CN102203392A - 用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法 - Google Patents

用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102203392A
CN102203392A CN2009801438063A CN200980143806A CN102203392A CN 102203392 A CN102203392 A CN 102203392A CN 2009801438063 A CN2009801438063 A CN 2009801438063A CN 200980143806 A CN200980143806 A CN 200980143806A CN 102203392 A CN102203392 A CN 102203392A
Authority
CN
China
Prior art keywords
filter
chamber
microwave
signal
resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2009801438063A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102203392B (zh
Inventor
莱斯利·布朗伯格
亚历山大·萨波克
彼得·薛尔特
罗纳德·帕克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
With the induction of Polytron Technologies Inc
Original Assignee
莱斯利·布朗伯格
亚历山大·萨波克
彼得·薛尔特
罗纳德·帕克
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 莱斯利·布朗伯格, 亚历山大·萨波克, 彼得·薛尔特, 罗纳德·帕克 filed Critical 莱斯利·布朗伯格
Publication of CN102203392A publication Critical patent/CN102203392A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102203392B publication Critical patent/CN102203392B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F01N9/002—Electrical control of exhaust gas treating apparatus of filter regeneration, e.g. detection of clogging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0606—Investigating concentration of particle suspensions by collecting particles on a support
    • G01N15/0618—Investigating concentration of particle suspensions by collecting particles on a support of the filter type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/05—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a particulate sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/12—Other sensor principles, e.g. using electro conductivity of substrate or radio frequency
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/14—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics having more than one sensor of one kind
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Abstract

本发明揭示一种用于确定具有第一介电常数的过滤器中具有不同介电常数的材料的负载的系统及方法。所述过滤器含在形成微波腔的金属容器内，且在所述腔内形成微波或RF能量并监测腔微波响应的改变。腔微波响应的所述改变与过滤器负载有关。在优选实施例中，所述微波能量包含多种腔模式，借此允许确定污染物材料负载的空间分布。在一个实施例中，所述微波腔响应包含谐振模式的频率的移位。或者，所述微波腔响应包含谐振模式的质量因子Q的移位。所述微波腔响应可包含所述微波的信号在谐振下的振幅或峰值宽度的移位。

