確定具有底部的罐中流體的質(zhì)量和量的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】確定具有底部的罐中流體的質(zhì)量和量的系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年11月11日、國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2011/060442、中國(guó)國(guó) 家申請(qǐng)?zhí)枮?01180054429. 3、發(fā)明名稱為"確定柴油機(jī)排氣流體的質(zhì)量和/或深度的系統(tǒng) 和方法"的中國(guó)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)
[0003] 本申請(qǐng)要求于2010年11月11日提交的在先提交的共同未決的美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)No. 61/412, 667的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用于此結(jié)合。
【背景技術(shù)】
[0004] 本發(fā)明涉及用于確定基于水的流體的質(zhì)量或濃度和/或罐內(nèi)流體的深度的系統(tǒng) 和方法。具體地，本發(fā)明涉及用于確定包含在罐內(nèi)的柴油機(jī)排氣流體（DEF)的質(zhì)量和濃度 和/或罐內(nèi)DEF的深度的系統(tǒng)和方法。
[0005] DEF被用來(lái)減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣中的氮氧化物（NOx)氣體。DEF是作為霧狀物 注入到排氣中的、32. 5 %汽車級(jí)UREA和純凈水的混合物。霧狀物和排氣混合并且將排氣中 的NOx離解成氮、水以及二氧化碳。當(dāng)諸如柴油燃料、水、乙二醇等的污染物和DEF混合時(shí)， DEF減少排氣中的NOx的能力被削弱和/或可能對(duì)NOx還原系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆損害。
[0006] DEF被存儲(chǔ)在車輛的罐中并且以對(duì)正被燃燒的柴油燃料成約1:50的比率被注入 到排氣中。確定罐中DEF的液面以便當(dāng)有需要添加額外的DEF時(shí)向用戶提供指示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明使用浸入壓電超聲換能器來(lái)檢測(cè)罐中DEF的液面（例如，以向操作員提供 剩余DEF量的指示），并且確定DEF是否已經(jīng)被污染（包括確定污染物的類型和量）。DEF 溶液內(nèi)UREA的濃度水平也被測(cè)量?？梢韵駾EF控制系統(tǒng)提供DEF流體質(zhì)量的指示，使用戶 能夠視需要采取補(bǔ)救措施。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了包括罐、控制器、換能器以及溫度傳感器的系統(tǒng)。 溫度傳感器感測(cè)罐中流體的溫度?？刂破魇褂盟袦y(cè)的溫度來(lái)得到通過(guò)流體行進(jìn)的超聲信 號(hào)的依賴于溫度的聲速。控制器生成用于換能器的第一命令信號(hào)。作為響應(yīng)，換能器生成 朝向固定表面的超聲聲波并且接收被該固定表面反射的超聲聲波的回波。控制器確定在通 過(guò)換能器發(fā)射超聲聲波與通過(guò)換能器接收回波之間的經(jīng)過(guò)時(shí)間?？刂破鬟€基于該經(jīng)過(guò)時(shí)間 和所感測(cè)的流體的溫度來(lái)確定罐中的流體中任何污染物的濃度和存在。
[0009] 控制器還通過(guò)調(diào)制所發(fā)射的超聲聲波的振幅來(lái)提高所接收到的超聲回波的質(zhì)量。 控制器通過(guò)改變施加到換能器的命令信號(hào)的電壓脈沖的振幅和/或數(shù)目來(lái)調(diào)制超聲聲波。 優(yōu)選地，換能器在諧振下被驅(qū)動(dòng)，其中電壓脈沖系列的頻率與換能器的依賴于溫度的頻率 特性相匹配?？刂破骺梢允褂冒ɑ跍囟鹊男畔⒌牟檎冶韥?lái)生成該命令信號(hào)。
[0010] 控制器還確定超聲回波是否是有效的。當(dāng)回波在預(yù)定時(shí)間窗口內(nèi)被接收到時(shí)，超 聲回波被確定為有效。當(dāng)表示回波的信號(hào)的振幅在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，回波被進(jìn)一步確定為有 效。當(dāng)表示回波的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，回波被進(jìn)一步確定為有效?？刂破魃?成預(yù)期經(jīng)過(guò)時(shí)間窗口、預(yù)期回波振幅范圍以及預(yù)期回波持續(xù)時(shí)間范圍中的至少一個(gè)。
