(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に非磁性の導管８の中の流路１１を通る流体９により運ばれる、金属粒子１２を検出する用途のセンサー１であって、導管８を通って流れる流体９により運ばれる金属粒子１２にコイル２を磁気的に結合するために該センサー１に使用され、前記流路１１を囲む複数の巻き３、４、５、６、７を有する誘導コイル２と、前記流路１１と誘導コイル２との間に導電性材料のスクリーン１４とを有し、前記コイル２がスクリーン１４から電気的に絶縁され、該スクリーン１４がコイル２から流路１１の内容物を電気容量的に実質的に絶縁するように形成され、配置されていて、該スクリーン１４には、少なくとも１つの隙間１５が設けられ、該隙間１５は、コイルの軸（Ｘ）に大体平行に、かつ該スクリーン１４の対向端部１６、１７の間に延びていることからなるセンサー。
【請求項２】
スクリーン１４が電気的に接地される請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
誘導コイル２の能動的なスクリーニングとなるように電気回路からの電圧信号がスクリーン１４に印加される請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
スクリーン１４と誘導コイル２の間の電位差が実質的に一定であるように一定の電圧がスクリーン１４に印加される請求項３に記載のセンサー。
【請求項５】
スクリーン１４の導電性材料が非磁性である請求項１から４のいずれかに記載のセンサー。
【請求項６】
スクリーン１４が箔形状の金属シートにより構成される請求項１から５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項７】
スクリーン１４が銅箔の薄いシートにより構成される請求項６に記載のセンサー。
【請求項８】
スクリーン１４が導電性材料を導管に吹き付けた膜で構成される請求項１から５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項９】
スクリーン１４が導電性のメッシュにより構成される請求項１から５のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１０】
前記メッシュが微視的な穴が貫通する金属の箔または膜により構成される請求項９に記載のセンサー。
【請求項１１】
スクリーン１４が導管８の外側表面のまわりを実質的に延びる、大体管状の部材を形成する請求項１から１０のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１２】
スクリーン１４が導管８の内側表面に実質的に延びる請求項１から１０のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１３】
前記非磁性導管８の中または上に搭載される請求項１から１２のいずれかに記載のセンサー。
【請求項１４】
前記導管８に一体に形成される請求項１３に記載のセンサー。
【請求項１５】
コイル２と、導管８の内側で流路１１を形成する、非導電性で非磁性材料からなる保護層との間で、スクリーン１４が導管８の内側表面に実質的に延びる請求項１３または１４に記載のセンサー。
【請求項１６】
導管８を通って流れる流体９により運ばれる金属粒子１２を検出する装置であって、キャパシタと、請求項１から１５のいずれかに記載のセンサー１とを含む共鳴回路を有する発振器１６と、測定手段１８、２０、２１とを含み、発振器１６の発振周波数が誘導コイル２のインダクタンスに依存し、導管８を通って流れる流体により運ばれる金属粒子１２にコイルが磁気的に結合することにより生じる、コイルのインダクタンスの変化による発振器の周波数の変化を測定手段１８、２０、２１により測定する装置。
【請求項１７】
前記測定手段が、発振器１６の周波数の変化を検出するフェイズロックループ２１を含む電子回路手段により構成される請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
