专利名称：用于检测导电碎屑存在的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测流体通路中的导电碎屑存在的装置。
该装置广泛地应用于诸如内燃机的机油中的金属颗粒检测。
很多种用于检测流体通路中的导电碎片存在的器件已经是公知的，但是这些器件具有如下的一个或多个缺点1.需要频繁的手动调整以确保可靠检测；2.一些采用不止一个线圈的器件对于线圈的相对位置很敏感，并因此会由于振动、温度变化等产生问题；3.电路容易受到温度变化和温度值的影响；在适于在所需灵敏度下工作的器件中补偿电路会产生延迟；4.内部噪声限制了对于小颗粒的灵敏度因此本发明的目的在于至少部分地减少上述缺点。
根据本发明的第一方面，本发明提供了用于检测流体通路中的导电碎屑存在的装置，该装置包括具有四臂的桥式电路，该电桥的一个臂包括设置用于监控流体通路的线圈，跨接在桥式电路一个对角线用于提供交流电的操作电路，跨接在桥式电路另一对角线用于监控桥式电路中的不平衡的监控电路，响应于监控电路的输出用于以降低桥式电路中的不平衡的方式调整桥式电路至少一元件的值的平衡电路。
该装置可以仅包括单个线圈。
操作电路、监控电路、平衡电路以及桥式电路中除线圈之外的其它元件可以远离流体通路设置。
平衡电路设置为控制包括所述至少一元件的容抗、感抗和阻抗的组中至少之一。
监控电路包括用于测量所述电桥其他对角线中电压的同相和正交分量的同步检波器(synchronous detector)。
操作电路包括跨接于所述一条对角线上的电路，该电路用于施加正弦波作为交流电。
所述一个臂包括所述线圈和电容器件的串联电路，而其余的三个臂由阻抗效果主要为电阻的元件构成。
电容器件为可控的。
该所述的一个臂包括具有初级绕组、次级绕组的变压器，该初级绕组设置为与电容器件串联，而次级绕组连接到所述的线圈上。
该平衡电路包括与所述一个臂中的固定电容并联连接的可控电容。
可控电容包括固定电容和用于控制施加给电容器的交流电的电路，从而控制固定电容的作用。
该平衡电路包括与桥式电路其中一个臂上固定电阻并联连接的可控电阻。
根据本发明的第二方面，本发明提供了用于检测流体通路中导电碎屑存在的装置，该装置包括设置用于监控通路的线圈，用于提供通过线圈的交流电的驱动电路，用于监控线圈中电流的感应电路，该感应电路包括用于补偿老化和温度影响的补偿电路，其中该驱动电路包括与线圈一起形成桥式电路使得该线圈设置于桥式电路的一个臂中的元件，并且设置补偿电路以控制包括多个所述元件其中之一的容抗、感抗和电阻的组中至少其中之一。
该装置可以仅包括单个线圈。
操作电路、监控电路、平衡电路以及桥式电路中除了线圈以外的元件可以设置为远离流体通路。
感应电路包括用于测量桥式电路对角线中电压的同相和正交分量的同步检波器。
桥式电路包括四个臂，所述一个臂包括所述线圈和电容器件的串联电路，而其余的三个臂由阻抗效果主要为电阻的元件构成。
驱动电路可以包括连接到桥式电路一条对角线的正弦波振荡源。
电容器件为可控的。所述一个臂可以包括具有初级绕组、次级绕组的变压器，该初级绕组设置为电容器件串联而次级绕组连接到所述的线圈上。
补偿电路包括并联连接到所述一个臂中固定电容的可控电容。
可控电容包括固定电容和用于控制施加给电容的交流电的电路，从而可以控制固定电容的作用。
补偿电路包括并联连接到桥式电路的所述其余臂其中之一中的固定电阻的可控电阻。
可控电阻包括固定电阻和用于控制施加给电阻的交流电的电路，从而可以控制固定电阻的作用。
可以设置多个线圈，至少其中之一具有与流体通路轴不对准的轴，使得确定任何颗粒的形状或者确保高度不对称的颗粒的检测，例如薄而宽的颗粒。
现在通过参考附图，以实施例的方式说明本发明的实施方式，其中图1所示为根据本发明用于检测流体通路中导电碎屑存在的装置的框图(high level diagram)；图2所示为部分图1所示装置的一部分的方框图；图3所示为部分图2所示装置的一部分的变型的方框图；图4所示为适用于根据本发明的装置的可变阻抗电路的实施例；图5所示为颗粒正在流体通路中移动并即将通过根据本发明的装置的线圈的局部剖面图；图6所示为颗粒正在流体通路中移动并即将通过根据本发明的另一装置的线圈的局部剖面图。