Description

用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法
相关申请案交叉参考
本申请案是2007年4月30日提出申请的第11/741,832号美国专利申请案的接续申请案，其主张2006年5月1日提出申请的美国临时专利申请案60/746,081的权益，所述专利申请案的揭示内容以全文引用的方式并入本文中。
本申请案主张2008年11月3日提出申请的第61/110,965号美国临时专利申请案的权益，所述专利申请案的揭示内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及确定过滤器上的污染物材料负载，且更特定来说涉及使用射频来确定负载。
背景技术
在许多领域中，需要对已由过滤器捕获的材料的量进行准确感测。实例为需要确定HVAC系统中的空气过滤器、工业应用中所使用的过滤袋壳体及甚至与液体一起使用的过滤器等等的负载。
又一实例为需要确定微粒过滤器上的烟尘的过滤器负载。为了确定再生启动的适当条件以及在已实现完整再生时确定的监测条件，必须知道微粒过滤器上的负载量。在此背景下负载水平是重要的，因为微粒过滤器的再生通常是通过其中烟尘是因游离氧的存在而点燃且燃烧波经产生而穿过所述过滤器的未经控制燃烧而实现的。在一些条件下，再生可能将产生非常高的温度，从而导致大的热应力，此可导致过滤器的有限疲劳寿命且最终导致其毁坏。因此，烟尘负载的水平对于成功的过滤器再生来说颇为重要。
微粒过滤器的特定应用是柴油微粒过滤器(DPF)。当前，使用过滤器压降测量来估计DPF中所积累的烟尘量。在一些情况下，也可使用预测模型来估计过滤器烟尘负载。压降测量单独地仅提供微粒过滤器中烟尘积累的间接且不精确的度量，且具有若干个缺点。废气组成、温度及流率全部影响过滤器压降且必须将其计及以准确地使压降与过滤器烟尘负载有关。此外，所积累烟灰与烟尘的空间分布也影响压降测量，且此分布可随时间改变，特别是在过滤器被加载有烟灰时。
在重复的再生之后，微粒过滤器中也可积累显著量的烟灰。压降测量不能在过滤器中的烟尘与烟灰积累之间进行区分，其中后者引入基于压降的烟尘负载估计的额外误差。另外，许多类型的过滤器取决于过滤器的负载状态及历史而展现非线性压降响应与压降滞后，此进一步使基于压力的过滤器负载测量复杂化。
对DPF中烟尘积累的基于压降的估计的特征还在于大体缓慢的响应时间及对烟尘负载的小改变的低灵敏度。此外，这些系统不能直接监测过滤器中的烟灰水平需要周期性地对过滤器进行检查，从而不论实际的过滤器烟灰水平如何均导致车辆或机器停机时间。另外，基于压降的测量不能检测过滤器故障中的几乎最灾难性的过滤器故障，且在大多数情况下无法满足严格的板上诊断要求。
为了解决过滤器压降测量固有的缺点中的一些缺点，通常结合这些测量使用各种预测模型。尽管存在各种类型的模型，但许多模型利用若干个发动机操作参数、来自各种发动机及排气传感器的输入及再生事件之间的时间来预测DPF中所积累的烟尘量。在许多情况下，将这些模型上载于发动机控制单元(ECU)中。通常针对特定发送机及燃料校准这些模型，从而需要针对每一特定应用的重新校准。此外，当与较洁净的燃烧燃料(与模型最初是针对其校准的燃料相比)一起使用时，模型往往过预测过滤器烟尘负载，从而导致不必要的过滤器再生及燃料经济惩罚。预测模型与过滤器压降测量的组合使用并无助于克服上文所列出的缺陷。这些缺点导致效率低的系统操作、燃料经济惩罚、增加的过滤器热循环及疲劳以及减少的过滤器使用寿命。
已提出废气烟尘传感器来直接测量进入微粒过滤器的废气中烟尘气溶胶的浓度。这些测量系统具有以下缺陷：微粒过滤器上所积累的烟尘量未必等效于进入过滤器的烟尘量，因为可发生某种水平的被动再生，此取决于排气条件。此外，废气烟尘传感器不提供关于DPF中的烟灰积累或烟尘与烟灰分布的信息。另外，这些传感器中的许多传感器具有烟尘积垢的问题、消耗过量的能量且经受由排气温度、废气速度及其它因子引入的误差。
还已提出基于射频(RF)的微粒负载监测系统。一个此种系统监测过滤器负载且基于通过过滤器发射的低频(RF)信号的量值起始过滤器再生。因限制对低于在腔中建立谐振所需的那些频率的低频率的使用，此系统忽略利用产生多种腔谐振模式所需的较高频率的优点中的许多优点。
还提出使用微波来检测微粒补集器中的烟尘含量。一个此种系统通过监测过滤器谐振频率的改变来检测微粒过滤器中的烟尘含量。然而，此类系统无法确定微粒过滤器内烟尘含量的空间分布。
迄今为止已知的所有RF及微波过滤器负载监测系统具有若干个缺点：
(a)现有技术系统不能监测过滤器中所积累的材料的空间分布。过滤器中的烟灰积累使烟尘发生位移且更改其分布。此外，不均匀流动条件也可导致不均匀材料积累。
(b)所有已知的过滤器负载监测系统基于某一平均总过滤器烟尘负载起始过滤器再生。局部高的烟尘负载无法通过不能够测量过滤器中的材料分布的系统来检测。
(c)先前基于微波及基于RF的过滤器负载系统无法在所有排气条件下同时检测过滤器中的烟尘及烟灰积累两者。
(d)这些系统不检测过滤器故障或失灵，而此对于确保过滤器如所需的那样操作来说是重要的。
(e)这些系统不检测过滤器的正确操作可需要的个别组件(例如，传感器)的失灵或故障。
(f)基于微波及基于RF的测量系统受存在于废气中及过滤器上的湿气含量及水蒸气的影响，必须计及所述影响以减小测量中的误差。
(g)先前过滤器负载监测系统不能与现有发动机及排气传感器通信以提供对修改发动机操作从而优化组合的发动机与处理后系统性能的反馈控制能力。
因此，如果存在解决上文所描述问题的过滤器负载测量系统，那么其将为有益的。此系统将为有利的，在于可实现较低放射限制，同时最小化维护与不必要再生循环的量。另外，使用多种谐振模式将允许装置内的特殊负载的更详细估计。
除微粒过滤器以外，相同过滤器负载测量系统可应用于各种各样的过滤器，包含纤维过滤器、用于过滤的各种多孔介质等等。一个实例是HVAC系统中所使用的空气过滤器，其中过滤器负载的状态的确定对于确定何时清洁或替换过滤器来说是重要的。类似地，袋式过滤器通常通过逆向流来清洁且基于过滤器负载的状态来确定何时清洁过滤器也颇为重要。
发明内容
本发明揭示一种用于确定具有第一介电常数的过滤器中具有不同介电常数的材料的负载的系统及方法。所述过滤器含在形成微波腔的金属容器内，且在所述腔内形成微波或RF能量并监测腔微波响应的改变。腔微波响应的所述改变与过滤器负载有关。在优选实施例中，所述微波能量包含多种腔模式，借此允许确定污染物材料负载的空间分布。
在一个实施例中，所述微波腔响应包含谐振模式的频率的移位。或者，所述微波腔响应包含谐振模式的质量因子Q的移位。所述微波腔响应可包含所述微波的信号在谐振下的振幅或峰值宽度的移位。
可使用至少一个天线来发射/接收微波能量。在一个实施例中，在反射模式中仅使用一个天线来发射/接收微波能量。可在发射模式中使用两个天线，其中一个天线进行发射且另一天线进行接收。替代天线，可使用至少一个波导来发射/接收微波能量。在一实施例中，在反射模式中使用一个波导来发射/接收微波能量。或者，可在发射模式中使用两个波导，其中一个波导进行发射且另一波导进行接收。
在另一实施例中，所述过滤器为用于从柴油发动机的排气中移除微粒物质的柴油微粒补集器。所述微粒物质可为烟尘。应注意，所述过滤器可为任何过滤器且所述微粒物质可为所述过滤器上所收集的任何污染物材料。
在又一实施例中，所述金属容器包含两个转变圆锥体之间的圆柱形部分，所述两个转变圆锥体中的一者连接到排气管道。所述微波能量可处于S频带中，但可使用任何频率范围。适合材料包含堇青石及碳化硅以及其它材料。可使用低阶及高阶腔模式两者来监测过滤器负载。在此实施例中，操作频率可经选择使得所述模式在过滤器的小入口及出口区域处以截止进行操作。
当使用两个天线或波导时，其可位于过滤器的相对侧上或过滤器的相同侧上。在一个实施例中，所述天线及波导可位于过滤器的下游侧上以防止污染。
微波能量可由经修改微波芯片提供且微波能量可通过具有或不具有放大的二极管来监测。腔监测可使用锁定检测及/或零差检测或者外差检测。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的罐状柴油微粒过滤器的透视图。
图2是本发明的另一实施例的横截面图。
图3是根据一个实施例的微波过滤器测量系统的图解说明。
图4是根据另一实施例的微波过滤器测量系统的图解说明。
图5是随频率而变的从实验确定的S21发射的曲线图。
图6是随频率而变的从实验确定的S11(反射)响应的曲线图。
图7是展示图5的发射模式的展开图的曲线图。
图8是展示随过滤器烟尘负载而变的传感器输出的曲线图。
图9是展示不同的谐振模式如何在过滤器中产生不同的高电场强度区域的图解说明。
