BR112012015054B1

BR112012015054B1 - Mecanismo de sensor de qualidade

Info

Publication number: BR112012015054B1
Application number: BR112012015054-5A
Authority: BR
Inventors: Bjørn Frivik
Original assignee: Wema System As
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2021-10-13
Also published as: EA027335B1; EA201290573A1; AU2010335058B2; JP5779191B2; CN102713603A; EP2517004A1; JP2013515256A; BR112012015054A2; KR101733829B1; KR20120135207A; EP2517004B1; CN102713603B; AU2010335058A1; US20130167622A1; US9151736B2; MX2012007333A; WO2011078692A1; CA2785027A1

Abstract

mecanismo de sensor de qualidade, onde um mecanismo (100) para medir a qualidade de uma solução de uréia é operada com pelo menos uma parte do mecanismo inserido na solução de uréia. um mecanismo (100) inclui a configuração de sensores (180, 190, 200) para medir as propriedades mecânicas e elétricas dentro do volume da solução de uréia, a medição das propriedades mecânicas e elétricas sendo mutuamente influen- ciadas de forma diferente por componentes presentes na solução de uréia. um arranjo de processamento de dados (230) do mecanismo (100) é operável para processar a medi-ção das propriedades mecânicas e elétricas para gerar os dados de saída (120) indica-tivos de uma qualidade da referida solução de uréia. o mecanismo (100) também é capaz de ser adaptado para medir a qualidade de outros tipos de solução

Description

Campo da invenção

A presente invenção refere-se ao mecanismo de sensor de qualidade para veículos, por exemplo, veículos onroad e off-road, bem como, instalações industrial e marítimas, incluindo motores de combustão, caracterizado pelo fato de que o mecanismo é operável para monitorar a qualidade da solução de uréia (por exemplo, AdBlue, "Adblu", DEF) para sistema de tratamento de descarga de tais veículos e instalações. Além do mais, a invenção refere-se aos métodos de operar tal mecanismo de sensor de qualidade. Além do mais, a invenção refere-se aos veículos, instalações industriais e instalações marítimas, incluindo o mecanismo de sensor de qualidade.

Histórico da invenção

Os motores contemporâneos de combustão operam beneficamente com combustão em sua uma ou mais câmaras de combustão ocorrendo em uma alta temperatura de combustão para atingir a operação de motor mais eficiente. Entretanto, a operação de motor em altas temperaturas de combustão associou aos mesmos a geração de produtos de descarga de fuligem e óxido de nitrogênio, por exemplo, óxidos nitrosos (NOx). Os produtos de descarga de fuligem e óxido de nitrogênio são materiais perigosos quando expelidos no ambiente. Para reduzir concentrações de poluentes de descarga para dentro dos limites definidos pela legislação, por exemplo, legislação contemporânea européia referente às emissões de descarga, os fabricantes de veículo convencionalmente empregam a Redução Catalítica Seletiva (SCR) e/ou Recirculação de Gás de Descarga (EGR) em seus veículos. SCR é efetivo para absorver óxidos nitrosos, enquanto que, EGR garante a oxidação mais completa dos óxidos de nitrogênio presentes nos gases de descarga.

A operação de SCR é melhorada ao usar agentes químicos que são transportados e/ou armazenados nos veículos, instalações marítimas e instalações industriais. Por exemplo, "AdBlue" e "DEF" são nomes comerciais para um agente químico correspondente substancialmente para solução de uréia aquosa 32,5%.

Esta solução é injetada nos gases de descarga de motores modernos de diesel durante um processo de pós-combustão para tratar os gases de descarga de motor para reduzir uma proporção do óxido nitroso prejudicial (NOx) presente nesses gases. AdBlue, DEF, "Adblu" somente é usado em conjunto com um SCR.

Além do mais, os veículos que são equipados com um SCR terão um tanque de armazenamento AdBlue, DEF ou "Adblu" além de um tanque de combustível. Em operação, AdBlue, DEF ou "Adblu" é transferido a partir do tanque de armazenamento e injetado sob a pressão nos gases de descarga em que uma série de reações químicas ocorre conforme resumido na Tabela 1 abaixo.

Na FIG. 1, um sistema de descarga para um motor de combustão (15) é indicado geralmente por (10). O sistema (10) inclui em sequência uma entrada (20) para receber os gases de combustão do motor (15), um catalisador de oxidação (30), uma região de injeção AdBlue (40), um catalisador de hidrólise (50), um catalisador SCR (60), um catalisador de oxidação (70) e, finalmente, uma saída (80).Tabela 1:

Essencialmente, o processo ocorrendo no sistema de descarga (10) envolve uma mistura AdBlue sendo passada em um cabeçote de cerâmica poroso superaquecido do catalisador SCR (60), em que a água desionizada evapora e a uréia restante do AdBlue injetado é passada como um reagente que é operável para quebrar os componentes de óxido nitroso (NOx) na maior parte em Nitrogênio e água. Quaisquer contaminantes presentes no AdBlue serão coletados no catalisador SCR (60), eventualmente fazendo que o mesmo obstrua e falhe. É, portanto, imperativo que o AdBlue permaneça livre de impurezas por todas as etapas de produção, armazenamento e dispensação.

A detecção de ingredientes no AdBlue, DEF ou "Adblu" é altamente desejável; a detecção de tais ingredientes deve ser entendida como uma medição de qualidade, não meramente uma medição da concentração de uréia que é diferente de algum modo. Os graus agrícolas de uréia são designados para uso na agricultura, por exemplo, para melhorar a qualidade de solo, considerando que os graus industriais de uréia, por exemplo, Adblue, DEF, são adaptados para uso nos veículos rodoviários, por exemplo, caminhões e ônibus. Quando a uréia agrícola é mais barata por conta de mais contaminantes na mesma em comparação ao AdBlue industrial, existe uma atração para os usuários para empregar AdBlue agrícola em caminhões e ônibus para tratamento de gás de descarga durante o uso rodoviário em descumprimento das regulamentações legais; as impurezas nos graus agrícolas de uréia podem potencialmente envenenar os catalisadores nos sistemas de descarga, bem como, risco criando poluição transportada por ar, incluindo, por exemplo, metais pesados. Além do mais, também existe um risco potencial que a uréia agrícola ou AdBlue industrial, DEF é contaminado por material estranho por conta das condições de seu armazenamento, por exemplo, em tanques sujos que foram previamente empregados para armazenar outros materiais, por exemplo, inseticidas.

