the one hand, discriminate between bubble and particle, and count and classify particles by size. Optionally it also includes lighting / exposure control algorithms to improve detection sensitivity.
  • the particle detection and discrimination algorithm has the following stages:
  • this image is taken at medium resolution of the system and in grayscale.
  • Binarization of the dynamic threshold image (preferably based on the study of the mean and standard luminance deviation in different areas of the image).
  • Binary image conditioning preferably using the 2D dilation technique, which allows grouping scattered pixels and generating denser pixel concentrations.
  • bubbles Those areas that have clusters of pixels with holes are identified as bubbles because the raised lighting system causes the bubbles to be captured as circular objects with a very bright area inside its circumference due to the diffraction of the light occurred in the air contained by the bubble.
  • the size classification is preferably performed in the number of pixels of the highest value between the height and width of the pixel pool.
  • the particle size calculation is the product of the entire configuration of the optical subsystem. It is known that manufacturing and assembly tolerances introduce a dispersion in the system approach, and consequently in the apparent size of the objects captured in the image capture system. To correct this deviation, in a particular embodiment, a compensation for dimensional self-calibration of the measurement module 28 is applied. Basically the self-calibration is based on identifying, by means of the image capture system 282, marks, of known size, made on the optical device 287 in order to scale (apply that proportionality to) any identified image.
  • the autocalibration algorithm has the following stages:
  • this image is taken at medium resolution of the system and in grayscale.
  • Adjust the capture parameters preferably by applying the exposure time control of the image acquisition system 282 382 and LED current control 2857 to increase the contrast of the captured image until the optimal polarization of the system is found.
  • Figure 3 shows an exemplary embodiment of step f above:
  • the image acquisition system 382 captures one of the marks or patterns of the optical device 387. Since this mark has been intentionally made on the optical device 387, knows that its real dimensions are, for example, 1 00 ⁇ 200 ⁇ . On the other hand, the capture made by the image acquisition system 382 offers a size of the captured object of, for example, 12 pixel x 24 pixel. After the application of the corresponding processing and algorithm, it is established that the correction factor to be applied is 0.12 ⁇ / ⁇ .
  • the parameter of degradation of the fluid preferably oil
  • a discrimination is made to make a segmentation of the image and use only those 'clean' areas of particles and bubbles. In these segments, some colorimetry algorithms are applied. Because it is a study of color intensity, in this case a known lighting / exposure setting should be used, only corrected to balance the effect of temperature.
  • the algorithm for the calculation of the degradation parameter has the following stages:
  • C. Apply a particle and bubble detection and discrimination algorithm (DDC-PB) and extract the regions with pixel clusters and generate an image with those areas marked with a negative (nonexistent) value.
  • DDC-PB particle and bubble detection and discrimination algorithm
  • d. Perform a mean intensity of each of the channels or bands l R l B l G (transmittance in the red band, transmittance in the blue band and transmittance in the green band, respectively), making the sum of the value of each of the pixels divided by the number of pixels used for inspection.
  • CI n R +0.5 * I G +0.5 * I B , where Cl is the value of the fluid color index.
  • the invention is not limited to the specific embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, in terms of the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what follows from the claims.

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Abstract

Sistema (18, 28) para la inspección de un aceite, que comprende una celda (280) a través de la que fluye un aceite (281) a lo largo de un conducto. En el interior de dicha celda (280) el sistema comprende un sistema de iluminación (284) basado en al menos un diodo LED y configurado para hacer incidir sobre el flujo de aceite (281) un haz de luz blanca; un difusor (286) situado entre el sistema de iluminación (284) y el flujo de aceite (281), configurado para proporcionar una iluminación homogénea en el área iluminada; un sistema de captura de imágenes (282, 382) situado en el lado opuesto del conducto por el que fluye el aceite (281) con respecto al sistema de iluminación (284) y configurado para capturar una secuencia de imágenes del aceite que fluye por el interior de dicho conducto; una lente (283) situada entre el sistema de captura de imágenes (282) y el flujo de aceite (281), configurada para enfocar las imágenes capturadas; un dispositivo de calibración (287) situado entre la lente (283) y el flujo el aceite (281); un procesador (2851) configurado para procesar dicha secuencia de imágenes y determinar la presencia de partículas y burbujas y un valor de degradación del aceite.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DE MONITORIZACIÓN DE UN FLUIDO CAMPO TÉCNICO
La presente invención pertenece al campo de la monitorización de fluidos para determinar su estado general, tanto desde el punto de vista de degradación como de contenido de partículas. Más en concreto, pertenece al campo de la monitorización de aceites, en particular lubricantes, para obtener a partir de dicha monitorización el estado de degradación de los mismos, así como para obtener información de la maquinaria que esos aceites lubrican a partir de su contenido de partículas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La maquinaria industrial, ya sean motores o turbinas generadores de energía, compresores, multiplicadoras, etc. sufren paradas imprevistas y fallos, en muchos casos asociados a aspectos relacionados con la lubricación. La reducción de la vida de servicio de esta maquinaria industrial produce con frecuencia costos innecesarios de mantenimiento. Las metodologías actuales de medición Off-line' (análisis de muestras de aceite en laboratorio) no proporcionan una detección suficientemente temprana del proceso de degradación debido a la baja frecuencia con que habitualmente se toman las medidas. Además en muchos entornos (transporte, industrial, energía...) esta metodología de control implica una carga logística y económica significativa. Para hacer frente a este problema, se está tratando de desarrollar una nueva generación de sensores que sea capaz de realizar el análisis del estado de la máquina en tiempo real. La maquinaria crítica puede beneficiarse de un aumento de fiabilidad, reducción de costes de mantenimiento e identificación temprana de problemas mediante el uso de sensores inteligentes.
El aceite lubricante es uno de los componentes clave dentro de algunas de estas máquinas y aporta mucha información respecto al estado en el que se encuentra la máquina. El calentamiento del aceite, por ejemplo, puede ser indicativo de que la máquina no está operando en condiciones óptimas, y la existencia de partículas en el aceite puede indicar un fallo futuro o desgastes importantes en los componentes que están siendo lubricados. Incluso podría indicar la existencia de roturas o fallos en las juntas que permiten la entrada de contaminantes externos. Algunos de los parámetros que puede ser interesante monitorizar en un aceite lubricante son los siguientes: la determinación de partículas (por ejemplo su cuantificación, su clasificación por tamaño o la determinación de su forma), el contenido de burbujas en el sistema o la degradación del aceite en función del color. A continuación detallamos brevemente estos parámetros.