图10是展示多种过滤器谐振模式对不平均烟尘分布的响应的曲线图。
图11是展示随过滤器烟尘负载而变且针对不同的过滤器烟尘分布的传感器输出的曲线图。
图12是展示微波信号对过滤器中的烟灰积累的响应的曲线图。
图13是展示微波信号对过滤器故障的响应的曲线图。
具体实施方式
本发明基于可使用微波来确定补集器或过滤器的负载状态的认识。所述负载可为烟尘、微粒、烟灰或任何固体/液体。除确定总负载量以外，本文中将描述的微波系统在确定负载在整个过滤器中的分布时为有用的。本发明中所使用的微波感测可为廉价的，因为可在市场上购到感兴趣频率范围中的廉价振荡器及检测器。
在柴油微粒过滤器的情况下，微粒由烟尘及其它有机化合物(固体及/或液体)以及烟灰构成。出于本发明的目的，为简单起见，碳与有机化合物的组合将称为烟尘。所属领域的技术人员将认识到，烟尘及有机化合物通过再生被移除但烟灰负载将保留。
另外，虽然本发明是指柴油微粒过滤器，但应注意过滤器可为任一类型的过滤器。此外，过滤器的材料负载不需要为烟尘或烟灰，而可为具有不同于其置换的介质的介电性质的任何材料。
在一个实施例中，柴油微粒过滤器单元由在围绕S频带的频率下具有稍高于4的介电常数的堇青石制成。此材料具有小的温度相依性。烟尘的存在(其在一些情况下可为多达补集器的10g/L，其中补集器的大小对于5.66英寸补集器为约两升)改变微波腔的微波特性。因此，此补集器的最大烟尘负载可在约20cm3的体积的情况下高达20g。此烟尘量对应于补集器的显著体积及介电性质的对应大的改变。注意，烟尘的介电常数为大约2。
碳化硅也适合于柴油微粒过滤器的制造。碳化硅的微波性质也使其适合于使用微波来进行负载感测。所属领域的技术人员将认识到，可使用本文中所揭示的微波负载感测技术(举例来说)来确定纤维过滤器(有机及无机纤维)的负载，例如袋室中及其中收集具有非1介电常数的显著质量/体积的材料的其它应用中所使用的那些过滤器。
另外，虽然本发明通篇中使用术语“微波”，但应注意本文中所揭示的方法及设备可同样应用于其它频率范围下的能量。举例来说，RF范围中的能量也可用于测试负载。
如果随时间在补集器上积聚显著烟灰量，那么可监测未通过再生移除的烟灰含量。
可使用低阶腔模式以及高阶腔模式来监测所收集材料的补集器负载及空间分布。不同的腔模式具有跨越体积变化的峰值及空值的不同电场图案。对于给定腔模式，仅具有高电场的那些区域中烟尘的存在影响腔中的微波响应。通过选择腔中的不同模式，可对不同区域进行取样且因此获得关于烟尘分布的信息。
烟尘的存在以数种方式影响腔响应。谐振频率随烟尘积聚移位到较低频率。另外，腔质量Q受吸收的烟尘的存在影响。此外，信号在谐振下的振幅随烟尘积聚降低。可使用所有这三个参数来确定烟尘水平。可使用数种模式来监测柴油微粒过滤器的各种区域中的负载。
现在将结合各图来描述本发明。首先参考图1，柴油微粒过滤器单元10包含金属圆柱体部分12以及转变圆锥体14及16。圆锥体14连接到排气管道18。在此实施例中，一对棒状天线20与22位于过滤器24的相对侧上。
由于圆锥形转变区段14及16，操作频率可经选择使得模式在补集器的小入口及出口区域处以截止进行操作，其中所述频率使得所述模式在主排气管道18上低于截止而操作。不必提供屏障来局限微波辐射。
在图1的实施例中，常规棒状天线20及22中的一者充当发射器且另一者充当接收器。应理解，棒状天线20及22两者可位于过滤器24的相同侧上而非使其位于两侧。在此情况下，棒状天线20及22的优选位置将在过滤器元件24的下游以最小化发射器、接收器或相关联组件的表面上的烟尘。
现在参考图2，可通过使用环形天线26或通过使用波导28来实施发射器。波导28可填充有高介电材料。还涵盖使用环形天线26及/或波导28充当接收天线来监测辐射。
可使用单个天线(棒状或环形)以及单个波导或使用两个天线或波导。在单个天线/波导的情况下，信息呈反射信号的形式。在用于发射器/接收器的单独天线/波导的情况下，可在反射或发射模式之间进行选择。在两个天线/波导的情况下，可用于确定烟尘负载的耦合矩阵中存在四个元素：从一个天线/波导到另一者的发射、相反情形及每一天线/波导中的反射。
如图2中所展示，发射器及/或接收器的一个适合位置在过滤器24的中心区域中。此位置图解说明本文中所揭示的微波系统的明显优点，因为波穿透过滤器24的外部表面且因此可通过过滤器24的外部壁保护传感器以免受烟尘沉积的影响。此布置可针对单或双波导、环形天线或棒状天线来完成。
图3中展示用于发射及接收穿过过滤器24的微波能量并处理所接收信号的系统的一个实施例。过滤器24含在形成微波谐振腔的过滤器外壳32内，从而构成微粒过滤器单元10。外壳32可以优化其谐振性质的方式来设计。外壳32可连接到导管30以引导穿过过滤器24的流。一个或一个以上探针20及22可安装到外壳32以发射及接收微波能量。
网或屏障(未展示)可或可不附接到导管30或外壳32以局限微波能量。在一些应用中，使用高频率可为合意的，从而需要使用网、屏障或某种其它形式的对导管30的限制来局限微波能量并在这些条件下形成谐振腔。
在一个实施例中，图3中所展示的微波过滤器感测系统可包含控制器34。控制器34可集成到现有控制单元(例如发动机控制单元(ECU))中或为独立的控制单元，且可或可不与其它控制系统通信。可存在一个或一个以上控制器34。所述控制器可控制经配置以在给定频率范围上产生微波信号的信号产生器36。在一个实例中，信号产生器36可为压控振荡器且控制器34可经配置以借助可变电压来控制信号产生器36。
控制器34可为经配置以执行指令集合的处理单元，例如微处理器或定制半导体装置。这些指令可永久地编程到装置中或可存储于可读存储元件中，例如存储器装置。所述存储器可为只读的(例如ROM)或可为可重写的(例如RAM、DRAM、FRAM)或两者的组合。除存储器以外，控制器34还可具有输入及输出端口使得其可与各种传感器、检测器及本文中所描述的其它装置通信。
可将由信号产生器36产生的微波信号馈送到分裂器38中且馈送到循环器40。所述循环器可连接到可经配置以发射及接收腔32中的微波信号的探针22。所述循环器可进一步连接到检测器42，且检测器42可连接到控制器34。在一个实施例中，检测器42可为(举例来说)经配置以检测由探针22接收的微波信号的二极管检测器，例如肖特基二极管。
控制器34可连接到经配置以检测来自探针20的微波信号的检测器44。在一个实施例中，检测器44可为二极管检测器，例如肖特基二极管。还可能有其它检测器。检测器44可进一步连接到安装于腔46中的探针52。另一探针54也可安装于腔46中且借助开关48连接到分裂器38。开关48及50还可连接到控制器34。控制器34可经配置以闭合开关50并断开开关48以允许信号从分裂器38传递到循环器40以便将微波能量引入腔32中以监测过滤器24负载。在另一操作模式中，控制器34可闭合开关48并断开开关50以将信号从分裂器38发射到探针54。通过腔46将信号从探针54发射到探针52对执行自诊断功能以确定图3中所展示的微波过滤器感测系统是否正在正确地工作可为有用的。在此实施例中，腔46可充当参考腔且可或可不含有任何开口。
应注意，如果在一些应用中不需要额外自诊断功能性，那么图3中所展示的系统可不需要使用提供此功能性的腔46、探针52及54或开关50及48。
所述微波过滤器感测系统还可包含温度传感器56及湿气传感器58。传感器56及58可安装于外壳32上沿着导管30的任一位置处或过滤器24中。微波测量可受谐振腔32中温度或湿气含量的变化影响。传感器56及58可允许控制器34通过执行温度或湿气补偿修改微波信号。
在操作中，在装置10的腔32内建立微波能量。存在可用于确定补集器负载的大量模式。在一个实施例中，信号产生器36可经配置以产生射频信号且扫描足以在外壳32中产生一种以上腔谐振模式的频率范围。在另一实施例中，信号产生器36可经配置以仅扫描产生所要谐振模式所需的频率范围。所需频率范围随腔32大小而变。在一个实例中，腔32可具有5.66英寸的直径及6英寸的长度且操作频率范围可从1GHz到2GHz。然而，可使用任何腔32大小及频率范围。频率可或可不处于微波范围中，此取决于腔32大小及几何形状。
在一个实施例中，控制器34可控制信号产生器36以产生足以在腔32中产生一种以上谐振模式的微波信号。分裂器38可将所述微波信号引导到循环器40。可或可不使用开关50。当在发射模式中操作时，循环器40可将所述微波信号引导到探针22。探针22可通过过滤器24将所述微波信号从探针22发射以使其由探针20接收。检测器44可检测由探针20接收的信号并将所述信号中继到控制器34。以此方式，可使用发射对腔32谐振曲线进行取样。