スクリーン１４と誘導コイル２の間の電位差が実質的に一定であるように一定の電圧がスクリーン１４に印加され、前記電圧を発振器１６の出力から得る請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記スクリーン１４が５μｍから２０μｍの厚さを有する請求項６から１５のいずれかに記載のセンサー。
【発明の詳細な説明】
本発明は、機械摩損破片のモニタリングに関し、特に機械摩損破片のモニタリングに使用する変換器に関する。さらに、該変換器のための改善型センサーに関する。
エンジンやギヤボックスのような機械の潤滑油内の金属粒子を連続的に「オンライン」モニタリングする鋭敏で信頼性の高い技術の開発には、重大な関心が集まっている。該金属粒子は機械内の金属摩損により生じ、金属摩損粒子の存在は機械の故障の始まりを表す。摩損破片（ｗｅａｒ  ｄｅｂｒｉｓ）の生成される割合は、機械の状態の測定に使うことができる。
摩損破片モニタリング変換器は、公知で潤滑油の流れを包含する非磁性体のパイプの周囲に巻かれた複数の巻きを有する誘導コイルを利用する。潤滑油内の金属粒子が該コイルを通ると、それらがコイルと磁気的に結合する。
鉄を含む粒子は高い相対導磁率を有し、コイルを通過する鉄を含む粒子が、コイルのインダクタンスを増加させる。鉄を含まない金属粒子は、誘導コイルの磁界により該粒子内に誘導される渦電流により、インダクタンスを減少させる。発振器の共鳴またはタンク回路（ｔａｎｋ  ｃｉｒｃｕｉｔ）内の固定キャパシタと誘導コイルが共鳴することで、タンク回路の共鳴周波数がコイルのインダクタンスに依存するため、発振器の周波数の変化としてコイルのインダクタンスの変化をモニタすることが可能となる。コイルのインダクタンスの増加は、発振器周波数の減少となり、鉄を含む粒子の存在を示す。インダクタンスの減少は、発振器の周波数の増加を示し、鉄を含まない金属粒子の存在を示す。該周波数の変化の大きさは、コイルを通過する潤滑油流路中の、金属粒子の大きさを示すのに使うことができる。
実際には、そのようなほとんどの変換器は、潤滑油流体が空気泡や水滴を含むシステムで使われる。これは、潤滑油のシステムで通常の現象であり、ポンプによる潤滑油システムでは特に、水で汚染された潤滑油の流体と共に、流体の中に大量の気泡を（気体の含有が５０％より多い）含む。変換器の誘導コイルは、コイルの隣合う卷きの間で、ストレィキャパシタンス効果が作る寄生キャパシタンスを有する。相対的に薄い壁のパイプの周囲にコイルが位置する場合には、該寄生キャパシタンスは、パイプの内容物の誘電特性により影響を受ける。空気、油、水の誘電率がそれぞれ約１、２．５、８１であるから、コイルの寄生キャパシタンスは、潤滑油または流体の中に存在する空気かまたは水滴がコイルを通過すると、相当に変化する。発振器のタンク回路の共鳴周波数が、インダクタンスと同様にキャパシタンスに依存するので、コイルのキャパシタンスの変化が共鳴周波数の変化になる。キャパシタンスの増加、減少は、各々共鳴周波数の減少、増加となる。従って、空気泡と水滴への変換器の応答は、金属粒子によるものと同様となる。このことは、誤った警告による信頼できない結果と、望ましくない機械の「ダウン−タイム（ｄｏｗｎ−ｔｉｍｅ）」となりうる。また、モニタに度重なって表示される誤った警告がもとのユーザーの欲求不満から、早晩、モニターが慎重に不活性化されることになり、エンジンやギヤボックスが故障を表示する手段の無いままにされるという極めて危険な状態となるおそれがある。さらに、捕獲した空気や気泡を含む荒い流れは、変換器からの連続的なノイズの多い出力信号となり、金属破片からの信号を隠す。
機械摩損破片のモニタリング変換器のためのプローブ部材は、アメリカ特許第５０４１８５６号公報に示されている。該公報では、変換器コイルのストレィキャパシタンス効果に関連した問題を解決しようとしている。該プローブ部材は、潤滑油流体が流れる流路を取り巻いた、一卷きの電気的導体からなるインダクタにより構成される。該インダクタは、キャパシタを形成する非導電性の材料が挟まれた終端部分を有し、プローブ部材とキャパシタはタンク回路を形成する。プローブ部材のキャパシタンスは、流路の内容物の誘電率の変化のために生じるキャパシタンスの変化で氾濫するほど大きく、十分に高い。しかし、一卷きのインダクタであるから、プローブのインダクタンスは通常、複数卷きのコイルのシステムと比較して低く、そのため感度の実質的な損失を招く。