La determinación de partículas en los sistemas lubricados es un aspecto clave en muchos sectores y aplicaciones, ya que las partículas aportan información sobre el estado de la máquina que se está monitorizando. Es decir, la detección de partículas en el aceite es indicativo en muchos casos de una situación que generará un fallo futuro o rotura en la máquina, o la presencia de un fallo en filtros o juntas.
Actualmente, la mayoría de estos sistemas lubricados instalan soluciones de filtración que eliminan las partículas del sistema de lubricación. No obstante, los sistemas de filtración no actúan en la causa raíz del problema, sino que se limitan a reducir las consecuencias de la generación de partículas, cuya existencia en el sistema de lubricación puede acentuar la generación de problemas más graves. Por otro lado, los sistemas de filtrado presentan una serie de limitaciones: se pueden colmatar o saturar, no siendo capaces de eliminar más partículas.
Tradicionalmente se han utilizado técnicas de laboratorio para determinar la cantidad y tipo de partículas de desgaste existentes en un lubricante, así como su clasificación por tamaños. Posteriormente han ido apareciendo diferentes tecnologías para detección on-line de partículas, tales como:
Detectores por bloqueo de luz: Son sistemas que se basan en la disminución de intensidad recibida por los detectores cuando pasa una partícula por la celda de medida donde se está incidiendo un haz de luz. No se recoge imagen, sino que se observa esta reducción de luz, principalmente en alguna longitud de onda. No es posible determinar la forma de las partículas, pero sí su dimensión. El principal problema de estos sistemas es la presencia de agua o burbujas de aire, que se contabilizan como partículas. Detectores por bloqueo de poro: También utilizan detección óptica, pero sin recoger imagen. Pero antes de ello se hace pasar el aceite por una malla (10 mieras aprox.) para clasificarlo evitando la presencia de burbujas de agua y aire en el momento que se realiza la medida.
Detectores magnéticos/Eléctricos: Sensores que utilizan un principio magnético para detectar las partículas ferromagnéticas sobre el fluido, haciendo pasar el fluido por un campo magnético que varía con la presencia de partículas ferromagnéticas. Detectores por análisis de imagen: Realizan un análisis de la imagen, cuantificando el contenido de partículas por tamaño, por forma y por tipo, mediante un algoritmo de redes neuronales. Es de destacar, por ejemplo, un equipo de análisis que utiliza un sistema de captación de imágenes, junto con un sistema de iluminación láser y un potente software de procesamiento de imágenes instalado en un ordenador. Además también es capaz de identificar contaminantes, agua libre, fibras. El equipo cuantifica las partículas de desgaste con un tamaño entre 4-100 mieras, y la forma en partículas más grandes que 20 mieras. El análisis de las partículas en este rango es útil para la detección de fallos mecánicos en gran variedad de sistemas lubricados. En función de la forma, la partícula se clasifica en: a) corte; b) fatiga; c) deslizamiento; d) no metálicas.
A continuación se citan algunas patentes que describen detectores por análisis de imagen: Por ejemplo, la patente US5572320 describe un detector por análisis de imagen que incluye un sistema de iluminación basado en un láser pulsado. La detección se realiza mediante un array plano de fotodiodos sensibles a la luz o fototransistores. Sin embargo, el sistema de US5572320 no es capaz de discriminar la forma de las partículas. Además, la celda de medida de US5572320 consta de una parte móvil que hace posicionar el aceite en un determinado lugar, y esto complica el desarrollo y puede ser una importante fuente de errores.
A su vez, la patente US7385694B2 describe un detector por análisis de imagen que incluye un sistema de iluminación basado en un láser pulsado y una cámara para la toma de imágenes del aceite sometido a dicha iluminación. Sin embargo, el dispositivo de esta patente no permite realizar una iluminación homogénea sobre un área de inspección mayor al propio haz de luz. Además, el dispositivo necesita una bomba para bombear el fluido hasta la zona de medida. Otro de los parámetros que puede ser interesante monitorizar en un aceite lubricante es el contenido de burbujas en el sistema, ya que puede ser indicativo de la generación de espumas en el aceite y la retención de aire en el sistema, algo que no es deseable. Ambos deben ser controlados y reducidos al máximo para conseguir el funcionamiento óptimo del aceite dentro del sistema. Esto es crítico en sistemas como las multiplicadoras de las turbinas eólicas. Los niveles de espuma máximos aceptables para un aceite usado, según método ASTM-D892, no deben ser superiores a:
Figure imgf000006_0001
El contenido en aceite retenido no debe ser superior a 25% con respecto al aceite nuevo según ASTM-D3427.
Por último, la degradación del aceite en función del color es otro parámetro que puede ser interesante monitorizar en un aceite lubricante:
La degradación del aceite es un indicador clave de la calidad del aceite y de cómo cumple con su misión de lubricar. No da información de la máquina de manera directa, pero indirectamente con la velocidad de degradación se podría extraer información acerca del funcionamiento de la máquina. El proceso de degradación de un aceite sigue varios pasos totalmente conocidos: primero sufre una pérdida del contenido de aditivos, para después generarse compuestos ácidos, y para finalmente, cuando están en un proceso avanzado de degradación, comenzar con procesos de polimerización de estos compuestos ácidos que se generan. El porcentaje de constituyentes ácidos (en forma de aditivos en el caso de lubricantes nuevos y en forma de compuestos de oxidación en el caso de los lubricantes en servicio) se determina mediante técnicas analíticas. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención trata de resolver los inconvenientes mencionados anteriormente mediante un sistema para la inspección de un aceite, que comprende una celda a través de la que fluye un aceite a lo largo de un conducto. El sistema comprende en el interior de dicha celda: un sistema de iluminación basado en al menos un diodo LED y configurado para hacer incidir sobre el flujo de aceite un haz de luz blanca; un difusor situado entre el sistema de iluminación y el flujo de aceite, configurado para proporcionar una iluminación homogénea en el área iluminada; un sistema de captura de imágenes situado en el lado opuesto del conducto por el que fluye el aceite con respecto al sistema de iluminación y configurado para capturar una secuencia de imágenes del aceite que fluye por el interior de dicho conducto; una lente situada entre el sistema de captura de imágenes y el flujo de aceite, configurada para enfocar las imágenes capturadas; un dispositivo de calibración situado entre la lente y el flujo el aceite; un procesador configurado para procesar dicha secuencia de imágenes y determinar la presencia de partículas y burbujas y un valor de degradación del aceite.
