专利名称：实时监测自动变速器油的状态的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用传感器进行流体状态监测，该传感器提供实时指示被检测流体的化学状态的电信号。
背景技术：
众所周知，这种类型的传感器使用阻抗光谱技术，这种传感器的一个例子在2001年8月21日授权的Bauer等人的美国专利6,278,281中示出和描述，其中一对间隔式电极在相对低的频率下和在相对高的频率下顺序地被激励，前者用于确定在电极表面上的电化相互作用，后者用于确定流体的整体阻抗(bulk impedance)。电流在两个激励频率下进行测量，并且对于每个电流测量值计算阻抗以及计算阻抗差，通过将计算的阻抗差与对于已知流体状态(如通过化学分析)确定的阻抗差进行比较，能够确定流体状态。
已经提出使用这样的装置来监测动力传输中的流体状态和实时监测内燃机中的润滑油。用于发动机的这种传感器应用的另一个例子在2002年4月23日授权的McGinnis等人的美国专利6,377,052中示出和描述，其中间隔式电极螺旋地缠绕在插入发动机曲柄箱的量油尺上。
上述使用阻抗光谱的类型的装置可以利用使用电极的交叉平面阵列或者上述螺旋排列或者诸如例如那些在美国专利6,433,560中教导的同心放射状间隔式管状电极的类型的电极排列，该专利由Hansen等人提出并于2002年8月13日被授权。
上述Bauer等人的专利在其图15中描述了自动变速器油在新的状态中和在车辆行驶一定英里数后在上述低频率和高频率下测量的阻抗。
然而，由于实际的车辆使用状态取决于车辆运行的类型、装载量以及在该运行期间的环境，所以很早就期望提供一种传感器，其能在车辆的整个使用寿命期间根据流体的实际化学特性提供流体状态的实时指示和根据流体的当前状态指示估计的剩余使用寿命(RUL)的数量或者百分比。
发明内容
本发明提供一种用于产生实时表示被检测的流体的化学状态的连续变化的电信号的技术，并根据已知化学状态的流体样本中的传感器读数使用算法来提供用于比较实时电信号的数据库，该电信号用于根据流体的当前状态提供剩余使用寿命(RUL)的指示。
本发明提供用于根据差分阻抗技术实时确定自动变速器油，特别是含有溶剂脱蜡的石蜡油的类型的流体的RUL的算法。
本发明使用一对间隔式电极，优选地，该电极被配置为同心排列的放射状间隔式环状电极，以提高流体在整个电极表面上的分散。本发明利用源于流体的化学分析的三个参数的任何一个，即按照ASTM D-664的总酸值(TAN)，按照ASTM e-168的增量氧化(ΔOX)和按照ASTM D-5483的HPDSC诱导时间(MIN)。
图1是设置在充满流体的变速器壳体中的本发明的传感器的示意图；图2是根据TAN确定RUL的系统运行的流程图；图3是类似图2的用于MIN的流程图；图4是类似图2的用于ΔOX的流程图；图5是本发明的探测器的透视图；图6是绘制作为TAN函数的差分阻抗值的图；图7是类似图6的绘制作为ΔOX函数的差分阻抗值的图；图8是绘制作为MIN函数的差分阻抗值的图；图9是随着温度变化的ΔZ的值的图。
具体实施例方式
参照图1和图5，本发明的传感器通常标记为10，包括通常标记为12的探测器组件，该探测器组件浸入包含在自动变速器壳或变速器壳体14中的称为ATF的流体中。本发明对具有溶剂脱蜡的重石蜡油作为精华成分的类型的ATF特别有用。
传感器12可以包括现有技术中的任何一个传感器，作为例子，如交叉平面阵列或者螺旋配置的电极对，然而在本优选实施例中，探测器12包括一对同心排列地放射状间隔式管状或环状电极16、18，其通过端盖20、22保持在紧密间隔式同心或嵌套的排列中。内部的管状电极16具有连接器端子24，其穿过在顶盖22上形成的间隙槽26从那里向外沿着轴线方向延伸；同样，外部的电极18具有连接器端子28，其穿过在盖22上形成的间隙槽30向外延伸。
