液位和成分感测系统及方法.pdf

本发明涉及液位和成分感测系统及方法。一种结合选择性催化还原车辆的尿素箱(102)布置的车用尿素溶液监视设备(100)。在谐振电路(410)上产生恒定频率的RF信号，谐振电路(410)包括电感器(411)和PCB迹线电容器(412)。电磁辐射被传播到尿素箱中的电感器尿素溶液内。该液体的传导性和介电性能性改变分立/迹线电容器(412)和/或分立/迹线电感器(411)的阻抗。这些改变与尿素箱内的车用尿素溶液的氨含量、温度和/或位面成比例，并且被微控制器(401)检测，并且然后被传输到选择性催化还原车辆的发动机管理系统。

1.  一种方法，包括：
以一种操作频率产生RF信号；
将所述RF信号耦合到谐振电路，所述谐振电路具有一种谐振频率并且包括定位在箱内液体附近的电感器；和
测量由于在所述电感器附近的液体的至少一个性能的变化引起的、与所述谐振电路相关联的电参数的改变。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述液体是尿素。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述RF信号大体是正弦的并且具有恒定的频率。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述谐振电路是串联-谐振电感器、电容器、电阻器电路。

5.  如权利要求1所述的方法，其中所述谐振电路是并联-谐振电感器、电容器、电阻器电路。

6.  如权利要求1所述的方法，还包括：将所述谐振电路的电感器紧靠所述箱放置，使得电磁辐射传播到所述箱内限定的空间内，从而所述箱内的液体以与所述箱内的所述液体的组成成分成比例的方式作为所述串联谐振电路的电负载。

7.  如权利要求1所述的方法，其中所述液体的至少一个性能是电性能，并且所测量的电参数的改变是所述液体的电性能的变化的函数。

8.  如权利要求1所述的方法，其中所述液体是车用尿素溶液，并且所述性能的变化是液体成分的函数。

9.  如权利要求1所述的方法，其中所述液体是车用尿素溶液，并且所述性能的变化是所述车用尿素溶液中的氨浓度的函数。

10.  如权利要求1所述的方法，其中所述液体是液体的车用尿素溶液，并且所述性能的变化是所述箱内的车用尿素溶液的位面的函数。

11.  如权利要求1所述的方法，其中所述测量包括测量所述谐振电路处的电压改变。

12.  如权利要求1所述的方法，其中所述测量包括测量所述谐振电路的谐振频率改变。

13.  如权利要求1所述的方法，还包括：校准所述RF信号的操作频率，以便补偿所述箱的物理和/或电性能。

14.  如权利要求13所述的方法，其中自动校准操作频率。

15.  如权利要求14所述的方法，其中所述校准操作频率包括：在从第一频率到第二频率的频率范围之间扫描，以便识别所述范围内的所述操作信号，并且从所述操作频率测量谐振电路的参数。

16.  如权利要求15所述的方法，其中所测量的参数包括所述谐振电路的谐振频率。

17.  如权利要求15所述的方法，其中所测量的参数包括所述谐振电路的谐振频率的振幅。

18.  如权利要求1所述的方法，还包括将所测量的改变传输到外部设备。

19.  如权利要求1所述的方法，还包括将所测量的改变转换为表示所述液体内的氨浓度的值。

20.  一种监视设备，包括：
天线驱动器，所述天线驱动器具有输出端子和耦接到RF发生器的输入端子；
耦接到所述天线驱动器并且具有位于容器或箱内液体附近的电感器的谐振电路；和
控制器，所述控制器包括所述RF发生器，所述控制器将所述RF发生器的操作频率控制为接近所述谐振电路的谐振频率，并且测量由所述箱内的所述液体的改变引起的、与所述谐振电路相关联的电参数的改变。

21.  如权利要求20所述的设备，其中所述液体是车用尿素溶液。

22.  如权利要求21所述的设备，其中所述液体的所述改变包括所述箱内的所述尿素的位面改变。

23.  如权利要求21所述的设备，其中所述液体的所述改变包括所述尿素的浓度改变。

24.  如权利要求21所述的设备，其中所述液体的所述改变包括所述尿素的氨浓度改变。

25.  如权利要求20所述的设备，其中所述控制器、所述天线驱动器和所述谐振电路安装在印刷电路板上。

26.  如权利要求20所述的设备，其中所述传感器安装在所述容器或箱的外部。

27.  如权利要求20所述的设备，其中所述谐振电路包括电容器。

28.  如权利要求27所述的设备，其中所述电容器是印刷电路板迹线电容器。

29.  如权利要求25所述的设备，其中所述印刷电路板是柔性印刷电路板。

30.  一种系统，包括：
RF发生器，所述RF发生器用于以一种操作频率产生RF信号；
电耦接到所述RF发生器的天线电路，所述天线电路包括谐振电路和安装在尿素箱附近的辐射组件，所述谐振电路具有一种谐振频率；以及
控制器，所述控制器操作地连接到所述RF发生器并且连接到所述天线电路，所述控制器用于在从第一频率到第二频率的频率范围之间扫描，以便识别所述范围内的所述谐振频率的信号，并且测量由所述箱内的尿素中的氨浓度的改变引起的、与所述谐振电路相关联的所述信号的电参数的改变。