[0011] 控制器能夠記錄給定超聲發(fā)射的多個(gè)回波反射以增加所記錄的時(shí)間測(cè)量的分辨 率。此外，來(lái)自溫度傳感器的信息可以通過(guò)耦合到控制器的通信模塊而被分配到其它設(shè)備 和其它位置。
[0012] 在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了包括罐、控制器、換能器以及溫度傳感器的系統(tǒng)。 溫度傳感器感測(cè)罐中流體的溫度，并且將該溫度的指示提供給控制器。控制器使用所感測(cè) 的溫度來(lái)得到通過(guò)流體行進(jìn)的超聲信號(hào)的依賴于溫度的聲速?？刂破魃捎糜趽Q能器的第 一命令信號(hào)，檢測(cè)來(lái)自換能器的第一回波信號(hào)，并且確定換能器在近場(chǎng)時(shí)間內(nèi)是否接收到 該第一回波信號(hào)。如果該第一回波信號(hào)在近場(chǎng)時(shí)間內(nèi)被接收到，則控制器檢測(cè)具有預(yù)定范 圍內(nèi)的幅度的第二回波信號(hào)。如果該第二回波信號(hào)在預(yù)定時(shí)間量?jī)?nèi)未被檢測(cè)到，則控制器 忽略第一回波信號(hào)，并且生成不同于第一命令信號(hào)的第二命令信號(hào)?？刂破餍薷牡诙?信號(hào)直到第二回波信號(hào)被檢測(cè)到為止?？刂破鲗⒌谝换夭ㄐ盘?hào)或在第一回波信號(hào)與第二回 波信號(hào)之間的差轉(zhuǎn)換為表示到目標(biāo)的距離的值或罐中流體量的體積表示。為了確?？刂破?能夠區(qū)分真實(shí)的回波信號(hào)和二次回波反射，控制器被編程為測(cè)量通過(guò)緊跟觸發(fā)命令之后連 續(xù)地監(jiān)測(cè)換能器的輸出來(lái)測(cè)量換能器的回響時(shí)間（ring time)。當(dāng)輸出信號(hào)持續(xù)預(yù)定的時(shí) 間段為高時(shí)，控制器認(rèn)為回響時(shí)間結(jié)束?？刂破鞅痪幊虨檠a(bǔ)償能夠影響回響時(shí)間和其它測(cè) 量變量的溫度改變，并且在進(jìn)行每個(gè)測(cè)量之前確定換能器的回響時(shí)間?？刂破鲗⒔鼒?chǎng)時(shí)間 設(shè)置在回響時(shí)間的約二又三分之一倍。
[0013] 控制器還生成具有多個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖的命令信號(hào)，該多個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制所發(fā)射的超聲 聲波的振幅以優(yōu)化所接收到的超聲回波的質(zhì)量。優(yōu)選地，換能器以一系列脈沖在諧振下被 驅(qū)動(dòng)，使得脈沖的頻率與換能器的依賴于溫度的頻率特性相匹配。控制器可以利用具有基 于溫度的數(shù)據(jù)的查找表來(lái)生成所述命令信號(hào)。
[0014] 控制器還確定超聲回波是否是有效的。當(dāng)回波在預(yù)定時(shí)間窗口內(nèi)被接收到時(shí)、當(dāng) 表示回波的信號(hào)的振幅在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)以及當(dāng)表示回波的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是在預(yù)定范圍 內(nèi)時(shí)，超聲回波被確定為有效?？刂破魃深A(yù)期經(jīng)過(guò)時(shí)間窗口、預(yù)期回波振幅范圍以及預(yù)期 回波持續(xù)時(shí)間范圍中的至少一個(gè)。
[0015] 控制器還確定污染物已經(jīng)被引入到罐內(nèi)（例如，在罐的填充期間）的似真性?？?制器將第一回波信號(hào)的經(jīng)過(guò)時(shí)間和在第一回波信號(hào)與第二回波信號(hào)之間的差的經(jīng)過(guò)時(shí)間 中的一個(gè)轉(zhuǎn)換為表示到目標(biāo)的距離的值或罐中流體量的體積表示。當(dāng)所計(jì)算的距離或罐中 流體量的體積超過(guò)罐的容量時(shí)，控制器生成故障輸出。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了包括罐、控制器、兩個(gè)換能器以及溫度傳感器的系 統(tǒng)。溫度傳感器感測(cè)罐中流體的溫度，并且控制器使用所感測(cè)的溫度來(lái)得到通過(guò)罐中流體 行進(jìn)的超聲波信號(hào)的依賴于溫度的聲速?？刂破魃捎糜诘谝粨Q能器的第一命令信號(hào)，從 而使第一換能器生成朝向浸沒(méi)在罐內(nèi)的固定目標(biāo)的超聲聲波。當(dāng)該波被固定目標(biāo)反射回到 換能器時(shí)，控制器接收該超聲聲波的一系列回波。該聲波在目標(biāo)與換能器之間來(lái)回地反跳 多次?？刂破鞔_定通過(guò)第一換能器發(fā)射超聲聲波與通過(guò)第一換能器接收回波之間的經(jīng)過(guò)時(shí) 間?？刂破鬟€使用對(duì)于接收經(jīng)發(fā)射的回波中的至少一個(gè)所需要的經(jīng)過(guò)時(shí)間和所感測(cè)的流體 的溫度來(lái)計(jì)算通過(guò)流體行進(jìn)的超聲波的聲速?；谒?jì)算的聲速和所感測(cè)的流體的溫度， 控制器確定該流體的濃度和罐中的流體內(nèi)任何污染物的存在。
