(57)【要約】【課題】品質または流体状態評価に対する低コストの多次元アプローチを提供可能な流体検知および監視のための流体測定システムの提供。【解決手段】少なくとも１つの流体センサと、該流体センサに通信可能に結合された少なくとも１つの処理手段とを含む流体測定システム。流体センサは光強度の少なくとも１つの所定の波長を生成するよう構成された少なくとも１つの集積化光源を含む。センサは前記光源によって流体サンプルを透過した放射の所定の波長スペクトルの少なくとも１つの強度を検出および測定するよう構成された少なくとも１つの検出器要素を含む検出器システムを含む。検出器システムは該検出器システムと前記集積化光源とを相互に関係付けて位置決めするよう構成された結合装置を含む。処理手段は流体センサから測定データのセットを収集し、前記取得した測定データのセットから１つ以上のベクトル出力を生成するよう構成されている。処理手段は更に前記ベクトル出力を処理して前記流体サンプルの流体状態を評価し、前記ベクトル出力とあらゆる流体状態評価とをユーザに通信するよう構成されている。【選択図】図５
2020519907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体測定システムであって、
光強度の少なくとも１つの所定の波長を生成するよう構成された集積化光源と、
検出器システムと
を含む、
少なくとも１つの流体センサ、
但し、該検出器システムは、
前記光源によって流体を透過した放射の所定の波長スペクトルの少なくとも１つの
強度を検出および測定するよう構成された少なくとも１つの検出器要素と、
該検出器システム及び前記集積化光源を位置決めするよう構成された結合装置と
を含む；
及び、
前記少なくとも１つの流体センサに通信可能に結合された少なくとも１つの処理手段、
但し、該処理手段は、
前記流体センサから測定データのセットを収集し；
前記取得した測定値のセットからベクトル出力を生成し；
前記ベクトル出力を処理して流体状態を評価し；及び
前記ベクトル出力をユーザに通信する
よう構成されている；
を含む、
流体測定システム。
【請求項２】
前記集積化光源は複数のＬＥＤであること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項３】
前記集積化光源は、２５０ｎｍから２５００ｎｍのスペクトル領域の光を生成すること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項４】
前記（集積化光源を構成する複数の）光源は個別に制御されること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項５】
前記検出器システムは、少なくとも１つのシリコンフォトダイオード検出器であること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項６】
前記検出器システムは、少なくとも１つのＩｎＧａＡｓ検出器であること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項７】
前記検出器システムは、少なくとも１つのシリコンフォトダイオード検出器と、少なくとも１つのＩｎＧａＡｓ検出器との組み合わせであること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項８】
飽和を阻止するために測定データをスケーリングするよう構成されたアナログデジタル変換器をさらに含むこと
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項９】
前記処理手段と通信可能に結合された流体温度センサをさらに含むこと
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項１０】
前記（複数の）光源が異なる角度の下で前記流体を監視するために配置される少なくとも２つの角度をさらに含むこと
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項１１】
同じ条件下でサンプル流体と基準流体とを監視するための少なくとも２つの光路をさらに含むこと
を特徴とする請求項１０に記載の流体測定システム。
【請求項１２】
前記（少なくとも２つの）光路は、前記光源の光源ビームを少なくとも２つの光路に分割するビームスプリッタによって形成されること
を特徴とする請求項１１に記載の流体測定システム。
【請求項１３】
前記処理手段は、前記サンプル流体と前記基準流体の測定データのセットを比較すること
を特徴とする請求項１１に記載の流体測定システム。
【請求項１４】
流体サンプルを通過させない光基準ビームをさらに含むこと
を特徴とする請求項１１に記載の流体測定システム。
【請求項１５】
前記測定データとベクトル出力とを格納するよう構成されたメモリをさらに含むこと、
電子回路パッケージは、前記サンプルによって吸収される光を示すベクトル値を決定し、及び、前記サンプルの光の吸光度と基準サンプルの光の吸光度との比較を介して、前記流体を通る光の透過率を示す少なくとも１つのベクトル値を出力するよう構成されていること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項１６】
表示器をさらに含むこと、
前記処理手段は、１つ以上のベクトル出力に基づいてメッセージを生成するよう構成されていること、
前記処理手段は、更に、前記生成されたメッセージをユーザに対して表示するように前記表示器を制御するよう構成されていること
を特徴とする請求項１５に記載の流体測定システム。
【請求項１７】
前記処理手段は、前記サンプル流体と前記基準ビームの測定データのセットを比較すること
を特徴とする請求項１１に記載の流体測定システム。
【請求項１８】
前記処理手段は、遠隔に配置されたさらなる処理手段、制御手段、または表示手段のうちの少なくとも１つに通信可能に接続されるよう構成されていること
を特徴とする請求項１に記載の流体測定システム。
【請求項１９】
流体サンプルの流体状態評価のベクトルベースの方法であって、該方法は、
流体センサ又は基準流体から測定データのセットを収集すること；
前記測定データのセットからベクトル出力を生成すること；
前記ベクトル出力を、
記憶された過去のベクトル出力、
ルックアップテーブル、及び
基準出力ベクトル、
の少なくとも１つから得られた基準データと比較すること、
を含む、
方法。
【請求項２０】
前記測定値の１つ、複数又は連続的に生成された出力ベクトルを格納するよう構成されたメモリをさらに含むこと
を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記出力ベクトルの値は、流体によって吸収される光を示すこと
を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記処理手段は、遠隔に配置された処理手段、制御手段、または表示手段のうちの少なくとも１つに通信可能に接続されていること
を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記測定値のセットは、絶対吸光度測定または示差吸光度測定の少なくとも一方によって形成されること
を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記ベクトル出力を基準データと比較することにより、比較出力ベクトルを得ること、
前記測定値のセットと前記比較出力ベクトルとを用いて、前記基準データから前記測定された流体データへの変化、または異なる流体データ測定値からの変化を示すデータを生成すること
を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記変化は、前記流体状態を示すために使用されること
を特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記流体状態を示すために、重み付きベクトル出力の変化が使用されること
を特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
流体状態を示すために、前記変化の変化速度が使用されること
を特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
流体状態を示すために、前記変化の変化パターンが使用されること
を特徴とする請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光スペクトルセンサ及び関連するスペクトル測定システムに関する。より具体的には、本発明は、例えば、重機、自動車及び輸送産業で用いられる光学センサ及び流体監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
静的および動的流体システムの監視のための光学スペクトル測定の役割は、分析およびプロセス分光法の分野で十分に確立されている。従来のシステムは、流体の流れ、液体、または気体に光学的に接続された分光測定システムの使用を伴う。そのようなシステムのための標準的フォーマットは、統合（一体化）されたサンプル処理システムを備えた分光器または光度計の何らかの形をとる。分光器システムの場合、何らかの形のフローセルを特徴とする、市販の分散型近赤外（ｎｅａｒ-ｉｎｆｒａｒｅｄ；ＮＩＲ）分光器またはフーリエ変換赤外（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ；ＦＴＩＲ）（近赤外および中赤外）分光器が良い例である。フローセルはこれらの種類の用途に合わせて様々な形式を取るが、透過型、半透過型（透過と反射の組み合わせ）及び内部反射型として使用できる。本開示は中赤外にまで拡大適用可能だが、主に、ＵＶ可視から近赤外までのスペクトル範囲に焦点を当てている。上記の内部反射法は、使用済みディーゼルエンジン潤滑油のすす含有量の測定を除き、このスペクトル領域では特には有用ではない。この用途については、近赤外（公称９４０ｎｍ）での内部反射モードの動作を利用する、参照される発行された特許：米国特許第７,３３９,６５７Ｂ２号に取り上げられている。
【０００３】
センシング技術についての本開示では、サンプルインターフェースの透過モードと半透過モードに焦点を当てる。透過はフロースルー構成において使用され、再帰反射光学系の組み込みを含み得る半透過モードは、挿入プローブ構成において用いられる。この形態では、光インタフェース及びセンサは、バルクヘッドマウント可能である。
【０００４】
赤外分光法の形式における光学分光法は、産業、自動車、輸送用途で使用されるあらゆる種類の流体の分析と特性評価に用いられる、広く認められた技術である。これには、車両および重機に使用されるような、潤滑油および機能液、特に油圧トランスミッション油が含まれる。他の形式の光学分光法の利用可能であり、これには紫外線、可視、および近赤外線等が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ７,３３９,６５７Ｂ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の油/流体状態の監視は、通常、中赤外分光法に基づく。赤外線スペクトル測定は十分に理解されており、実験室ベースのオイル分析についてはＦＴＩＲ法が良く確立されている。中赤外分光装置についてはある程度の小型化が行われたことにより、この技術はハンドヘルド/ポータブル製品測定技術への変換を遂げた。これらの機器は、高いコストのため、ある程度の成功しか収めておらず、一部の商用システムでは、標準的な実験用ＦＴＩＲシステムの方がまだ安価である。
【０００７】
このような分光測定により、使用中の流体および流体システムの状態に関する有意義なデータを得ることができる。伝統的には、赤外分光法は、近赤外（ＮＩＲ）及び中赤外（ｍｉｄ-ＩＲ）の両方を含み、７００ｎｍから２５，０００ｎｍの領域をカバーする。赤外分光法は、上記のように、数ある状態評価のなかでも、経年劣化/酸化、水汚染、固体/分解/分解生成物の蓄積などの流体状態および流体特性の測定値を提供できる。これらの状態測定値は、スペクトルに含まれるスペクトル特徴からの化学的機能性の尺度を使用してスペクトルからデータを抽出することにより導出される。ＵＶ及び可視スペクトルは、特定の有機化合物からの色および関連する電子遷移に由来する情報を含む。この情報は赤外分子振動に直接的には結び付かないかもしれないが、酸化、水分および添加剤の寄与の測定値を得るために相互相関させることができる。