31.  如权利要求30所述的系统，其中所述控制器还用于传输所测量的电参数的改变。

32.  如权利要求30所述的系统，其中所述控制器还用于将所测量的电参数的改变转换为氨浓度信号，并且将所述氨浓度信号传输到选择性催化还原车辆的发动机管理系统。

33.  如权利要求30所述的系统，其中所述谐振电路是串联谐振电路，并且所述控制器还包括校准模块，所述校准模块可以操作以便在从第一频率到第二频率的频率范围之间扫描，以识别所述范围内的所述谐振频率的信号，并且测量由所述箱内的所述尿素的氨浓度的改变引起的、与所述谐振电路相关联的所述信号的电参数的改变。

34.  如权利要求30所述的系统，其中所述控制器还包括补偿模块，所述补偿模块用于针对环境温度的改变调整所述氨浓度信号。

35.  如权利要求30所述的系统，其中所述控制器还包括补偿模块，所述补偿模块用于针对所述箱内液体的温度改变调整所述氨浓度信号。

液位和成分感测系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及序列号为No.11/431,912、于2006年5月10日提交的题目为“System and Method for Sensing Liquid Levels Using EMFWave Propagation”的美国专利申请；以及序列号为No.60/875,439、于2006年12月18日提交的题目为“Fuel Composition SensingSystems and Methods Using EMF Wave Propagation”的美国临时专利申请，通过引用将这两者结合在此。
技术领域
本发明一般地涉及用于感测箱或容器内的液体状态的系统和方法。更具体地，本发明的实施例涉及通过向尿素箱(urea tank)中传播电磁波来感测机动车内的尿素箱中的车用尿素溶液的特性。
背景技术
选择性催化还原(SCR，Selective Catalytic Reduction)车辆，其也被称为欧V车辆，是柴油机动车，这些车辆兼顾对工作液体的使用以便减少排放。典型地，SCR车辆具有与油箱分离的用于承载诸如车用尿素溶液等的工作液体的尿素箱。车用尿素溶液(AUS，Automotive Urea Solution)是高纯度尿素在软化水(de-mineralizedwater)中的溶液。AUS被存储在SCR车辆的尿素箱中，并且被喷射到车辆废气中，以便将氧化氮转变为氮元素和水。SCR车辆此时可以有利地满足欧V排放标准。
对于SCR车辆的发动机管理系统(EMS)来说，具有关于AUS的成分的信息是重要的，从而EMS可以调整某些车辆参数，以便优化车辆性能，特别是排放控制。
为了确保SCR车辆中的这种减少排放的方法保持有效，必须保持AUS的质量。污染物、高纯度尿素与其它组成成分的比的改变、温度改变或其它改变可以影响AUS的寿命预期和AUS在减少排放方面的效果。
SCR车辆一般依赖于使用直接测量系统以便确定箱中AUS的位面。这种系统通常包括布置在沿尿素箱内的垂直面的不同位面的多个传感器。这些传感器通常具有不良的分辩能力，这些传感器是被插入的，并且不能检测AUS的质量或温度。这些直接测量系统还需要在尿素箱内安装机构。修理、更换或调整这种内部直接测量系统存在问题。另外，当这种系统被用于暴露于负11摄氏度(负11摄氏度通常是AUS冻结的温度)之下的温度中的SCR车辆中时，这种系统是无效的，这是由于这种系统不提供测量AUS温度以便启动加热校正应用以防止AUS冻结的手段。
SCR车辆一般依赖于使用间接测量系统以便确定AUS在减少车辆排放方面的效果。对烟气(exhaust-fume)进行这种间接测量，并且将测量结果传递到EMS，基于测量结果EMS可以增加或减少从箱中释放的AUS的数量。这种系统通常反应迟缓，并且不能准确地反映AUS的实际质量或成分。
因此，现有技术不能提供可靠的、便宜的和准确的测量机动车尿素箱中的AUS位面或质量的系统和方法。
发明内容
本发明涉及借助于内部或外部AUS监视系统，准确地测量机动车中的液体尤其是AUS的位面、温度和/或质量的系统和方法。具体地，本发明的实施例可被用于SCR车辆，以便检测AUS的某些特性，包括尿素箱中的AUS的量和AUS中的氨成分和/或其它组成成分的百分比。这种信息可被报告给SCR车辆的EMS或主体控制模块，从而允许EMS据此做出响应，由此允许快速地并且准确地进行调整，并且改进或至少保持SCR车辆的减排性能。本发明的实施例检测AUS的特性而不用与AUS发生任意直接接触，从而最小化了泄漏风险，或由于暴露于氨引起的测量设备的磨损等。就此而言，本发明的实施例可以结合尿素箱布置在尿素箱底部/侧壁或尿素箱内部。