Preferentemente, el sistema de iluminación comprende un sistema de control de la polarización del al menos un diodo LED configurado para evitar fluctuaciones de emisión debidas a cambios de temperatura.
Preferentemente, el difusor está situado cerrando y sellando un orificio hecho en el conducto por el que fluye el fluido. En una posible realización, el difusor es un cristal esmerilado.
Preferentemente el sistema de captura de imágenes es una cámara.
En una posible realización, el dispositivo de calibración situado entre la lente y el flujo de aceite comprende una pluralidad de marcas diseñadas para calibrar el sistema. Preferentemente el dispositivo de calibración está situado cerrando y sellando un orificio hecho en el conducto por el que fluye el aceite.
En otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método de autocalibración del sistema para la inspección de un aceite mencionado anteriormente, que comprende las etapas de:
-realizar en el dispositivo de calibración al menos una marca de dimensiones conocidas;
-capturar una imagen de un aceite mediante el sistema de adquisición de imágenes; -ajustar los parámetros de captura para aumentar el contraste de la imagen capturada hasta encontrar la polarización óptima del sistema;
-capturar una nueva imagen;
-binarizar dicha imagen con umbral dinámico;
-en dicha imagen, identificar la geometría de dicha al menos una marca;
-realizar la medida en horizontal y vertical del número de píxeles y aplicar una corrección respecto a sus tamaños reales;
-guardar esa corrección como medida de calibración para las medidas dimensionales absolutas obtenidas por el sistema durante su uso posterior. En otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método de detección y discriminación de partículas y burbujas en un aceite mediante el sistema para la inspección de un aceite descrito anteriormente, que comprende las etapas de:
-capturar una imagen de un aceite mediante el sistema de adquisición de imágenes; -ajustar los parámetros de captura para aumentar el contraste de la imagen capturada hasta encontrar la polarización óptima del sistema;
-capturar una nueva imagen;
-binarizar dicha imagen con umbral dinámico;
-acondicionar la imagen binaria;
-detectar los objetos que son considerados burbujas o partículas mediante la aplicación de técnicas para la búsqueda de componentes conectados o detección e identificación dimensional de agrupaciones de píxeles;
-para discriminar entre burbuja y partícula:
-aplicar una inversión de la imagen binaria en aquellas regiones en las que se han detectado potenciales partículas o burbujas;
-aplicar un acondicionamiento basado en dilatación a esas regiones de interés invertidas;
-aplicar en esas zonas técnicas de detección de componentes conectados para detectar agujeros en las agrupaciones de píxeles originales, identificando como burbujas aquellas zonas que presenten agrupaciones de píxeles con agujeros, e identificando como partículas aquellas agrupaciones de píxeles detectadas sin agujero interior;
-a partir de las agrupaciones de píxeles, contar y calcular el tamaño de las burbujas y partículas, donde el cálculo de dicho tamaño comprende aplicar a esos píxeles la corrección dimensional obtenida en el método de autocalibración descrito
anteriormente.
En otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método de obtención de un parámetro de degradación de un aceite mediante el sistema para la inspección de un aceite descrito anteriormente, que comprende las etapas de:
-aplicar al sistema de iluminación del sistema descrito anteriormente, un algoritmo de compensación de la temperatura;
-capturar una imagen de un aceite con los tres canales de color -rojo verde azul- mediante el sistema de adquisición de imágenes del sistema;
-extraer de dicha imagen las regiones con agrupaciones de píxeles y generar una imagen con esas zonas marcadas con un valor negativo;
-realizar una medida de la transmitancia en la banda del rojo lR, transmitancia en la banda del azul lB y transmitancia en la banda del verde lG, realizando el sumatorio del valor de cada uno de los píxeles dividido por el número de píxeles utilizado para la inspección;
-aplicar un algoritmo para obtener un parámetro de degradación a partir de dichos tres canales de color.
Preferentemente, dicha obtención de un parámetro de degradación a partir de dichos tres canales de color se obtiene a partir de la fórmula Cl=1 *IR +0,5*IG +0,5*IB, donde Cl es el valor del índice de color del aceite.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La figura 1 representa un esquema general del sistema de monitorización de la invención.
La figura 2 muestra un esquema del módulo de medida de acuerdo con una posible realización de la invención.
La figura 3 ilustra esquemáticamente un método de autocalibración del sistema de medida, de acuerdo con una posible realización de la invención.
DESCRIPCIÓN DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
La figura 1 representa un esquema general del sistema de monitorización o inspección de la invención. El sistema está compuesto por una serie de subsistemas conectados entre sí y contenidos en un recipiente o contenedor 10. Los subsistemas son los siguientes:
Un subsistema de acondicionamiento hidráulico, formado por componentes para el control de caudal 12, control de flujo de aceite mediante electroválvulas 1 1 19, control de presión 13, filtro de seguridad 14 y la canalización de entrada 15i y de salida 15o. La lectura y operación de los elementos hidráulicos activos se realiza desde el subsistema electrónico 16. Es de destacar que el subsistema de acondicionamiento hidráulico no incluye ninguna bomba, a diferencia del sistema descrito en US7385694B2. En una realización preferente, el sistema de la invención está diseñado para ser instalado en un by-pass de un sistema de lubricación de cierta maquinaria. La instalación aprovecha la diferencia de presiones para que el fluido vaya circulando hasta llegar al módulo de medida 18 en el que se va a realizar la inspección del aceite. Un subsistema electrónico, compuesto por una plataforma de electrónica embebida 16 para la gestión de todos los subsistemas activos y gestión de canales de datos. Esta plataforma de electrónica embebida 16 realiza la gestión global de la información y control de los subsistemas hidráulicos y de medida. Adicionalmente se consideran parte de este subsistema la conectrónica interna y externa y el sistema de alimentación 17.