在反射模式中操作，循环器40可准许探针22发射及接收微波信号。可将由探针22如此发射及接收的信号引导到检测器42。检测器42可将所检测信号中继到控制器34，因此准许使用反射对腔32谐振曲线进行取样。
由检测器42或44接收的信号在被发送到控制器34之前可或可不经过滤或放大。
控制器34可获取来自检测器44及42的信号并使用模拟手段或使用遵循控制器34内含有的或可由控制器34存取的计算机可读存储媒体上含有的指令集合的计算机程序来处理所述信号。信号处理可包含过滤、平滑、施加校正因子或补偿(例如对温度、湿气或所积累材料的组成)以及各种信号参数及统计的计算。所述控制器可通过监测温度传感器56或湿气传感器58并施加参考值(例如来自查找表)或校正函数(例如一方程式或一系列方程式)来实施温度或湿气补偿。在其中不需要湿气或温度补偿的应用中，可不使用探针56或58。
感兴趣的信号参数可为一个或一个以上腔32谐振模式的振幅、频率、峰值宽度或质量因子。控制器34可对整个谐振曲线进行取样以确定以上所列出的信号参数或仅感兴趣的谐振模式所需的频率范围。在一个实施例中，可使用遵循控制器34内含有的或可由控制器34存取的计算机可读存储媒体上含有的指令集合的计算机程序从谐振曲线确定以上所列出的信号参数。也可以类似方式计算参数统计，例如一个以上测量的均值、中值、众值及标准偏差。以上所描述的参数可与过滤器24中所积累的材料的量、类型及分布有关。
控制器34可将所接收信号参数与参考进行比较。此参考可为基于所使用腔的几何形状的所存储值集合。在另一实施例中，所述参考为先前所接收的信号。以此方式，所述控制器可监测参数随时间的改变。
一种确定信号质量因子的手段可利用控制器34来修改信号产生器36操作。如果信号产生器36为压控振荡器(VCO)，那么用于所述VCO的驱动电压具有叠加于DC信号上的AC信号。所述DC信号通过控制器34变化直到来自检测器44或42的信号响应展示最大值为止。AC信号振幅接着通过控制器34变化直到由检测器44或42测量的响应的振幅展示所需的峰值/值比，可取决于测量条件而调整所述峰值/值比。如果选择1/2的降低作为所述比，那么使功率从峰值到谷值下降3db。
AC信号的振幅确定Q的值。所述关系近似成反比。因此，AC信号的振幅与谐振曲线的宽度几乎成正比。测量已指示针对一些谐振模式的烟尘积累与峰值宽度成线性正比，且因此AC信号的振幅与烟尘水平近似成正比。
可使用许多方法来测量峰值/值，包含锁定技术(相敏检测)。AC信号的频率也可为变化的或固定的。可使用0.1Hz到100Hz的频率。
可使用在谐振频率上锁定的电路，例如具有反馈的电路。通过提供信号的正确放大(及相位)并将其馈送给VCO，可使用模拟电路来确定谐振频率。
除改变源的频率以外，确定Q的替代方法还依赖于以恒定频率源改变腔32的谐振频率。腔32的谐振频率的改变可归因于大小或几何形状的改变或者介电常数的改变或者两者的组合。跨越窄的固定频率振荡器扫描谐振模式并测量响应。将可能按频率的所得改变且因此按装置的Q校准效应因子(大小、几何形状或介电常数)。改变腔32性质的效应因子可为几何形状的实际改变(例如在腔32的壁处的滑动短路的情况下将为可能的)或者从低场到高场移动(通过位移、旋转或其它手段)的介电或导电材料的位移。所需的改变量与信号的Q及信号产生器的稳定性相关联。因此，如果信号产生器具有量Δfgenerator的频率稳定性，那么效应因子需要将腔32谐振频率改变到Δfgenerator倍。类似地，如果待测量的负载量导致谐振频率改变Δfloading，那么腔32中的谐振频率的改变需要大于Δfloading。归因于效应因子的谐振频率改变必须大于Δfgenerator、Δfloading且还大于归因于负载的Q改变f*ΔQ。
或者，将可能使用宽带信号来驱动腔32，其中通过宽到足以确定Q的频率范围来测量响应。
在又一实施例中，可使用硬件过滤器来估计Q。对于无烟尘的洁净过滤器24，Q为高的，且谐振模式的宽度非常窄。可使用适合过滤器设计来滤除信号(在谐振下的峰值)。随着过滤器24被加载有烟尘，Q降低，峰值宽度增加且信号的更多部分穿过过滤器，从而增加传感器输出电压。所述过滤器可经设计使得所输出电压的增加对应于Q超过某一阈值。
还可通过在突然关断信号产生器36之后测量微波腔32内部的信号的衰变来确定质量因子。
控制器34还可经配置以基于过滤器24中所积累的材料的量、类型或分布而起始一动作。在一个实例中，一旦过滤器24烟尘负载超过某一阈值，控制器34便可起始过滤器24再生或触发报警。可基于过滤器24中所积累的总烟尘量或局部烟尘负载超过某一阈值而触发过滤器24再生。在另一实例中，一旦过滤器24烟灰负载超过某一阈值，控制器34便可触发报警以提醒操作者清洁或替换过滤器24。在另一实例中，控制器34可响应于过滤器24故障或失灵的检测或者图3中所描绘的个别传感器及组件的失灵的检测而触发报警。
举例来说，控制器34还可执行计算机可读存储媒体上含有的一系列指令，例如计算机程序或算法。可使用所述计算机程序基于排气或发动机操作条件及过滤器24历史来估计过滤器24中所积累的材料的组成。在一个实例中，材料组成的估计包含烟尘成分，例如可溶有机材料、碳及硫酸盐以及烟灰。在另一实例中，可使用所述计算机程序来估计过滤器24中所积累的材料的量并将所计算的过滤器24负载值与使用微波感测或某一其它手段(例如压力测量)所测量的过滤器24负载值进行比较。
在一个实施例中，控制器34可执行自诊断功能以断定各种组件及子系统是否正在正确地工作。在一个实例中，控制器34可控制信号产生器36以产生参考信号。分裂器38可将微波信号引导到开关48。控制器34可操作开关48从而允许参考信号通过参考腔46从分裂器38传递到检测器44。控制器34可将来自检测器44的所述参考信号与已知的参考值进行比较。如果所检测的信号与参考值偏差大于可接受的量，那么控制器34可触发报警或记录故障从而指示错误或失灵。以类似方式，还可在分裂器38与检测器42之间利用参考腔及开关作为诊断系统的一部分。
在另一实施例中，控制器34可命令信号产生器36产生借助探针22通过过滤器24发射的参考信号。所述参考信号可由探针20及检测器44(发射)或探针22及检测器42(反射)接收并被路由回到控制器34。所述参考信号可或可不处于微波范围中，且可或可不导致在外壳32内产生一种或一种以上谐振模式。控制器34可将来自检测器44或42的所述参考信号与已知的参考值进行比较且以此方式还执行自诊断功能。
可使用从腔32取样的谐振曲线来监测过滤器24中所收集的材料的量、类型及分布。在一个实例中，过滤器24中所收集的材料可为烟尘或烟灰。举例来说，可进一步使用谐振曲线的特性来确定过滤器24的状态或健康状况，以便检测破裂或其中过滤器24可能已熔化的区域。
腔32可经优化以增强在过滤器24的给定质量负载下的测量灵敏度、扩展测量范围或修改腔32谐振特性。
在一个实例中，可在过滤器24的上游或下游放置例如屏障或网的外部元件(连接到外壳32或排气管道30)，从而准许使用高于入口及出口区段的截止的高频率。作为网的替代方案，将可能提供排气管道30的修改形式以防止动力沿管道30向下传输，例如排气管道30、网或屏障的局部变窄或甚至其它排气元件(例如消声器或发动机)的定位。使用较高频率与较短波长增加腔32中的谐振模式的数目，且可改进传感器测量局部的材料积累或分布的空间分辨率。
所述网为导电的且可与腔32的侧壁或其它导电元件连接或断开。屏障为网的变化形式，其中导体布置成给定图案，而在其它方向上无导电元件。因此，可以极化影响若干模式使得电场平行于导体，但不影响其它模式。所述屏障未必需要彼此平行，但其需要具有各向异性性质使得一些模式优先受影响但其它模式不受影响。所述屏障可具有平行导电元件、径向导电元件、极向元件或其它图案。虽然屏障及网的优选布置呈平面形式，但其并不打算排除其它布置。
另外，过滤器24本身可安装于较大外壳或组合件内的小外壳中。此“双壁”外壳结构增加微波腔32的大小同时将烟尘仅集中在腔32的含有过滤器24的中心。此外，谐振腔32的大小可相对于过滤器24增加使得过滤器24仅占据腔32的一小部分，借此扩展系统的操作范围。
图4进一步展示使用可用于改进测量的信噪比的零差检测的系统。控制器34控制将RF信号馈送到分裂器38的信号产生器36。分裂器38可将信号馈送到循环器40或移相器60。移相器60连接到混频器62。
循环器40可连接到探针22，从而准许由探针22通过腔32发射及接收RF信号。或者，探针22可通过过滤器24将RF信号发射到探针20。腔32装纳过滤器24且可连接到导管30，从而构成微粒过滤器单元10。腔32还可含有连接到混频器62的探针20。混频器62可连接到检测器44，检测器44还连接到控制器34。温度传感器56及湿气传感器58也可在过滤器24的上游或下游连接到导管30。