本発明の目的は、前述した既知の変換器の一つ以上の欠点をなくすか、減らすことにある。
第一の特徴によれば、本発明は、実質的に非磁性体の導管の中の流路を通過する流体により運ばれる金属粒子を検出するためのセンサーを提供する。該センサーは、センサーの使用中に前記流路を囲むように、複数の卷きを有する誘導コイルであり、導管の中を通過する流体により運ばれる金属粒子とコイルを磁気的に結合する。該流路と誘導コイルの間に、導電性材料のスクリーンを配置し、該コイルはスクリーンから電気的に絶縁される。該スクリーンは、コイルから流路内容物を電気容量的に実質的に絶縁するため、形成され、配置される。
従って、本発明のセンサーは、流路の内容物を、誘導コイルのキャパシタンスの一因と実質的にさせない利点がある。コイルは、隣合う卷きの間のキャパシタンスによる寄生キャパシタンスを有し、さらにコイルと接地スクリーンの間のキャパシタンスを有する。しかし、該キャパシタンスは実質的に一定の値に効果的に維持、固定される。従って、センサーが破片モニタリング変換器に組み込まれるとき、タンク回路の共鳴周波数の変化は、実質的に、流路の中の金属粒子により発生するインダクタンスの変化のみのよる。該センサーは、導管中の流路内を流れる潤滑油の中の空気泡や水滴の存在により実質的に影響されない。
好ましくは、前記スクリーンは電気的に接地される。または、前記スクリーンに適当な電圧を印加するとよい。後者の場合、誘導コイルの「能動的な」スクリーニングとなる。適当な電圧で、誘導コイルとスクリーンとの電位差が、実質的に一定とすることが好ましい。
そのような「能動的な」スクリーニングが採用されると、センサーの組み込まれた破片モニタリング変換器システムの電気回路により前記電圧を得る。この技術は、ヘンリー・Ｗ・オットー（Ｈｅｎｒｙ  Ｗ．  Ｏｔｔ）著作、１９７６年ジョンウィリーアンドサン（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎ）社発行の「電気システムの雑音低減技術」の表題の書で、差動増幅器に関して述べられている「防護シールド（ｇｕａｒｄ  ｓｈｉｅｌｄ）」の原理によるものである。
好ましくは、前記スクリーンは非磁性材料で作られる。スクリーンは、通常多かれ少なかれ薄い金属のシートで作られ、例えばメッシュを形成するため、穴を開けられる。また、導管の外側表面のまわりを延びる大体筒状の部材を形成するか、好ましくは、流路手段を囲むように、導管の内側表面を実質的に被って延びる大体円筒状の部材を形成する。スクリーンは、誘導コイルの卷きを導管の流路の内容物により構成される誘電物から静電気的にシールドする、いわゆるファラデースクリーンの機能を果たす。
実質的な連続箔等のスクリーンの場合、好ましくは、少なくともひとつの隙間を配置する。すなわち、該隙間は、コイルの軸と大体平行に、箔の両側端部の間を延びている。該隙間は、誘導コイルの磁界により誘導されやすい電流が、スクリーンの中を自由に流れることを実質的に阻止するように機能する。単一卷きを形成するスクリーンは、複数の卷きの誘導コイルに結合する二卷き目のコイルのように働く短縮卷きの効果を有するので、二卷き目のコイルのエネルギー損失、従って変換器の感度の大きな減少の結果になる。
スクリーンは通常、銅、アルミニウム、銀、金等のような導電性非磁性金属から形成されるが、導電性プラスチックのような他の材料も使用される。好ましくは、スクリーンは薄い箔の形状である。スクリーンは、吹き付け、塗布か、他の被覆方法で、金属塗料や、その他の導電性金属のいずれかの薄い膜を、導管の外側表面に誘導コイルの卷きの前に形成する。それ以外の可能性として、金属皮膜を導管の内側表面に吹き付けることがある。
スクリーンはまた、金属または導電性材料のメッシュ形状でもよい。メッシュスクリーンの利点は、スクリーンで生成される渦電流によるコイル内の誘導損失が減少することである。メッシュの開口部は、この渦電流を最小にするように働く。該メッシュは、流路手段のまわりに完全に延ばしてもよいし、メッシュの端部の間に隙間を設けてもよい。メッシュは、時に「マイクロ箔」と呼ばれる極小の穴が貫通する薄い金属の箔により構成されても都合がよい。