设置由参考标记32表示的可包含热敏电阻装置的温度传感器，以使其中的传感元件暴露在壳体14中的ATF中。
内部的电极端子24沿着线路34连接以接收来自驱动器36的激励信号。连接器端子28沿着线路36连接到电流传感器40。
在本发明的优选实施例中，探测器12具有放射状地间隔大约0.15mm的距离的同心电极16、18，其中内部的电极18的直径大约为6mm，长度大约为38mm。然而应当知道，可以使用其它的直径和长度提供暴露在电极间的大约相同的表面积。在本优选实施例中，电极16、18由不锈钢构成，然而，也可以使用其它与ATF相容的电极材料。在本实施例中，发现本发明特别适合使用含有溶剂脱蜡的重石蜡油的ATF，但是本发明也可用于其它类型的ATF。
再次参照图1，激励驱动器36沿着线路42从振荡器44接收输入，该振荡器44由如12V直流电源46的车载电源供电，直流电源46也沿着线路48向激励驱动器36供电。微计算机50由电源46沿着线路52供电；微计算机沿着线路54从电流传感器40接收输入，以及沿着线路56从传感器32接收温度输入，并沿着线路58向报警或读出装置60提供输出。
在本发明的实施例中，振荡器44提供频率不高于大约0.1赫兹(100毫赫兹)的低频交流电压和频率不低于大约7.5赫兹的相对高频交流电压。
微计算机50采用基于来自ATF的实验室化学老化数据的查询表进行编程，确定在连续时间间隔的差分阻抗。测试流体样本以确定三个已知测试参数中的任何一个，即按照ASTM D-664的总酸值(TAN)，按照ASTME168的增量氧化(ΔOX)，按照ASTM D-5483的HPDSC诱导时间(MIN)。接着，对每个参数绘制数据，并画出数据间的曲线，分别如图6至8所示。这些图包含被认为是由实验室氧化老化测试加压的ATF的数据点，如根据得克萨斯圣安东尼奥西南研究所程序BJ110-4的铝杯氧化测试(ABOT)，以及在实际的路面使用时车辆消耗的一些ATF流体。需要注意的是，根据图6至8可以对数据做出线性近似，并且在图中指出了用于计算用于阀门的ΔZTC的各个化学参数的斜率的算法。
参照图2，系统电路的运行通常用参考标记62表示，当用户在步骤64启动后，系统进行到步骤68。在步骤68，系统查询流体的温度Tf是否在期望的界限TMIN和TMAX内；如果答案是否定的，则系统中断或者停止。然而，如果在步骤68的确定是肯定的，则系统进行步骤70，用相对高频的交流电压激励探测器32，并测量电流IHI。然后，系统进行步骤72，根据测量的电流IHI计算并存储阻抗ZHI。
然后，系统用相对低频的交流电压激励探测器32，并测量电流ILO，进行步骤76，根据测量的电流ILO计算并存储阻抗ZLO。
然后，系统进行步骤78，通过从 中减去 得到向量结果 来计算向量 接着，系统进行步骤80，计算ΔZT的绝对值，进行步骤82，根据ΔZTC值与温度的关系查询表确定温度补偿阻抗差ΔZTC，该表通过从温度修正曲线中获得数据点来编辑。这样的温度补偿的典型曲线如图9所示。
可以看出，提供一组三个图，即在图9中示出的上面的图ΔZTC＝-1.59E+04*T+1.92E+06，下面的图
ΔZTC＝-9.98E+03*T+1.18E+06，和中间的图ΔZTC＝-1.16E+04*T+1.39E+06，中间的图是通过在上面和下面的图中插值绘制的。应当指出的是三个图的形状和截距是相似的，从而提供可计算ΔZTC的区域。