由检测器42及44接收的信号在被发送到控制器34之前可或可不经过滤或放大。
系统操作结合混频器62利用移相器60。移相器60改变由信号产生器36产生且从分裂器38接收的信号的相位。在混频器62中组合来自分裂器38去往移相器60的信号(V1)与通过装纳于腔32中的过滤器24发射的信号(V2)。
来自混频器62的信号具有DC偏置及随V1*V2*sin(Φ)+DC偏置变化的分量，其中Φ为来自移相器60的相位加上稳态相位分量。DC偏置与Φ无关。通过改变相位，Φ变化，且可从信号提取元素V1*V2。通过使用较大的V1，可从腔检测到小信号V2。可通过对混频器62输出进行电过滤或由控制器34进行信号处理来确定分量V1*V2*sin(Φ)。
图5展示随频率而变的发射元素S21且图6展示来自单个发射装置/接收器系统的反射。在图5中，棒状天线是放置于捕集器的相对侧上，如图1中所展示。图6中的曲线图是针对单个天线形成的且信息呈反射信号的形式。图5及图6两者均展示使用压控振荡器扫描从1GHz到2GHz的频率范围且使用肖特基二极管检测含有堇青石微粒过滤器的5.66英寸直径腔中的所发射信号而产生的多种谐振模式。相对于洁净过滤器24，烟尘积累致使谐振峰值的振幅减小、谐振峰值的频率移位、峰值宽度增加及质量因子Q减小。所有这些参数均可用于监测过滤器24负载，且信号特性的改变以图表方式图解说明于图7中。
具体来说，图5展示烟尘的存在降低每一模式下的谐振频率且还减小质量因子Q。另外，与在不存在烟尘的情况下产生的波形相比，每一峰值的振幅也被衰减。类似地，图6展示每一谐振频率下的振幅的显著降低以及频率移位及Q的降低。
图7是来自图5的发射模式的展开图且展示围绕接近1.7GHz的模式的细节。如上文所解释，烟尘的存在改变所接收的波形的特性。在此图中，在存在烟尘的情况下振幅降低。类似地，峰值宽度增加，从而减小其质量因子Q。最后，归因于烟尘的存在，谐振的频率被移位。正是这些差异允许确定捕集器负载的确定。
可使用控制器34从所取样的谐振曲线计算上文所描述的信号参数：振幅、频率、峰值宽度、质量因子等等，包含来自简并模式的卫星信号。在一些情况下，这些信号参数可通过模拟手段来确定，且在其它情况下通过更高级的信号处理(例如通过数字手段)来确定，且可采用各种算法的应用。所述算法可存储于位于控制器34中的或可由控制器34存取的计算机可读存储媒体上。可一次以上地对谐振曲线进行取样并在对谐振曲线或多个循环求平均之后计算信号参数，其中一个循环为由信号产生器36产生的全频率范围。在另一实例中，可针对每一循环计算谐振曲线的信号参数。还可计算例如各种参数的均值、中值、众值及标准偏差等额外信号统计并利用其来确定过滤器24负载。
图8针对一种腔32谐振模式展示微波感测系统的随过滤器24烟尘负载而变的传感器输出。在此实例中，传感器输出为信号质量因子的倒数。可使用上文所提及信号参数中的任一者来确定过滤器24负载，例如振幅、频率、峰值宽度、质量因子及其它，其中在特定应用中一些参数比其它参数更有利。举例来说，在一些情况下，信号振幅可随过滤器24烟尘负载的增加以非线性方式衰变，而信号质量因子的倒数可呈线性，如图8中所展示。
图8还描绘可上载到可由控制器34存取的计算机可读存储媒体上的校准曲线。举例来说，校准可呈查找表、方程式的形式或其它适合形式。可将所测量谐振曲线与所计算参数的比较与校准值进行比较以确定过滤器24负载。在一些情况下，可仅需要一个校准值或阈值，因为其可仅对确定过滤器24负载是否已超过某一临界值来说是重要的。在其它应用中，可需要例如图8中所展示的校准函数的更详细校准函数。
图5及图6中所描绘的各种谐振模式归因于腔32的不同区域中电场强度的变化。高电场强度的区域受那些区域中材料积累的存在的更强烈的影响。可利用此影响来监测过滤器24中所积累的材料的分布。
图9呈现展示不同的谐振模式如何在过滤器24中产生不同的高电场强度区域的图解说明。图9中仅展示过滤器24而未展示谐振腔32。所述图展示模式X在过滤器24的中心产生高电场区域，而模式Y在过滤器24的入口及出口区段处产生高电场区域。通过对模式X及Y进行取样，可确定材料负载在过滤器24中的轴向分布。进一步增加在过滤器24中所产生的模式的数目(例如通过扩展操作频率范围)可通过对过滤器24的更多区域进行取样而增加测量的空间分辨率，如图9中的模式Z所展示。尽管图9中展示了模式的轴向分布型(profile)的实例，但也可存在沿径向方向的模式结构及电场强度的差异且其可用于确定所积累材料在过滤器24中的径向分布。
当过滤器24中的材料积累均匀时，所有谐振模式可受同等影响。当存在材料分布的不均匀性时，一些模式可比其它模式受更大影响。图10呈现展示被清晰地标示为A、B及C的三种谐振模式的数据。对应于不具有烟尘的情况的数据是针对清洁的过滤器24。对应于具有烟尘的情况的数据图解说明不均匀烟尘分布对谐振模式特性的影响。在此情况下，烟尘仅沉积在接近过滤器24的前部面的外边缘处。明显地，模式A及C受过滤器24的此区域中烟尘的存在的影响，而模式B不受此影响。
在一个实例中，可在过滤器24中产生多种谐振模式并对其进行取样。可从谐振曲线测量或计算若干个信号参数。对于所测量的信号参数Pi，m(其中下标“i”对应于模式数目)，所测量的信号参数与参考信号参数Pi，r的偏差Devi为：
Devi＝(Pi，m-Pi，r)/Pi，r。
如果每一模式的相同信号参数的偏差Devi类似，那么过滤器24负载可为均匀的。然而，如果一种模式的相同信号参数的偏差明显不同于一种或一种以上模式的偏差，那么烟尘负载可为不均匀的。
此实例针对峰值振幅到图10的应用展示DevA为-0.24，DevB为-0.06，DevC为-0.26。结果指示过滤器24的前部处的烟尘积累主要影响模式A及C，而模式B相对不受影响。另一方面，模式B相对于模式A及C的大信号偏差改变将指示过滤器24的前部处的甚少材料积累。然而，应注意谐振模式结构随腔32设计及几何形状而变。对用以产生适当谐振模式的系统操作频率的选择取决于腔32几何形状以及过滤器24的待取样的区域两者。可使用上文所描述的方法来开发有关特定谐振模式与过滤器24的不同区域中的材料积累所需的相关性。
图11针对一种过滤器24谐振模式进一步图解说明过滤器24中所积累的材料的空间分布对微波信号响应的影响。图11中的曲线图针对相对低水平的过滤器24负载展示随过滤器24烟尘负载而变的信号质量因子的倒数的改变。对应于线64的数据由过滤器24中的均匀烟尘积累产生。在线66中，针对过滤器24烟尘负载的第一0.5g/L，过滤器24的中心最初被堵塞，借此防止烟尘沉积在过滤器24的此区域中。
当过滤器24的中心未沉积烟尘时，谐振模式信号特性不改变。具体来说，图11中所展示的数据(线66)展示针对从0g/L到0.5g/L的过滤器24烟尘水平信号质量因子的倒数无改变。当移除堵塞物且在过滤器24的中心沉积烟尘时，信号质量因子的倒数随烟尘负载增加，还如线66针对高于0.5g/L的烟尘水平所展示。应注意，信号参数不需要为如图11中所展示的质量因子，而可为任一适合参数，例如一种或一种以上谐振模式的振幅、峰值宽度或频率(举例来说)。类似地，还可使用信号统计，例如上文所列出信号参数中的一者的均值、中值、众值或标准偏差。
在一个实例中，通过监测一种特定模式(例如模式5)相对于其它谐振模式的改变，可确定过滤器24的中心所积累的材料的量。所有谐振模式的类似改变指示过滤器24内的或至少针对由所使用的模式取样的区域的材料积累均匀。模式5的信号质量因子的倒数相对于其它模式的增加将指示过滤器24的中心所积累的材料的量增加。模式5的信号质量因子的倒数相对于其它模式的降低将指示过滤器24的中心所积累的材料较少。
然而，应注意可使用任何信号参数或统计，且谐振模式结构随腔32设计及几何形状而变。对用以产生适当谐振模式的系统操作频率的选择取决于腔32几何形状以及过滤器24的待取样的区域两者。包含额外模式(低阶及高阶两者)可增强测量的空间分辨率。可开发使过滤器24的各种区域中的材料负载与其它谐振模式的特性的改变有关的类似相关性。
如图10及图11中所图解说明，对谐振曲线进行取样并针对多种谐振模式比较信号响应的改变因此提供关于过滤器24中所积累的材料的空间分布的信息。
在一些情况下，材料在过滤器24中的位置可能不重要，且其可仅对于确定是否存在过滤器24负载的明显不均匀性来说为重要的。在这些应用中，控制器34可经配置以在对应于一种谐振模式的至少一个信号参数的值在容许范围之外时起始一动作。举例来说，可在局部过滤器24烟尘负载超过某一阈值时起始过滤器24再生，且其在过滤器24中存在较高烟尘负载只是负载充分不均匀以致在可接受范围之外的情况下可能不重要。