Un subsistema sensor o subsistema de medida 18, que representa el subsistema donde se realiza la medida y que se describe en detalle más adelante. El módulo de medida 18 entrega los valores de las medidas totalmente válidos y sin necesidad de ser procesados. El contenedor y sistema de anclaje 10 que incorpora las conexiones hidráulicas y eléctricas al exterior y el sistema de anclaje (no ilustrado en la figura 1 ) al lugar destino de instalación. El sistema 10 está diseñado específicamente para su integración directa en los sistemas de lubricación de maquinaria pero sin afectar a las condiciones de funcionamiento del mismo. Esto se consigue mediante los subsistemas hidráulicos del sensor que permiten realizar muéstreos controlados y con bajo contenido de lubricante. El contenedor y sistema de anclaje 10 alberga e integra los diferentes elementos de manera adecuada y permite la comunicación con el exterior para la entrada y salida del fluido, a través de las respectivas entrada 15i y salida 15o (pues la medida se realiza en el subsistema de medida 18) y proporciona las interfaces de comunicación y alimentación 17 para poder llevar los resultados del sensor a la máquina en cuestión o a donde se desee. Los subsistemas hidráulicos permiten a su vez acondicionar el fluido a medir, con lo cual reducen los efectos de factores o condiciones externas en el resultado final. El sistema también se ha desarrollado para evitar la influencia de factores ambientales como los cambios de temperatura. En este sentido, el sistema sensor dispone de medidores de temperatura que accionan la intensidad del emisor de luz y evitan así diferencias de emisión relacionadas con los cambios de temperatura.
Como puede observarse en la figura 1 , el fluido accede al contenedor 10 a través de la entrada 15i. El flujo de fluido sigue el sentido de la flecha de trazo discontinuo. El fluido circula en el interior del contenedor 10 por medios de conducción apropiados, tales como tuberías. Mediante los racores de entrada y salida y los subsistemas se consigue realizar un muestreo representativo del fluido (por ejemplo, aceite) y acondicionarlo para obtener medidas representativas de su estado real.
El control de flujo 12 permite obtener un caudal fijo en el sistema que hace que se pueda saber la cantidad de fluido que se está midiendo y así poder obtener la concentración de partículas en el mismo. Es decir, el control de flujo 12 permite dar valores de, por ejemplo, 100 partículas por mililitro. Si no, solo se podría decir que se han detectado 100 partículas, en términos absolutos. Opcionalmente puede haber un filtro de seguridad o filtro con control de presión 14 que sirve para evitar que entren partículas de gran tamaño en el módulo de medida 18, que puedan dañar o ensuciar las ventanas del módulo e incluso asegurar que no se obture el sistema con partículas grandes. El conmutador de presión 13 es un sistema de presión que asegura que existe presión en el sistema y asegurar así que hay flujo de fluido (por ejemplo, de aceite). Se trata por tanto de un conmutador de presión para identificar bajas presiones. Se trata de que las máquinas donde se instala el sensor (módulo 18) no están continuamente operando, y cuando están paradas no hay presión de aceite, con lo cual no hay entrada de aceite en el sensor, por lo que la medida que eventualmente se realiza no es representativa, porque no se está midiendo aceite. Con el conmutador de presión 13 se detecta cuándo hay presión y cuándo no la hay, para validar la realización de una medida y así asegurar que se está midiendo el aceite y no aire. Tanto la electroválvula de entrada 1 1 como la electroválvula de salida 19 realizan la función de dejar pasar o cerrar el paso del aceite. Cuando la electroválvula está en estado ΌΝ", el sistema está abierto para que pase el aceite; y cuando la electroválvula está en estado "OFF", el sistema está cerrado y no hay paso de aceite. Esto se realiza para que no esté continuamente el aceite fluyendo por el sistema, por dos motivos importantes: (1 ) realizar muéstreos controlados e interferir lo mínimo sobre los sistemas de lubricación de la máquina; (2) asegurar que los subsistemas hidráulicos no se vean afectados por suciedad que pueda generar el paso continuado de fluido. Las flechas ON/OFF indican con respecto a los componentes junto a los que aparecen en la figura 1 , que estos componentes son controlados mediante la electrónica. En concreto, en las electroválvulas 1 1 19 las flechas ON/OFF indican apertura y cierre del paso del aceite; y en el conmutador de presión 13 y filtro 14 las flechas ON/OFF dan una indicación de nivel de presión en el sistema. El conmutador de presión 13 está en estado "ON" cuando pasa de un valor de presión determinado y así se da por bueno que ha entrado aceite; en el filtro 14, el control de presión que incorpora asegura que el aceite no pase de un valor máximo de presión.
La figura 2 representa un esquema del subsistema de medida o subsistema sensor de la invención (subsistema 18 en la figura 1 ). Este módulo o subsistema de medida 28 se ha concebido como un subsistema autónomo con una operación totalmente independiente, que entrega medidas auto interpretables, calibradas y corregidas para todo el rango de operación definido. Como se detalla a continuación, el subsistema de medida 28 opera sobre una celda micro-mecánica 280 a través de la que circula el fluido 281 bajo supervisión. En una realización preferente, este fluido es un aceite, más preferentemente un aceite lubricante. El fluido 281 es conducido en el interior de unos medios de conducción, como por ejemplo una tubería.
El módulo o subsistema de medida 28 comprende una parte óptica y una parte electrónica (o subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo). Como puede observarse, este subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo es una electrónica independiente de la plataforma de electrónica embebida 16 del sistema completo. La primera se encuentra en el interior del módulo de medida 18 28, mientras que la segunda es un módulo 16 ajeno al módulo de medida. Este subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo realiza las actividades relacionadas con las medidas, entre otras cosas. El subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo está formado por un sistema de captura de imágenes embebido 282 y por una electrónica 285 que comprende un procesador embebido 2851 . El subsistema de medida 28 está basado en un sistema de medida de visión artificial embebido, donde mediante un sistema de captura de imágenes 282 se captura una secuencia de vídeo que es procesada en un procesador embebido 2851 . El procesado tiene como objetivo determinar la presencia de partículas y/o burbujas y el valor de degradación del fluido (por ejemplo, aceite) (OD). La flecha entre el sistema de captura de imágenes 282 y el procesador embebido 2851 esquematiza las líneas de control y datos del vídeo.