在不同的图中，同样的附图标号表示同样的部件。
首先参考图1，用于检测流体通路中导电碎屑存在的装置(70)包括提供表示导电碎屑的信号的第一部分1，和接收代表碎屑的信号并响应该信号的第二部分2。
第一部分1由通过驱动电路20驱动的感应线圈10和用于监控线圈中电流的感应电路30构成。该感应电路30具有施加给部分2的输出56a和57a。在该实施方式中，部分2包括用于识别信号以检测通过线圈检测到的扰动的发生的分析电路100。仅应用一个线圈意味着由于振动产生的改变或者限定流体通路的管道尺寸的改变对电路输出产生的影响比采用差分器件或由不止一个线圈的情况下产生的其它影响要小。
参考图2，线圈10示意性地表示为串联连接到电阻元件12的纯电感11。设置该线圈10用于监控流体通路(未示出)。通常，线圈10缠绕于或位于限定流体通路的管道的外围。设置该驱动电路20用于提供通过线圈的交流电并且感应电路30监控线圈10中的电流。感应电路30包括用于补偿装置中的其余部分的老化和温度影响的补偿电路31。在本实施方式中的驱动电路20具有第一到第三固定电阻21、22、23，该第一到第三固定电阻21、22、23与线圈一起形成具有四个臂的桥式电路，使得线圈设置于桥式电路的一个臂中。桥式电路的一个臂由线圈10和固定电容24的串联电路构成，该固定电容24与电控电容器(electronically controlled capacitor)124并联。
在被监控的流体或者很热或者具有很宽的温度值的地方，最好仅将线圈靠近流体通路而设置。而其他集成体(integer)最好远离流体通路以避免温度影响。
桥式电路25具有同时连接到第一和第二电阻21、22的第一节点40和共时连接到包括线圈10的臂和包括电阻23的臂的第二节点41，该从第一节点40到第二节点41的路径构成第一电桥对角线(a first bridge diagonal)。该桥式电路25还具有同时连接到第三和第四电阻22、23的第三节点42和同时连接到第一电阻21和包括线圈10以及固定电容24的一臂的第四节点43。在所示的实施方式中，线圈10连接到第四节点43而电容器20连接到电容24-—然而，从最广义上来说，这并不是本发明的根本。
因此桥式电路25具有包含线圈10和固定电容24的第一臂、包含第一电阻12的第二臂、包含第二电阻22的第三臂和包含第三电阻23的第四臂。桥式电路25中的第二对角线形成在第三和第四节点42和43之间。第四臂进一步包括平行于第三电阻23的电控电阻123。
驱动电路20进一步包括晶体振荡器44、接收晶体振荡器44输出的减少谐波低通滤波器45和接收滤波器45输出的功率放大器46。放大器的输出连接到桥式电路25的第一节点40。桥式电路25的第二节点41构成连接晶体振荡器44、低通滤波器45和功率放大器46的参考节点终端的参考节点。在该实施方式中参考节点41接地。可以使用正弦波振荡器，但是在所述实施方式中，该振荡器具有方波输出。相配的滤波器电路对于熟悉本领域的人员来说是公知的，基本上允许正弦波输出以驱动该电桥。
感应电路30具有输入差分放大器51，其两个输入连接到桥式电路25的第三和第四节点42、43。该差分放大器51具有连接到第一同步检波器53和第二同步检波器54的单端输出52。第一同步检波器53在第一节点40接收电压作为其交流基准(altemating reference)。第二同步检波器54具有连接到其基准终端的90°相移电路55并且该相移电路55接收第一节点40的电压作为其输入。
第一同步检波器53具有依次向第一放大器和具有输出56a的滤波电路56提供输入的输出53a。第二同步检波器54具有提供给第二放大器和具有输出57a的滤波电路57的输出54a。补偿电路31具有分别连接到第一放大器和滤波电路的输出56a和第二放大器和滤波电路输出57a的两个输入。在本实施方式中补偿电路31具有两个输出，连接第一输出32以控制电控电容124并且补偿电路的第二输出33连接以控制电控电阻123。该补偿电路31还设置为监控桥式电路以减少该桥式电路25中存在的不平衡。