Outro risco é uma confusão sem intenção pelo pessoal de diferentes tanques disponíveis em um veículo, caracterizado pelo fato de que o combustível Diesel, líquido de lavador de pára-brisas e semelhante é cheio no tanque Adblue, DEF por acidente. Outro risco é que o pessoal tente substituir Adblue, DEF por outros materiais, por exemplo, uma solução salina, em tanques Adblue, DEF de veículos para economizar dinheiro. Muitos fazendeiros enfrentam pressões econômicas extremas que podem resultar em tentar economizar onde é viável.

A contaminação indesejada em Adblue, DEF pode ter outras consequências, por exemplo, resultante em evento catastrófico, tal como, uma falha completa de SCR. A tentativa de operar os veículos com SCR defeituoso pode representar uma ofensa criminal. AdBlue, DEF é muito suscetível à contaminação de ambas a matéria estranha e seleção incorreta de material. Uma influência principal refere-se ao elemento de água desionizada da solução que retira os ions dos materiais que entra em contato; isso altera a composição química do AdBlue, DEF e faz com que os sais se formem que, por sua vez, obstruam o cabeçote de cerâmica no catalisador SCR (60). As causas mais comuns de falha prematura do catalisador SCR (60) são tipicamente um resultado do ingresso de partes danificadas de bomba sendo acidentalmente transferidas no tanque de AdBlue ou como um resultado da seleção incorreta de material. Os materiais inertes devem ser sempre, dessa forma, usados para manusear AdBlue.

Dessa forma, a qualidade deficiente de AdBlue pode causar poluição aumentada do veículo e também danificar os sistemas de gás de descarga do motor. Não é sempre possível para os motoristas de veículo estarem certos sobre a origem de AdBlue, DEF que é utilizado em seus veículos, e podem, em consequência, causar involuntariamente, por exemplo, poluição perigosa a partir dos contaminantes presentes no AdBlue, DEF. Entretanto, os dispositivos para medir concentrações da solução de uréia são conhecidos, por exemplo, um dispositivo conforme descrito no pedido de patente norte-americano publicado US 2005/0011183A1 (Ripper et al.). O dispositivo inclui uma unidade de sensor para monitorar uma ou mais variáveis de estado físico de uma solução de uréia sem enzima. A unidade de sensor é projetada para detectar pH, uma constante dielétrica da solução de uréia e/ou condução da solução de uréia sem enzima. Os eletrodos da unidade de sensor são, por exemplo, implantados como uma estrutura semelhante a pente interconectada. Além do mais, a unidade de sensor inclui um gerador de vibração para testar as propriedades mecânicas da solução de uréia, caracterizado pelo fato de que o gerador de vibração inclui um oscilador de quartzo e/ou um cristal piezoeléctrico. Deve ser apreciado que o dispositivo descrito no pedido de patente norte-americano publicado US 2005/0011183A1 (Ripper et al.) é essencialmente um dispositivo de medição de concentração de solução de uréia, que é muito diferente de um mecanismo de medição de qualidade de solução de uréia.

Entretanto, tais dispositivos conhecidos para medir a concentração de solução de uréia não são sensíveis o suficiente e/ou exatos o suficiente para distinguir entre as diversas qualidades da solução de uréia para uso do veículo, por exemplo, distinguir a uréia de grau agrícola da uréia de grau de transporte devido à presença de sais de metal residual que dificilmente causa qualquer alteração perceptível na concentração de solução de uréia. A qualidade da solução de uréia espacialmente varia dentro de um tanque de uréia de veículo e os sensores conhecidos medem em determinado local espacial que é potencialmente não representativo da qualidade geral da solução de uréia no taque; dessa forma, o dispositivo acima mencionado descrito no pedido de patente norte-americano publicado US 2005/0011183A1 (Ripper et al.) seria inadequado para construir um mecanismo de monitoramento de qualidade da uréia.

Sumário da invenção

A presente invenção busca fornecer um mecanismo de sensor de qualidade que é operável para distinguir mais exatamente entre diversas qualidades da solução de uréia dentro de um tanque de uréia.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um mecanismo conforme reivindicado na reivindicação anexa 1: é fornecido um mecanismo para medir a qualidade de uma solução de uréia na qual pelo menos uma porção do mecanismo é inserida em operação, caracterizado pelo fato de que o mecanismo inclui uma configuração de sensores para medir propriedades mecânicas e elétricas dentro de um volume da solução de uréia, as medições das propriedades mecânicas e elétricas sendo mutuamente influenciadas de forma diferente por componentes presentes na solução de uréia, e um arranjo de processamento de dados para processar as medições das propriedades mecânicas e elétricas para gerar dados de saída indicativos de uma qualidade da solução de uréia.

A invenção é de vantagem de modo que a qualidade da solução de uréia é suscetível a ser medida com maior exatidão e confiabilidade.

Opcionalmente, no mecanismo, a configuração dos sensores inclui os sensores acústicos e de condutividade para medir as propriedades mecânicas e elétricas, respectivamente, os sensores sendo espacialmente organizados espaçados dentro do mecanismo.

Opcionalmente, no mecanismo, os sensores incluem um termômetro para medir uma temperatura (T) da solução de uréia, e para fornecer os dados do arranjo de processamento de dados correspondentes à temperatura (T) para uso no cálculo da qualidade da solução de uréia.

Opcionalmente, no mecanismo, a configuração de sensores inclui um sensor de condutividade elétrica para medir uma condutividade elétrica da solução de uréia, o sensor de condutividade incluindo uma configuração de eletrodos dispostos em um túnel de fluxo para receber a solução de uréia, o túnel de fluxo sendo operável para eletricamente classificar a configuração de eletrodos das influências externas espacialmente fora do túnel. Mais opcionalmente, no mecanismo, a configuração dos eletrodos inclui os eletrodos dispostos em um arranjo linear ao longo do túnel de fluxo. Mais opcionalmente, no mecanismo, um conjunto externo de eletrodos (PO próximos às extremidades do túnel de fluxo é operável para ser excitado de modo a gerar um campo elétrico de interrogação dentro do túnel e um conjunto interno de eletrodos (P2) próximo a uma região central do túnel de fluxo é operável para gerar um sinal recebido ao arranjo para transmitir de processamento de dados. Opcionalmente, no mecanismo, a configuração de eletrodos (P-i, P2) inclui pelo menos um de: eletrodos de aço inoxidável, eletrodos de carbono, eletrodos de prata. Opcionalmente, no mecanismo, o arranjo de processamento de dados é operável para aplicar pelo menos um dos sinais alternados (a.c.) e sinais estáticos (d.c.) à configuração de eletrodos quando em operação para determinar pelo menos um de condutividade estática e condutividade complexa da solução de uréia para uso ao determinar sua qualidade.