En una posible realización, se usa un sistema de adquisición y procesamiento de 4 frames/segundo (4FPS). Por ejemplo, puede usarse un detector de Omnivision con cámara de 14 megapíxeles. La parte óptica comprende un sistema de iluminación 284 para someter el flujo de fluido 281 a un haz de luz y un sistema de captura de imágenes 282 para capturar una secuencia de vídeo que será a continuación procesada en un procesador embebido 2851 de la parte electrónica 285. En una realización preferente, el procesador embebido 2851 es un dispositivo DSP (del inglés Digital Signal Processor) . El sistema de iluminación 284 está diseñado para hacer incidir sobre el fluido un haz de luz blanca. Preferentemente, el sistema de iluminación está basado en uno o más diodos LED que iluminan de forma continua el flujo 281 que circula a través de la celda micro-mecánica 280. Es decir, preferentemente el sistema de iluminación es un emisor LED 284. Preferentemente, el sistema de emisión 284 dispone de un sistema de control (control en lazo cerrado) de la polarización del emisor LED basado en cambios de temperatura que evitan fluctuaciones de emisión debidas a dichos cambios de temperatura. Como un experto en la materia sabe, al subir la temperatura se produce una disminución de la emisión de los LEDs debido a un descenso de la eficiencia de los fotones. Mediante este control, si aumenta la temperatura se incrementa la potencia para que la luz aparente emitida se mantenga constante. En una posible realización, el sistema de iluminación 284 comprende también un fotodiodo en las proximidades de la zona de iluminación para calcular el error de ese lazo cerrado. El procesador embebido 2851 controla al sistema de iluminación 284, a través de señales de control de LED y datos de compensación 2857.
Entre el sistema de iluminación 284 (preferentemente emisor LED) y el flujo de fluido 281 (que circula por el interior de una tubería), se sitúa un difusor 286 cuya misión principal es la difusión de la cantidad de luz emitida por el sistema de iluminación 284 para obtener una iluminación homogénea en toda el área (cantidad de fluido, preferentemente aceite) que se inspecciona. En una realización preferente, el difusor 286 es una ventana. Al difusor 286 se le llama "ventana" por ser el elemento que da acceso visual al fluido bajo inspección. Gracias a este difusor 286 es posible iluminar de manera homogénea el área bajo inspección.
El difusor (ventana difusor) 286 se coloca cerrando un orificio hecho en la tubería por la que fluye el fluido 281 . Es decir, el fluido (aceite) pasa por la tubería o conducto, pero transversalmente al avance del fluido se realiza un orificio que es por donde se va a inspeccionar y medir el fluido. El orificio es preferentemente circular y la ventana difusor 286 también lo es preferentemente. Este difusor 286 evita que el fluido (aceite) salga por los orificios realizados. Esta ventana 286 hace de sellado para que el fluido no se escape por el orificio transversal. El difusor 286 es además de un material transparente que deja pasar la luz. Así el sistema de iluminación 284 puede iluminar adecuadamente el fluido, y mediante el sistema de detección 282 es posible visualizar esta zona y recoger la imagen del fluido. En una realización particular, la ventana 286 es un cristal, por ejemplo un cristal esmerilado.
La luz que no es absorbida por el fluido se recoge mediante un detector (por ejemplo, un fotodiodo o array de fotodiodos). En un sistema de inspección por visión artificial, al utilizar iluminación trasera, el elemento receptor óptico (el array 2D de fotodiodos) recoge la luz que atraviesa el flujo de fluido (por ejemplo, aceite).
Opuesto al sistema de iluminación 284 (emisor LED), al otro lado de la tubería por la que circula el flujo 281 , se sitúa un sistema de captura de imágenes 282 para la captura de las secuencia de vídeo (que no es sino un tren de imágenes) de la zona de interés del paso del fluido (preferentemente aceite). Esta captura de imágenes se realiza con una resolución espacial definida y manteniendo el criterio general de reducido tamaño y bajo coste. En otras palabras, la "resolución espacial definida" se refiere a que el sistema de captura 282 es capaz de determinar un tamaño mínimo de partículas definido, que ronda las 4 mieras sobre un área de inspección de alrededor de 100mm2. Tal resolución se consigue optimizando varias condiciones, como el área que se desea inspeccionar, el tamaño de la cámara, su número de pixels y las características de la lente 283 (que se menciona a continuación). El módulo 28 y en general el sistema completo 10 deben tener tamaño reducido y ser lo más compactos posible.
En una realización preferente, el sistema de captura de imágenes 282 es una cámara, más preferentemente una cámara basada en sensor CMOS o detector CMOS (el sensor CMOS es el componente de la cámara que recibe la imagen). Así, una cámara CMOS tiene un array 2D de fotorreceptores fabricados con tecnología CMOS. Por eso, en ocasiones en este texto se utiliza la expresión "sensor CMOS" o "detector CMOS" para referirnos a la cámara 282. Las imágenes captadas por esta cámara se procesan en el procesador embebido 2851 de la parte electrónica 285. En una realización preferente, el procesador embebido 2851 es un dispositivo DSP (del inglés Digital Signal Processor). Este procesador embebido 2851 es el que para cada imagen, analiza si hay burbujas y partículas y las cuenta de acuerdo con el procedimiento descrito más adelante. Es decir, el procesador se encarga de extraer la imagen del CMOS y procesarla. Para ello, tiene una memoria intermedia 2854 para un posterior procesado. En una posible realización, esa memoria intermedia es una memoria externa DDR2. Entre el sistema de captura de imágenes (detector CMOS) 282 y el flujo de fluido 281 bajo inspección se sitúa una lente 283, preferentemente una macrolente, encargada de transportar la imagen desde el objeto hasta la cámara 282, es decir, es la encargada de que la cámara 282 enfoque de manera adecuada lo que se quiere detectar. La lente permite enfocar objetos en el elemento reactivo a la luz y poder capturar objetos. La lente lleva la luz de manera enfocada al área receptora de luz.