本发明的实施例可以在谐振电路上产生可变频率的RF信号，所述谐振电路包括电感器和PCB迹线电容器、电容偏板和/或类似物。电磁辐射被传播到尿素箱内。AUS的传导性和介电性能改变所述迹线电容器/电容偏板和/或所述电感器的阻抗。这些改变与包括AUS的位面和/或AUS中的氨含量的AUS的某些特性成比例，并且优选地被微控制器等检测，并且然后传输到EMS。从而本发明的系统和方法提供了一种成本有效的解决方案，不仅非常适合于原始装备应用，而且非常适合于更新的或改进应用。本发明的系统和方法反应极其迅速，并且给EMS提供即时的信息，允许迅速地和准确地进行调整并且改进/保持SCR车辆减排性能。在各种实施例中，可以提供自动补偿，从而测量的电参数与诸如环境温度的工作条件变化无关地提供对箱内液位和成分的准确指示。该系统可以包括物理或无线数据接口，以便于从该系统到车辆内的中央控制器的AUS测量结果的外部传输。可以周期地传输数据、响应一种改变传输数据、由中央控制器请求或由诸如诊断设备的外部设备请求而传输数据。
因此，根据本发明的使用EMF波传播进行液位和成分感测的方法的实施例可以包括以一种操作频率产生RF信号，将所述RF信号耦合到谐振电路，所述谐振电路具有一种谐振频率并且包括定位在箱内液体附近的电感器，以及测量由于在所述电感器附近的液体的至少一个性能的变化引起的、与所述谐振电路相关联的电参数的改变。如上所述，所述液体可以是尿素。所述RF信号可以大体是正弦的并且可以具有恒定的频率。所述谐振电路可以是串联-谐振电感器、电容器、电阻器电路或并联-谐振电感器、电容器、电阻器电路。优选地，所述谐振电路的电感器被紧靠所述箱放置，使得电磁辐射传播到所述箱内限定的空间内，从而所述箱内的液体以与所述箱内的液体的组成成分成比例的方式作为串联谐振电路的电负载。所述液体的性能可以是电性能，并且所测量的电参数的改变可以是所述液体的电性能的变化的函数。在所述液体是车用尿素溶液的情况下，所述性能的变化可以是液体组成成分诸如车用尿素溶液中的氨浓度的函数，或是所述箱内的车用尿素溶液的位面的函数。上述对与所述谐振电路相关联的电参数的改变的测量可以包括测量谐振电路处的电压改变，或谐振电路的谐振频率的改变。优选地，可以校准所述RF信号的操作频率，以便补偿所述箱的物理和/或电性能，并且可以自动地执行这种校准。具体地，操作频率的校准可以包括在从第一频率到第二频率的频率范围之间扫描，以便识别所述范围内的操作信号，并且从操作频率测量谐振电路的参数。所测量的参数可以包括所述谐振电路的谐振频率和/或所述谐振电路的谐振频率的振幅。另外，根据本发明，所测量的液体的改变可被转换为表示所述液体内的氨浓度的值，并且所测量的液体的改变可被传输到外部设备。
本发明的监视设备的实施例可以包括天线驱动器，所述天线驱动器具有输出端子和耦接到RF发生器的输入端子；耦接到所述天线驱动器并且具有位于容器或箱内液体附近的电感器的谐振电路；以及控制器，所述控制器包括所述RF发生器，并且将所述RF发生器的操作频率控制为接近所述谐振电路的谐振频率，并且测量由所述箱内液体的改变引起的、与所述谐振电路相关联的电参数的改变。同样，所述液体可以是车用尿素溶液，并且所述液体的改变可以包括所述箱内的尿素的位面的改变，或所述尿素浓度的改变，诸如尿素中的氨浓度改变。所述控制器、天线驱动器和谐振电路安装在印刷电路板上，所述印刷电路板可以是柔性的，并且所述传感器可被安装在所述容器或箱的外部。如上所述，所述谐振电路包括可以是印刷电路板迹线电容器的电容器。