还可利用微波感测系统来确定过滤器24中所积累的材料的类型。图12针对其中过滤器24含有及不含有烟灰的情况图解说明一种过滤器24谐振模式的信号特性的差异。在此实例中，烟灰的存在强烈影响简并模式或小侧模式或者使峰值接近主谐振模式。随着过滤器24中的烟灰水平的增加，这些侧模式的振幅、峰值宽度、质量因子及频率受到影响。监测微波信号以检测这些侧模式或峰值的特性的改变提供一种用于同时检测烟灰及烟尘负载两者的手段。
当腔32中沉积导电粒子时，由于存在部分导电层，因此腔32的介电性质可改变。当此情况发生时，不仅吸收性增加，而且模式性质也变化。此归因于模式在过滤器24的表面上存在导电介质的情况下的行为。一般来说，所述模式相对于表面具有不同定向。即使没有别的模式，也存在相同频率下的多种模式(简并模式)因为天线可产生具有相同场结构但具有不同极向定向的多种模式。具有主要垂直于表面中的一者、(且因此，由于过滤器通常使用正方形通道)平行于表面中的一者的电场的模式将具有不同于其中电场相对于任一表面成45度的模式的行为。因此，借助部分导电的电路径，可通过频率的移位在两种模式之间进行区分。为了最佳地使用此性质，具有可产生多种模式(任何大的天线)或具有多个天线将为有用的。这些天线可为电耦极(棒)或磁耦极(电流环路)。
另一类型的模式简并将针对不关于装置的中平面(垂直于端中间的轴的平面)对称的模式。一种模式将在装置的一个区段(可为所述装置的一个端)中具有高电场且在另一区段上具有低场。由于对称性，此模式将具有对应模式，其具有相反行为、在相对侧上具有高场。由于对称性，两种模式对于均匀加载的过滤器24将具有相同频率及相同Q。如果污染物材料(举例来说，烟灰)以不均匀方式积累，那么所述模式中的一者将不同于另一者地受影响，且因此针对所述模式中的一者将存在不同于另一者的频率移位及Q改变。因此，模式简并被破坏，且在测量中观测到多个峰值。
可使用两个或两个以上天线或波导来通过DPF发射信号。对于具有不均匀性(例如不均匀材料负载)的DPF，使用不同极性(相对于DPF)将分离简并模式。
可使用峰值的出现及消失(合并)来测量材料负载的量及类型、负载的不均匀性及腔32的其它性质。还可测量将对表征再生有用的温度并确定在经催化DPF中的正常操作期间的烟尘积聚(其中积聚/氧化取决于补集器的温度/氧气/负载特性)。
另外，主要由各种金属氧化物、硫酸盐及磷酸盐构成的烟灰还可展现不同于过滤器24及过滤器24上所收集的烟尘的介电性质。烟灰及烟尘的介电性质也可随温度及用于产生各种谐振模式的频率而变。在一个实例中，烟灰的介电性质可导致高温下的RF信号吸收性增加，从而导致一种或一种以上谐振模式的振幅及质量因子降低(峰值宽度增加)。以此方式，可在高温过滤器24再生之后通过将针对加载有烟灰的过滤器24在高温下的谐振模式特性与针对不含有烟灰的过滤器24在相同温度下的参考信号进行比较容易地检测烟灰。此外，通过产生多种谐振模式并对其进行取样，可确定烟灰在过滤器24内的分布。
一般来说，可使用上文所描述的方法确定过滤器24中的一种以上类型的材料的量及分布，其中每一材料具有不同介电性质。此外，不同材料的介电常数也可具有不同温度及频率相依性。所有这些差异将影响谐振模式结构且可用于确定过滤器24中的材料的量及类型两者。这些原理可应用于众多材料且不限于烟尘或烟灰。
可通过在反射模式(S11、S22)及发射模式(S12、S21)中操作RF过滤器负载测量系统来提供用于确定所积累材料的组成的额外参数，借此在耦合矩阵中包含额外元素。
对于任一给定模式m，信号振幅比(Am)、谐振频率(fm)及质量因子(Qm)为过滤器24中的不同物质的负载的函数。因此，
Am＝Fm(α1，α2，…，αn)
fm＝Gm(α1，α2，…，αn)
Qm＝Hm(α1，α2，…，αn)
其中(α1，α2，…，αn)为物质1、2、…、n的负载。Am、fm及Qm的不同数量的相依性对不同物质具有不同函数相依性，因为不同物质一般来说具有介电常数的实部及虚部的不同值(频率移位主要取决于介电常数的实部，振幅比及质量因子更多地取决于虚部)，且实部及虚部也随频率变化。可通过标准手段(例如使用专家系统)来提供不同物质的含量的近似。反演算法可需要外部校准。信号的数目越大且物质的数目越小，估计就越佳。可结合此方法使用其它板上诊断来改进组成的估计。
反演算法呈以下形式：
α1＝X(A1，A2…，Ap，f1，f2，…，fp，Q1，Q2，…，Qp)
α2＝Ψ(A1，A2…，Ap，f1，f2，…，fp，Q1，Q2，…，Qp)
…
αn＝Z(A1，A2…，Ap，f1，f2，…，fp，Q1，Q2，…，Qp)
所述算法也可依据预测及实际负载提供偏差的估计。如图8及图11中所展示，在一个实例中，负载与Q成反比，但也可使用例如一种或一种以上谐振模式的振幅、频率或宽度等其它参数。因此，方程式的形式可替代地为
α1＝X(A1，A2…，Ap，f1，f2，…，fp，1/Q1，1/Q2，…，1/Qp)
α2＝Ψ(A1，A2…，Ap，f1，f2，…，fp，1/Q1，1/Q2，…，1/Qp)
…
αn＝Z(A1，A2…，Ap，f1，f2，…，fp，1/Q1，1/Q2，…，1/Qp)
此外，通过呈以下形式的方程式确定每一模式的腔因子的相依性为有利的：
Am＝Fm(α1，α2，…，αn)
fm＝Gm(α1，α2，…，αn)
1/Qm＝H′m(α1，α2，…，αn)
此算法矩阵的反演将比使用Hm反演方程式集合更稳健。
上文所描述的过程可经一般化以包含组成分布的确定。假定(α1，α2，…，αn)是主要受模式α影响的浓度，(β1，β2，…，βn)是主要通过模式β检测的浓度等等，那么上文所描述的方法可经一般化以包含不同物质的分布。“主要检测的”指示过滤器24中的其中相关联模式的电场为高的那些区域。在此情况下，反演算法将看起来为：
Am＝F* m(α1，α2，…，αn，β1，β2，…，βn，…，)
fm＝G* m(α1，α2，…，αn，β1，β2，…，βn，…，)
1/Qm＝H* m(α1，α2，…，αn，β1，β2，…，βn，…，)
可能存在比方程式多的变量，且因此为了提供反演，可有必要做出关于不同化合物的可能位置的假定。最佳方法将为用不同位置中的不同化合物的不同负载建立大的数据矩阵，且接着使用专家系统来导出一或若干反演算法。
举例来说，过滤器24故障(例如破裂及熔化)影响陶瓷衬底的介电性质。经由破裂、断裂或熔化导致的衬底一部分的损失在过滤器24的一些区域中形成空隙空间。实验数据已展示对具有各种缺陷的过滤器的微波信号响应的改变，如图13中所呈现。信号响应的改变包含频率的移位、振幅的改变及过滤器24质量因子的改变以及其它改变。
另外，可通过监测过滤器24的一些区域中的异常材料积累或其缺乏来检测过滤器24故障。破裂的、断裂的或熔化的过滤器24可允许烟尘从过滤器24泄漏，从而导致接近故障的区域具有甚少烟尘或烟灰积累。另外，过滤器24故障模式还可影响穿过过滤器24的废气流。排气流分布的改变还将影响DPF中所补集的材料的沉积分布型，此可通过使用多种谐振模式监测所积累材料的分布来检测。
本文中所揭示的微波感测系统可使用廉价的组件，其中微波源为经修改微波芯片(例如蜂窝电话中所使用的那些芯片)，且接收器可为具有或不具有放大的简单二极管。微波芯片可含有检测器44或42、信号产生器36及控制器34。检测系统可使用例如锁定检测、外差检测、零差检测及其它检测等高级检测系统。
虽然已假定负载为烟尘或烟灰(如来自发动机)，但可测量以显著量积聚于过滤器的表面上的任何物质，只要其具有不同于本底过滤器材料(在空气/发动机排气的情况下，其介电常数为1)的介电常数即可。
应认识到，所属领域的技术人员将会想到本发明的修改及变化形式，且打算所有此类修改及变化形式均包含于所附权利要求书的范围内。
因此，本文中所描述的各种实施例的射频过滤器负载测量系统及控制所述系统的方法可用于监测过滤器中所积累的材料的量、类型及分布以及检测过滤器或系统故障。所述系统可进一步基于所述过滤器的所监测负载状态或条件而起始一动作。
尽管上文描述含有许多具体性，但此不应理解为限制任一实施例的范围而是理解为对其目前优选实施例的例示。在各种实施例的教示内可能有许多其它分支及变化形式。举例来说，射频负载传感器可在其中任一类型的过滤器中的材料负载的量、类型及分布的知识重要的任一应用中应用于所述过滤器。
本文中所描述的过滤器负载测量系统的额外应用的实例包含供在HVAC系统中使用的空气过滤器及工业应用中所使用的过滤袋壳体。所述过滤器不需要连接到发动机，而可用于若干个目的。此外，过滤器感测系统不限于从气体中过滤粒子，而同样可应用于液体。
因此，本发明的范围应由所附权利要求书及其合法等效内容而非所给出的实例来确定。