Entre la lente (macro lente) 283 y el conducto que recoge el flujo de fluido 281 bajo inspección se sitúa otro dispositivo óptico o ventana óptica 287 que también se coloca cerrando un orificio hecho en la tubería por la que fluye el fluido 281 . Este orificio está opuesto al orificio antes descrito (y cerrado por el difusor 286). Esta segunda ventana óptica 287 también hace de sellado para que el fluido no se escape por el orificio transversal. También es de un material transparente que deja pasar la luz. El orificio es preferentemente circular y la ventana óptica 287 también lo es preferentemente. Preferentemente la ventana 287 es una ventana de calibración que comprende unas marcas o patrones que permiten su autocalibración (que se explica más adelante). Las marcas son de tamaño determinado y así es posible calibrar automáticamente el equipo evitando errores o dispersiones debidas a montaje o fabricación. En la figura 2 se ilustra un detalle ampliado del dispositivo óptico o ventana óptica 287 que incluye dos marcas a modo de ejemplo.
El tamaño de la partícula mínima que se debe discriminar es de aproximadamente 4μηι. El área a capturar en cada imagen por el sistema de captura de imágenes (detector CMOS) 282 debe ser tal que sea capaz de recoger partículas de 4 μπι y mayores. En una realización preferente, el área a capturar es de varios milímetros cuadrados. En un ejemplo, dicha área a capturar es de 100mm2. Por otro lado, se desea que la distancia entre objeto (plano de paso del fluido bajo inspección) y el detector CMOS 282 sea lo mínima posible y no supere los aproximadamente 100mm, para que el sistema sea lo más compacto y pequeño posible. La profundidad de campo (rango en el cual la lente 283 es capaz de ofrecer una imagen enfocada) máxima está marcada por la anchura del paso de aceite de la microcelda mecánica 280. Como se ha explicado, el módulo o subsistema de medida 28 comprende medios de difusión 286 del área inspeccionada. Gracias a los diodos LED y a estos medios de difusión, se permite obtener una iluminación homogénea en toda el área inspeccionada. Los sistemas de supervisión de aceites convencionales no homogeneizan el área bajo supervisión, por lo que la detección de partículas no es óptima. Los inventores han observado que, especialmente cuando se utiliza iluminación blanca, esta homogenización es importante para obtener resultados fiables.
El subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo (captador de imágenes embebido 282 y electrónica 285 con procesador embebido 2851 ) es el encargado de adquirir y procesar la secuencia de vídeo entregada por la cámara 282 del subsistema óptico. La potencia y precisión del subsistema sensor o de medida 28 es resultado directo de los algoritmos de procesamiento ejecutados por este subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo.
En la figura 2, la parte electrónica 285 comprende, además del procesador embebido 2851 , unos sistemas auxiliares (interfaz de comunicación 2852, fuente de alimentación 2853, memoria 2854, sensor de temperatura 2855...). La referencia 2856 indica la interfaz electrónica de comunicación y fuente de alimentación). Además, hay una parte software, formada por el grupo de algoritmos encargados de realizar la detección y clasificación de partículas, detección de burbujas y determinación de la degradación.
En una realización particular, el subsistema de adquisición y procesamiento de vídeo se encarga de aplicar algoritmos para la calibración dimensional del módulo de medida 28. Básicamente la autocalibración se basa en identificar mediante el sistema de captura de imágenes (detector CMOS) 282 unas marcas, de tamaño conocido, realizadas sobre la ventana de calibración 287 para así poder escalar cualquier imagen identificada. Un ejemplo de estas marcas se muestra en el detalle de la ventana de calibración 287 de la figura 2. Aunque esto se explica en detalle más adelante, la figura 3 ilustra esquemáticamente la autocalibración del sistema de medida propuesta. El cálculo del tamaño de las partículas detectadas es producto de toda la configuración del subsistema óptico. Es conocido que las tolerancias de fabricación y montaje introducen una dispersión en el enfoque del sistema, y por consiguiente en el tamaño aparente de los objetos capturados en la cámara. Para corregir esa desviación, se aplica una compensación por autocalibración dimensional del módulo. Esta autocalibración es el resultado de aplicar unos algoritmos de identificación de dimensiones (que se explican más adelante) a unas formas conocidas marcadas en la ventana de calibración 287 y luego aplicar esa proporcionalidad a todas las dimensiones calculadas por el sistema.
Los inventores han observado que esta autocalibración permite amortiguar los efectos de la tolerancia mecánica y de montaje en el tamaño de las imágenes de partículas capturados en la cámara. La autocalibración permite, frente a sistemas de supervisión de aceite convencionales, compensar automáticamente esas diferencias en los tamaños de los objetos capturados debido a la dispersión de fabricación y montaje. También permite no tener que calibrar dimensionalmente cada uno de los equipos. Además, hace al sistema más robusto a posibles degradaciones ocurridas en máquina. En otras palabras, el algoritmo y sistema de autocalibración imponen la precisión requerida del sistema (4μηι) a las marcas de autocalibrado y no en todo el sistema micromecánico, aunque en la práctica el resultado equivalga a imponer esos requisitos de precisión en todo el sistema.
A continuación se describen los diferentes algoritmos y procedimientos de la invención, para la detección y clasificación de partículas, degradación del fluido (aceite), y otros:
Algoritmo de Detección, discriminación v clasificación de partículas v burbujas (DDC- PB)
El algoritmo de detección y discriminación de partículas, debe por un lado discriminar entre burbuja y partícula, y contar y clasificar las partículas por tamaño. Opcionalmente comprende también algoritmos de control de iluminación/exposición para mejorar la sensibilidad de detección. El algoritmo de detección y discriminación de las partículas tiene las siguientes etapas:
a. Capturar una imagen con el sistema de adquisición de imágenes 282 382.