Opcionalmente, no mecanismo, a configuração dos sensores inclui um sensor acústico incluindo um arranjo de transdutor acústico disposto de uma forma espaçada a partir de um refletor acústico correspondente, caracterizado pelo fato de que o arranjo de transdutor é operável para gerar um ou mais pulsos acústicos que se propagam através da solução de uréia, são refletidos a partir do refletor e são subsequentemente recebidos de volta no arranjo de transdutor para gerar um sinal recebido para o arranjo de processamento de dados para processor de modo a determinar uma densidade da solução de uréia.

Opcionalmente, o mecanismo ainda inclui um flange de montagem para montar o mecanismo a um tanque de solução de uréia, um arranjo de aquecedor para aquecer a solução de uréia, e um arranjo de monitoramento de nível de solução de uréia para monitorar uma altura de superfície da solução de uréia relativa ao mecanismo.

De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecido um método de medir uma qualidade de uma solução de uréia ao usar um mecanismo, caracterizado pelo fato de que o método inclui: arranjar pelo menos uma porção do mecanismo a ser inserida em operação na solução de uréia; medir usando uma configuração de sensores do mecanismo para medir as propriedades mecânicas e elétricas dentro de um volume da solução de uréia, as medições das propriedades mecânicas e elétricas sendo mutuamente influenciada de forma diferente por componentes presentes na solução de uréia; e processar usando um arranjo de processamento de dados das medições das propriedades mecânicas e elétricas para gerar os dados de saída indicativos de uma qualidade da solução de uréia.

De acordo com um terceiro da invenção, é fornecido um produto de software gravado em uma mídia legível por máquina, o produto de software sendo executável no hardware de computação para implantar um método conforme o segundo aspecto da invenção.

De acordo com um quarto aspecto da invenção, é fornecido um mecanismo para medir a qualidade de uma solução na qual pelo menos uma porção do mecanismo é inserida em operação, caracterizado pelo fato de que o mecanismo inclui uma configuração de sensores para medir as propriedades mecânicas e elétricas dentro de um volume da solução, as medições das propriedades mecânicas e elétricas sendo mutuamente influenciadas de forma diferente por componentes presentes na solução, e um arranjo de processamento de dados para processar a medição das propriedades mecânicas e elétricas para gerar os dados de saída indicativos de uma qualidade da solução.

De acordo com um quinto aspecto da invenção, é fornecido um método de medir uma qualidade de uma solução ao usar um mecanismo, caracterizado pelo fato de que o método inclui: arranjar pelo menos uma porção do mecanismo a ser inserida em operação na solução; medir usando uma configuração de sensores do mecanismo para medir as propriedades mecânicas e elétricas dentro de um volume da solução, as medições de propriedades mecânicas e elétricas sendo mutuamente influenciadas de forma diferente por componentes presentes na solução; e processar usando um arranjo de processamento de dados das medições das propriedades mecânicas e elétricas para gerar os dados de saída indicativos de uma qualidade da solução.

Será apreciado que os recursos da invenção são suscetíveis a serem combinados em diversas combinações sem desviar do escopo da invenção.

Descrição dos diagramas

As configurações da presente invenção serão agora descritas, somente por meio de exemplo, com referência aos seguintes diagramas, em que:

A FIG. 1 é uma ilustração esquemática de um sistema de descarga de um veículo operável para empregar AdBlue ("Adblu"), isto é, solução de uréia, para reduzir concentrações de NOx nos gases de descarga passando através do sistema de descarga;

A FIG. 2A até FIG. 2C são ilustrações esquemáticas das configurações de um mecanismo de sensor de qualidade conforme a presente invenção;

A FIG. 3 é uma ilustração esquemática das características de densidade de uma solução de uréia;

A FIG. 4 é uma ilustração esquemática das medições de condutividade de uma solução de uréia;

A FIG. 5 é uma ilustração esquemática de um sensor acústico do mecanismo da FIG. 2;

A FIG. 6 é uma ilustração esquemática de um sensor de condutividade do mecanismo da FIG. 2A até 2C; e

A FIG. 7 é uma configuração de circuito para uso com o sensor de condutividade da FIG. 6.

Nos diagramas anexos, um número sublinhado é empregado para representar um item sobre o qual o número sublinhado é posicionado ou um item ao qual o número sublinhado é adjacente. Um número não sublinhado refere-se a um item identificado por uma linha ligando o número não sublinhado ao item. Quando um número não é sublinhado e acompanhado por uma seta associada, o número não sublinhado é usado para identificar um item geral ao qual a seta está apontando.

Descrição das realizações (configurações) da invenção.