接着，系统在步骤84将在步骤82确定的值存储为ΔZTC1，在步骤86经过不超过大约10秒的合适的时间延迟后，系统进行步骤88，重复步骤72至82，并在步骤90将结果存储为ΔZTC2。
然后，系统进行步骤92，通过从ΔZTC2中减去ΔZTC1计算ΔZ的变化ΔΔZ，进行步骤94，查询ΔΔZ是否是正的。
如果在步骤94的确定是肯定的，那么系统进行步骤98，根据基于图6的算法ΔZTC＝2.77E+05*TAN-2.7E+05的TAN与ΔZTC的值的关系查询表计算TAN。然而，如果在步骤94的确定是否定的，那么系统进行步骤96，重复步骤70至94。
在完成步骤98后，系统进行步骤100，将确定的值存储为TAN1，进行步骤102，经过不少于大约1小时的时间延迟ΔT。系统接着进行步骤104，重复步骤70至102，并在步骤106将结果存储为TAN2。接着，系统进行步骤108，通过从TAN2中减去TAN1并将差除以ΔT来计算衰减率ψ。然后，系统进行步骤110，取回存储的值TANEOL，接着进行步骤112，通过从TAN2中减去TANEOL并将差除以ψ来计算剩余使用寿命(RUL)的小时数。系统接着在步骤114显示计算的RUL的值。
参考图3，示出用于根据按照ASTM D-5483的HPDSC诱导时间(MIN)参数确定RUL的流程图，其中系统在步骤116启动后，在步骤118读取来自传感器32的流体温度。接着，系统进行步骤120，询问在步骤118读取的温度读数Tf是否在界限TMIN和TMAX内；如果该确定是否定的，那么系统中断或停止。然而，如果在步骤120的确定是肯定的，那么系统进行步骤122，用相对高频的交流电压激励探测器并测量电流IHI。接着，系统进行步骤124，根据在步骤122测量的电流计算并存储阻抗ZHI。
然后，系统进行步骤126，用相对低频的交流电压激励探测器并测量电流ILO。接着系统进行步骤128，根据步骤126测量的电流计算并存储阻抗ZLO。
接着，系统进行步骤130，通过从 中减去 计算向量差 并进行步骤132，确定绝对值ΔZT。
接着，系统进行步骤134，根据ΔZT与温度的关系查询表确定ΔZTC，该查询表根据取自如图9所示的曲线上的数据点确定，这些曲线标识已知状态的流体样本随着温度变化的差分阻抗。该过程与步骤82相同。
接着，系统进行步骤136，存储在步骤134计算的ΔZTC1的值，并且进行步骤138，经过不超过大约10秒的时间延迟。接着，系统进行步骤140，重复步骤122至134，并在步骤142存储计算的值ΔZTC2。
接着，系统通过从ΔZTC2中减去△ZTC1计算ΔZTC的变化ΔΔZ。接着，系统进行步骤146，询问ΔΔZ是否是正的，如果答案是肯定的，那么系统进行步骤148，重复步骤122到146。然而，如果在步骤146的确定是否定的，那么系统进行步骤150，询问ΔZTC是否等于或者大于3.4E+05。如果在步骤150的询问是肯定的答复，则系统进行步骤152，根据图8的图使用算法ΔZTC＝2.78E+05*MIN+2.95E+06编辑的MIN与ΔZTC的值的关系查询表确定MIN。
然而，如果在步骤150的确定是否定的，那么系统进行步骤154，根据图8的图使用算法ΔZTC＝1.98E+04*MIN+5.26E+05编辑的ΔZTC与MIN的值的关系的查询表确定MIN。
在完成步骤152或154中的一个后，系统进行步骤156，将确定的MIN的值存储为MIN1，进行步骤158，经过不少于大约1小时的时间延迟ΔT，接着，系统进行步骤160，重复步骤122至154。接着，将在步骤160确定的MIN的值在步骤162存储为MIN2，系统进行步骤164，计算通过从MIN2中减去MIN1并将差除以ΔT确定的衰减率ψ。