Preferentemente esta imagen se toma a resolución media del sistema y en escala de grises.
b. Ajustar los parámetros de captura, preferentemente mediante la aplicación de control de tiempo de exposición del sistema de adquisición de imágenes 282 382 y control de corriente de LED 2857 para aumentar el contraste de la imagen capturada hasta encontrar la polarización óptima del sistema. c. Una vez ajustados los parámetros de captura, capturar una nueva imagen, preferentemente con resolución máxima en escala de grises.
d. Binarización de la imagen con umbral dinámico (basado preferentemente en el estudio de la media y la desviación estándar de luminancia en distintas zonas de la imagen).
e. Acondicionamiento de la imagen binaria, preferentemente mediante la técnica de dilatación 2D, que permite agrupar pixeles dispersos y generar concentraciones de pixeles más densas.
f. Aplicación de técnicas para la búsqueda de componentes conectados o detección e identificación dimensional de agrupaciones de pixeles.
Mediante esta técnica se detectan los objetos que son considerados burbujas o partículas. A partir de este punto se aplican los métodos de discriminación entre burbuja y partícula.
g. Aplicar una inversión de la imagen binaria en aquellas regiones en las que se han detectado objetos (potenciales partículas o burbujas).
h. Aplicar un acondicionamiento basado en dilatación a esas regiones de interés invertidas.
i. Aplicar en esas zonas las mismas técnicas de detección de componentes conectados. En este caso se están detectando agujeros en las agrupaciones de pixeles originales.
j. Aquellas zonas que presenten agrupaciones de pixeles con agujeros son identificadas como burbujas debido a que el sistema de iluminación planteado hace que las burbujas se capturen como objetos circulares con una zona muy brillante en el interior de su circunferencia debido a la difracción de la luz ocurrida en el aire contenido por la burbuja.
k. Por lo tanto, aquellas agrupaciones de pixeles detectadas sin agujero interior se consideran partículas.
I. A continuación, contar y clasificar las burbujas y partículas. La clasificación de tamaño se realiza preferentemente en número de pixeles del valor más alto entre la altura y anchura de la agrupación de pixeles.
m. Para finalizar, en cuanto al cálculo del tamaño real de las partículas y la entrega de un valor normalizado en base a clasificación estándar, aplicar a esos tamaños en pixeles la corrección dimensional entregada por el algoritmo de autocalibración dimensional (ver siguiente punto). Autocalibración Dimensional (ACD)
El cálculo del tamaño de las partículas es producto de toda la configuración del subsistema óptico. Es conocido que las tolerancias de fabricación y montaje introducen una dispersión en el enfoque del sistema, y por consiguiente en el tamaño aparente de los objetos capturados en el sistema de captura de imágenes. Para corregir esa desviación, en una realización particular se aplica una compensación por autocalibración dimensional del módulo de medida 28. Básicamente la autocalibración se basa en identificar mediante el sistema de captura de imágenes 282 unas marcas, de tamaño conocido, realizadas sobre el dispositivo óptico 287 para así poder escalar (aplicar esa proporcionalidad a) cualquier imagen identificada.
El algoritmo de autocalibración presenta las siguientes etapas:
a. Capturar una imagen con el sistema de adquisición de imágenes 282 382. Preferentemente esta imagen se toma a resolución media del sistema y en escala de grises.
b. Ajustar los parámetros de captura, preferentemente mediante la aplicación de control de tiempo de exposición del sistema de adquisición de imágenes 282 382 y control de corriente de LED 2857 para aumentar el contraste de la imagen capturada hasta encontrar la polarización óptima del sistema.
c. Una vez ajustados los parámetros de captura, capturar una nueva imagen preferentemente con resolución máxima en escala de grises. d. Binarización de la imagen con umbral dinámico (basado preferentemente en el estudio de la media y la desviación estándar de luminancia en distintas zonas de la imagen).
e. Identificar la geometría de cada forma patrón, mediante la aplicación de técnicas de clasificación de las áreas encontradas (las marcas de tamaño conocido realizadas sobre la ventana 287) teniendo en cuenta el tamaño y las características de forma, tales como la longitud, circularidad, compacidad, redondez, rectangularidad, u otros. f. Una vez identificadas las geometrías de las formas patrón, realizar la medida en horizontal y vertical del número de píxeles y aplicar una corrección respecto a sus tamaños reales en micrómetros. g. Utilizar esa corrección como medida de calibración de todas las medidas dimensionales absolutas entregadas por el sistema durante su uso posterior.
La figura 3 muestra un ejemplo de ejecución de la etapa f anterior: El sistema de adquisición de imágenes 382 hace una captura de una de las marcas o patrones del dispositivo óptico 387. Como esta marca se ha hecho intencionadamente en el dispositivo óptico 387, se sabe que sus dimensiones reales son, por ejemplo, 1 00μηιχ200μΓΤΐ. Por otra parte, la captura realizada por el sistema de adquisición de imágenes 382 ofrece un tamaño del objeto capturado de, por ejemplo, 12píxel x 24píxel. Tras la aplicación del procesado y algoritmo correspondiente, se establece que el factor corrector que se debe aplicar es de 0,12 ρίχβΙ/μηι.
Algoritmo de cálculo del parámetro de degradación del aceite (OD)
Para el cálculo del parámetro de degradación del fluido (preferentemente aceite) se realiza una discriminación para hacer una segmentación de la imagen y utilizar sólo aquellas zonas 'limpias' de partículas y de burbujas. En esos segmentos se aplican unos algoritmos de colorimetría. Debido a que es un estudio de intensidad de color, en este caso se debe utilizar una configuración de iluminación/exposición conocida, solamente corregida para equilibrar el efecto de la temperatura. El algoritmo para el cálculo del parámetro de degradación presenta las siguientes etapas:
a. Aplicar un algoritmo de compensación de la temperatura del sistema de iluminación.
b. Capturar una imagen preferentemente a resolución media con los tres canales de color (RGB).
c. Aplicar un algoritmo de detección y discriminación de partículas y burbujas (DDC-PB) y extraer las regiones con agrupaciones de píxeles y generar una imagen con esas zonas marcadas con un valor negativo (inexistente). d. Realizar una media de intensidad de cada uno de los canales o bandas lR lB lG (transmitancia en la banda del rojo, transmitancia en la banda del azul y transmitancia en la banda del verde, respectivamente), realizando el sumatorio del valor de cada uno de los píxeles dividido por el número de píxeles utilizado para la inspección. e. Aplicar un algoritmo para obtener un parámetro de degradación a partir de los tres canales de color RGB. En una realización preferente, aplicar la siguiente fórmula: CI=nR +0,5*IG +0,5*IB, donde Cl es el valor del índice de color del fluido.