关于图3，示出图2所示的装置的变型。比较图2和图3发现图3所示的桥式电路125除了线圈10没有直接连接到第四节点43和固定电容24之间而是连接到变压器(26，27)的次级绕组27上以外基本与图2的电路一样。在该实施方式中，变压器(26，27)的初级绕组26连接在节点43和固定电容24之间。
现在将说明图2实施方式的工作情况。
晶体振荡器44包括用于提供大约100KHz输出频率的分频电路(dividercircuitry)。在所述的实施方式中使用25MHz晶体振荡器并进行256分频。由于高频晶体体积较小因此使用高频晶体可以提供对振动的低敏感度。将晶体振荡器的输出提供给低通滤波器45，该低通滤波器45的输出具有低谐波含量，低谐波含量有助于使得在电桥平衡条件下跨接在节点42、43的残留的电桥输出足够低从而使得检波器53、54不会过载。在电路接通以后，包括补偿电路31的回路通过同相输出56a和正交信号57a来平衡桥式电路25，同相输出56a提供对电控电阻器123的电阻的反向控制以平衡电桥中线圈10电阻的变化，正交信号57a用于控制电控电容器124的电抗以平衡电桥中线圈10的感抗11的变化。在没有碎屑通过线圈的稳态条件，补偿电路31接收同相和正交信号并将二者结合以提供用于电控电容器124和电控电阻器123的控制参数。该回路用于最小化同相信号和正交信号的值。应该理解第二臂到第四臂仅包括电阻器意味着在电桥平衡时包含线圈10和电容器24的第一臂也是阻抗，该条件可以通过电容器24、124和线圈10的谐振或串联谐振电路实现。为此，改变该电控电容器124的电容值以时和固定电容器24一起在约100KHz的驱动频率(实际额定为97.5KHz)下保持谐振。
现在参考图4，增益控制放大电路120具有连接在其输入121和输出122之间的电容器130。该输入121经由固定电容器131接地123。增益控制124输入到放大器120，并允许改变分流输入121对地123的电容的有效值。因此可以通过增益控制输入改变在输入121之间由电容器131固定电容和有效可变电容所构成的总电容。用电阻器代替电容器130、131可以提供可变电阻电路。其他可变电阻/电容电路对于熟悉本领域技术人员是公知的并可以替代应用。
选择补偿电路或平衡电路的积分时间常数，使得由颗粒通过线圈的通路产生的信号不会太快而大大地影响调谐。在选择的实施方式中，调谐具有充足的范围以对老化和温度影响留有余地，同时调谐具有优于四百万分之一的足够精度以调谐电桥。在导通控制电路的10秒钟内达到平衡。
采用图2所示的器件，在流过流体通路的油温范围在20～150℃，可以检测85微米以下的颗粒M50。该器件能够响应大约千万分之一的线圈阻抗变化。
当功率增加到10瓦特时，可以采取专用手段来掩蔽该驱动电路以减少辐射噪声并在驱动电路功率中提供低谐波含量。该功率输入允许检测到小到25微米的颗粒。
图3所示的变型可以用在使用频率低于100KHz的地方。如果线圈串联到电容器，采用更低频率使得调谐线圈更难，但采用变压器耦合，这一点可以得到改进。变压器的应用也允许平衡驱动线圈，可以提高器件噪音抑止性能因此，将该变型应用到高频装置上也是可行的。
分析器电路100可以是提供表示在流体通路中一个或多个颗粒存在的输出的简单的存在检测器(presence detector)。另外，可以使用在输出线56a和57a的输出形状来提供检测到的颗粒或连续颗粒的形状和尺寸的示值。
必须根据所需的应用选择线圈的形状。应该认识到所选的具体形状要在敏感度和通过流体通路的流速之间进行折中。很明显通过减小线圈的直径可以提高线圈的敏感度，从而使得比较的颗粒相对而言较大。但是，直径芯越小就必然要求流体通路的直径越小，这可能会限制油的流速。
所述的装置由于如下的几个原因优于现有方案1.对于每个油体管路仅需要一个线圈。
2.该器件完全自动并且不需要任何调节。
3.通常在导通6秒钟内开始操作。
4.通过提供同相和正交输出，使得颗粒区分成为可能。