A presente invenção refere-se ao fornecimento de um mecanismo de sensor de qualidade para medir a qualidade da solução dentro de uma região espacial representativa da solução, por exemplo, uma solução de uréia presente dentro de um tanque de armazenamento, ao usar uma combinação espacialmente distribuída de sensores integrados em uma montagem de mecanismo; o mecanismo é operável para medir as características da solução dentro de um volume extensivo da solução. Tal mecanismo é em contrapartida aos dispositivos conhecidos para medir a características da concentração de solução de uréia ao implantar uma medição em um ponto espacial específico dentro de um tanque contendo a solução de uréia em operação. Beneficamente, a medição da qualidade da solução de uréia é atingida ao determinar uma velocidade da radiação acústica propagando-se dentro de um volume espacial extensivo da solução, na maior parte de forma vantajosa utilizando a radiação acústica refletida para aumentar o comprimento efetivo de via de propagação. Além do mais, a medição da condutividade elétrica da solução de uréia é beneficamente implantada usando uma configuração de eletrodos em uma configuração espacial extensiva fornecendo exatidão aprimorada de medição através de uma região espacial de significância da solução. Opcionalmente, as medições de corrente alternada (a.c.) são realizadas para auxiliar a caracterizar as propriedades indicativas de qualidade da solução de uréia. Mais opcionalmente, tais medições de a.c. são realizadas em frequências correspondentes aos momentos de dipolo de íons presentes na solução, assim permitindo que a natureza dos íons seja determinada e, consequentemente, uma indicação dos tipos de impurezas presentes na solução. Opcionalmente, as medições de corrente direta (d.c.) são realizadas para auxiliar a caracterização das propriedades indicativas de qualidade da solução de uréia. Opcionalmente, as combinações de medições de a.c. e d.c. são utilizadas para medir a qualidade da solução. Ambas a densidade da solução de uréia e condutividade elétrica da solução de uréia são uma função da temperatura de solução de uréia que também é monitorada no mecanismo de sensor de qualidade. As medições de densidade e condutividade elétrica de uma solução de uréia, opcionalmente como uma função de temperatura, são empregadas como parâmetros de entrada a uma função de mapeamento cujo parâmetro de saída é uma indicação da qualidade da solução de uréia; tal indicação de qualidade não deve ser confundida com a medição de concentração que é outra questão. A função de mapeamento é beneficamente implantada usando um ou mais produtos de software armazenados em uma mídia legível por máquina, os produtos sendo executáveis no hardware de computação do mecanismo para fornecer a função de mapeamento. Além do mais, a função de mapeamento é opcionalmente implantada como uma tabela de pesquisa, uma representação polinomial interpolada e/ou como um modelo matemático incorporando as fórmulas representando os processos de medição utilizados no mecanismo. Opcionalmente, a função de mapeamento é implantada como uma função do tipo de rede neutra implantada no software.

As implantações do mecanismo serão agora descritas com referência à FIG. 2A, FIG. 2B e FIG. 2C. Na FIG. 2A, o mecanismo é indicado geralmente por (100) e compreende um flange (110) incluindo um conector elétrico (120) para receber energia e fornecer sinais de entrada e saída para e do mecanismo (100), respectivamente. Além do mais, o mecanismo (100) inclui as conexões de tubo (130) para receber mangueiras para aquecer a água para aquecer uma solução de uréia na qual um espiral de aquecimento ou loop de aquecimento (140) do mecanismo (100) é pelo menos parcialmente imerso em operação. O flange (110) é adaptado para permitir ao mecanismo (100) ser montado em um orifício fornecido em um tanque de solução de uréia (não mostrado). Opcionalmente, o tanque é montado em um veículo rodoviário, caracterizado pelo fato de que o tanque é operável para armazenar a solução de uréia a ser injetada em um sistema de descarga do veículo para tratar produtos de combustão de NOX gerados em operação por um motor de combustão do veículo. O flange (110) é ainda fornecido com uma ou mais conexões de tubo e tubos associados denotados por (240) através do flange (110) para adicionar, remover e/ou recircular a solução de uréia, bem como, fornecer ventilação.

O mecanismo (100) ainda compreende um medidor de nível de solução de uréia compreendendo um tubo de sensor (150) fornecido com uma bóia associada (160). A bóia (160) é operável para boiar em uma superfície superior de um volume da solução de uréia. Além do mais, a bóia (160) inclui um ou mais imãs permanentes, e o tubo de sensor (150) inclui uma série espacial de relés magnéticos de moldura dispostos ao longo da mesma que são seletivamente acionados em operação em resposta à bóia (160) movimentando-se ao longo do tubo de sensor (150) conforme denotado por uma seta (170) Adicionalmente, o mecanismo (100) inclui um ou mais sensores de temperatura (180A), (180B), por exemplo, implantados como um termopar e/ou um termistor. O sensor de temperatura (180A) é beneficamente em proximidade espacial aos sensores (190), (200) do mecanismo (110), e o sensor de temperatura (180B) é beneficamente montado no tubo de sensor (150).

Em uma extremidade inferior do espiral de aquecimento ou loop de aquecimento (140), são montados um sensor acústico (190) para medir a densidade da solução de uréia, e também um sensor de condutividade elétrica (200). Na FIG. 2B, os sensores (190), (200) são posicionados em uma extremidade distal de um loop de aquecimento extensivo em "L" (140). O sensor acústico (190) e o sensor de condutividade (200) são espacialmente separados, opcionalmente dispostos em uma configuração de limite adjacente, e são operáveis por caracterizar uma solução de uréia ao medir dentro de uma porção significativa de um volume do tanque de solução de uréia em contrapartida aos dispositivos contemporâneos de medição da solução de uréia que realizam uma medição somente em um local de ponto espacial. Os sinais de saída dos sensores (180A), (180B), (190), (200) são transmitidos via os cabos de sinal (210), (220) a uma unidade de processamento de dados (230) incluindo o hardware de computação, por exemplo, um micro-controlador, operável para executar um ou mais produtos de software armazenados na mídia legível por máquina, por exemplo, memória de dados de leitura/escrita de estado sólido, para permitir ao hardware de computação processar os sinais de saída transmitidos via os cabos (210), (220) para gerar uma saída de medição disponível no conector elétrico (120). Na FIG. 2C, o loop de aquecimento (140) é implantado como uma estrutura em espiral compreendendo um ou mais giros; um espiral é potencialmente mais compacto e fornece uma maior área de superfície de aquecimento, assim o aquecimento mais rápido da solução de uréia. De forma oposta, uma implantação extensiva de loop em L da FIG. 2B fornece o aquecimento em um maior volume espacial.

Conforme brevemente descrito acima, a densidade pea condutividade elétrica S de uma solução de uréia é passível de descrição em termos gerais a partir das Equações 1 e 2 (Eq.1 eEq.2):

em que T = temperatura; K = concentração da uréia na solução em um tanque; q = concentração de impurezas presentes no tanque; Fi = primeira função fornecendo densidade como uma saída; F2 = segunda função fornecendo condutividade elétrica como uma saída.