No todos los procesamientos deben realizarse en el mismo ciclo, de manera que los requisitos de tiempo de respuesta se relajan. En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Un sistema (18, 28) para la inspección de un aceite, que comprende una celda (280) a través de la que fluye un aceite (281 ) a lo largo de un conducto, estando el sistema (18, 28) caracterizado por que comprende en el interior de dicha celda (280):
un sistema de iluminación (284) basado en al menos un diodo LED y configurado para hacer incidir sobre el flujo de aceite (281 ) un haz de luz blanca;
un difusor (286) situado entre el sistema de iluminación (284) y el flujo de aceite (281 ), configurado para proporcionar una iluminación homogénea en el área iluminada;
un sistema de captura de imágenes (282, 382) situado en el lado opuesto del conducto por el que fluye el aceite (281 ) con respecto al sistema de iluminación (284) y configurado para capturar una secuencia de imágenes del aceite que fluye por el interior de dicho conducto;
una lente (283) situada entre el sistema de captura de imágenes (282) y el flujo de aceite (281 ), configurada para enfocar las imágenes capturadas;
un dispositivo de calibración (287) situado entre la lente (283) y el flujo el aceite (281 ); un procesador (2851 ) configurado para procesar dicha secuencia de imágenes y determinar la presencia de partículas y burbujas y un valor de degradación del aceite.
2. El sistema (18, 28) de la reivindicación 1 , donde dicho sistema de iluminación (284) comprende un sistema de control de la polarización del al menos un diodo LED configurado para evitar fluctuaciones de emisión debidas a cambios de temperatura.
3. El sistema (18, 28) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho difusor (286) está situado cerrando y sellando un orificio hecho en el conducto por el que fluye el fluido (281 ).
4. El sistema (18, 28) de la reivindicación 3, donde dicho difusor (286) es un cristal esmerilado.
5. El sistema (18, 28) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sistema de captura de imágenes (282, 382) es una cámara.
6. El sistema (18, 28) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho dispositivo de calibración (287) situado entre la lente (283) y el flujo el aceite (281 ) comprende una pluralidad de marcas diseñadas para calibrar el sistema.
7. El sistema (18, 28) de la reivindicación 6, donde dicho dispositivo de calibración (287) está situado cerrando y sellando un orificio hecho en el conducto por el que fluye el aceite (281 ).
8. Un método de autocalibración del sistema (18, 28) para la inspección de un aceite según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las etapas de: -realizar en el dispositivo de calibración (287) al menos una marca de dimensiones conocidas;
-capturar una imagen de un aceite mediante el sistema de adquisición de imágenes (282, 382);
-ajustar los parámetros de captura para aumentar el contraste de la imagen capturada hasta encontrar la polarización óptima del sistema;
-capturar una nueva imagen;
-binarizar dicha imagen con umbral dinámico;
-en dicha imagen, identificar la geometría de dicha al menos una marca;
-realizar la medida en horizontal y vertical del número de píxeles y aplicar una corrección respecto a sus tamaños reales;
-guardar esa corrección como medida de calibración para las medidas dimensionales absolutas obtenidas por el sistema (18, 28) durante su uso posterior.
9. Un método de detección y discriminación de partículas y burbujas en un aceite mediante el sistema (18, 28) para la inspección de un aceite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende las etapas de:
-capturar una imagen de un aceite mediante el sistema de adquisición de imágenes (282, 382);
-ajustar los parámetros de captura para aumentar el contraste de la imagen capturada hasta encontrar la polarización óptima del sistema;
-capturar una nueva imagen;
-binarizar dicha imagen con umbral dinámico;
-acondicionar la imagen binaria;
-detectar los objetos que son considerados burbujas o partículas mediante la aplicación de técnicas para la búsqueda de componentes conectados o detección e identificación dimensional de agrupaciones de píxeles; -para discriminar entre burbuja y partícula:
-aplicar una inversión de la imagen binaria en aquellas regiones en las que se han detectado potenciales partículas o burbujas;
-aplicar un acondicionamiento basado en dilatación a esas regiones de interés invertidas;
-aplicar en esas zonas técnicas de detección de componentes conectados para detectar agujeros en las agrupaciones de pixeles originales, identificando como burbujas aquellas zonas que presenten agrupaciones de pixeles con agujeros, e identificando como partículas aquellas agrupaciones de pixeles detectadas sin agujero interior;
-a partir de las agrupaciones de pixeles, contar y calcular el tamaño de las burbujas y partículas, donde el cálculo de dicho tamaño comprende aplicar a esos pixeles la corrección dimensional obtenida en el método de autocalibración de la reivindicación 8.
10. Un método de obtención de un parámetro de degradación de un aceite mediante el sistema (18, 28) para la inspección de un aceite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende las etapas de:
-aplicar al sistema de iluminación (284) del sistema (18, 28) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, un algoritmo de compensación de la temperatura;
-capturar una imagen de un aceite con los tres canales de color -rojo verde azul- mediante el sistema de adquisición de imágenes (282, 382) del sistema (18, 28);
-extraer de dicha imagen las regiones con agrupaciones de pixeles y generar una imagen con esas zonas marcadas con un valor negativo;
-realizar una medida de la transmitancia en la banda del rojo lR, transmitancia en la banda del azul lB y transmitancia en la banda del verde lG, realizando el sumatorio del valor de cada uno de los pixeles dividido por el número de pixeles utilizado para la inspección;
-aplicar un algoritmo para obtener un parámetro de degradación a partir de dichos tres canales de color.
1 1 . El método de la reivindicación 10, donde dicha obtención de un parámetro de degradación a partir de dichos tres canales de color se obtiene a partir de la fórmula CI=nR +0,5*IG +0,5*IB, donde Cl es el valor del índice de color del aceite.
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