Claims (15)

1.一种用于确定含在形成谐振腔的金属容器内的过滤器的污染物材料负载的方法，其中所述过滤器具有第一介电常数且所述污染物材料具有不同于所述第一介电常数的第二介电常数，所述方法包括：
在所述腔中建立微波能量以包含多种腔谐振模式；
监测腔微波响应在所述多种腔谐振模式下的改变；及
基于所述腔微波响应在所述多种腔谐振模式中的每一者下的所述改变而确定材料负载。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料负载包括所述材料在所述过滤器内的空间分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔微波响应的所述改变包括所述多种腔谐振模式中的一者的Q的改变。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔微波响应的所述改变包括所述多种腔谐振模式中的一者的振幅的改变。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔微波响应的所述改变包括所述多种腔谐振模式中的一者的频率的改变。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
确定所述过滤器的与每一谐振模式相关联的区域；
将所述多种谐振模式的改变彼此进行比较；及
基于所述改变的所述比较而确定材料积累的区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括基于所述材料负载而起始过滤器再生。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定所述过滤器中的烟灰的数量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在反射模式中使用一个天线以将微波能量发射到所述腔并从所述腔接收微波能量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在发射模式中使用两个天线，其中一个天线将微波能量发射到所述腔且另一天线从所述腔接收微波能量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在反射模式中还使用所述两个天线中的每一者，以便基于所述发射天线、所述接收天线及所使用的所述模式而形成耦合矩阵。
12.一种用于确定过滤器的污染物材料负载的系统，其中所述污染物材料具有不同于所述过滤器的第一介电常数的介电常数，所述系统包括：
所述过滤器，其适于从流中移除污染物材料；
金属容器，其形成谐振腔，装纳所述过滤器；
信号产生器，其输出信号，所述信号具有频率范围以便涵盖所述腔的多种谐振模式；
至少一个天线，其用以将所述信号从所述频率产生器发射到所述腔中；
至少一个天线，其用以从所述腔接收所述所发射的信号；及
控制器，其经配置以将所述所接收的信号的参数与参考进行比较并基于所述比较而确定所述材料负载。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述参考包括先前所接收的信号。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述参考包括所存储的值。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述参数选自由振幅、频率及质量因子组成的群组。
CN200980143806.3A 2008-11-03 2009-10-30 用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法 Active CN102203392B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11096508P 2008-11-03 2008-11-03
US61/110,965 2008-11-03
PCT/US2009/062782 WO2010074812A1 (en) 2008-11-03 2009-10-30 System and method for measuring retentate in filters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102203392A true CN102203392A (zh) 2011-09-28
CN102203392B CN102203392B (zh) 2015-05-13