Com referência à FIG. 3, é mostrada de uma forma qualitativa, em um gráfico indicado geralmente por (300) e incluindo um eixo de abscissa (320) denotando a temperatura crescente da esquerda à direita e um eixo de ordenada (310) denotando densidade crescente .de baixo para cima, uma variação da densidade p como uma função de diferentes concentrações da uréia K e temperatura T da solução de uréia. Abaixo de uma temperatura de transição TF, a uréia congela a partir da solução e o volume da solução congelada expande. Acima da temperatura de transição TF, a solução de uréia exibe propriedades que se tornam mais parecidas à água pura. Uma concentração K-i corresponde a uma maior concentração de uréia na água em comparação a uma concentração K2; de forma semelhante, a concentração K2 corresponde a uma maior concentração da uréia na água em comparação a uma concentração K3. A densidade p é monitorada no mecanismo (100) ao medir um atraso de propagação de um surto de pulso de radiação ultrassónica através da solução de uréia no tanque; para determinada via de propagação de comprimento L dentro da solução de uréia no tanque, o atraso de propagação Δt é inversamente proporcional à velocidade acústica v do pulso acústico, isto é, conforme definido pela Equação 3 (Eq. 3):

Beneficamente, por conta de uma natureza relativamente compacta do mecanismo (100), com a finalidade de incluir oscilações suficientes para definir um pulso precisamente dentro de um domínio Fourier, o surto de pulso preferivelmente inclui poucos ciclos de radiação acústica tendo uma frequência em uma faixa de 300 kHz a 10 MHz, mais preferivelmente em uma faixa de 700 kHz a 3 MHz, e mais preferivelmente de forma substancial 1 MHz. Em um caso que um único pulso seja utilizado, seu comprimento de pulso é assim beneficamente em uma ordem de duração de 1 μsec. Sabendo a temperatura T e o atraso de propagação Δt, a densidade p pode ser computada a partir da Equação 4 (Eq. 4):

Uma combinação das Equações 3, 4 e 1 pode ser usada para determinar uma contribuição combinada da concentração de uréia K e uma indicação de impurezas.

Essas funções podem ser derivadas a partir da análise teórica ou determinadas numericamente, por exemplo, como uma tabela de pesquisa com interpolação ou como uma representação polinomial, a partir dos resultados experimentais de diversas soluções de uréia de calibração conhecidas.

A velocidade do som em um meio não gasoso considera rigidez não zero tanto para deformações volumétricas quanto de cisalhamento.

Dessa forma, é viável gerar ondas de som com diferentes velocidades dependendo de qual modo de deformação seja utilizado.

As ondas de som gerando deformações volumétricas, isto é, compressões, e deformações de cisalhamento são denominadas como ondas longitudinais e de cisalhamento, respectivamente.

Em Terremotos, as ondas sísmicas correspondentes são denominadas como ondas P e ondas S, respectivamente. As velocidades do som desses dois tipos de ondas são fornecidas nas Equações 5 e 6 (Eq. 5 & Eq. 6):

em que KB e G são módulos a granel e módulos de cisalhamento da solução de uréia, respectivamente; Cp = velocidade da onda volumétrica; cs = velocidade da onda de cisalhamento; E = módulo de Young; e v = razão de Poisson.

Será apreciado que a densidade da solução de uréia não é suficiente por si só para caracterizar a qualidade da solução de uréia quando outros contaminantes também estão presentes, por exemplo, sais metálicos. Tais sais metálicos podem representar um perigo de poluição quando ejetados a partir de um sistema de descarga de um veículo e também podem resultar no envenenamento do catalisador nos sistemas de descarga de veículo. Tais catalisadores podem incluir metais nobres que são dispendiosos para substituir. Portanto, é importante identificar quando um grau inferior de Adblue, DEF tiver sido empregado que poderia arriscar a danificação por envenenamento dos componentes catalíticos de um sistema de tratamento de descarga de veículo.

Embora o sensor acústico (190) seja suscetível a ser usado para determinar a densidade da solução de uréia p via a medição de velocidade do som, tal medição não é suficiente por si só para determinar uma presença de outros contaminantes residuais que também podem estar presentes na solução de uréia, por exemplo, diversos sais de metal. Com a finalidade de obter informações adicionais referentes a esses outros contaminantes residuais, o sensor de condutividade (200) é empregado pelo mecanismo (100). A condutividade S de uma solução geralmente aumenta com a temperatura T, pois a temperatura crescente T causa mais dissociação entre íons dentro da solução de uréia, conforme ilustrado na FIG. 4; na FIG. 4, é mostrado um gráfico indicado geralmente por (400) incluindo um eixo de abscissa (420) denotando temperatura crescente T da esquerda à direita e um eixo de ordenada (410) denotando condutividade crescente S de baixo para cima. Além do mais, a condutividade elétrica S de uma solução de uréia também é determinada por uma concentração de uréia na solução, bem como, as impurezas, tais como, sais metálicos presentes na solução. Determinada concentração da solução de uréia em determinada temperatura deve ter uma densidade correspondente p e uma condutividade elétrica correspondente S; quando tal densidade p e condutividade S como uma função de temperatura T desviam do esperado, tal desvio é indicativo da presença de contaminação.

A condutividade S é suscetível de ser medida usando os sinais alternados (a.c.), por exemplo, via acoplamento capacitivo. Opcionalmente, os sinais de corrente direta (d.c.) podem ser empregados, sozinho ou em combinação com os sinais aplicados de a.c.. Dependendo de uma natureza dos eletrodos usados para realizar o contato com a solução de uréia, um contato ôhmico ou eletro-potencial (junção) é feito à solução de uréia. Por exemplo, os eletrodos de carbono e prata são capazes de realizar um contato ôhmico com a solução, considerando que os metais, tais como, aço inoxidável, são observados por fazer um contato eletro- potencial com a solução. Considerando que os contatos ôhmicos resultam em uma resistência constante como uma função de uma diferença potencial entre os eletrodos de teste para medir a condutividade de uma solução de uréia, os contatos eletro- potenciais resultam em uma resistência variante como uma função da diferença potencial aplicada entre os eletrodos. Essa resistência variante como uma função da diferença potencial é influenciada por contaminantes de sal de metal residuais presentes na solução de uréia e pode opcionalmente ser usada para determinar uma concentração dos sais residuais presentes na solução de uréia, isto é, para derivar uma indicação da qualidade da solução de uréia. Quando os sinais de a.c. são empregados para medir a condutividade da solução de uréia e o potencial de eletrodo relativamente alto são usados que excedem muito qualquer contato eletro-potencial (junção), a influência de tal eletro-potencial (junção) torna-se menos significativa.