【０００８】
さらに、従来の赤外スペクトル領域は、化学物質としての材料の測定に関して明確である。しかし、この測定は、使用される材料に関して低コストのセンシングシステムで実施するのは実用的ではない可能性がある。その性質により、光学機器および関連する材料は比較的高価であり、容易な反復および大量の安価な光学装置の製造に常に相応しいとは言えない。このため、 赤外線関連のスペクトルデータ測定のために近赤外線を利用し、また、組成または液体の状態の変化から生じる他の光学的変化のためにＵＶ可視を利用する等、代替のスペクトル領域の役割を考慮することが適切である。これらの他のスペクトル領域における製造材料は、より低いコストで実現することができ、簡単な成形技術を含む、容易な反復に適している。
【０００９】
本願の本発明は、これらのスペクトル領域間の橋渡しとしての役割を果し、主に可視から近赤外までの情報を結合し、組成の変化は、（中赤外のような）既知のスペクトル吸光度（吸収率）の直接測定ではなく、推論によって決定される。現在および以前に検討されたセンサ及び方法では、成分または汚染物質濃度のような単純な測定基準を使用し、これは単一の汚染物質の単純なスカラー値として測定され報告される。以前は、複数の波長を検知するには、特定の汚染物質ごとに追加の個別のセンサが必要だった。複数のデバイスを監視システムに実装する必要がある場合、システムはより大きくまた複雑になり、その結果、システムのコストがより高くなる。
【００１０】
さらに、サイズ、熱安定性、振動耐性、スペクトル範囲、およびコストを含む追加の要因も考慮する必要がある。これら考慮事項の１つ以上に対処する、流体、気体、及び蒸気の検知および監視のための代替流体測定システム及び技術が望まれる。したがって、品質または流体状態評価に対する低コストの多次元アプローチを提供可能な、流体検知および監視のための代替の流体測定システム及び技術が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
【発明を実施するための形態】
【００１２】
【００１３】
一視点において、本開示は、少なくとも１つの流体センサと、該流体センサに通信可能に結合された少なくとも１つの処理手段とを含む流体測定システムに関する。流体センサは、光強度の少なくとも１つの所定の波長を生成するよう構成された少なくとも１つの集積化（integrated）光源を含むことができる。センサは、前記光源によって流体サンプルを透過した放射の所定の波長スペクトルの少なくとも１つの強度を検出および測定するよう構成された少なくとも１つの検出器要素を含む検出器システムをさらに含むことができる。検出器システムは、該検出器システムと前記集積化光源とを相互に関係付けて位置決めする（配置する）よう構成された結合装置をさらに含むことができる。処理手段は、流体センサから測定データのセット（複数）を収集し、前記取得した測定データのセット（複数）から１つ以上のベクトル出力を生成するよう構成されている。処理手段は、さらに、前記ベクトル出力を処理して前記流体サンプルの流体状態を評価し、さらに前記ベクトル出力とあらゆる流体状態評価とをユーザに通信（送信）することができる。
【００１４】
別の視点では、本開示は、表示器と、少なくとも１つの流体センサと、処理手段とを含む流体測定システムに関する。これらの構成要素は互いに通信可能に結合されることができる。流体センサは、集積された光［集積化光源］と、検出器システムと、該光源および該検出器システムを位置決めする（配置する）ための結合装置とを含むことができる。集積化光源は、光強度の少なくとも１つの所定の波長を生成するよう構成されることができる。検出器システムは、前記光源によってサンプルを透過した放射の少なくとも１つの所定の波長強度を検出するよう構成された少なくとも１つの検出器要素を含むことができる。処理手段は、流体センサから測定データの第１のセットと測定データの第２のセットとを収集するよう構成されることができる。処理手段は、その後、第１の測定データおよび第２の測定データからの情報を用いてベクトル出力を生成することができる。ベクトル出力はルックアップテーブルと比較されることができる。処理手段は、その後、英数字メッセージを生成して表示することができる。処理手段は、ユーザに対して前記メッセージを生成するよう表示器を制御することができる。
【００１５】
別の視点では、本開示は、光ビームを放出するよう構成された集積化光源を含む、サンプルの質を測定するための二重光路流体監視センサに関する。該センサは、前記光ビームを第１の光路上の第１の光ビームと第２の光路上の第２の光ビームとに分割するよう構成された光ビームスプリッタをさらに含むことができる。検出器システムを備えることが可能であり、該検出器システムは、前記光源によってサンプルを透過した前記第１の光ビームから少なくとも１つの所定の波長強度を検出するよう構成された第１の検出器要素と、前記光源によって基準サンプルを透過した前記第２の光ビームから少なくとも１つの所定の波長強度を検出するよう構成された第２の検出器要素とを有する。結合装置を備えることが可能であり、該結合装置は、前記検出器システムと前記集積化光源とを位置決めする（配置する）よう構成されることができる。集積化（一体化）された（integrated）電子回路（電子素子：electronics）パッケージは、前記検出器および前記光源に通信可能に結合されることができる。電子回路パッケージは、前記センサと通信するプロセッサを含むことができ、該プロセッサは、前記検出された所定の波長強度に基づいて前記サンプルによる前記光ビームの吸光度（吸収率：absorbance）の値を計算するよう構成される。電子回路パッケージは、更に、前記測定データおよびベクトル出力を格納するよう構成されたメモリを含むことができる。電子回路パッケージは、前記サンプルによって吸収される光を示すベクトル値を決定し、前記サンプルの光の吸光度（吸収率）と前記基準サンプルの光の吸光度（吸収率）との比較を介して、流体を通る光の透過（率）を示す少なくとも１つのベクトル値を出力するよう構成されることができる。
【００１６】
別の視点では、本開示は、流体センサまたは基準流体から測定データのセットを収集するステップを含む、流体サンプルの流体状態評価のベクトルベースの方法に関する。該測定データのセットを用いてベクトル出力を生成することができる。次に、該ベクトル出力は、記憶された過去のベクトル出力、ルックアップテーブル、及び基準出力ベクトルのうちの少なくとも１つから取得された基準データと比較されることができる。
【００１７】
本開示の特徴および利点、ならびにこれらを達成する方法は、添付の図面と併せて開示されるシステム及びプロセスについての以下の説明を参照することにより、より明らかになり、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】車両または重機の適用に実装されるような１つの例示的な流体監視システムを説明する模式図。
【図１Ｂ】車両または重機の適用に実装されるような１つの例示的な流体監視システムを説明する模式図。
【図１Ｃ】車両または重機の適用に実装されるような１つの例示的な流体監視システムを説明する模式図。
【図２Ａ】本開示の例示的一実施形態による流体センサ（監視）システムを組み込んだ例示的方法を説明する模式図。
【図２Ｂ】本開示の例示的一実施形態による流体センサ（監視）システムを組み込んだ例示的方法を説明する模式図。
【図３Ａ】本発明によるフロースルー（flow through）液体センサの例示的一実施形態の斜視図。
【図３Ｂ】単一の光路を有する本発明のセンサの例示的一実施形態の説明図。
【図３Ｃ】二重光路を有する本発明のセンサの例示的一実施形態の説明図。
【図３Ｄ】異なる角度（複数）の二重（デュアル）光源を有する本発明のセンサの例示的一実施形態の説明図。
【図４】本発明の光学センサおよび電子装置の例示的一実施形態の説明図。
【図５】本発明の流体状態評価の推論的決定（推論に基づく決定）の一例の論理ブロック図。
【図６Ａ】現在市場で入手可能なＬＥＤの一例の波長のグラフ表示。
【図６Ｂ】現在市場で入手可能なＬＥＤの一例の波長のグラフ表示。
【図６Ｃ】現在市場で入手可能なＬＥＤの一例の波長のグラフ表示。
【図６Ｄ】現在市場で入手可能なＬＥＤの一例の波長のグラフ表示。
【図７Ａ】未使用油のフルスペクトルの分光計測定値の一例のスペクトルグラフ表示。
【図７Ｂ】本発明による１６チャネルセンサエミュレーションの一例のスペクトルグラフ表示。
【図８Ａ】様々な流体状態のスペクトル透過率のオリジナルの生データの一例のグラフ表示。
【図８Ｂ】様々な流体状態のスペクトル吸光度（吸収率）のオリジナルの生データの一例のグラフ表示。
【図８Ｃ】様々な流体状態の差分スペクトル吸光度（吸収率）のオリジナルのデータの一例のグラフ表示。
【図９Ａ】様々な流体状態についての本発明の７チャンネルセンサの一例の差分吸光度（吸収率）のグラフ表示。
【図９Ｂ】様々な流体状態についての本発明の９チャンネルセンサの一例の差分吸光度（吸収率）のグラフ表示。
【図９Ｃ】様々な流体状態についての本発明の１６チャンネルセンサの一例の差分吸光度（吸収率）のグラフ表示。
【図１０Ａ】液圧流体（hydraulic fluid）の一例のスペクトル透過率のグラフ表示。
【図１０Ｂ】液圧流体の一例のスペクトル吸光度（吸収率）のグラフ表示。
【図１０Ｃ】オートマティック・トランスミッション液（ＡＴＦ）の一例のスペクトル透過率のグラフ表示。
【図１０Ｄ】ＡＴＦの一例のスペクトル吸光度（吸収率）のグラフ表示。
【図１１Ａ】９チャネルＬＥＤセンサの一例を用いた、漸進的に経年劣化する流体の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１１Ｂ】流体の一例の漸進的な経年劣化プロファイルの差分吸光度積分値のグラフ表示。
【図１１Ｃ】１６チャネルＬＥＤセンサの一例を用いた、漸進的に経年劣化する流体の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１２Ａ】不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル透過率のグラフ表示。
【図１２Ｂ】不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル透過率のグラフ表示。
【図１２Ｃ】不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル吸光度のグラフ表示である。
【図１２Ｄ】不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル吸光度のグラフ表示である。
【図１３Ａ】不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１３Ｂ】本発明の１６チャネルセンサの一例を用いた、不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１３Ｃ】本発明の９チャネルセンサの一例を用いた、不溶性及び/又は粒子状物質を有する流体の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１４Ａ】流体の微量（trace）溶解水汚染の一例の１００ｐｐｍから１０００ｐｐｍのスペクトル透過率のグラフ表示。
【図１４Ｂ】流体の微量溶解水汚染の一例の１００ｐｐｍから１０００ｐｐｍのスペクトル吸光度のグラフ表示。
【図１４Ｃ】流体の微量溶解水汚染の一例の１００ｐｐｍから１０００ｐｐｍのスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１５Ａ】本発明の１６チャネルセンサの一例を使用した、流体の微量水分汚染の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１５Ｂ】本発明の９チャネルセンサの一例を使用した、流体の微量水分汚染の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１５Ｃ】本発明の９チャネルセンサの一例を使用した、経年劣化する流体の微量水分汚染の一例のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１６Ａ】流体の重度（gross）水汚染の一例のスペクトル透過率のグラフ表示。
【図１６Ｂ】流体の重度水汚染の一例のスペクトル吸光度のグラフ表示。