[0017] 控制器生成用于第二換能器的第二命令信號(hào)，并且確定第二換能器在近場(chǎng)時(shí)間內(nèi) 是否接收到回波信號(hào)。如果該回波信號(hào)在近場(chǎng)時(shí)間內(nèi)被接收到，則控制器檢測(cè)來(lái)自第二換 能器的預(yù)定幅度的第二回波信號(hào)。如果第二回波信號(hào)在預(yù)定的時(shí)間量?jī)?nèi)未被檢測(cè)到，則控 制器忽略第一回波信號(hào)，并且生成不同于第一命令信號(hào)的第二命令信號(hào)?？刂破餍薷牡诙?命令信號(hào)直到第二回波信號(hào)被檢測(cè)到為止?？刂破魇褂媒邮盏谝换夭ㄐ盘?hào)所需要的時(shí)間或 在第一回波信號(hào)與第二回波信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算表示到目標(biāo)的距離的值或罐中流體 量的體積表示。為了確?？刂破髂軌騾^(qū)分真實(shí)的回波信號(hào)和二次回波反射，控制器被編程 為測(cè)量通過(guò)緊跟觸發(fā)命令之后連續(xù)地監(jiān)測(cè)換能器的輸出來(lái)測(cè)量換能器的回響時(shí)間。一旦來(lái) 自換能器的檢測(cè)信號(hào)持續(xù)預(yù)定的時(shí)間段為高時(shí)，控制器認(rèn)為回響時(shí)間結(jié)束。溫度傳感器被 耦合到控制器，并且控制器被編程為補(bǔ)償能夠影響回響時(shí)間和其它測(cè)量變量的溫度改變。 耦合到控制器的通信模塊將來(lái)自溫度傳感器的信息分配到其它設(shè)備和其它位置?？刂破髟?進(jìn)行每個(gè)測(cè)量之前確定換能器的回響時(shí)間，從而設(shè)置近場(chǎng)時(shí)間，該近場(chǎng)時(shí)間被設(shè)置為所測(cè) 量的回響時(shí)間的兩倍。
[0018] 命令信號(hào)包括調(diào)制第一和第二換能器兩者的所發(fā)射超聲聲波振幅的多個(gè)驅(qū)動(dòng)脈 沖?？刂破餍薷脑撁钚盘?hào)以優(yōu)化來(lái)自每個(gè)換能器的所接收到的超聲回波的質(zhì)量。優(yōu)選地， 換能器在諧振下被驅(qū)動(dòng)，其中脈沖系列的頻率與換能器的依賴于溫度的頻率特性相匹配。 控制器可以利用具有基于溫度的數(shù)據(jù)的查找表來(lái)確定該命令信號(hào)的特性。
[0019] 控制器還確定從第一和第二換能器接收到的超聲回波是否是有效的。當(dāng)回波在預(yù) 定的時(shí)間窗口內(nèi)被接收到時(shí)，超聲回波被確定為有效。當(dāng)接收到的回波反射的數(shù)目在預(yù)定 范圍內(nèi)時(shí)，回波被進(jìn)一步確定為有效?？刂破魃深A(yù)期經(jīng)過(guò)時(shí)間窗口和來(lái)自意圖目標(biāo)的接 收到的回波反射的預(yù)期數(shù)目中的至少一個(gè)。
[0020] 控制器還確定已經(jīng)被引入到罐中的污染物的似真性，并且如果所計(jì)算的流體液面 超過(guò)對(duì)于罐內(nèi)DEF流體可能的最大容量，則生成故障輸出。
[0021] 該系統(tǒng)能夠在溫度傳感器失效的情況下生成精確的液面測(cè)量。控制器確定聲波從 第一換能器行進(jìn)到固定反射器并回來(lái)的第一經(jīng)過(guò)時(shí)間。控制器還確定聲波從第二換能器行 進(jìn)到罐中流體的表面并回來(lái)的第二經(jīng)過(guò)時(shí)間?？刂破骰谠摰诙?jīng)過(guò)時(shí)間（液面）與該第 一經(jīng)過(guò)時(shí)間（質(zhì)量）的比率來(lái)計(jì)算罐中流體的深度。
[0022] 在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了用于確定罐中流體的質(zhì)量和/或量的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)包括第一換能器、第二換能器、溫度傳感器以及控制器。該第一換能器被配置成生成第一 聲波并且檢測(cè)該第一聲波的回波。該第二換能器被配置成生成第二聲波并且檢測(cè)該第二聲 波的回波，第二聲波由離第二換能器已知距離的固定結(jié)構(gòu)傳回。該溫度傳感器被配置成檢 測(cè)流體的溫度。該控制器被耦合到第一換能器、第二換能器以及溫度傳感器，并且具有車載 診斷，該車載診斷被配置