接着，系统进行步骤168，获取存储的值MINEOL，进行步骤170，通过从MIN2中减去MINEOL并将差除以在步骤164确定的ψ来计算剩余使用寿命RUL。然后，系统在步骤172显示计算的RUL的值。
参考图4，示出用于根据按照ASTM E-168的增量氧化(ΔOX)参数确定RUL的流程图，其中用户在步骤174启动后，系统在步骤176读取流体温度，接着进行步骤178以确定温度Tf是否在界限TMIN和TMAX内。如果在步骤178的确定是否定的，那么系统中断或停止。然而，如果在步骤178的确定是肯定的，那么系统进行步骤180，以用相对高频的交流电压激励探测器32，并测量产生的电流IHI。接着，系统进行步骤182，根据测量的电流计算阻抗ZHI并存储计算的值。接着，系统进行步骤184，用相对低频的交流电压激励探测器12，并测量产生的电流ILO，系统进行步骤186，根据测量的电流ILO计算并存储阻抗ZLO。
接着，系统进行步骤190，通过从 中减去 计算阻抗向量差 然后在步骤192确定计算的差ΔZT的绝对值。
接着，系统进行步骤194，根据ΔZTC与温度的值的关系查询表确定温度补偿值ΔZTC，该查询表根据取自如图9所示的曲线上的数据点编辑，接着，系统进行步骤196，将计算的值存储为ΔZTC1。
接着，系统进行步骤198，提供不超过大约10秒的时间延迟，接着进行步骤200，重复步骤180至194，并在步骤202将计算的值存储为ΔZTC2。
接着，系统在步骤204通过从ΔZTC2中减去ΔZTC1计算差分阻抗ΔZ的变化ΔΔZ，进行步骤206，询问ΔΔZ是否为正的。如果在步骤206中询问的结果是否定的，那么系统进行步骤208，重复步骤180到204。如果在步骤206中的询问是肯定的答复，那么系统进行步骤210，询问ΔZTC是否等于或者小于3.40E+05。如果在步骤210的确定是肯定的，那么系统进行步骤212，根据图7的图使用算法ΔZTC＝1.35E+04*ΔOX+1.32E+05编辑的ΔOX与ΔZTC的值的关系查询表确定ΔOX。
如果系统在步骤210的答复是否定的，那么系统进行步骤214，根据基于图7的图使用算法ΔZTC＝2.67E+04*ΔOX-6.86E+04的ΔOX与ΔZTC的值的关系查询表确定ΔOX。
在完成步骤214，212中的一个后，系统进行步骤216，将结果存储为ΔOX1，在步骤218执行不少于大约1小时的时间延迟。接着，系统在步骤220重复步骤180至214，并在步骤224将结果存储为ΔOX2。
接着，系统进行步骤226，通过从ΔOX2中减去ΔOX1并将结果除以ΔT来计算ΔOX的值的差ψ。接着，系统进行步骤228，取回存储的值ΔOXEOL，进行步骤230，通过从ΔOX2中减去ΔOXEOL并将结果除以计算的ψ值来计算剩余使用寿命(RUL)，进行步骤232，以显示RUL的值。
不管是计算TAN、ΔOX或MIN中的哪一个，如果ΔZTC被测出等于或者大于6.5×105，那么ATF流体被认为是已经到了使用寿命的终点。
虽然在上文已经描述了本发明的示例性实施例，但是应当知道本发明可以进行修改和变化，并且本发明仅由下面的权利要求限定。
权利要求
1.一种实时监测自动变速器中流体状态的方法，包括(a)在变速器内的流体中设置一对间隔式电极(16，18)；(b)采用第一相对低频的交流电压和第二相对高频(70，122，180)的交流电压顺序地激励(74，126，184)所述电极中的一个电极(18)，其中前者用于通过阻抗变化测量在电极表面的电化相互作用的效果，后者用于测量整体流体阻抗的效果；(c)在所述第一和第二频率下测量所述电极中的另一个电极(16)上的电流，并计算在所述频率下的阻抗差ΔZ；根据已知的ΔZ作为温度的函数的关系确定阻抗差的温度修正值ΔZTC；(d)从包括(i)ASTM D-664TAN；(ii)ASTM E168氧化和(iii)ASTM D-5483 HPDSC诱导时间的组中选择一个参数，根据作为(i)，(ii)和(iii)中一个的函数的ΔZTC值的查询表确定该参数(98，152，154，212，214)；以及(e)当所述TAN、氧化和HPDSC时间到达预定的界限时，提供流体寿命结束(EOL)的指示(112，170，230)。