【図１６Ｃ】本発明の１６チャネルセンサの一例を使用した、流体の重度水汚染のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【図１６Ｄ】本発明の９チャネルセンサの一例を使用した、流体の重度水汚染のスペクトル差分吸光度のグラフ表示。
【実施例】
【００１９】
本発明の図面および説明は、本発明の明確な理解のために重要な要素を例示する目的で簡略化されており、明確化のために、流体測定システムに見られる他の多くの要素（分光法を利用するものを含む）を省略している。しかし、そのような要素は当技術分野で周知であり、本発明のより良い理解を促進しないため、そのような要素の説明は本書では行っていない。本開示は、当業者に知られているすべての変形および修正を対象とする。
【００２０】
以下の詳細な説明では、本発明が具現化され得る具体的な実施形態を例示として示す添付図面を参照する。本発明の様々な実施形態は、互いに異なっているが、必ずしも相互排他的ではないと理解すべきである。さらに、１つの実施形態に関連して本書で説明される特定の特徴、構造または特性は、本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態内で具現化され得る。また、開示された各実施形態内の個々の要素の位置または配置は、本発明の範囲から逸脱することなく変更できると理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ定義（特定）され、請求の範囲と等価な全範囲に渡って適切に解釈されるべきである。図面において、同様の数字は、いくつかの図を通して同じ又は類似の機能を指す。
【００２１】
本書で使用される「プロセッサ」または「処理手段」という用語は、一般に、１つ以上のシリコンチップ及び/又は集積回路（ＩＣ）基板上に含まれ得る、及び、少なくとも１つの中央処理装置（Central Processing Unit; CPU）及び場合により複数のＣＰＵを含み得る、回路構成を指す。ＣＰＵは一般に、算術および論理演算を実行する演算装置（Arithmetic Logic Unit; ALU）と、メモリから指示を抽出し、必要に応じてＡＬＵを呼び出して、当該指示を復号および実行する制御部とを含ことができる。
【００２２】
プロセッサは、マイクロプロセッサの形態をとってもよく、単なる非限定的な例として、組込型（内蔵型）アナログデジタル（「Ａ/Ｄ」）変換器を有する低電力ＣＭＯＳプロセッサであってもよい。本発明は、コンピュータにより実現される種々の演算を行うためのプログラムコードを含むコンピュータ記憶装置製品またはコンピュータ読み取り可能な媒体によって動作可能である。非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体は、例えばマイクロプロセッサ等のコンピュータシステムコンポーネントにより、後で読み取りまたはアクセス可能なデータを格納できる、任意のデータ記憶装置である。上記媒体およびプログラムコードは、本発明の目的のために特別に設計され構築されたものであってもよく、または、コンピュータソフトウェア分野の通常の専門家にとって周知の種類のものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体の例には、ハードディスク、フロッピーディスク及び磁気テープ等の磁気媒体；ＣＤ-ＲＯＭディスク等の光記憶媒体；光磁気媒体；ソリッドステート記憶装置、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス （ＰＬＤ）、およびＲＯＭやＲＡＭ装置等の特別に構成されたハードウェア装置が含まれるが、これらに限定されるものではない。プログラムコードの例には、例えばコンパイラによって生成される機械コード、又はインタプリタを用いて実行され得る高水準コードを含むファイルの双方が含まれる。
【００２３】
本書で使用する用語“電子回路（electronics）パッケージ”は、広く解釈されるべきであり、光源および検出器等のコンポーネントへの電力の供給、それらのコンポーネントへの制御信号の供給、それらのコンポーネントからのデータの受信、それらのコンポーネントから受信したデータに対する計算および信号処理の実行、受信され処理されたデータの格納、それらのデータの監視および表示システムへの出力に使用される電子コンポーネントの任意の構成を含む。そのようなパッケージは、個別のアナログ及びデジタルコンポーネント、バッテリ、複数のアナログ及び／又はデジタルロジックコンポーネントを含むよう構成された集積回路、汎用および専用プロセッサ、磁気、容量、ランダムアクセス、読み取り専用及びその他の非一時的記憶媒体を含む全ての種類のデータ記憶装置、無線および有線送信機、受信機、及び送受信機、データバス、及びその他の装置を、個々のまたは一体化された形態で含んでもよい。
【００２４】
本開示の全ての実施形態の検出器および放射体（エミッタ）は、電子回路パッケージの制御基板等のプリント回路基板上等において、電子回路パッケージに一体化される、または電子回路パッケージと一体的に形成されてもよい。代替的に、検出器および放射体は、制御基板およびその他の電子デバイスとは別個に取り付けられるように構成されていてもよい。
【００２５】
「赤外線ベース」のオイル状態監視、または少なくとも機能的に同等の監視を実現するには、測定とデータ評価の両方に異なるアプローチを使用する必要がある。本発明の背景技術で説明したように、中赤外用の光学部品と電気光学サブシステムは本質的に高価であるため、完全な流体状態の監視のためのスペクトルセンサの構築は、部品またはコストの観点からも実用的ではない。その結果、可視および近赤外スペクトル領域で利用可能な低コストの材料を利用する独自の代替アプローチが開発された。本発明は、中赤外スペクトル内に含まれる情報が、電磁吸収スペクトル全体にわたって、それも紫外線スペクトル領域外にまで、直接的または間接的に（推論により）再現（複製）されるという事実を利用することにより、これらの課題に取り組む。この情報は、示差測定法と推測測定法の併用に基づいて相関させることも可能である。
【００２６】
本特許開示に記載されているセンサ装置は、動的流体潤滑剤と電力変換システムに関係する自動車、重機、及び種々の形態の輸送手段に用いられる潤滑剤と機能性流体の監視装置としての使用を目的としている。それらは、エンジンオイル、トランスミッションオイル、油圧作動オイルおよび油圧作動流体、タービンオイル、冷却剤、及び機械的可動部品を保護し又は可動部品に動力を伝達する任意の流体システムを監視するためのセンサ装置を含む。
【００２７】
本発明のセンサシステムは、動いている流れの内部に、又は流体移送システム内における測定期間中に測定ゾーンが十分な頻度でリフレッシュされる位置に配置されることが意図されている。一実施形態では、センサは流体に浸されて作動可能であり、測定はタンクまたは貯蔵容器のような静的環境で実行できる。測定期間は、流体組成（化学）の変化が、あったとしても、ゆっくりと変化するシステムでは、数秒から数日に延長可能であると理解されるべきである。流体品質または流体状態評価に使用される場合、センサは、誤った流体の使用による汚染を含む組成の変化を監視することが意図されている。
【００２８】
本発明の測定に使用される光学原理は、流体タイプ及び測定されるべき特定の物理的または化学的機能に依存する光路（光路長）による、透過または光透過である。中赤外分光法は、測定対象の材料、この場合は流体またはオイル、の分子構造の分子振動から生じる光吸収に依存する。中赤外スペクトルは、材料の分子の基本振動に起因する吸収を含んでおり、これらは、従来、約２５００ｎｍ〜２５０００ｎｍ（２．５マイクロメートル〜２５マイクロメートル/４０００ｃｍ-l〜４００ｃｍ-l）の波長で観測される。ただし、理想的挙動からの逸脱のために、さらには分子と分子振動の関連する「機械的」および電子的影響との間の相互作用のために、電磁スペクトル全体にわたるそれらの寄与を観察することが可能である。即ち、これらの基本振動に間接的に結び付くエネルギ遷移とそれに関連する吸収は、ＵＶ、可視、および近赤外スペクトルで測定可能である。
【００２９】
分子のＵＶ及び可視スペクトルは分子内の電子遷移に起因するが、これらは分子振動によって摂動を受ける（攪乱される：perturbed）。さらに、分子の近赤外スペクトルは、基本振動の倍音（高調波：overtones）から形成され、その結果、理想から逸脱し得る。結果として、可視および近赤外スペクトル領域内に含まれる情報は中赤外スペクトルに相関させられることができ、赤外線スペクトルの変化はスペクトルデータの示差挙動を監視することによって推論により導き出されることができる。本発明は約３５０ｎｍ（ＵＶ）から約１７００ｎｍ（ＮＩＲ）の測定用に選択されるスペクトル領域を使用するが、可視スペクトルは約４００ｎｍから約７００ｎｍの間に含まれる。本発明はこれらの範囲外における測定（値）を除外しない。
【００３０】
図１Ａ乃至図１Ｃを全体的に参照すると、例示的な流体監視システムは、自動車または重機の適用例に実装されたものとして示されている。本開示に記載されているように、本発明の実施形態によるセンサは、装置動作の全ての観点における流体監視に適したものでもよい。図１Ａ及び１Ｃを参照すると、燃料品質監視のような適用例において、センサ１０は、例えば供給ラインまたは流体注入システム２のような所与の流体流れ内に配置されてもよい。さらに、センサは供給タンク１（例えば、燃料タンク）内に配置される浸漬可能なコンポーネントとして構成されてもよい。
【００３１】
図１Ｂ及び図１Ｃを全体的に参照すると、本開示の実施形態によるセンサは、更に、ガソリン及び天然（ガス）燃焼型エンジンにおけるオイル状態監視（例えば、酸化およびニトロ化）に使用されてもよい。この適用例では、検出装置は、フィルタ８をフィルタハウジングブロックの復路側の流れの中に挿入できるエンジン３の一次（または二次）濾過システムの外側に配置されてもよい。フィルタブロックにセンサを取り付ける利点には、便利なアクセス、外部からの取付け、および動作温度の低下が含まれる。本書に記載のセンサは、代替的に、変速機４、冷却剤系５及び後車軸７に配置されてもよい。本発明のセンサは、あらゆる形態の流体測定システムに使用されることができ、車両またはエンジンシステムに限定されることは意図されていない。
【００３２】
このシステムを、主要機能コンポーネントである光電子装置の観点から説明する。本発明の固体（solid-state）スペクトル測定システムの基礎を形成する２つの重要なコンポーネントは、スペクトル選択的な光源として使用される発光ダイオード（ＬＥＤ）及び固体（solid-state）検出器である。さらに、これらのコンポーネントは光電子機器および制御システムと一体化されることできる。図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、車両または他の機器に取付けられた１つ以上のセンサによって、測定されたデータは、表示器またはオンボード（搭載型）データ処理システムに供給されてもよい。例示的一実施形態では、本発明は、警告または表示器を介してオペレータまたは運転手に感覚（知覚可能：sensory）データを送り返してもよい。図２Ａを参照すると、一実施形態では、自立システム２０は、オペレータにデータを伝えるために、センサ１０の出力に直接応答する機能的表示器および関連するインタフェースハードウェア１４を含む。
【００３３】
このタイプのインタフェースは、既存の車両または機器に新しい部品（retrofit）として有利に実装さることができる。しかし、図２Ｂで示す通り、他の実施形態では、測定システムは、車両のオリジナルの装置（original equipment：ＯＥ）制御／コンピュータシステム中に、より完全な形態で組み込まれることができる。例えば、１つ以上のセンサ１０の出力は、ＣＰＵ９のような内蔵型コンピュータまたはデータ管理プロセッサを含む車両の管理システムに供給されることができる。ＣＰＵは、処理手段１２７、メモリ１２９、およびＡ／Ｄ変換器１３１を含むことができる。この管理システムから、感覚出力データが、例えば、オペレータ用表示器１１、外部通信装置１２（例えば、遠隔監視システムと通信するための送信機）に供給されるか、または更なる処理または検索のために電子回路パッケージ１３を介してメモリに格納されることができる。なお、センサ１０は、電子回路パッケージ１３によってまたは車両の通常の電力分配システムを介して供給される電力を受けることができることに留意すべきである。メモリは、流体状態の評価に使用されるデータを格納でき、当該データには、過去の（履歴：historical）ベクトル出力、ルックアップテーブル及び基準出力ベクトルが含まれるが、これらに限定されない。このデータは、次いで、使用されることができ、及び、流体センサ、基準流体、またはその両方から収集された測定データから生成されたベクトル出力と比較されることができる。このシステムは、追加のセンサ１０を使用して、流体の温度を含むがこれに限定されない流体の他の側面を監視することができる。このセンサは、独立していても、本開示の光学センサ１０に組み込まれていてもよい。