A condutividade de uma solução de uréia usando sinais alternados (a.c.) refere-se às impedâncias complexas que variam como uma função da frequência. Opcionalmente, a medição de a.c. de condutividade é realizada no mecanismo em uma frequência em uma faixa de 100 Hz a 10 kHz, para beneficamente de forma substancial 5 kHz que é conveniente para circuitos eletrônicos de baixa energia processarem. Por exemplo, uma frequência de a.c. de 5.1 kHz é convenientemente empregada.

Quando uma frequência dos sinais alternados estiver em um regime de 100 kHz a 10 MHz, os momentos de dipolo iônico na solução de uréia tornam-se significativos e são claramente detectáveis em impedância medida de complexo como uma função de temperatura. Tais impedâncias de complexo foram relatadas em um papel acadêmico "Dependência de frequência de condutividade iônica das soluções de eletrólito", Chandra & Bagchi em associação à pesquisa suportada pelo Conselho de Pesquisa Científica e Industrial (CSIR), Departamento de Ciência e Tecnologia (DST), e Governo da índia e Academia de Ciência Nacional Indiana.

Esse documento está no domínio público e seu conteúdo é ora incorporado por referência. A impedância de complexo da solução de uréia também é influenciada por contaminantes, tais como, sais metálicos presentes na solução.

Dessa forma, o mecanismo (100) via o sensor de condutividade (200) é operável para medir a condutividade de d.c. e/ou condutividade de a.c. da solução de uréia no tanque como uma função de temperatura T conforme denotado pela Equação 2 (Eq. 2) acima:

em que K = concentração da solução de uréia; T = temperatura da solução de uréia; e q = concentração das impurezas presentes no tanque.

Conforme acima mencionado, as Equações 1 e 2 representam duas equações simultâneas com dois fatores desconhecidos de concentração K e impureza q contribuindo para a condutividade S e densidade p, que permite a esses fatores desconhecidos serem computados. A medição da condutividade nas frequências de a.c. e/ou determinação da condutividade com eletrodos originado medições eletro-potenciais permite que equações simultâneas adicionais sejam estabelecidas, permitindo ao fator K e q ser mais exatamente determinado. Tanto a impureza q quanto a concentração K permitem a qualidade geral e a adequação para uso da solução de uréia no tanque serem monitoradas. As equações simultâneas são beneficamente resolvidas por pelo menos um de: tabelas de pesquisa, representações polinomiais.

O sensor acústico (190) e o sensor de condutividade (200) serão agora descritos em mais detalhes com referência à FIG. 5 e FIG. 6, respectivamente. Na FIG. 5, o sensor acústico (190) inclui um painel de suporte alongado (500) tendo um refletor acústico (510) substancialmente em uma primeira extremidade do painel (500). Em uma segunda extremidade do painel (500), remota da primeira extremidade, é incluído um arranjo de transdutor compreendendo um alojamento (520) tendo uma abertura direcionada para longe do refletor (510) conforme ilustrado.

O arranjo de transdutor ainda inclui um elemento piezoeléctrico (530) implantado como um disco de material de cerâmica, um disco de material de quartzo e/ou um disco de material de polímero orgânico. O elemento (530) é acoplado à solução de uréia em operação via o alojamento (520). Opcionalmente, o alojamento (520) é fabricado a partir de metal, um material polimérico robusto, por exemplo, poliuretano, PTFE ou semelhante, ou a partir de um material de cerâmica. Além do mais, o elemento (530) é vedado e protegido dentro do alojamento (520) por uma região de material absorvente de energia acústica quimicamente inerte (550), por exemplo, implantada como um grau adequado de resina de epóxi ou outro material polimérico. Em operação, um sinal de pulso é aplicado via um ou mais eletrodos SD ao elemento (530) para gerar uma série de pulso acústico para fora (600) que se propaga ao longo de um eixo alongado do painel (500) para impingir sobre o refletor (510) e a ser então subsequentemente refletido a partir do mesmo como uma série de pulso acústico refletido (610) que se propaga de volta ao arranjo de transdutor para gerar um sinal de eco em um ou mais eletrodos SD. Opcionalmente, o elemento (530) é fornecido com pelo menos um par de eletrodos; uma diferença potencial aplicada entre o par de eletrodos estabelece um campo elétrico no elemento (530), assim causando estresse que resulta em deformação de tensão do elemento (530) e geração de radiação acústica associada; uma tensão aplicada ao elemento (530) também é capaz de gerar um campo elétrico dentro do elemento (530) que é detectável como uma diferença potencial através do par de eletrodos.

Mais opcionalmente, o elemento (530) é fornecido com eletrodos separados para receber sinais de acionamento e para produzir os sinais recebidos de eco. A unidade de processamento de dados (230) é operável para gerar um sinal de acionamento para um ou mais eletrodos SD e para receber os sinais refletidos para processamento. O sensor acústico (190) é exigido para fornecer muito anos de serviço confiável quando em contato com a solução de uréia que pode ser corrosiva. Dessa forma, deve ser apreciado que o sensor acústico (190) não é uma montagem simples de projetar, e os materiais usados para sua construção foram selecionados com grande cuidado e atenção para atingir o desempenho confiável em muitos anos de uso. Por exemplo, os estresses são reduzidos dentro do sensor acústico (190) que poderiam de outro modo resultar em fratura do elemento (530); tal redução no estresse é viável, por exemplo, ao empregar as superfícies lateralmente deslizáveis para interface com o elemento (530).

O sensor de condutividade (200) é mostrado em maiores detalhes na FIG.6 e inclui um alojamento de túnel alongado (700) fabricado a partir do material de plástico de isolamento com extremidades abertas para receber um fluxo de solução de uréia através do alojamento (700) conforme denotado pelas setas para uma primeira direção de fluxo; o fluxo através do alojamento (700) também pode ocorrer em operação em uma direção oposta àquela mostrada. Além do mais, o alojamento (700) é montado em uma base (710) também fabricada a partir do material de plástico de isolamento. Ao longo da base (710) é disposta uma série de quatro eletrodos (720) denotados por PT para eletrodos externos e P2 para eletrodos internos. Opcionalmente, os eletrodos (720) são implantados usando material de aço inoxidável.