使用EMF波传播进行液位和成分感测的系统的实施例可以包括RF发生器，所述RF发生器用于以一种操作频率产生RF信号；电耦接到所述RF发生器的天线电路，所述天线电路包括谐振电路和安装在尿素箱附近的辐射组件，所述谐振电路具有一种谐振频率；以及控制器，所述控制器操作地连接到所述RF发生器并且连接到所述天线电路，所述控制器用于在从第一频率到第二频率的频率范围之间扫描，以便识别所述范围内的谐振频率的信号，并且测量由所述箱内的尿素中的氨浓度的改变引起的、与所述谐振电路相关联的信号的电参数的改变。所述控制器还可以传输所测量的电参数的改变和/或所述控制器可以将所测量的电参数的改变转换为氨浓度信号。因此，所述控制器可以将所述氨浓度信号传输到选择性催化还原车辆的发动机管理系统。如上所述，所述谐振电路可以是串联谐振电路。在该情况下，所述控制器可以包括校准模块，所述校准模块可以操作，以便在从第一频率到第二频率的频率范围之间扫描，以便识别所述范围内的谐振频率的信号，并且测量由所述箱内的尿素中的氨浓度改变引起的、与所述谐振电路相关联的信号的电参数的改变。所述控制器还可以包括补偿模块，所述补偿模块用于针对环境温度的改变或箱内液体的温度的改变调整所述氨浓度信号。
前面已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面对这些系统和方法的详细描述。下面将描述构成本发明的权利要求的主题内容的这些系统和方法的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解，公开的概念和特定实施例可被容易地作为修改或设计用于实现与本发明相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，这些等同构造不脱离在所附权利要求中提出的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，将从下面的描述中更好地理解被认为是本发明的特性的关于其构造和操作方法的新颖性特征，以及其它目的和优点。然而应当清楚地理解，仅仅出于说明和描述的目的提供每个附图，并且不旨在作为对本发明的限定的定义。
附图说明
结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与本描述一起用于解释本发明的原理，其中类似的标号指示类似的部件。在附图中：
图1是结合尿素箱布置的本发明的AUS系统的外部实施例的立体图；
图2是结合尿素箱布置的本发明的AUS系统的内部实施例的部分剖析立体图；
图3是图1的AUS监视设备的分解立体图；和
图4是图1、2和3的AUS监视设备内的某些功能元件的方框图。
具体实施方式
本发明的系统和方法可以确定容器内的液体类型，特别是其中所述液体大体为水，并且不限于本描述中使用的例子。在示出和描述的实施例中，本发明的系统可以将此信息提供给汽车的EMS，汽车的EMS可以使用该信息防止以尿素箱中的水等而不是以车辆制造商推荐的AUS不正确的操作SCR车辆，以及检测箱内尿素的位面和/或浓度。
图1示出了结合尿素箱102布置的本发明的AUS监视设备100的实施例，诸如将AUS监视设备安装在箱的外部。各种实施例要求将本发明的AUS监视设备安装到箱的外侧或底部。尿素箱102可由诸如塑料的非导电材料制成。可以出于排放控制的目的借助于泵103将尿素箱102中的AUS抽取到车辆的排气装置104内。
图2示出了结合尿素箱102布置的本发明的AUS监视设备的另一个实施例200，诸如将AUS监视设备200安装在箱的内部。该实施例对于尿素箱102由诸如金属的导电材料制成的情况特别有用。
图3示出了AUS监视设备100或200的实施例，其中包括布置在被示出为具有两个部分302a和302b的外壳302内的PCB301。如下面参考图4更详细地讨论的，PCB301可安装和/或限定控制器401，该控制器可以包括RF发生器402和模数转换器403(ADC)。PCB301还可以包括天线电路405，天线电路405包括具有耦接到RF发生器和谐振电路410的输出端子和输入端子的天线驱动器406。谐振电路410优选地包括位于箱或容器102内的液体附近的电感器411和电容器或PCB迹线电容器412。
图1-3所示的AUS监视设备100和200的实施例可以采用类似于图4所示的电路400。谐振电路410，其可以是LCR(电感器-电容器-电阻器)电路，可以是串联或并联谐振电路。谐振电路410优选地包括电阻器413以及上面讨论的电容器421和电感器411。电感器411和/或电容器412可以是分立形式、PCB迹线形式或以其它方式形成。通过将谐振电路410的电感器411放置为紧靠箱102，电磁辐射可被传播到箱102内限定的液体空间103内。从而箱内的AUS、其它液体和/或固体以与箱内液体的液位和/或组分或箱内固体的存在成比例的方式作为谐振电路410上的电负载。液体的传导性和介电性能改变分立/迹线电容器412或分立/迹线电感器411的阻抗。