【００３４】
例示的一実施形態では、固体検出器はシリコンフォトダイオード検出器であってもよい。シリコンフォトダイオード検出器は、広いスペクトル領域（公称で３５０ｎｍ〜１１００ｎｍ）にわたる高い感度、直線性、ロバスト性（頑健性）、多数のパッケージの選択肢の利用可能性の利点を有し、非常に低コストである。本システムは、測定範囲を約１７００ｎｍにまで拡張するＩｎＧａＡｓ検出器のような、目標（target）測定範囲ための他のタイプの検出器を含むこともできる。実用上、ＩｎＧａＡｓ検出器の拡張バージョンは利用可能であり、更に２６００ｎｍまでの検出を提供することができる。これらは、典型的には最適な性能を得るために冷却を必要とするため、実装に費用がかかるが、本発明はそのような拡張を必要としない。さらに、フォトダイオード検出器はブラックシリコンを使用することができるであろう。例示的一実施形態では、光源は、約２５０ｎｍから約２５００ｎｍのスペクトル領域の光を生成することができる。
【００３５】
検出器（複数）は、単独またはペア（ＳｉとＩｎＧａＡｓ）で、ＬＥＤ（複数）からの出力を連続的に（時間的に）または同時に監視できる。連続的に測定される場合は、ＬＥＤは固定周波数で変調されることができ、同時に測定される場合は、個々の波長は変調周波数に基づいて区別される。例示的一実施形態では、複数チャネル構成は、スペクトル出力の低解像度複製（facsimile）を生成する波長プロファイリングを提供でき、シングルポイントセンサ（従来型）と走査分光計の中間の機能を備えた実用的なセンサを提供する。さらに、複数のＬＥＤを備えたカスタムＬＥＤパッケージも使用できる。
【００３６】
例示的一実施形態では、本システムは、個別に変調および制御可能な複数のＬＥＤで構成されることができ、ＬＥＤの出力を監視するための電子または光学フィードバックシステムに結合されることができる。電子フィードバックの場合は、ＬＥＤへの電圧/電流は、時間の経過に伴う変化（経時的変化）について調節及び監視される。このことは、ＬＥＤの電気的および熱的特性をモデル化し、ＬＥＤ/検出器の応答をリアルタイムで補正することを必要とする。光学フィードバックシステムの場合は、任意の光学基準チャネルが実装される。これらのシステムは、電子機器の温度を監視することにより、温度の関数としてのＬＥＤの出力のドリフトを補償するために組み込まれることができる。同様に、流体温度は、監視されることができ、及び、温度とともに変化するスペクトル応答にロジスティック（logistic）フィードバックを提供するために使用される。
【００３７】
光学および電子回路システムは、信号処理、演算およびデータ通信用の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり得る単一の集積回路基板または装置でもよいことが期待される。この集積化（一体化）光電子コンポーネントは、カプセル化されてもよく、場合によっては、（１つ以上の）光源および（１つ以上の）検出器の前に配置された何らかの形態の成形光学系を伴う幾つかの結像（イメージング）光学系を含んでもよいことが期待される。
【００３８】
ユーザは、異なるスペクトル領域間の相関関係を利用することにより、大きな利点（複数）を得ることができる。最初の（利点の）１つは、既に説明したが、流体のような調査中の材料におけるスペクトル変化を生成、獲得、指向及び検出するために使用される光学部品であり、これにより、赤外線測定をするために必要な特別な材料やコンポーネントよりも大幅に費用を削減できる。
【００３９】
ウィンドウやレンズに使用される透明材料は低コストのガラス、溶融シリカまたはプラスチックで作製可能であり、これらは製造が容易で非常に低コストである。ガラスおよびエンジニアリングポリマのような他の材料も使用することができ、これらは鋳造および／または機械加工によって複製されてもよい。適切なプラスチックおよびポリマの例には、ポリカーボネート、ポリアクリル、ポリエーテル、ポリオレフィンおよびポリスルホンが含まれる。
【００４０】
スペクトル測定のための光源は、ＬＥＤのような任意の適切な光源でよい。この領域に使用される光子検出器は容易に入手可能であり、比較的低コストである。ＬＥＤの使用に関連する利点は、コストに加えて、ＬＥＤは所定の波長の目標範囲をカバーする市場で入手可能でありかつ比較的高い周波数で変調可能な低電力デバイスであることである。さらに、ＬＥＤは、従来の分光計で使用されるスペクトル分散光学系およびコンポーネントの必要性を排除する。これらの利点は、大幅なサイズ縮小、機械的簡易性、パッケージング及び光学設計の容易性、及び電子機器の簡略化をもたらす。
【００４１】
流体状態の測定は、交差（cross）透過フローセル（図３Ａ〜図３Ｄ）または挿入プローブのいずれかを備えた流動システムにおける光透過により行われる。図３Ａに示されるインラインフロースルーセンサは、様々な波長の用途に最適化可能であり、この場合、経路長は特定の用途に適するように選択される。このセンサは、流体供給経路（例えば、燃料ライン）と接続するためにチャンバと連通するコネクタ１２５を含むことができる。この完全なパッケージは、密結合電子インタフェース（close coupled electronics interface）を含むことができ、凡そ４から凡そ２０の独立した波長の監視に利用可能な複数のチャネルを有することができる。このより短い経路長は、センサを一層より小さくパッケージすることを可能にし、凍結のような環境要因がサンプルに影響を及ぼすのを阻止するのに助けになるより小さなサンプルサイズを必要とする。
【００４２】
センサは、内部チャンバ１１７に取り付け可能でありかつ密閉ウィンドウが嵌め込み可能な、標準のＳｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）、Ｃｉｒｃｏｒ（登録商標）またはＰａｒｋｅｒ（登録商標）型の圧縮継手のような任意の適切なカップリング１２５を使用することができる。密閉ウィンドウは、石英、サファイア、バリウムまたはフッ化カルシウムのような任意の適切な材料を用いることができる。光源１０１と検出器１０３は光結合を最適化するために並置されることができる。さらに、電子機器は、コネクタのワイヤ長を短縮し、信号ピックアップを最小化するために、密結合されることができる。パッケージ全体は、気体、蒸気、または液体の測定のために、サイズおよび光学的/空気効率について最適化されている。
【００４３】
基本的な光学測定の説明で前述したように、サンプルを通る光の透過は、典型的には、流体を通る光の透過が基準と比較される相対的基準（relative basis）に基づいて行われ、ここで、この基準は流体の不存在下で測定キャビティ（またはセル）を通る透過率、またはオリジナルの新鮮（フレッシュ）流体を通る測定（measured）透過率のいずれかである。例示的一実施形態では、処理手段は、サンプル流体の測定データのセットを基準流体の測定データのセットと比較する。この最後の場合、流体を通る透過率は異なるＬＥＤ波長で測定され、取得された信号は記憶（格納）される。これにより、差分ベクトルの測定値を計算することが可能になる。差分ベクトルは、測定された使用済み流体ベクトルを未使用または新鮮流体ベクトルで除算したものとして定義され、吸光度データ（のフォーマット）で提示される。
【００４４】
例えば、図４は、調節可能な再帰反射型挿入物（インサート）を有するインライン（フロースルー（flow-through）；貫流または内部流通）センサと、少なくとも１つの光源１０１および少なくとも１つの検出器１０３を含む電子回路パッケージ／オプトボード１０５とを示す断面図である。この交換可能なインサートは、光センサパッケージ全体を交換する必要なしに光経路長１０９の微調節のために使用されることが可能であり、または反射器タイプであり得る。図示のように、複数の波長を放出する複数のＬＥＤを含むことができる光源１０１からのエネルギは図４の１０９で示された経路に沿ってチャンバ１１７内の流体を通って検出器１０３に戻る。深紫外線から赤外線スペクトルの上限まで含み得る伝達エネルギはサンプル流体と相互作用し、流体の特性的吸収が流体の光透過率を変更し、次いで、少なくとも１つの検出器１０３を有する検出器システムによって検出される。インラインフロースルーセンサは、該センサの作動中、流体が該センサ及び測定チャンバを通って流れることを可能にする。流路１２３は図４に示されており、センサの第１の端部を通ってセンサの第２の端部まで流れる。吸収の選択性は、検出器システムの検出器１０３と統合（一体化）された複数のＬＥＤ光源１０１によって定義されることができる。検出器システムは、単一の検出器または複数の検出器を含むことができ、これらはそれぞれ異なる波長用の光学フィルタを備えることも備えないことも可能である。この検出器システムは、図３Ａ〜図３Ｄおよび図４に示されているものを含むが、これらに限定されない様々な実施形態で実現することができる。
【００４５】
これは実用的な測定方法ではあるが、ＬＥＤの出力が一定レベルに維持されることを前提とする。これは、適切な調節およびフィードバック回路を伴う、ＬＥＤへの電圧/電流の電子制御によって、またはサンプル流体とは無関係にＬＥＤの出力を光学的に監視することにより実行されることができる。これは、測定システムの基準検出器１３３に第２の光路１３５を追加することにより実現することができ、それによって、リアルタイム基準チャネルを提供することができる。図３Ｃに示される例示的一実施形態では、ＬＥＤ光源１０１からの光ビームは、光ビームスプリッタ１３１によって２つ以上の別個の経路に分割されることができる。スペクトル測定範囲に適したビームスプリッタ１３１は、ＬＥＤビーム経路に約４５°の設定で挿入することにより実装されることができ、それにより第２の別個の独立した測定経路を提供する。この第２の経路１３５は、図３Ｃに示されるように第２の検出器１３３パッケージを含む。分割比は標準ビームスプリッタのように１：１である必要はなく、２０：８０（２０％基準：８０％流体）に設定されることができる。各ＬＥＤ波長について２つの信号を正規化するために電子的調節を行うことができる。カスタムビームスプリッタ１３３の代わりに、クリアトラン（Cleartran）またはセレン化亜鉛のような任意の高屈折率材料を用いることができ、この場合、反射による光損失は凡そ２０％又はそれ以上の範囲であり、約４５°の設定において必要なレベルのビーム分割を提供する。他の例示的実施形態のスプリッタ１３１は、約１０°から約１７０°、または約３０°から約１３０°、または約４５°から約９０°の間の異なる光学角の下で流体サンプルを監視するよう構成されかつ配置（位置決め）されることができる。同様に、図３Ｄに示すように、いくつかの実施形態は、サンプル経路を通る２つ以上の異なる角度で流体を監視するよう配置可能な複数の光源１０１ａ、ｂを有することができる。これにより、流体サンプルと検出器１０３とを通過する２つの別個の光路長１０９ａ、ｂを実現することができる。例示的一実施形態では、参照ビーム１３５は流体サンプルを通過しない。流体の差分透過率を決定する際に以下の式を用いることができる。
式１：記憶された光学基準：透過率＝Ｉ測定値／Ｉ記憶値
【００４６】
ここで、Ｉ測定値とＩ記憶値は記録された検出器信号である。
式２：リアルタイムの光学基準：透過率＝Ｉサンプル／Ｉ基準
【００４７】
差分モードで動作する場合、リアルタイム基準はデータの透過形態のリアルタイム生成を提供することができ、記憶された基準は差分吸光度（differential absorbance）を測定するために依然として必要である。
【００４８】
検出器電子回路は、測定のダイナミックレンジをカバーするのに十分なアナログデジタル（Ａ/Ｄ）変換器をさらに含むことができる。光学応答値は各ＬＥＤチャネルについて計算され、これらの値は記憶され、新鮮（フレッシュ）流体のチャージが油圧／潤滑システムに導入されるときに得られる新鮮流体についての出力と比較される。第１データ収集は、光透過または透過形式の（「オリジナル」として定義される）元データである。これは、現在の流体データ収集について、データアレイ１×ｎ（ｎ＝ＬＥＤ波長の数）に記憶されることができる。これと新鮮／未使用流体について記憶された基準とは比がとられ、（「差分」として定義される）最終差分吸光度ベクトルを生成するために吸光度形式に変換される。「オリジナル」及び「差分」は、測定の各サイクルについて取得される２つの記憶ベクトルを説明するために使用されることができる。
