CN102713603A - 品质传感器设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量尿素溶液品质的设备（100），其中所述设备的至少一部分插入到尿素溶液中。该设备（100）包括传感器（180、190、200）结构，所述传感器（180、190、200）以空间分布组合的方式被集成到所述设备（100）中，以便测量所述尿素溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量通过所述尿素溶液内出现的成分被相互不同地影响，其中所述成分影响所述尿素溶液的品质。设备（100）的数据处理装置（230）操作成处理所述机械与电学特性的测量，以便产生表明所述尿素溶液的品质的输出数据（120）。该设备（100）还适用于测量其它类型溶液的品质。

Description

品质传感器设备

技术领域

本发明涉及品质传感器设备，其用于汽车、例如公路汽车和越野汽车并且用于包括内燃机的工业与海运设施，其中该设备可以操作以监测通至这种车辆和设施的废气处理系统的尿素溶液（例如，AdBlue、“Adblu”、DEF）的品质。而且，本发明涉及这种品质传感器设备的操作方法。此外，本发明涉及包括所述品质传感器设备的车辆、工业设施以及海运设施。

背景技术

当代的内燃机有利地利用其一个或多个燃烧室内以高燃烧温度实现的燃烧而操作，以便实现更高效的内燃机操作。然而，高燃烧温度的内燃机操作与之相关地产生油烟和氮氧化物废气产物、例如氧化氮（NOx）。油烟和氮氧化物废气产物在喷射到环境中时是有害的材料。为了将废气污染物的浓度减小到法规、例如废气排放所遵守的当前的欧洲法规所规定的限值内，汽车制造商通常在其汽车内采用选择性催化还原法（SCR）和/或排气再循环（EGR）。SCR有效吸收氧化氮，而EGR确保废气内出现的氧化氮的更加完全的氧化。

SCR操作通过采用化学试剂得到改进，其中所述化学试剂在汽车、海运设备和工业设备上被运输和/或被储存。例如，“AdBlue”和“DEF”是针对与32.5%尿素水溶液对应的化学试剂的商标。该溶液在用于处理发动机废气的后燃烧处理过程中被注射到当代柴油机的废气中，以便减少废气内出现的有害的氧化氮（NOx）的比例。AdBlue、DEF、“Adblu”仅仅曾经与SCR关联地被使用。而且，装备有SCR的汽车除了油箱以外还将携带AdBlue、DEF或“Adblu”存储罐。在操作中，AdBlue、DEF或“Adblu”自存储罐被传输并且加压喷射到废气中，在废气中出现下表1所示的一系列化学反应。

在图1中，用于内燃机15的废气系统由附图标记10表示。系统10串联地包括用于接收来自内燃机15的燃烧气体的入口20、氧化催化器30、AdBlue注入区40、水解催化器50、SCR催化器60、氧化催化器70以及最后的出口80。

表1：

基本上，废气系统10内出现的过程涉及：AdBlue混合物被通到SCR催化器60的过热多孔陶瓷头上，在此，去离子水蒸发并且注入的AdBlue的剩余的尿素作为试剂被输送，其能够操作成将氧化氮成分（NOx）几乎分解成氮和水。在AdBlue内存在的任何污染物将在SCR催化器60上聚集，最终使得该催化器阻塞并失效。因此，必要的是在生产、存储和分配的所有阶段过程中，AdBlue都没有杂质。

AdBlue、DEF或“Adblu”中的组成成分的检测是非常期望的；这种组成成分的检测将理解为是一种品质测量，不仅仅是有时不同的尿素浓度的测量。农业级别的尿素被设计用于农业、例如改进土壤品质，而工业级别的尿素、例如AdBlue、DEF适于在诸如卡车和巴士的公路汽车中使用。在农业尿素与工业尿素相比更便宜时，在公路应用过程中，使用者更易于违反法律规定在卡车和巴士中为废气处理而采用农业尿素；农业级别尿素中的杂质能够潜在地使得废气系统内的催化器中毒并且具有产生例如包含重金属的空气污染物的危险。而且，存在这样一种潜在的危险，即农业或工业AdBlue、DEF由于例如在未清洁的罐内存储而造成的受到额外材料污染，其中所述罐事先被用于存储其它材料、例如杀虫剂。