Em operação, ao realizar a medição de a.c. da condutividade S, uma corrente de sinal de energização de a.c. IB a partir de uma fonte de corrente modulada estabelecida pela unidade de processamento de dados (230) através dos eletrodos PT para gerar um campo elétrico junto com o alojamento (700) que é detectado pelos eletrodos P2 como uma diferença potencial VA, os eletrodos P2 sendo acoplados via os resistores R1f R2 a um amplificador operacional (800) para gerar um sinal diferencial SE que é acoplado a uma entrada de amostragem análoga da unidade de processamento de dados (230). Conforme a condutividade da solução de uréia no alojamento (700) varia, o fluxo de corrente entre os eletrodos P-i como um resultado da corrente de tendência lB segue uma distribuição espacial dentro do alojamento (700) que é modulado como uma função da condutividade da solução de uréia que influencia o sinal diferencial de forma correspondente. Dessa forma, o sinal SE é uma representação monótona da concentração K da uréia na solução de uréia. A unidade de processamento de dados (230) é operável para receber o sinal SE, para convertê-lo aos dados, e então usar esses dados para determinar a condutividade da solução de uréia e, consequentemente, uma medida de sua qualidade.

Opcionalmente, a corrente de tendência lB opcionalmente inclui um componente de sinal a.c. e/ou é um sinal de a.c.. Além do mais, o componente de sinal a.c. e/ou sinal a.c. induz um campo elétrico alternado dentro do alojamento (700) que interage com os momentos de dipolo de íons na solução de uréia. Em consequência, a diferença potencial VA é um sinal alternado que é amplificado pelo amplificador (800) e que é então sujeito à demodulação síncrona dentro da unidade de processamento de dados (230) para determinar uma impedância de complexo para a solução de uréia. Beneficamente, tal demodulação síncrona é sincronizada com uma forma de onda aplicada aos eletrodos Pi para gerar os componentes de sinal em fase e de quadratura a partir da diferença potencial VA cujas magnitudes relativas são suscetíveis de serem usadas dentro da unidade de processamento de dados (230) para determinar mais exatamente a magnitude das impurezas q. Tal medição de a.c. de condutividade S da solução de uréia fornece insight com relação às impurezas, por exemplo, sais de metal, presentes na solução de uréia conforme elucidado acima. Opcionalmente, os sensores (190), (200) são operados de forma temporal e alternativa para evitar linha cruzada de sinal entre os mesmos, assim melhorando a exatidão de medição do mecanismo (100).

O mecanismo (100) é distinguido a partir dos modos anteriores de medição das características de solução de uréia por conta de uma alta exatidão de medição, alta robustez e grande facilidade de uso do mecanismo. Por conta de fornecer uma medição sobre um grande volume espacial, o mecanismo (100) é operável para fornecer uma indicação mais representativa da qualidade da solução de uréia em comparação às abordagens anteriores. O mecanismo (100) é capaz de ser usado para medir as qualidades de ambas a solução de uréia contendo enzima, bem como, solução de uréia sem enzima. Opcionalmente, o mecanismo (100) é capaz de ser adaptado para medir as qualidades de outro tipo de solução em adição, ou como uma alternativa para, a qualidade da solução de uréia.

Dessa forma, embora o mecanismo (100) acima seja descrito com relação à medição da qualidade da solução de uréia com relação aos veículos rodoviários, veículos off-road, em aplicações industriais, tais como, conjuntos fixos de gerador, em aplicações de aeronave e marítima, o mecanismo (100) é suscetível de ser adaptado para medir outros tipos de solução e suas características associadas de qualidade, por exemplo, nas indústrias de óleo, indústrias de processamento químico, em indústrias de processamento de alimento, em indústrias farmacêuticas, em indústrias de tratamento de água, em indústrias de cultivo de peixe, e etc. Com a finalidade de tratar tais indústrias, as medições de impedância de complexo executadas pela unidade de processamento de dados (230) em cooperação com o sensor de condutividade (200) são um ativo útil. Opcionalmente, o mecanismo (100) é fornecido com outros tipos de sensores químicos, por exemplo, sensores eletroquímicos e/ou sensores óticos, por exemplo, acoplados à unidade de processamento de dados (230), para empreender tarefas de monitoramento de qualidade de solução mais complexas.

A unidade de processamento de dados (230) é operável para realizar uma função de mapeamento entre os sinais que recebe de seus sensores (180), (190), (200) e saída que considera indicativa de qualidade de uma solução na qual o mecanismo (100) é pelo menos parcialmente inserido. A função de mapeamento é beneficamente implantada na unidade de processamento de dados (230) via um ou mais produtos executáveis de software gravados na mídia de dados, por exemplo, em memória de dados de estado sólido. Os produtos de software são operáveis para fornecer a função de mapeamento: (a) por meio de uma tabela de pesquisa; (b) por meio de uma ou mais funções polinomiais cujos coeficientes são gravados na memória de dados; e/ou (c) por meio de uma função de mapeamento de rede neural.

Por exemplo, a medição de impedância de complexo usando o sensor (200) sobre uma faixa de frequência de 100 kHz a 10 MHz gera uma sequência de complexo de medições de impedância, uma função da frequência. Potencialmente, determinado íon de impureza resultante de um sal metálico presente na solução de uréia pode influenciar na impedância de complexo em diversas frequências localizadas na faixa de frequência. Interpretar a impedância de complexo pode ser intricado, especialmente quando existe ruído presente devido ao movimento de um veículo com o qual o mecanismo (100) é instalado. Ao usar a medição de impedância de complexo em diversas frequências localizadas como entrada a um algoritmo de rede neural, o algoritmo pode ser adaptado para reconhecer diferentes tipos de solução de uréia e suas qualidades associadas. Beneficamente, o algoritmo também é fornecido com os dados de um ou mais dos sensores (180A), (180B), (190). Os parâmetros empregados na unidade de processamento de dados (230) para realizar o mapeamento acima mencionado são beneficamente alteráveis de forma dinâmica por instruções de dados enviados à unidade de processamento de dados (230). Tal funcionalidade alterável permite ao mecanismo (100) ser dinamicamente atualizado com os parâmetros que permitem a ele identificar mais exatamente diversos tipos de impureza. Por exemplo, em um ambiente agrícola, pode existir uma enorme quantidade de casos em que os tipos específicos de uréia de baixo grau impura são usados para Adblue, DEF para economizar dinheiro, porém que causa dano ambiental inesperado por meio de emissões de motor via seu sistema de tratamento de descarga. O mecanismo (100) beneficamente precisa ser adaptável para identificar mais efetivamente tais quantidades enormes de abuso. Opcionalmente, os parâmetros operacionais do mecanismo (100) podem ser atualizados ao fornecer os dados externos à unidade de processamento de dados (230) para permitir ao mecanismo (100) adaptar-se dinamicamente a diferentes tipos de solução.