5.可以在油温为20～150℃之间工作。
6.通过提供模拟输出，可以确定颗粒的尺寸和形状。
在一个实施方式中对于操作使用的装置仅需要6瓦和可以使用便宜的电路。
在一些实施方式中，将油流体通路分为各自具有线圈的多个窄路径，这样允许获得高敏感度同时保留很高的油流速。
在某些环境中，采用单个或成组线圈用于检测导电碎屑的装置可能不能检测到某些类型的颗粒。参照图5，例如，沿着一个轴具有小长度但沿另一个轴具有相对大长度的颗粒通过一个轴基本上平行于通路轴101的装置，就可能发生这种情况。因此，最小尺寸的中心线大约与通路轴成90度角。由于该前述装置仅能“看到”窄尺寸，这意味着该前述的装置可能不会受到颗粒的影响。这种通常类型的颗粒可能预示即将到来的灾难性的机器故障。
为了克服这一点，可以通过在流路径中使流旋转使得存在的任何颗粒都可以很容易地检测到以改进该装置。通过在流通管路中提供旋转流该颗粒将会旋转并提高检测到颗粒的可能性，因此在旋转过程中的一些点，很可能出现适于用于检测的线圈的宽度尺寸。
克服该缺点的另一方式是使用两个或多个线圈10a、10b。在图6所示的实施方式中，存在两个具有各自轴103、104的线圈，设置使得他们的轴103、104不平行于流体通路的轴101，并且与流动轴成不同的角度。在所示的实施例中，轴103与通路轴101成60度角，并且轴104与轴101成120度角。在具有两个线圈的另一实施方式中，一个具有平行于流向的轴，一个具有和流向存在一定角度的轴。在其他实施方式中，两个线圈相对于轴基本成不相关的角度。
这些或相似的实施方式在一个或两个线圈中产生信号而与颗粒的方向无关。通过该结构也可以确定颗粒的形状特征，因为只有在颗粒不是球形时时来自各线圈的信号才有所不同，即，标准的球形将在两个线圈中产生一样的信号。
由于这些多线圈结构对于其操作不受线圈位置绝对差异是否保持不变的影响，因此它们不会如人们通常认为的多线圈装置那样对振动敏感。
可以对于各线圈使用单独的信号处理电路。可选择的可以设置多个线圈串联。线圈的角度和数量根据应用而有所区别。
尽管采用了正可控电阻和电容电路说明该器件，但是当然如果有必要的话也可以使用负阻抗模拟器替换。
尽管已经参照
了本发明的示例性实施方式，但是本发明的范围不限于实施方式的技术特征而是延伸到所附权利要求的范围。
权利要求
1.用于检测流体通路中的导电碎屑存在的装置，该装置包括具有四臂的桥式电路，该电桥的一个臂包括设置以用于监控流体通路的线圈，跨接在所述桥式电路一条对角线用于提供交流电的操作电路，跨接在所述桥式电路另一对角线用于监控所述桥式电路中的不平衡的监控电路，以及响应于所述监控电路的输出用于以降低桥式电路中的不平衡的方式调整所述桥式电路至少一元件的值的平衡电路。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置仅包括单个线圈。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在与所述流体通路的结合中，所述操作电路、监控电路、平衡电路以及桥式电路中除线圈之外的其它元件可以远离流体通路设置。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述平衡电路设置为控制包括所述至少一元件的容抗、感抗和阻抗的组中至少之一。
5.根据以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述监控电路包括用于测量所述电桥另一对角线中电压的同相和正交分量的同步检波器。
6.根据以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述操作电路包括跨接于所述一条对角线上用于施加正弦波作为所述交流电的电路。
7.根据以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述一个臂包括所述线圈和电容器件的串联电路，而其余的三个臂由阻抗效果主要为电阻的元件构成。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电容器件为可控的。