【００４９】
ハードウェアの機能的要素としてのセンサは、約３．５〜約５ボルトで内部的に動作する低消費電力デバイスであり、車両において一般的に認められかつ約１２〜約４０ボルトＤＣの範囲の入力電圧を処理する能力を有する。このデバイスは、単純なデジタル出力装置から処理された数値データを提供するスマートセンサまでの様々な電子回路パッケージで構成することができる。上述のベクトル出力は、スマートセンサ機能を可能にするために必要な論理およびインテリジェンスを提供するのに理想的である。
【００５０】
本発明は、ＬＥＤを含むが、これに限定されない様々なタイプのエネルギ源（エミッタ）を使用することができる。本発明の例示的実施形態は、光源（複数）としてＬＥＤ（複数）を使用することができる。ＬＥＤ（複数）の使用により、監視装置をＵＶスペクトル（現在では３５０ｎｍ）から可視およびその外側の中・近赤外スペクトル（典型的には＜１７００ｎｍであるがこれに限定されない）まで動作可能に設計することができる。本発明はさらに、下側で深紫外線（＜２４０ｎｍ）までのおよび遠近赤外までの光学範囲に拡張されることができ、中赤外（外側で２５，０００ｎｍ／２５μｍまで）も含まれる。これらの範囲は現在では達成可能であるが、コストが増大し信頼性が低下する可能性がある。ＵＶおよび中赤外ＬＥＤがより広く普及するにつれて、固体センサにおけるそれらの使用はより実用的になり得る。
【００５１】
本開示のために意図された様々な実施形態は、サイズの制限に基づいて、複数のＬＥＤの、典型的には６個を超えるが理想的には２０個未満の、使用に焦点を合わせている。この場合、複数のＬＥＤが占める物理的空間と、正確な測定のためのスペクトル情報を記録するのに必要なＬＥＤの数とがバーターとなる。ここで考えられる有用な組み合わせは、６アラウンド１構成（中心の１個の回りに６個を配置）で実装される７個のＬＥＤ、３個のＳＭＴマルチカラーパッケージによる三角形構成で実装される９個のＬＥＤ、およびカスタム回路基板上のベアダイ（bare dies）として実装される１６個のＬＥＤである。なお、これらの３つの構成は実用例に過ぎず、他の構成も使用可能であり、本開示から除外されない。
【００５２】
ＬＥＤは、色または波長特異性、一定の出力、低消費電力、大きくない熱出力、デバイスの出力が固有の周波数で変調可能、コンパクト性およびロバスト性、多数のパッケージングオプションの利用可能性、ならびに非常に低いコストという利点を提供する。ＬＥＤ光源については、２４０ｎｍ（遠紫外線）から３０００ｎｍ（中赤外線）までの比較的広い範囲のスペクトル波長が利用可能である。より長い波長は利用可能になりつつあり、将来の応用の参考のために本発明に含まれる。
【００５３】
特定のＬＥＤによって提供される別の利点は、単一の装置から（赤色、黄色、緑色のような）２つ以上の波長を生成する２つ以上の状態で動作する能力である。このことは、単一の光源と単一の検出器を用いた非常にコンパクトな設計を可能にし、この場合、個々の波長の出力は異なる変調周波数によって識別（区別）される。現在の測定システムにおいては、３５０ｎｍから１７００ｎｍの範囲にわたる波長のアレイを提供する複数のＬＥＤが使用される。ＬＥＤ装置の物理アレイは、個別アセンブリとして、複合アセンブリ（１つのパッケージ内の複数のダイ）として、またはカスタム電子回路アセンブリ上に複数のダイを有するカスタム設計のアレイとして構築されることができる。
【００５４】
フォーマット化されたセンサからの出力データは、単純なステータスライト、例えば、３つの状態を示すＬＥＤ：緑色（ＯＫ）、黄色（警告）および赤色（注意または問題）が表示器に直接送られるか、または、英数字またはグラフィックディスプレイ、例えばＬＣＤディスプレイ、に送られることができる。スカラー出力は３状態論理の入力として使用されることができ、ルックアップテーブルと結合したベクトル出力は、英数字ディスプレイに記述的なメッセージを提供することができる。代替的に、センサは、（ＳＡＥ Ｊ１９３９のような）標準化されたフォーマットの出力を車両の（５Ｖ高速ＣＡＮ、２５０ｋｂｉｔ、ＩＳＯ１１８９８のような）ＣＡＮバスのような車両または装置のデータバスに供給し、診断データ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ；ＯＢＤ）をオンボードコンピュータに供給し、そして、インテリジェント・センサ出力をサポートすることができる。ベクトル出力は登録（記録）されたＣＡＮメッセージフォーマットをサポートするフォーマットに設定されることができると予想される。メッセージは１つ以上のベクトル出力に基づくことができ、及び、表示器に送信されて表示器においてユーザに表示されることが可能な形式でもよい。同様に、メッセージは別の外部通信装置を介してユーザに送信されることができる。
【００５５】
光インタフェース（interfacing）は光透過に基づいており、これは、図３Ａ〜図３Ｄに示されるような（１つ以上の）光源と（１つ以上の）検出器を結ぶ視線の直接的ライン（凝視モード）によって、または、図４のトランスフレクタンス（transflectance）構成によって達成される。トランスフレクタンスモードでは、（１つ以上の）光源からの放射は流体を通過して反射光学系に達し、ビームはその後、（１つ以上の）検出器との相互作用のために異なる経路に沿って戻される。凝視モードでは、（１つ以上の）光源と（１つ以上の）検出器とは互いに対向して配置され、トランスフレクタンスモードでは、これらは並べて配置されてもよい。トランスフレクタンスモードは、パッケージングに関する使用および電子的インタフェースのための使用の両方についてより便利であり得る。しかし、実現するのがより複雑であり、その実現方法によっては、複雑さの増大によりコストが増加する。
【００５６】
動作温度範囲での本システムの使用は、計算値に不正確性をもたらし得る温度感受性を呈する場合がある。この不正確性は、センサと流体の相異なる温度設定でセンサの応答を観察することによりモデル化でき、一連の応答曲線を導出することができる。数学的フィッティング（近似：fitting）により、これらの関数は再現可能になり、簡単な多項式関数へと容易にフィッティングされることができる。
【００５７】
光電子要素の配置は、光インタフェース構造を通して最適な結像（イメージング）を確保するために重要である。適度な動作温度での、標準的環境では、光電子系は光インタフェース構造に密結合される。典型的な距離は凡そ数ミリメートルから最大で凡そ数センチメートルのオーダーであると予想される。より短い距離では、追加の結像光学系は想定されない。より長い距離では、光学的スループットを改善するために、ガラスまたはプラスチックで作製され得る、補助レンズが、（１つ以上の）ＬＥＤ光源および（１つ以上の）検出器の前方において、使用されてもよい。代替手段は、（１つ以上の）光源と（１つ以上の）検出器の両方を含む、光インタフェース構造体からオプトエレクトロニクス系への光コンジット（導光体：light conduit）の使用を含むことができる。光コンジットは、ガラス製またはプラスチック製のロッド（整合されたまたは他の態様の屈折率（index））または光ファイバの形態とすることができる。
【００５８】
図３Ａは、（図３Ｃに示される）二次基準チャネル１３５を備える（または備えない）、インライン監視用に設計されたフローセル構成のコンセプトの例である。この図は、フローセルと電子回路（電子素子）との密接な統合（一体化）を示しており、センサ全体、または検出器プリアンプ、Ａ/Ｄ変換器、オンボードプロセッサ、および通信インタフェースとともにパッケージされているものが示されている。シリアルインタフェース（ＲＳ２３２またはＣＡＮ）のような任意の適切なインタフェースを使用することができる。完全なパッケージは環境的に密封されることができ、必要に応じて、光学系および電子回路（電子素子）を完全に保護するために絶縁樹脂に埋め込むこと（potted）も可能である。
【００５９】
図５は、光電子センサ１０による流体サンプル１０２についての本開示の測定および推論に基づく信号収集論理の模式図である。センサ１０はコンピュータ９に通信可能な形で接続させることができ、ＬＥＤまたは代替の光源１０１は各波長について固定（一定の）周波数または異なる特有の周波数で変調されることができる。測定データの各セットはデータブロック内の（１つ以上の）検出器１０３の応答の収集を含み、コンピュータ９に通信され、そこで、すべての読み出し値がデータアレイに記録され、メモリ１２９に格納（記憶）されることができる。データアレイセットは１×ｎの大きさを有し、ここでｎはＬＥＤ波長の数である。Ａ/Ｄ変換器１３１は、飽和を防ぐようにスケーリングされた出力信号のＡ/Ｄ変換を提供することができる。１２ビットのＡ/Ｄ変換の場合、スケーリングは＜４０００の値に設定される。最初の導入時、ＬＥＤパッケージ１０１の基準シグネチャ（reference signatures）は、まず流体がない状態で、次に新しい「新鮮流体チャージ」の導入時に、記録されることができる。両方のデータセットは、将来の読み戻しのために永久（ＥＥＰＲＯＭ）メモリ１３３に格納（記憶）される。ＥＥＰＲＯＭは、コンピュータから離れたサーバ上に搭載されるように、コンピュータ９から分離されることが可能であり、または、コンピュータメモリ１２９に含まれることも可能である。さらに、コンピュータ９および出力１３５は、サーバ、他のコンピュータ、他の装置およびセンサ、ならびに外部メモリのような他の様々な通信手段１４０と通信することができる。通信手段１４０は、ベクトルおよび状態の判定の実行、決定、またはその両方のために使用または参照されることができる。出力はコンピュータ９と通信手段１４０との両方に同時に送り返すことができる。
【００６０】
動作中、各データアレイセットは記録され、空の光学セル及び「新鮮流体チャージ」の両方についての事前に記録され格納された基準ベクトルとリアルタイムで比較される。この基準データは、格納された過去の（履歴）ベクトル出力、ルックアップテーブル、基準出力ベクトル、及び１つ以上の出力１３５を生成するために使用される他の関連データを含むことができる。これにより、流体の状態を評価するために使用されるリアルタイムの透過率および差分吸光度ベクトル１３７が生成される。さらに、積分（integrated）スカラー値１３９も計算され、これを用いて、劣悪な流体状態のリアルタイムの警告を作動することができる。この出力データまたは出力（複数）１３５はコンピュータ９に送り返され、外部通信装置１２または表示器１１のようなユーザインタフェースを介してユーザに送信されることができる。さらに、出力データはメモリ１２９に格納されることができる。メモリ１２９は、センサ１０の測定値の１つ、複数、または連続的に生成される出力ベクトルを格納するように構成されることができる。例示的一実施形態では、出力ベクトル値は流体またはサンプル１０２によって吸収される光を示す。スペクトル測定データに加えて、環境データ（すなわち温度）のような追加データをコンピュータ９に送信することができる。センサによって取得されたデータの測定値のセット（複数）は、少なくとも１つの絶対吸光度測定値、差分吸光度測定値、またはその両方によって形成されることができる。
【００６１】
流体が通常の経年劣化の作用としてのみ変化している場合、差分吸光度ベクトルについてのチャネル（アレイインデックス）２〜５のみが変化を記録し、許容される状態については、これは＜１０００の値を有することが望まれる。状態が良好な場合、チャネル／インデックス６〜９はほとんど又は全く変化を示さないことが望まれる。チャネル６〜９における変化は、微粒子および／又は水の蓄積を示している可能性がある。徐々に変化しかつチャネル６及び７について値がより大きい値は、水ではなく寧ろ微粒子（の蓄積）を示かもしれない。チャネル６〜９の値が高い場合は、劣悪な品質またはさらには深刻な流体劣化を示す。チャネル６〜９の値が温度感受性を示し、温度の上昇とともに減少する場合は、トレースレベルをわずかに上回る細かく分散した水を意味する。これらは差分センサ測定から記録された推論に基づく状態監視ベクトル値の例である。ベクトル出力と基準データとの比較により出力ベクトルを生成することができるが、この出力ベクトルを測定値との比較に使用することにより、流体サンプルから、又はセンサによって取得された異なる流体データ測定値から、基準データから設定測定値への変化を示すデータを生成することができる。この変化データを用いて、流体サンプルの流体状態を示すことができる。さらに、重み付きのベクトル出力の変化、変化データの変化の速度、変化データの変化のパターンのような、他の変化データを使用して、流体サンプルの流体状態を示し及び/又は決定することができる。本発明を用いた流体のさらなる評価については、以下で説明する。