本发明测量诸如AUS的液体的性能。这些性能优选地是电性能，并且测量的液体电参数的改变是液体电性能的变化的函数。在液体是AUS的情况下，电性能的变化可以是液体存在数量和液体成分的函数。对电性能的测量可以包括测量谐振电路410处的电压改变，和/或测量谐振电路的谐振频率的改变，诸如可由模数转换器(ADC)403完成该测量。
优选地，RF发生器402以一种操作频率产生RF信号，并且天线电路405被电耦接到RF发生器402。另外，谐振电路410优选地具有以谐振频率为中心的频率响应曲线。控制器401可被操作地连接到RF产生器402以及连接到天线电路405，并且可以具有使得RF发生器402的操作频率接近谐振电路410的谐振频率，以及测量由AUS的量和/或箱102内的AUS中的氨相对于其它物质的浓度和/或比例的改变引起的、与谐振电路相关联的电参数的改变的功能。
更具体地，在本发明的系统和方法的实施例中，产生可变频率的大体为正弦的RF信号，并且使用天线驱动器406将其耦合到谐振电路410。从而，箱102或202中的液体AUS以与尿素箱102内的AUS位面和/或包括尿素箱102中的AUS的组分和温度的AUS的某些特性成比例的方式作为谐振电路410的电负载。AUS对谐振电路410的负载影响可以引起该电路的谐振频率的漂移，和/或来自该电路的信号的振幅的改变，和/或该谐振电路的Q(品质因子)的改变。根据本发明的各种实施例，通过监视与激励的谐振电路410相关联的一个或多个电参数的改变，确定AUS的负载影响。例如，可以监视谐振电路410中的电阻器413两端的电压。可由控制器401(处理器415)、EMS或与SCR系统相关联的其它电路检测和分析该电压的改变，结果可被用于输出指示AUS组分、位面或温度的信号。该输出可以是数字或模拟电信号的形式。
AUS监视设备100或200的控制器401或类似电路优选地具有传输测量的电参数的改变的功能。具体地，控制器401还可以具有将测量的电参数的改变转换为氨浓度和/或液位信号，并且将该信号或其它信息传输到SCR车辆的EMS等的功能。可以周期地、响应一种改变、按照来自控制器401的请求或按照来自诸如诊断设备的外部设备的请求，将该信号和/或其它信息通过物理或无线数据接口传输到车辆内的中央控制器。
优选地，本发明允许校准RF信号的操作频率，以便补偿相应箱或容器的物理和/或电性能，以及诸如温度的外部影响。可由处理器415或其它电路在空箱或满箱时或在其它情况下执行这种校准。例如，可以自动地和/或周期地执行这种校准。本发明的系统和方法可以采用能够在空箱时检测谐振电路410的谐振频率和谐振频率信号的振幅的校准硬件和软件。可替换地或附加地，本发明的系统和方法可以采用能够相对于以前已知的值检测谐振电路410的谐振频率和谐振频率信号的振幅的自动校准硬件和软件。在具体的实施例中，校准可以包括扫描以便识别第一频率和第二频率之间的范围中的谐振频率信号，并且以扫描RF信号的频率测量该谐振电路的参数。
本发明的各种实施例检测AUS的温度。根据这些实施例，AUS监视设备可以包括用于温度或湿度的其它传感器420或其它传感器。控制器401还可以包括补偿模块421，补偿模块421具有针对液体温度、环境温度和/或其它测量的或计算的参数的改变调整液体浓度信号的功能。
虽然已经详细描述了本发明和其优点，应当理解，此处可以做出各种改变、替代和更改而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。另外，本发明的范围不旨在局限于本说明书中描述的处理、机构、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。从对本发明的讨论中，本领域的普通技术人员将容易明了，根据本发明可以使用执行与此处描述的相应实施例相同功能或取得大体相同结果的现有的或以后开发的处理、机构、制造、物质组成、装置、方法或步骤。例如，如上所述，本发明的系统和方法可以感测和测量其它容器和/或传输线内的液体的组分，并且不限于本描述中使用的例子。该系统可被用于各种科研、消费、工业和医疗环境。因此，所附权利要求旨在将这些处理、机构、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围之内。