Quando o mecanismo (100) é montado em um tanque de um veículo, o movimento do veículo em operação influencia o líquido no tanque, por exemplo, fazendo com que ele se espalhe em torno do tanque e assim resultando em medições executadas pelos sensores (190), (200) sendo temporariamente variantes. Em consequência, o mecanismo (100) é opcionalmente operável para calcular a média de suas medições em um período de tempo. Opcionalmente, o período de tempo em que o cálculo de média ocorre é dinamicamente variável em resposta às instruções de dados enviadas à unidade de processamento de dados (230) do mecanismo (100).

As modificações às realizações da invenção descritas acima são possíveis sem desviar do escopo da invenção conforme definido pelas reivindicações anexas. As expressões como "incluindo", "compreendendo", "incorporando", "consistindo em", "tem", "é" usadas para descrever e reivindicar a presente invenção são pretendidas para serem interpretadas de uma forma não exclusiva, isto é, permitindo aos itens, componentes ou elementos não explicitamente descritos também estarem presentes. A referência ao singular também deve ser interpretada como relacionada ao plural. Os numerais incluídos dentro dos parênteses nas reivindicações anexas são pretendidos para auxiliar o entendimento das reivindicações e não devem ser interpretados de qualquer modo para limitar o objeto reivindicado por estas reivindicações.

Claims

1. "MECANISMO" (100), para medir a qualidade de uma solução de ureia em um tanque em que pelo menos uma porção do referido mecanismo é inserido no referido tanque em que o mecanismo inclui uma configuração de sensores (180, 190, 200), em que os referidos sensores (180, 190, 200) são espacialmente distribuídos para medir as propriedades mecânicas e elétricas dentro de um volume da referida solução de ureia, as referidas medições das propriedades mecânicas e elétricas sendo influenciadas por componentes presentes na solução de ureia que influencia a qualidade da solução de ureia, caracterizado pelo fato de que a referida configuração de sensores (180, 190, 200), inclui um sensor de condutividade elétrica para medir uma condutividade elétrica da solução de ureia, o referido sensor de condutividade incluindo uma configuração dos eletrodos (720) dispostos em um túnel de fluxo (700, 710) para receber a solução de ureia, o referido túnel de fluxo (700, 710) sendo operável para eletricamente classificar a referida configuração de eletrodos das influências externas espacialmente fora do referido túnel (700, 710), e um arranjo de processamento de dados (230) para processar as referidas medições das propriedades mecânicas e elétricas para gerar os dados de saída (120) indicativos de uma qualidade da referida solução de ureia.

2. "MECANISMO" (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida configuração de eletrodos (720) inclui os eletrodos dispostos em um arranjo linear ao longo do referido túnel de fluxo (700, 710).

3. "MECANISMO" (100), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um conjunto externo de eletrodos (PI) próximos às extremidades do túnel de fluxo (700, 710) é operável para ser provocado para gerar um campo elétrico de interrogação dentro do referido túnel (700, 710) e um conjunto interno de eletrodos (P2) próximo a uma região central do túnel de fluxo (700, 710) é operável para gerar um sinal recebido para transmitir ao arranjo de processamento de dados (230).

4. "MECANISMO" (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida configuração de eletrodos (PI, P2) inclui pelo menos um de eletrodos de aço inoxidável, eletrodos de carbono, eletrodos de prata.

5. "MECANISMO" (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido arranjo de processamento de dados (230) é operável para aplicar pelo menos um de sinais alternados (a.c.) e sinais estáticos (d.c.) à referida configuração dos eletrodos (720) quando em operação para determinar pelo menos um de condutividade estática e condutividade complexa da referida solução de ureia para uso ao determinar sua qualidade.

6. "MECANISMO" (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida configuração de sensores (180,190, 200) inclui um sensor acústico (180) incluindo um arranjo de transdutor acústico (530) disposto de uma forma espaçada a partir de um refletor acústico correspondente (510), em que o arranjo de transdutor (530) é operável para gerar um ou mais pulsos acústicos que se propagam através da solução de ureia, são refletidos a partir do refletor (510) e são subsequentemente recebidos de volta no arranjo de transdutor (530) para gerar um sinal recebido para o arranjo de processamento de dados (230) para processar de modo a determinar uma densidade da solução de ureia.

7. "MECANISMO" (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido mecanismo (100) ainda inclui um flange de montagem (110) para montar o referido mecanismo (100) em um tanque de solução de ureia, um arranjo de aquecedor (130,140) para aquecer a referida solução de ureia e um arranjo de monitoramento de nível de solução de ureia (150, 160) para monitorar uma altura de superfície da solução de ureia relativa ao referido mecanismo (100).

8. "MÉTODO" para medir a qualidade de uma solução de ureia ao usar um mecanismo (100), conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido método inclui: a) inserir pelo menos uma porção do referido mecanismo na referida solução de ureia; b) medir usando uma configuração de sensores (180, 190, 200) do referido mecanismo (100), em que os referidos sensores (180, 190, 200) são espacialmente distribuídos para medir as propriedades mecânicas e elétricas dentro de um volume da referida solução de ureia, as referidas medições das propriedades mecânicas e elétricas sendo influenciadas por componentes presentes na solução de ureia a qual influencia a qualidade da solução de ureia, e c) processar usando um arranjo de processamento de dados (230) das referidas medições das propriedades mecânicas e elétricas para gerar os dados de saída (120) indicativos da qual influencia a qualidade da referida solução de ureia.