【００６２】
本発明は、品質または流体状態評価への多次元アプローチを提供する。センサ出力は、必要に応じて、材料または成分濃度の推定を含むことができるが、実際には全体的状態の評価を提供し、これは流体に対する環境的または動作上の影響から生じる変化を含むことができる。そして流体組成または品質の変化のみが監視される差分モードで出力を提供する。そのような変化は、経年劣化（酸化および／または熱劣化）、使用中の流体の過度のストレスおよび/または化学分解に関連する不溶性材料の出現、機械部品の摩耗に関連する不溶性材料の出現、および水の浸入を含む他の流体による汚染の影響の検出を含む。
【００６３】
上述のように、本発明のシステムは流体の光学的変化およびスペクトル変化を測定し、これらは同期されたＬＥＤのアレイによって定義される特定の波長での検知電子機器（検出器）の応答を測定することにより複数の検知波長で決定される。単一機能センサとは異なり、この推論センサは、すべての検知要素からの統合された出力全体を使用し、数値/スカラー値の単一の出力からではなく、データアレイを用いて、ベクトルに基づいて評価される。簡単に言えば、このセンサは流体の状態/品質の総合評価を明示（定義）する。これは、解釈を必要とする酸化または含水量の単一の数値ではなく、「わずかな劣化、継続して使用（slight degradation continue to use）」、「中程度のレベルの材料汚染...流体検査推奨」、「重度...除去および交換推奨」のような評価表現で示されことができる。これらの記述的な流体状態出力は、同期されたＬＥＤからのマルチセンシング検出器出力によって生成されるベクトル値と相互参照されるルックアップテーブルから提供されることができる。
【００６４】
このベクトルベースのアプローチの利点の１つは、流体組成の変化に対する感度であり、流体状態の正味の全体的な変化を決定するために使用される複数のスペクトル点である。このシステムは、センサの較正を必要とせず、ないしは、有意義な結果を提供するために参照されるべき較正データセットを必要としない。ベクトル応答の変化は、過度の経年劣化、過度の分解、不溶物/微粒子の形成及び混入（汚染）物質としての水の浸入を含む、流体の複数の異なる障害モードについて予測可能である。
実験データ
【００６５】
図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の推論測定のために選択されたスペクトル領域である３５０ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲をカバーする波長により区別された標準的な市販のＬＥＤを表す。これらはＵＶ可視領域（図６Ａ）でスタートし、短波長ＮＩＲ（近赤外）領域（図６Ｂ）を経由し、ＮＩＲ（近赤外）領域（図６Ｃ）で終わる。本書で検討されている波長/ＬＥＤの要約を図６Ｄに示す。使用済みの流体の状態に対する診断の観点から述べると、可視および短波近赤外領域は、酸化およびニトロ酸化、及び間違った流体の供給（top-off）を含む様々な形態の汚染を追跡（探知）する（track）。近赤外領域は、不溶性材料および微粒子の形成をもたらす、他の種類の流体との混合、水および他の非適合性流体による汚染、及び材料の分解のような、流体自体に関する追加情報を提供する。
【００６６】
１６個のＬＥＤ光源構成は、走査分光計から得られるような低解像度スペクトルの妥当な複写（合理的再現：reasonable facsimile）を提供するという利点を有する。図７Ａ〜図７Ｄは、８ｎｍ〜１２ｎｍの公称スペクトル分解能を有する実験室研究グレードのＵＶ−可視−ＮＩＲ分光計で記録された代表的な未使用新鮮オイル（図７Ａ）のスペクトルの例を示す。
可視スペクトル範囲で利用可能なより高密度のＬＥＤ波長があり、したがって、ほぼ同等のスペクトルエミュレーションをＬＥＤベースのスペクトル測定から得ることができる（図７Ｂ）。より低いスペクトル分解能の結果を提供できるこの領域においてスペクトルエミュレーションをもたらすことができる近赤外ＬＥＤはより少ない可能性がある。センサが純粋に比較モードで使用される場合、またはスペクトルセンサとして使用されるような、差分モードで使用される場合、このより低い分解能は殆ど、又はまったく重要ではない。図示のスペクトルは、凡そ１６波長ＬＥＤアレイから得られた凡そ１６個の波長点の３次元スプライン補間によって生成されたものである。図示の通り、ＬＥＤベースのスペクトルセンサは、走査分光計の機能を果たす（再現する）ことができるが、実用的、コンパクトかつ頑丈なオンラインまたはインライン実装では、そのようなシステムのコストに関し、約１００ドルを下回るシステム価格で実現可能である。
【００６７】
光学的実装の側面から、光学系から機械的な流体システムへのインタフェースは、約２ｍｍ〜約２０ｍｍ（特別な用途では最大約５０ｍｍ）の範囲内であり得る流体を通る理想的な光路長を得るために選択される波長範囲の結果として簡素化されることが可能であり、センシングシステムへの流体の流れまたは流体の移送のために標準内径が使用可能になる。これにより、光路長の実用的範囲が約０.０２５ｍｍから約０.２ｍｍの間にある中赤外スペクトル測定に比べて大きな利点を提供する。標準的な鉱油および合成潤滑剤に対し本発明を使用する場合、理想的な光路は約１０ｍｍである。水ベースの測定および/又は高度の通常色を有するサンプル、又は高レベルの光散乱成分の微粒子に関係する測定を特徴とする他の用途については、約１ｍｍから約２ｍｍまでの経路長が有益と言える。代替的に、約７００ｎｍから約１０５０ｎｍの間の短波ＮＩＲに焦点を当てる用途については、約２０ｍｍを超え、場合によっては約５０ｍｍまでものより長い光路の使用が有益である場合もある。これらの用途には、混合燃料および潤滑剤のような炭化水素ベースの混合物の測定、及び低レベルの水分の検出が含まれる。
【００６８】
流体状態および品質評価のための推論測定の実施は、流体組成の変化を元の（オリジナルの）未使用流体に対して監視する差分測定として行われるのが最適である。差分スペクトル測定は、溶媒または溶解系流体のスペクトル的寄与が、後処理またはリアルタイムのいずれかにおいて記録された溶液のスペクトルから相殺される溶液の光度測定の基礎を形成するため、新しい概念ではない。この測定において、「溶媒」のスペクトルが記録され、これは溶液またはサンプルのスペクトルに対して比がとられる（除算）。その結果は、溶液と溶媒との間の差から構成される残留スペクトルであり、溶解した材料のスペクトルを意味する。これは溶媒の寄与を実質的にゼロにする。使用済みオイルの場合、新鮮オイルのスペクトルは使用済みオイルのスペクトルに対して比がとられる。
【００６９】
差分赤外分光法は使用済みオイル分析に適用されており、状態監視にも用いることができるが、ベースオイルのスペクトルの多くが、通常の測定経路長において、機器の測定範囲外にあり、赤外スペクトルのより細かい詳細では新鮮オイルまたはベースオイルの完全な一致を必要とするため、ルーチン分析に常に適用されるわけではない。その結果、一般的に使用されるオイル分析方法は、差分アプローチではなく、劣化および汚染成分の寄与を計算するためにスペクトルベースラインを用いる直接測定を行う傾向がある。
【００７０】
リアルタイムのインラインまたはオンラインセンサは異なる方法で使用することができるが、依然として差分測定を利用することもできる。センサシステム内の流体の標準的な光度測定は、サンプルを通る光透過の測定値を提供する。最も単純なシステムでは、これは光源から発せられサンプルを通過する光の検出器での光レベル測定値を提供する。最初の光レベルが捕捉されると、経年/使用による流体の特性／組成変化の結果としての光透過レベルの変化を検出器出力から記録することができる。これは実質的に単一点における差分測定である。しかし、この方法は、時間の経過とともに光源（ＬＥＤ）からの光レベルが同じままであることを前提としている。第１の近似については、これは理想的なシステムでは、光源に対する電圧が変動に関して調節および監視されるのであれば、機能することができる。光源が、経年劣化および温度の調整を考慮に入れて、光出力に関し電圧（または電流）の関数として良好に特徴付けられれば、この方法は機能することができる。しかし、組成が変化するにつれて吸収波長が位置を変化させシフトする可能性があるサンプルで発生している変化は考慮されてない。
【００７１】
実験室では、差分赤外分光法は、新鮮オイルの基準スペクトルに対するサンプルスペクトルの記録に関し光源強度の変化が最小化される比較的短い期間で測定を行うことによって可能にされる。また、スペクトル全体の記録は、帯域の変化およびスペクトルプロファイルの変化の視覚的監視及び適合化を可能にする。差分測定を行う標準的な固定点の測光センサはこれを適合化せず、スペクトルの変化およびシフトに対して非特異的である。例えば、流体は、その動作寿命の間に古くなるにつれて、異なる酸化生成物および分解生成物の形成により劣化する。その結果、これらは、センサの出力に反映されてはならない化学組成の著しい変化を引き起こす。
【００７２】
本開示は、差分測定を用いてリアルタイムのセンサ測定を行うことに関して提起された両方の問題に対処するセンサシステムを提供する。これらは、光源/ＬＥＤ出力の監視、および、酸化が生じ流体が劣化するときに発生する化学組成の変化から生じるスペクトルのシフトの適合化（accommodating）に関するものである。選択された測定範囲は、一連の使用済み油圧流体から生成されるスペクトルに見られるようなこれらの変化を記録する（図８Ａ〜図８Ｃ）。視覚的に、流体の色は濃くなり、色は淡い麦わら色からより濃い黄色に変わり、オレンジを経て、様々な色合いの茶色に変わる。
【００７３】
これらの変化は、可視近赤外スペクトルの透過率の形で見られる（図８Ａ）。これらのスペクトルは、本来の（native）％透過率（％Ｔ）フォーマットで提示されるが、この場合、サンプルスペクトルは分光計のバックグラウンドスペクトルと比較され、スペクトルは波長の関数として、サンプルを透過した光の割合として示される。このスペクトルは、サンプルの全体的な変化に関する診断を提供するために分析的に使用される。定量的測定に使用される場合、このスペクトルを吸光度フォーマットに変換するのが普通であり（図８Ｂ）、この場合、成分濃度の変化に伴って線形に変化する逆対数関数が用いられる。流体の経年劣化の全体的な影響を評価するために、いずれかのスペクトルのフォーマットを使用することができるが、両方とも酸化／分解生成物を含む全スペクトルに加えてオイルのバックグラウンドスペクトルを示す。しかし、図８Ｃに示される差分出力になると、吸収スペクトルは、流体のバックグラウンドから流体の酸化および分解成分を明確に描き出している。経年/劣化によるスペクトル変化以外の他のすべてのスペクトルの特徴は最小化されるか、ゼロに低減される。これにより、オイル状態のベクトルベースの評価を行うことが可能になり、この場合、ＬＥＤの波長によって定義されるスペクトル全体の固定された波長点（複数）で測定が行われる。
【００７４】
新鮮で未使用のオイルについて図７Ｂを参照して説明した上記アプローチを用いることにより、最小セットのＬＥＤ波長を利用して、スペクトル変化の正確なプロファイルおよびニュアンス（微小差異：nuances）を監視することができる（図９Ａ〜図９Ｃ）。これらの図は、スペクトルベクトル７つのＬＥＤ、９つのＬＥＤ、及び１６のＬＥＤから生成可能である様子を示しており、これらの場合、最小の数であっても経年劣化（エイジング：aging）ベクトルは十分に再現可能であることがわかる。経年劣化に加えて、流体の汚染および劣化の限られた監視のみが必要な場合、７個のＬＥＤ（６アラウンド１構成）で簡便に実現できる。この用途では、９個および１６個のＬＥＤの実装は必ずしも必要ではない。
【００７５】