好ましくは、センサーと非磁性導管が一体ユニットとして配置される。これにより、センサーを既存の潤滑油システムに再適用する「オンライン」動作場所に設置しやすくなる。また、センサーユニットは、センサーが使われる機械の主な潤滑油の流れるパイプ系統から離れたバイパスループに設置してもよい。
誘導コイルは、必要に応じて導管の壁内に配置される。この装置では、好ましくは、導電性材料のスクリーンが、コイルと流路の間の導管の内側表面に配置され、非導電性、非磁性材料の保護層が、潤滑油流路内の鋭利な金属粒子による損傷からスクリーンを保護するために配置される。接続した電気回路は、都合のよいことに、導管の壁の内部に搭載されるが、これは、センサーが高温度環境下に設置されるところでは、それほど適当ではない。
スクリーンが感度の損失を多少生ずることは、知られている。比較的薄い箔または膜（例えば５から２０μｍの厚さ）を用いることと、またはスクリーンに穴を配置することにより、感度の損失は極めて小さくでき、例えば２以下の係数ですむ。他方で、空気泡か水滴の存在による信号のノイズが、場合によっては、１／１００以下になることもあり、誤った警告の危険性と発生率を実質的に減少させる。
第二の特徴によれば、本発明は、導管を通る流体により運ばれる金属粒子を検出する装置を提供する。該装置は本発明の第一の特徴によるキャパシタとセンサーを含む共鳴回路を有する発振器を含む。該発振器は、その発振周波数が誘導コイルのインダクタンスに依存するものであり、測定手段は、導管を通る流体で運ばれる金属粒子に対するコイルの磁気的結合により生じたコイルのインダクタンスの変化による発振器周波数の変化を測定するように設けられる。
使用可能で適当な回路は、アメリカ特許第４８３７５１１号公報に詳細に書かれている。
さらに好ましい別の態様で、測定手段が発振器の周波数の変化を測定するためのフェイズロックループ（ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ）を含む電気回路手段を含む。好ましくは、発振器が電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含み、該発振器の誘導コイルは共鳴インダクタを配置し、また該発振器は、水晶発振器の制御する参照発振回路と共にフェイズロックループに含まれる。
フェイズロックループの周波数応答は、ＶＣＯのインダクタを通過する金属粒子が生じる周波数変動を測定可能とするように固定される。さらに、フェイズロックループは、雰囲気環境の温度変化により誘導される周波数変化（ｄｒｉｆｔ）を補償することにより、ＶＣＯの長期間周波数安定性を維持する。
本発明によるセンサーと装置の改善された安定性は、オンライン機械の摩損破片モニタリング変換器の使用を、船やヘリコプターのギヤボックスのように、公知の変換器によって生じていた誤った警告が、経済損失となり、望ましくないような厳しい環境下で使用する場合に、魅力的にする。しかし、センサーとセンサーを構成する装置は、食品製造ラインの金属粒子汚染物や、大規模な陶器製造所で品物にうわ薬液を均等に吹き付ける際の鉄を含む粒子の汚染物（そのような汚染物は、うわ薬を塗った物品を焼く際に、装飾として魅力的でない錆縞を付けることとなる。）のオンラインモニタリングを含む他の適用範囲での使用にも適している。実際、このセンサーと装置は、流体中の金属粒子のモニタリングと信頼性の高い検出が要求される適用に使用される。
本発明の望ましい先取権のある具体例は、以下の図に基づいて例示される。
図１は、既知の破片モニタリング変換器システムのセンサーヘッドの一部破断側面図である。
図２は、本発明によるセンサーヘッドの一実施例の一部破断側面図である。
図３は、図２に示したのと同様のセンサーヘッドの斜視図である。
図４は、図３または図４のセンサーヘッドを結合した電気回路の構成図である。
図５は、本発明によるセンサーヘッドの他の実施例の一部破断側面図である。