Family

ID=42288060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980143806.3A Active CN102203392B (zh) 2008-11-03 2009-10-30 用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2344732A4 (zh)
JP (1) JP5628818B2 (zh)
CN (1) CN102203392B (zh)
WO (1) WO2010074812A1 (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105190293A (zh) * 2013-04-23 2015-12-23 巴斯夫欧洲公司 通过使用微波辐射测量设备内部中的沉积物的方法和装置
CN106464311A (zh) * 2014-06-06 2017-02-22 滤波器感知技术有限公司 射频过程感测、控制和诊断网络
CN107288715A (zh) * 2017-07-20 2017-10-24 浙江交通职业技术学院 壁流式颗粒捕集器及其再生监测方法
CN107921341A (zh) * 2015-08-14 2018-04-17 3M创新有限公司 用于主动监测过滤系统内过滤介质的电磁传感器
CN108386259A (zh) * 2016-05-11 2018-08-10 浙江大学 基于射频技术监控碳累积量实现dpf准确再生的方法
CN108431594A (zh) * 2016-02-05 2018-08-21 Msa技术有限公司 在多孔构件中检测阻塞
CN109115663A (zh) * 2017-06-23 2019-01-01 曼·胡默尔有限公司 过滤器元件分析系统及相关方法

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8283930B2 (en) * 2009-09-29 2012-10-09 General Electric Company Method and system for compensating for variation in attenuation measurements caused by changes in ambient temperature
US9062576B2 (en) * 2010-12-22 2015-06-23 Caterpillar Inc. Exhaust particulate filter system and operating method therefor
CN112362973A (zh) * 2014-06-06 2021-02-12 滤波器感知技术有限公司 射频状态变量测量系统和方法
WO2016064821A1 (en) 2014-10-20 2016-04-28 Filter Sensing Technologies, Inc. Filter retentate analysis and diagnostics
US10799826B2 (en) 2015-06-08 2020-10-13 Cts Corporation Radio frequency process sensing, control, and diagnostics network and system
US10118119B2 (en) 2015-06-08 2018-11-06 Cts Corporation Radio frequency process sensing, control, and diagnostics network and system
JP6533938B2 (ja) * 2015-08-04 2019-06-26 株式会社Ｗａｄｅｃｏ 高炉内装入物の表面検出装置における粉塵付着状況の検知方法
KR101775018B1 (ko) * 2015-09-18 2017-09-19 세종공업 주식회사 Dpf 재생시점 진단장치
CN109154550A (zh) * 2016-04-11 2019-01-04 Cts公司 用于监测发动机排气成分的射频系统和方法
JP6931001B2 (ja) * 2016-04-11 2021-09-01 シーティーエス・コーポレーションＣｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ エンジンの排気成分を監視する無線周波数システム及び方法
JP6711183B2 (ja) * 2016-07-08 2020-06-17 富士通株式会社 微粒子検出器及び排気浄化装置
US11579098B2 (en) 2016-08-22 2023-02-14 Basf Se Method and apparatus for detecting deposits in a pipe system of an apparatus
CN106370570B (zh) * 2016-08-25 2020-07-10 北京小米移动软件有限公司 颗粒物测量值的校准方法及装置
JP2018150853A (ja) * 2017-03-10 2018-09-27 富士通株式会社 マイクロ波照射装置、排気浄化装置、自動車及び管理システム
JP6888339B2 (ja) * 2017-03-10 2021-06-16 富士通株式会社 マイクロ波照射装置、排気浄化装置、自動車及び管理システム
JP6880849B2 (ja) * 2017-03-10 2021-06-02 富士通株式会社 排気浄化装置、自動車及び管理システム
JP6880848B2 (ja) * 2017-03-10 2021-06-02 富士通株式会社 マイクロ波照射装置、排気浄化装置、自動車及び管理システム
JP2018204451A (ja) * 2017-05-31 2018-12-27 富士通株式会社 微粒子検出器及び排気浄化装置
JP6947980B2 (ja) * 2017-12-21 2021-10-13 富士通株式会社 粒子状物質検出器及びフィルタ処理装置
JP7059639B2 (ja) * 2018-01-11 2022-04-26 富士通株式会社 目詰まり判定装置
WO2019143595A1 (en) 2018-01-16 2019-07-25 Cts Corporation Radio frequency sensor system incorporating machine learning system and method
DE102018201391B4 (de) * 2018-01-30 2019-12-19 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Zustands einer Mikrowellenantenne eines Abgasbehandlungselements für ein Kraftfahrzeug
JP7021574B2 (ja) * 2018-03-15 2022-02-17 富士通株式会社 検出装置及び検出方法
GB2582984B (en) * 2019-04-12 2021-04-07 Perkins Engines Co Ltd Determining an estimate of soot load in a diesel particulate filter using a radio frequency sensor
CN116710761A (zh) * 2020-11-30 2023-09-05 微波化学有限公司 状态检测装置、状态检测方法以及程序

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1032238A (zh) * 1987-12-07 1989-04-05 浙江大学 微波吸收材料的电磁参数测试方法及系统
JPH04505665A (ja) * 1990-08-03 1992-10-01 アトミック エナジー オブ カナダ リミテッド 粒子トラップのすすの堆積量を検出する方法と装置
US7157919B1 (en) * 2005-07-26 2007-01-02 Caterpillar Inc. Method and system for detecting soot and ash concentrations in a filter
WO2007130896A2 (en) * 2006-05-01 2007-11-15 Massachusetts Institute Of Technology Microwave sensing for determination of loading of filters
CN101078692A (zh) * 2007-07-03 2007-11-28 四川大学 液体或固体粉末物质介电系数测试装置及其测试与计算方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT381173B (de) * 1982-05-11 1986-09-10 List Hans Verfahren zur quantitativen bestimmung von partikelfoermigen verbrennungsrueckstaenden
US4477771A (en) * 1982-06-21 1984-10-16 General Motors Corporation Microwave detection of soot content in a particulate trap
WO2000050743A1 (en) * 1999-02-26 2000-08-31 Litex, Inc. Method and apparatus for using free radicals to reduce pollutants in the exhaust gases from the combustion of a fuel
DE102004016725A1 (de) * 2004-04-05 2006-02-02 Siemens Ag Anordnung und Verfahren zur Anregung von Resonanzmoden in einem Resonator
US20050274104A1 (en) * 2004-06-15 2005-12-15 Leslie Bromberg Optimum regeneration of diesel particulate filters and NOx traps using fuel reformers
JP4855811B2 (ja) * 2006-03-28 2012-01-18 日本碍子株式会社 微粒子量検出システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1032238A (zh) * 1987-12-07 1989-04-05 浙江大学 微波吸收材料的电磁参数测试方法及系统
JPH04505665A (ja) * 1990-08-03 1992-10-01 アトミック エナジー オブ カナダ リミテッド 粒子トラップのすすの堆積量を検出する方法と装置
US7157919B1 (en) * 2005-07-26 2007-01-02 Caterpillar Inc. Method and system for detecting soot and ash concentrations in a filter
WO2007130896A2 (en) * 2006-05-01 2007-11-15 Massachusetts Institute Of Technology Microwave sensing for determination of loading of filters
CN101078692A (zh) * 2007-07-03 2007-11-28 四川大学 液体或固体粉末物质介电系数测试装置及其测试与计算方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105190293A (zh) * 2013-04-23 2015-12-23 巴斯夫欧洲公司 通过使用微波辐射测量设备内部中的沉积物的方法和装置
CN106464311A (zh) * 2014-06-06 2017-02-22 滤波器感知技术有限公司 射频过程感测、控制和诊断网络
CN106464311B (zh) * 2014-06-06 2020-11-27 滤波器感知技术有限公司 射频过程感测、控制和诊断系统
CN107921341A (zh) * 2015-08-14 2018-04-17 3M创新有限公司 用于主动监测过滤系统内过滤介质的电磁传感器
TWI723039B (zh) * 2015-08-14 2021-04-01 美商3M新設資產公司 用於主動監測在過濾系統內之過濾器介質之電磁感測器
CN108431594A (zh) * 2016-02-05 2018-08-21 Msa技术有限公司 在多孔构件中检测阻塞
CN108386259A (zh) * 2016-05-11 2018-08-10 浙江大学 基于射频技术监控碳累积量实现dpf准确再生的方法
CN109115663A (zh) * 2017-06-23 2019-01-01 曼·胡默尔有限公司 过滤器元件分析系统及相关方法
CN109115663B (zh) * 2017-06-23 2023-06-13 曼·胡默尔有限公司 过滤器元件分析系统及相关方法
CN107288715A (zh) * 2017-07-20 2017-10-24 浙江交通职业技术学院 壁流式颗粒捕集器及其再生监测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102203392B (zh) 2015-05-13
EP2344732A1 (en) 2011-07-20
EP2344732A4 (en) 2017-07-12
JP5628818B2 (ja) 2014-11-19
WO2010074812A1 (en) 2010-07-01
JP2012507660A (ja) 2012-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102203392B (zh) 用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法
US9400297B2 (en) System and method for measuring retentate in filters
US7679374B2 (en) Microwave sensing for determination of loading of filters
US9399185B2 (en) Method and system for controlling filter operation
US4477771A (en) Microwave detection of soot content in a particulate trap
US7253641B2 (en) Radio frequency particulate sensing system
US5157340A (en) Method and apparatus for detecting soot concentration in particulate trap
US8122711B2 (en) Procedure to acquire a sooty particle concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine
US7035717B2 (en) Method for controlling a thermodynamic process, in particular a combustion process
CN101228436A (zh) 用于探测过滤器中烟灰和粉尘浓度的方法及系统
US20110252768A1 (en) Method and apparatus for the self-diagnosis of an exhaust gas probe
CN106464311A (zh) 射频过程感测、控制和诊断网络
US8650857B2 (en) Apparatus and method for onboard performance monitoring of exhaust gas particulate filter
EP1564386B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Beladungszustands eines Partikelfilters
KR20190044088A (ko) 무선 주파수 배출물 감지 시스템 및 시스템 작동의 특성화를 위한 방법
WO2003029621A1 (en) Microwave system used for heating silicon carbide filter in diesel engine exhaust system
Sappok et al. Direct measurement of aftertreatment system stored water levels for improved dew point management using radio frequency sensing
Kulkarni et al. Soot (Particulate Matter) Sensor with an application to control pollution in diesel exhaust
Youssef Innovative Model-Free Onboard Diagnostics for Diesel Particulate Filter

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20151130

Address after: Massachusetts, USA

Patentee after: With the induction of Polytron Technologies Inc

Address before: Massachusetts, USA

Patentee before: Heywood John B.

Patentee before: Sappok Alexander

Patentee before: Koert Peter

Patentee before: Parker Ronald