2.如权利要求1的方法，其中，所述设置一对间隔式电极的步骤包括设置一对同心圆柱体。
3.如权利要求2的方法，其中，所述提供一对电极的步骤包括提供一对同心圆柱形电极，其径向间距大约0.15mm，内部的电极直径大约6mm，长度大约38mm；所述提供EOL指示的步骤包括当ΔZTC≥6.5×105欧姆时，提供指示。
4.如权利要求1的方法，其中，所述激励所述电极中的一个的步骤包括在不高于100毫赫兹(0.1赫兹)的第一频率下激励和在不低于10赫兹的第二频率下激励。
5.如权利要求1的方法，其中，所述计算阻抗差的步骤包括计算阻抗差的绝对值。
6.如权利要求1的方法，其中，所述计算阻抗差的步骤包括根据在所述第一和第二频率下测量的电流的移相角计算电抗。
7.如权利要求1的方法，其中，所述提供EOL的步骤包括提供与ΔZTC成比例的电信号。
8.一种实时监测自动变速器中基于溶剂脱蜡的重石蜡油的流体状态的方法，包括(a)在所述变速器内的流体中设置一对间隔式电极(16，18)；(b)采用第一相对低频交流电压和第二相对高频交流电压顺序地激励所述电极中的一个电极(18)，其中前者用于通过阻抗变化测量在电极表面的电化相互作用的效果，后者用于测量整体流体阻抗的效果；(c)在所述第一和第二频率下测量所述电极中的另一个电极(16)上的电流，并计算在所述频率下的阻抗差ΔZ；根据已知的作为温度的函数的ΔZ的关系确定阻抗差的温度修正值ΔZTC；(d)从包括(i)ASTM D-664 TAN；(ii)ASTM E168氧化和(iii)ASTM D-5483 HPDSC诱导时间的组中选择一个参数，根据作为(i)、(ii)和(iii)中一个的函数的ΔZTC值的查询表确定该参数(112，170，230)；以及(e)当所述TAN≥3.5，氧化≥30和HPDSC＜7.5分钟的一个状态出现时，提供流体寿命结束(EOL)的指示。
9.如权利要求8的方法，其中，所述设置一对间隔式电极的步骤包括在同心排列中放射状地间隔第一和第二管状构件。
10.如权利要求9的方法，其中，所述放射状地间隔的步骤包括间隔所述第一和第二电极大约0.15mm。
全文摘要
一个具有环状间隔式电极的管状探测器被浸入自动变速器油(ATF)中，并用相对高频和低频的交流电压顺序激发。在两种频率下测量电流和计算阻抗差；差分阻抗用温度和按照ASTM D－669的TAN、按照ASTME－168的增量氧化(ΔOX)和按照ASTM D－5483的HPDSC诱导时间(MIN)中之一的对应值修正，其中对应值根据已知流体状态下TAN、ΔOX和MIN与阻抗差的关系查询表确定。然后根据确定的TAN、ΔOX或MIN的当前值可以计算剩余使用寿命(RUL)。当温度修正阻抗差ΔZTC达到6.5×10
文档编号G01N27/02GK1726392SQ200380105770
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月13日
发明者R·W·希尔斯, S·R·沙卡迈耶, L·Q·邹, V·E·施泰达 申请人:伊顿公司
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