図６（ａ）は、鉄を含む金属粒子が繰り返しセンサーヘッドを通過した場合の、図４の回路によりとらえた信号の質的概略図である。
図６（ｂ）は、鉄を含まない金属粒子が繰り返しセンサーヘッドを通過した場合の、同様の信号の質的概略図である。
図１は、機械の摩損破片モニタリング変換器システムに使用される既知のセンサーヘッド１である。センサーヘッドは、複数の卷き３、４、５、６、７を有する誘導コイル２で構成され、該卷きは電気的絶縁性で非磁性材料のパイプ８を巻く。潤滑油９の流れは、方向Ｆに向かってパイプ内の流路１１を通って流れ、多数の空気泡か水滴１０と１つ以上の金属粒子１２を含む。金属粒子１２がコイルを通ると、コイルのインダクタンスが変化する。コイル２の隣合う二つの巻きの間には、それぞれのストレィキャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が存在する。
図１に示したように、任意の時のそれぞれのストレィキャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、その時のパイプの内容物の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）に依存する。油の誘電率（約２．５）、空気の誘電率（約１．０）、水の誘電率（約８１）の差により、ストレィキャパシタンスは、パイプ内の油のなかの、空気泡と水滴の存在と量に依存する。（ポンプによる潤滑油システムでは、空気の含有はしばしば５０％を超える。）
図２に示されるセンサーヘッド１は、パイプ８の中の誘電特性の内容物の変化による、ストレィキャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の変化を実質的に消去する。符号は、図１のセンサーに示される同一の符号で同一の部分を示す。コイル２は絶縁材料を被覆した銅線よりなる。パイプ８とコイル２に加えて、センサーはさらに、パイプとコイル２の間でパイプ８の周囲に位置した銅のような非磁性金属箔の一重巻きのスクリーン１４を有し、「開放回路」の巻きを形成する。
図３は図２と同様のセンサーを示すが、誘導コイル２に巻きを追加している。図３では、隙間１５がスクリーン１４の二つの終端部１６と１７の間に配置されていることを明確に示す。該隙間はコイルのＸ軸と大体平行に延びている。該隙間は、スクリーンの中に誘導される電流の流れを妨げるように働く。該電流は、交流電流がコイルを通るとき、コイル２の磁界により誘導されるものである。該隙間は、スクリーンが二次インダクタとして作用することを阻害する。スクリーンが開放回路であったり、短縮巻きを構成しない限り、スクリーンの周りに誘導電流を流すので、コイルの磁界をシールドしない。それにもかかわらず、渦電流は、コイルによりスクリーンに誘導される。しかし、それらはコイルインダクタンスに、比較的小さい一定の（すなわち、変化しない）減少を生じるだけである。
スクリーン１４は、図２と図３に示すように、電気的に接地される。別の実施例では、電圧信号がスクリーンに印加される。
いずれの実施例においても、スクリーンは、ファラデースクリーンのように、静電気的スクリーンとして働き、コイルの隣合う２つの巻きの間のストレィキャパシタンス、従ってコイルの全インダクタンスが、パイプの誘電性内容物に無関係に一定になる。コイルの巻きと接地面との間の固定されたキャパシタンスＣＦを決定することで、従ってスクリーンはこの効果を達成する。さらに、二つの隣合う巻きの間のストレィキャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は一定値に固定される。従って、コイル２の全キャパシタンスはパイプの誘導性内容物により影響を受けない。しかし、パイプの内容物の磁性はコイルインダクタンスに影響を与え、油９内の金属粒子１２により生じるインダクタンスの変化は容易に検出可能である。
センサーヘッドを必要な電気回路に接続することにより、破片（ｄｅｂｒｉｓ）モニタリング変換器を構成することが可能となる。該変換器は、金属破片粒子によるコイルの磁気変化に応答し、パイプ８を通る潤滑油内に存在する空気泡や水滴、他の非金属破片によるコイルのキャパシタンス変化に応答しない。