9.根据权利要求6、7或8所述的装置，其特征在于，所述的一个臂包括具有初级绕组、次级绕组的变压器，设置所述初级绕组串联到电容器件并且所述次级绕组连接到所述的线圈上。
10.根据以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述平衡电路包括与所述一个臂中的固定电容并联连接的可控电容。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述可控电容包括所述固定电容和用于控制施加给电容的交流电的电路，从而可以控制所述固定电容的作用。
12.根据权利要求1到9任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述平衡电路包括并联连接到所述桥式电路其中一个臂中所述固定电阻的可控电阻。
13.用于检测流体通路中导电碎屑存在的装置，该装置包括设置用于监控通路的线圈，用于提供通过线圈的交流电的驱动电路，用于监控线圈中电流的感应电路，该感应电路包括用于补偿老化和温度影响的补偿电路，其中该驱动电路包括与线圈一起形成桥式电路的元件，使得该线圈设置于所述桥式电路的一个臂中，并且设置补偿电路以控制包括多个所述元件其中之一的容抗、感抗和电阻的组中至少其中之一。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置仅包括单个线圈。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，在所述流体通路的结合中，所述操作电路、监控电路、平衡电路以及桥式电路中除了线圈以外的元件可以远离流体通路设置。
16.根据权利要求13、14或15所述的装置，其特征在于，所述感应电路包括用于测量在桥式电路对角线中电压的同相和正交分量的同步检波器。
17.根据权利要求13到16所述的装置，其特征在于，所述桥式电路包括四个臂，所述一个臂包括所述线圈和电容器件的串联电路，而其余的三个臂由阻抗效果主要为电阻的元件构成。
18.根据权利要求13到17所述的装置，其特征在于，所述驱动电路包括连接到桥式电路一条对角线的正弦波振荡源。
19.根据权利要求13到18所述的装置，其特征在于，所述电容器件为可控的。
20.根据权利要求13到19所述的装置，其特征在于，所述一个臂包括具有初级绕组、次级绕组的变压器，所述初级绕组设置为串联到电容器件并且所述次级绕组连接到所述的线圈上。
21.根据权利要求13到20所述的装置，其特征在于，所述补偿电路包括并联连接到所述一个臂中固定电容的可控电容。
22.根据权利要求13到21所述的装置，其特征在于，所述可控电容可以包括固定电容和用于控制施加给电容的交流电的电路，从而可以控制固定电容的作用。
23.根据权利要求13到22所述的装置，其特征在于，所述补偿电路包括并联连接到桥式电路的所述其余臂其中之一上的固定电阻的可控电阻。
24.根据权利要求13到23所述的装置，其特征在于，所述可控电阻包括固定电阻和用于控制施加给电阻的交流电的电路，从而可以控制固定电阻的作用。
25.根据权利要求13到24所述的装置，其特征在于，可以设置多个所述线圈，至少其中之一具有与流体通路轴不对准的轴，用于确定任何颗粒的形状或者确保检测到诸如薄而宽的高不对称性的颗粒。
全文摘要
用于检测流体通路中的导电碎屑存在的装置，为具有四臂的桥式电路，该电桥的一个臂设置有线圈(10)以监控流体通路，跨接于桥式电路对角线的操作电路提供交流电流，监控电路跨接于桥式电路另一条对角线以监控电桥中存在的不平衡，平衡电路响应于监控电路输出用于以降低桥式电路中存在的不平衡方式调整桥式电路至少一元件的值。
文档编号G01N15/06GK1813203SQ200480009785
公开日2006年8月2日 申请日期2004年3月9日 优先权日2003年3月11日
发明者迈克尔·弗兰克·汤普森, 布赖恩·波拉德 申请人:R.E.汤普森(真空)有限公司