図１０は、Ｄｅｘｒｏｎ ＩＩ仕様の流体を視覚的に識別するために使用される特徴的な赤色染料を有するオートマティック・トランスミッション液（Automatic Transmission Fluids；ＡＴＦ）のような着色度の高いベースオイルを有する流体を含むよう漸進的劣化の測定を拡大することによる差分監視の重要性を示す。これらの流体は、油圧流体としても機能するデュアルファンクションモードで使用される。図１０Ａ及び図１０Ｃは、それぞれ、一連の標準油圧流体（鉱油ベース）と、対応する一連のＡＴＦについて、標準のパーセント（％）透過率を示す。図１０Ｂおよび図１０Ｄは、これら２つのデータセットの吸光度形態を示している。ＡＴＦの赤色染料成分からの経年劣化による寄与の差分（differentiation）は、図１０Ｄに明確に示されている。
【００７６】
これら２種類のオイルについてのＬＥＤ９個および１６個構成のデジタル化差分データから再構成されたスペクトルは、ＬＥＤ９個構成のデジタル化データセットからバックグラウンドスペクトルが良好にきれいに除去されていることを示している（図１１Ａ及び図１１Ｂ）。ＡＴＦの赤色染料の寄与からの明確な分離を保証するために、デジタル化レベルを７から９に上げることは重要である。酸化スペクトルプロファイルの変化が再現され、経年劣化のレベルの増加と共にピークプロファイルは変化するが、全体の構成要素のピーク面積は、ピーク面積積分値によって示されるように、使用時間の増加（最大３００時間）に伴う進行を保持する。これらの値の予想される線形的増加は、補間されたピーク最大値のデータ値の合計によって得られる（図１１Ｃ）。
【００７７】
微粒子の存在は、広範囲の材料劣化から生じる分散不溶性材料の形成とともに、スペクトルの全範囲（３５０ｎｍ〜１７００ｎｍ）にわたる光減衰によって検出される。微粒子からの光散乱の場合、より短い波長で最大の減衰を有する波長成分が存在する。本開示の多波長センサの場合のように、透過測定が実行される場合、図１２および図１３にみられるように、光学ベースラインは低波長から高波長まで重畳される勾配を有する。
【００７８】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、分散した不溶物／微粒子の量が増加している２種類の流体についての全範囲のスペクトル透過率データを示す。一方は従来の油圧流体であり、他方はＡＴＦ（ＤＥＸＲＯＮ ＩＩ、赤色染料）である。図１２Ａ及び図１２Ｃは、Ｍｏｂｉｌ Ｕｎｉｖｉｓ Ｎ４６の流体について、図１２Ｂ及び図１２Ｄは、Ｓｈｅｌｌ Ｓｐｉｒａｘ ＡＴＦについて示す。不溶物／微粒子の存在は、７００ｎｍから１７００ｎｍに増加するスペクトルバックグラウンドにおける光透過度のレベルの低下から極めて明白である。両方の場合において、流体の背景色からの光減衰は３５０ｎｍと７００ｎｍの間で依然として明らかであるが、図１３Ａに示すように、差分測定により補うことができる。流体と不溶物/微粒子の吸光度関数が図１２Ｃ及び図１２Ｄに示されている。この関数は、以下の式を用いて、透過スペクトルデータの逆数の対数により、スペクトルデータの通常の透過率から計算される。
式３：透過率＝（Ｉサンプル／Ｉバックグラウンド）＝Ｔ
式４：％透過率＝（Ｉサンプル／Ｉバックグラウンド）×１００＝％Ｔ
【００７９】
ここで、Ｉサンプルは、流体を透過した光の測定値、Ｉバックグラウンドは、サンプルの不存在下でのセル（測定キャビティ）を透過した光である。
式５：吸光度関数＝ Ｌｏｇ １／Ｔ＝Ａ
式６：吸光度関数＝ Ｌｏｇ １００／％Ｔ＝Ａ
【００８０】
上述したように、差分測定は、流体自体からスペクトルバックグラウンドを除去して不溶物/微粒子の吸光度関数を提供する。
式７：Ａ差分＝Ａ使用済みサンプル−Ａ新鮮オイル
【００８１】
図８Ａは、吸光度形式で記録された差分スペクトルデータを示す。この吸収プロファイルは、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、ＬＥＤ９個または１６個構成のデジタル化データからの（補間された）「スペクトル」の再生（再現）においてにも示されている。これらの図から、ＬＥＤ９個構成の結果は充分であるが、ＬＥＤ１６個構成はわずかに高い分解能の結果を提供し、元の（オリジナルの）スペクトルプロファイルをより正確に再構成する。これらの図は、流体状態を評価するための差分/推論の概念を示している。データ点（複数）を用いるベクトルベースの評価は、不溶物/微粒子の影響を明確にするために必要な傾向を提供する。この測定についての従来の分析は、総固体測定であり、このスカラー値は、出力ベクトルの合計からスカラー出力を計算することにより相関させることができる（表７）。なお、これらの値は、透過率としてのスペクトルデータから計算された値として提示されている。結果として、不溶物/微粒子含有量の増加は、スカラー出力結果の減少値として表される。
【００８２】
不溶物/微粒子には２つの主な要因が存在し、まず第１の要因は過度の経年劣化であり、この場合、経年劣化成分が溶液から析出し分散した不溶性材料として懸濁する点まで酸化/分解生成物が蓄積する。これらの材料は懸濁状態のままでいるか、または時間の経過とともに機械のシステムの壁または底部に析着する可能性がある。微粒子を生み出すもう１つの要因は、劣化したオイルシールなどの金属部品またはエラストマー部品の摩耗から生じる物理的分解生成物である。第１のかつ最も可能性の高い要因はオイル分解生成物であり、これは検出可能なスペクトル特性を有する酸化/経年劣化成分の形成を伴い得る。このことは、約５００ｎｍと約５５０ｎｍとの間の最大ピークによって図１３Ａに示されている。この最大値は１.５を超える差分吸光度によって観察される。約１．０の吸光度を超える値は、過度の経年劣化またはオイル分解の警告のためのトリガ点又はアラームと見なされることができる。流体状態の評価は、ベクトルまたはスカラー表現として記録することができる。これについては表５〜７について後述する。
【００８３】
汚染のレベルに応じて、流体中の水の検出について同様のベクトルを生成することができる。典型的には約１００ｐｐｍから約１０００ｐｐｍの間のトレースレベルとして定義される低レベルでは、流体配合に依存して、流体中に水の僅かな溶解があり得る。これは、流体の濁りによる透明度の僅かな低下を伴い得る。これらの低レベルでは、水のこのエントレインメントは、図１３Ｃ及び図１４Ａ〜図１４Ｃに示されるように、〜１４５０ｎｍで生じる吸水として検出される。スペクトルにおいて検出される流体のこの僅かな濁りは水分の侵入と合致し、これは、機器が従って流体が温まるにつれて、ある程度の温度感受性を示し得る。これらの条件下で、センサ出力は、低温でわずかに傾斜した（sloping）バックグラウンドとして観察されるいくらかの光散乱を記録し、傾斜したバックグラウンドの消失と共に流体が温まるにつれて、光学的透明度が増加する。
【００８４】
図１４Ａ〜図１４Ｃは、約１００ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍの範囲の微量の水を含む流体についてのスペクトル出力を示す。上述のように、この場合、ベースラインにおける僅かな変化によって、更に、１４５０ｎｍにおける吸光度の増大の出現によって検出されるような、流体が透明からわずかに混濁する温度依存性があり得る。図１５Ａ〜図１５Ｃは、９個および１６個のＬＥＤ構成のデジタル応答から補間されたセンサ出力を示す。経年劣化のない場合、可溶化水センサベクトルは、図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるように、１４５０ｎｍで弱い特徴として現れる。この弱い吸収プロファイルは、図１５Ｃに見られるように、適度の経年劣化の存在下で検出されることができる。経年劣化ベクトルの強度が増加するにつれて、低レベルの可溶化水の存在はより明らかでなくなる可能性があるが、その場合、経年劣化ベクトルの増加は監視すべきより重要なパラメータになる。ベクトルの値は、流体中の可溶化水分の何らかの指標を提供する。
【００８５】
上記の微量レベルで検出される水分は正常であり得、動作環境および動作温度の関数として変動し得る。環境シールまたはガスケットが故障した場合、水による汚染（水の混入）のレベルは「重度の（gross）」汚染として評価されるレベルまで上昇し得る。これらの変化した状態は、図１６Ａ〜図１６Ｄに示されるように検出されることができる。スペクトルの正味の変化は、流体中の「不溶物」の出現に類似して見えることがあるが、高レベルでは、両方の状態は油圧システム内の流体の重大な不具合を示すことがあるが、これは、機械的故障（シール漏れ又は激しい摩耗）または、流体の重度の熱的または酸化的ストレスに関係している可能性が極めて大きい、重大な流体障害のいずれかに起因する。
【００８６】
これらの状態はすべて、修理または総点検の必要性につながる、流体の交換の必要性および/又は差し迫った又は現実の機械的故障のフラグまたは指標である。クリアな新鮮流体から著しく水に汚染された流体までのスペクトル遷移（変化）は図１６Ａ及び図１６Ｂに示される透過率および吸光度の形のスペクトルデータから明らかである。センサからのベクトル出力は、分散された水からの高レベルの光散乱が引き起こす光透過性の著しい損失によって深刻または重度の汚染を明確な指標を与える。典型的には、このレベルでは、流体が冷えると自由水が液滴として観察され得る。これは破局的な障害状態であり、その検出に応じて、流体の交換と油圧システムのメンテナンスを行うことが望ましい。これらの状態のベクトルおよびスカラー評価を表５〜７に示す。
【００８７】
表５及び表６に示されるベクトル出力の例は、１０ビット又は１２ビットの装置で実現できる。最適な選択を行うことにより、ゼロに近い透過の正確な測定が可能になり、この場合、１０ビットＡ/Ｄは１：１０００の精度を提供し、１２ビットＡ/Ｄは１：４０００の精度を提供する。あるいは、標準の１６ビットアーキテクチャが選択される場合、６４，０００分の１の精度を達成することができる。これは必要ではない場合もあり、内蔵型Ａ/Ｄ変換器を有するプロセッサに通常の１２ビットアーキテクチャは、ベクトルベースの実装のすべての形態において十分であると思われる。しかし、必要なダイナミックレンジによっては、高レベルの分散固体または分散水による高吸収を有する流体について、ゼロに近い信号の適切な表現を保証するために、１６ビット形式の生データが好ましい場合もある。
【００８８】
表１から表６に、ＬＥＤ９個構成による本開示のセンサ概念の完全な表による説明を示す。これは、結果として得られる信号獲得と共にマルチチャネルＬＥＤ照明および検出を説明する。６つの異なる測定シナリオがこれらの具体例に表されている。実用的具体化においては、各ＬＥＤは単一周波数または異なる複数の周波数で変調される。単一周波数変調のアプローチでは、ＬＥＤ波長は、例えば、低波長から高波長まで連続的にスキャンされ、信号はデータのブロックごとに捕捉される。表１は、基準チャネル収集と共に９チャネルＬＥＤシステムのデータ収集を示している。両方のチャネルはリアルタイムで同時に捕捉されることができ、連続的にスキャンされると、各波長での光透過率を獲得することができる。この例では、データ収集サイクルごとに９チャンネルのベクトル出力を生成することができる。これ以降、説明されるすべての例は、各ベクトルに対して１×９データアレイを生成する９ＬＥＤチャネル構成について言及するが、この特許開示は、２以上の最大５０までの他のすべてのＬＥＤの組み合わせをカバーする。この最大数は任意のものであり、実用上、センサの構築に利用可能なＬＥＤの数によって決定される。
【００８９】
現実のシステムでは、流体の状態は非常に急速に変化することは予期されておらず、そのため、測定サイクルの設定は、１分ごと、１０分ごと、または１時間ごとなど、最終的な実施状況に意味をなすものであればよい。データスライス（data slices）の時間的分離が必要な場合、より高いデータレートが必要となることがあるが、このことは、システム内に多量の空気混入が存在する場合、重要であり得るが、この場合、マイクロバブルは時間ベースで区別（識別）可能である。そのような場合、約１０Ｈｚまたは約１００Ｈｚのレートでのタイムスライシング（time slicing）で充分であり得る。実用的具現化では、データ収集は、各ＬＥＤの信号応答が平均化される信号平均化を伴い得るが、これは、測定のＳＮＲを増加する必要があるときに用いられる。
【００９０】
連続的スキャンが時間ベースでの必要なレベルの区別（識別）を提供しない場合、ＬＥＤ（複数）は異なる周波数（複数）で変調されることができ、すべての波長が同時に収集されることができる。最終スペクトルベクトルは、収集された変調信号のフーリエ変換によって生成されることができる。
【００９１】
表１に、１００時間の使用寿命を有する、中程度の経年劣化を有する流体の信号捕捉を示す。サンプルチャネルの光信号（サンプル検出器信号）と基準チャネルとの視覚的な比較は、記録された各ＬＥＤ波長についてのサンプルの予想通りの減衰出力を示す。