図４は、コイル２のインダクタンスの変化を検出する適当な回路を示す。約６ＭＨｚの周波数出力を有し、通常のコレクターバイポーラトランジスタを使った、コロピッツＶＣＯ（Ｃｏｌｐｉｔｔｓ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１６内で、センサー１（スクリーン１４は示さず）は、固定キャパシタンスと共鳴する共鳴インダクタンスとして使われる。該ＶＣＯとセンサーは、コイル２のインダクタンスの変化を発振器１６の共鳴回路の共鳴周波数の変化に変える変換器を一緒に構成する。該変換器は、６ＭＨｚの参照水晶発振器１８と共に、フェイズロックループ２１に組み込まれる。ＶＣＯ１６と水晶発振器１８の出力は、バッファー１９され、二分割２６され、制御ループ増幅器を組み込む位相検出器２０（モトローラ社製ＭＣ４０４４）に入力される。検出された位相差が誤差信号を生成すると、参照発振器１８との位相差を固定した状態（ｐｈａｓｅ  ｌｏｃｋ）にＶＣＯを維持するために、該誤差信号はＶＣＯに制御ループ電圧としてフィードバックされる。金属粒子によるコイルのインダクタンスの変化により、発振器の周波数変化と、ＶＣＯ出力と水晶発振器の間の位相差とを生じる。ＶＣＯに戻される誤差信号のモニタリングにより、金属粒子の存在と種類を検出することができる。金属粒子による制御電圧信号は比較的小さく、（機械摩損破片粒子による、センサーコイルのインダクタンスの変化は、代表的には１０4から１０5分の１である。）該信号は三段階の増幅器２４と２５で増幅され、フィルターにかけられ、信号対ノイズ比を向上させる。
図６（ａ）と（ｂ）は、鉄を含む粒子と鉄を含まない粒子に対して、誤差信号電圧Ｖを時間ｔに対してプロットした概略的な定性的グラフをそれぞれ示す。ここで、信号ピークの方向が、粒子が鉄を含むか含まないかを示す。
約６−１０ＭＨｚの範囲の周波数を利用することにより、標準の印刷基板技術を利用することが可能である。ＶＣＯとセンサーヘッド１は、接地された金属箱に搭載され、好ましくない温度状況がセンサー部分の周囲に存在する際は、電気回路の残りを離して搭載できる。スクリーンは１０μｍの厚さの銅箔でよい。代わりに、銅メッシュスクリーンを使うこと、金属被覆をパイプ８の外側表面に吹き付けることも可能である。全ての実施例で、コイルは絶縁被覆を有する銅線である。
電圧信号がスクリーンに印加される実施例では、この電圧はＶＣＯ発振器の出力から得る。この方法では、スクリーン電圧はＶＣＯ出力電圧に「追従」し、スクリーンとコイルの間の電位差が実質的に一定に保たれる。
図５は異なるセンサーの実施例を示し、パイプの内側表面とプラスチック材料の保護層２２との間に挟まれた銅箔の内側被覆を有するパイプ部分８の壁２３にコイル２が組み込まれる。センサー全体１は、一つのパイプ部分ユニットにより構成され、コイルや箔の端がはみでることがなく、モニターされる潤滑油システムのパイプ系統に容易に交換設置できる。
上述の変換器システムでは、パイプの内容物の誘導性に大きく影響されやすい既知のシステムに関連する望ましくない誤った警告を防止し、信頼度の高い金属粒子の検出を可能にする。ここに記載した改善型センサーは、スクリーン１４を組み込まないセンサーと比較してわずかに感度が低い。しかし、センサーの信頼度が大きく改良されたので、実運用において、より魅力的である。さらに、約６ｍｍの直径の誘導コイルと、改善されたセンサーとを組み込んだ変換器システムを使うことで、約７０μｍから１００μｍか、それ以上の直径の金属粒子を検出できる。より大きいコイルの直径や、より小さいコイルの直径が適用可能であり、コイルの感度を、インダクタンスの変化に合わせて変える。
信号の収集方法や信号の平均化方法は、予め決められた時間内にコイルを通る金属粒子の数と大きさのモニターにより、制御ループ電圧信号で行われる。この方法では、機械の摩損のレベルが正確にモニターされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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