2020519907.tif 000003
【００９２】
上記の値は、使用中の流体について典型的なものとみなすことができる。なお、新鮮オイルでは、「差分」吸光度モードで各チャネルについてゼロに近い値が得られる。このベクトルは、新鮮オイルからの差分吸光度として測定される経年劣化の推論測定値を表す。このベクトルについて計算された積分スカラー値は、７０．８（透過率）および０．１（吸光度）である。これらのスカラー値を使用することにより、流体状態の総合評価として迅速な全体的なスクリーニングを提供することができ、この場合、１００（透過率）または０.０（吸光度）に近い値は優れたオイル状態を表す。ゼロに近い値（透過率）または２と３の間の値（吸光度）は高レベルの流体劣化を示す。
【００９３】
表２は、２００時間使用されたサンプルについて観察されるような、より高レベルの経年劣化についての信号捕捉を示す。４１６ｎｍおよび４７０ｎｍについて記録された値は、状態が問われ得る（問題となり得る）レベルに近いが、ここで、１．０（１０００）を超える吸光度又は０．１（０１００）未満の透過率のベクトル値は、過度の経年劣化の指標である。これは任意のスケール（基準）であり、適用される実際の限界は、油圧システムを備えた現場で適用されるセンサから実験的に決定されるレベルに基づく。
2020519907.tif 000004
【００９４】
表３は、不溶性または粒子状材料の蓄積を表し、両方の場合において、ベクトル出力は、システムの流体を交換する必要があることを示す。
2020519907.tif 000005
【００９５】
両方のベクトルのセットは、過剰量の不溶物/微粒子を含む流体について許容できない状態を示している。４７０ｎｍ及び５２６ｎｍの値は、差分吸光度ベクトルについて＞１０００の値を有する範囲を明らかに超えている。これは４７０ｎｍ/５２６ｎｍの値についてトリガ点と見なされるべきである。これらの流体の不良状態は、レベル１およびレベル２の不溶物/微粒子を有するサンプルのスカラー出力にも反映されている。これらの流体について記録されたスカラー値は、レベル１およびレベル２について、それぞれ２１/６．８（透過率）及び０．７/１．２（吸光度）である。４７０ｎｍ/５２６ｎｍのチャネルの監視に加えて、他のチャネルが０２００または０１００を超える状況も、不溶性材料の存在の指標である。
【００９６】
表４に提示される２つの例は、高レベルの水汚染（混入）の検出を表す。水がより低いレベルで存在する場合、吸光度ベクトルの正味の増加を予期することができる。
2020519907.tif 000006
【００９７】
ベクトル表現は、１０００（１００．０％）〜００００（０．０％）の範囲の値の透過率形式、または００００（０．０００の吸光度）〜４０００（４.０００の吸光度）の範囲の値の吸光度形式のいずれかで評価することができる。なお、４.０００の吸光度は必ずしも実用的ではなく、１２ビットワードによって表される理論上の最大値である。実用上、これらの値は、３.０００の吸光度（３０００のベクトル値）に切り捨てられてもよい。これらの形式は一長一短であるが、透過率値アプローチは０から１００の間の限界が設定可能である一方、吸光度値に設定可能な上限はない。尤も、上述のように、実用的な最大値は存在し、これは３.０００に設定することは可能である。また、透過率値は流体からの「オリジナル」スペクトル出力を表し、一方、ベクトルについての「差分」吸光度フォーマットは、すべてのＬＥＤチャネルにわたる正味変化についてのデルタ関数を提供する。
【００９８】
吸光度値アプローチは、スケーリングが材料変化の増加と同一視することができるため、いくつかの利点を有する。ゼロに近い値は、新鮮流体と比較して最小の変化、すなわち、良好な状態を有すると見なされ、値の増加と共に、次第に劣悪な状態評価、軽度、中度、劣悪、そして重度の劣化へと移行する。
【００９９】
９チャネル９ＬＥＤ測定システムによる流体状態のベクトル評価の例について、「オリジナル」透過率と「差分」吸光度の両方のベクトル出力を夫々以下の表５及び６にまとめる。
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【０１００】
流体品質のベクトルベース評価に関する以下の説明は、９チャンネル型センサ（９ＬＥＤ波長）に基づき、吸光度形式についてのものである。ここで、ゼロに近い値は優れた状態を示しており、値が大きいほど品質が次第に低下する。２０００から３０００の間のスコアは、メンテナンスを必要とするほど深刻または非常に悪い。
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【０１０１】
図５の透過率ベクトルの合計のスケール表現を、透過率形式および吸光度形式（ＬＯＧ １/Ｔ）でスカラー評価メトリックとして表７に示す。スカラーメトリックを使用する目的は、高速なスクリーニングのために流体状態の迅速なリアルタイム評価を提供することである。但し、「ｎ」チャネルベクトル評価の代替にすることは意図されていない。
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【０１０２】
最も単純なレベルでは、これらのベクトルは９バイトのワードとして見ることができ、各バイトは１２ビットによって（例えば［バイト１］［バイト２］［バイト３］［バイト４］［バイト５］［バイト６］［バイト７］［バイト８］［バイト９］）表されるか、または、各チャネルの正味の差が１：１ベースで計算され比較される単純なデータアレイとして表される。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本書で説明した流体監視装置の焦点は、主に、エンジン（燃焼、往復、タービンなど）、モータ（電気、油圧、空圧など）、油圧システム、トランスミッション、ギアボックス及び差動装置、冷却システム（熱交換器および流体冷却式の金属加工、切断およびローラーシステムを含む）を含み得る、自動車、車両、静的および動的な動力システムにおける流体状態監視のためのものである。本開示の上記の実施形態は主に油圧流体の文脈で説明されているが、本書に記載のセンサの用途は流体の分野に限定されず、他の種類の材料も考慮することができる。そのような材料は潤滑剤、冷却剤、燃料を含む。
【０１０４】
本発明は、油圧流体の組成の様々な状態評価および変化監視にも適用することができ、使用中の経年劣化；酸化的および熱的ストレス；微粒子および不溶性材料の形成をもたらす使用中の流体劣化の関数としての油圧流体の組成の変化；水分の浸入および水による汚染の関数としての油圧流体の組成；推論測定値に基づく油圧流体状態；濁度からの汚染の測定；水、空気エントレインメント、機能流体中の微粒子および/又は他の不溶性材料；酸化生成物およびニトロ酸化生成物の形成に基づくガソリン及び天然ガス燃焼型エンジンのオイル状態の測定；色、組成、濁度に基づく冷却剤状態の測定、燃料マーカーなどを含む、マーカー材料（化学変化を示すために足されるカラーマーカー）の流体適合性、使用状況および/又は状態の測定などに使用される。
【０１０５】
複数のＬＥＤのアレイによって規定される波長（複数）における光透過率測定に基づくスペクトルセンサは、油圧流体の品質および経年劣化の監視および評価、流体の水分および水による汚染、包括的な流体品質評価、推論測定、濁度測定値からの流体汚染のために使用することができる。ＬＥＤの利用可能性に基づき、測定の標準範囲は約３５０ｎｍから約１７００ｎｍの間であり得る。光路長は、用途（材料の種類）および波長範囲に基づいて選択することができる。一般的な油圧流体向けに選択される標準の全光路は、約５ｃｍから約１０ｃｍである。上述のシナリオに関連する油圧流体の品質について、スペクトルセンサは、複数のＬＥＤのアレイによって規定される波長（複数）における光透過度測定に基づく。
【０１０６】
さらに、上記センサは、スペクトル測定法によって規定される光路長による光透過度測定に基づくセンサを使用して、燃焼エンジン及び潤滑剤の酸化およびニトロ化生成物を監視するためにも使用できる。複数の波長が可視および短波近赤外領域で監視される場合、光学スペクトルは、使用済みのガソリンおよびガス燃焼エンジンオイルの酸化およびニトロ酸化の両方をモデル化し傾向付ける（trend）ことができることが実証されている。本開示は、約３５０ｎｍから約１７００ｎｍのスペクトル範囲を含むよう、これらの測定値（範囲）を拡張する。エンジン内の高温により使用中にエンジンオイルが劣化していくにつれて、酸化生成物およびニトロ化生成物が形成される。
【０１０７】
典型的には、混合潤滑剤は淡黄色または麦わら色から出発し、経年劣化が進むにつれて、色は暗くなり、黄色からオレンジ色に変化し、茶色、さらには黒色に変化する。この後者の場合、この極端な暗色化は、しばしば分散した不溶性材料の形成を伴うが、これは光散乱による光損失によって検出することができる。スペクトルを記録すると、吸収波長はスペクトルの青色端から赤色端へ、そして場合によっては近赤外（ＮＩＲ）にまでシフトする。経年劣化プロセスは、ＬＥＤエミッタの複数の異なる波長で選択された吸収により、可視（緑、黄、赤）波長と近赤外波長とを監視することにより追跡され得る。ニトロ化のレベルに応じて、ニトロ化成分は酸化生成物から区別されることができ、この区別は、より高レベルでニトロ化することが知られているオイルを用いた実験により決定できる。
【０１０８】
さらに、本発明は、グリコール含有量（希釈および未希釈）、水分含有量、および汚染流体の存在に関しての冷却剤品質のインライン/オンライン監視用のセンサとして適合化されることができる。このセンサは、不適切なグレードの冷却剤の使用を示すこともできる。同様に、異なるグレードの冷却剤は色によって区別され、長寿命の及び長寿命化された流体は赤と黄色に着色されるが、標準グレードの冷却剤は典型的には緑色である。特定のブランドの冷却剤は、青色や紫色などの代替色に着色されている。このセンサは、冷却剤の異なる種類およびブランドを識別することができる。異なる種類の潤滑剤や異なる分類の流体およびオイルはカラーコード化されることができる。これは、使用される流体の種類およびブランドを分類することができ、品質および状態の評価を提供することができる、業界向けのユニークなセンサである。
【０１０９】
上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の思想から逸脱することなく、様々な修正および変更が可能である。したがって、そのような修正および変更はすべて、添付の請求の範囲の範囲内にあるとみなされる。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく寧ろ例示として見なされるべきである。本書の一部を形成する添付の図面は、本発明の主題が具現化され得る具体的な実施形態を、限定ではなく例示として、示す。例示された実施形態は、当業者が本書に開示された教示を実施できるように十分詳細に説明されている。構成的または論理的な置換および変更が本開示の範囲から逸脱することなく行われ得るように、その他の実施形態は利用され、更にそれらから導き出されることができる。したがって、この詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきでなく、種々の実施形態の範囲は、請求の範囲が及ぶ全範囲の等価物と共に、添付の請求の範囲のみによって定められる。
【０１１０】
本発明の主題の実施形態は、本書において、個別に及び/又は集合的に、「発明」という用語によって参照されていることがあるが、これはあくまで便宜上のものであり、２つ以上の実施形態が実際に開示されている場合、いずれかの単一の発明または発明思想に本願の範囲を自発的に限定することを意図していない。従って、本書において具体的な実施形態について図示して説明したが、同じ目的を達成するために計算されるあらゆる構成配置が、示された具体的な実施形態の代わりに用いてもよいことを理解するべきである。本開示は、種々の実施形態の変形形態の任意の及び全ての適合化をカバーするように意図されている。上記の実施形態の組み合わせ、及び本書に具体的に説明されていないその他の実施形態は、上述の説明を検討することによって、当業者には明らかになるであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【国際調査報告】
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