另一种危险是汽车上可用的不同的储存罐的人的不经意的混淆，燃油、风挡清洗液等意外地被充入到AdBlue、DEF罐中。另一种危险是有人试图在汽车的AdBlue、DEF罐内利用诸如盐溶液的其它材料代替AdBlue、DEF，从而省钱。很多农民面临严酷的经济压力，这能够导致他们尽可能地省钱。

AdBlue、DEF中的不期望的污染物具有其它后果，例如导致注入整个SCR失效的灾难性事件。试图操作具有缺陷SCR的汽车能够看成是一种违法犯罪行为。AdBlue、DEF非常易于受到来自异物以及非正确材料选择的污染。主要的影响涉及溶液的去离子水元素，该元素从与其接触的材料中提取离子；这改变了AdBlue、DEF的化学成分，并且形成将反过来阻塞SCR催化器60上的陶瓷头的盐。SCR催化器60的提前失效的大多数常见原因通常是因为侵入的有害泵送部分意外地传入到AdBlue罐中或者因为非正确的材料选择。惰性材料因而应当总是被用于处理AdBlue。

因而，差品质的AdBlue能够造成增加的汽车污染，并且也损害到发动机废气系统。汽车驾驶员无法总是关注在其汽车内所利用的AdBlue、DEF的来源，并因此能够无意识地例如造成来自AdBlue、DEF内出现的污染物的有害的污染。然而，用于计量尿素容器的浓度的装置是已知的，例如，美国专利申请公开文献US2005/0011183A1（Ripper等人）所公开的装置。该装置包括用于监测无酶尿素溶液的一个或多个物理状态变量的传感器单元。传感器单元被设计成检测pH、尿素溶液的介电常数和/或无酶尿素溶液的导电率。传感器单元的电极例如设置为多分支梳形结构。而且，传感器单元包括激振器，其用于检测尿素溶液的机械特性，激振器包括石英振荡器和/或压电晶体。还知道美国专利申请公开文献US2005/0011183A1（Ripper等人）所公开的装置基本上是一种尿素溶液浓度测量装置，该装置与尿素品质测量设备不同。

然而，用于计量尿素溶液浓度的这种已知的装置并不是足够敏感的和/或并不足以正确地区分用于汽车的不同品质的尿素溶液，例如将农业级别的尿素与车用级别的尿素进行区分，这是由于痕量金属盐（其无法造成尿液浓度的任何可觉察的改变）的出现。尿素溶液品质在汽车尿素罐中在空间方面发生变化，并且已知的传感器在给定的空间位置中进行测量，该给定的空间位置潜在地无法代表罐内的尿素溶液的基本品质；因而，美国专利申请公开文献US2005/0011183A1（Ripper等人）中记载的前述装置不适于构造尿素品质监测设备。

发明内容

本发明旨在提供一种品质传感器设备，其能够操作成在尿素容器内的不同品质的溶液之间更准确地区分。

根据本发明的第一方面，提供有如权利要求1所要求保护的设备；提供有用于测量尿素溶液的品质的设备，其中在操作时，所述设备的至少一部分插入到所述尿素溶液中，

其特征在于

所述设备包括传感器结构，所述传感器以空间分布组合的方式被集成到所述设备中，以便测量所述尿素溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量通过所述尿素溶液内出现的成分被相互不同地影响，其中所述成分影响所述尿素溶液的品质；以及

所述设备包括数据处理装置，其用于处理所述机械与电学特性的测量，以便产生表明所述尿素溶液的品质的输出数据。

本发明的优点在于尿素溶液的品质易于更高精度与可靠性地被测量。

可选地，在所述设备中，所述传感器结构包括分别用于测量机械特性的声学传感器和用于测量电学特性的导电率传感器，所述这些传感器在所述设备内空间上隔离地部署。

可选地，所述传感器包括温度计，用于测量所述尿素溶液的温度（T），并用于向所述数据处理装置提供对应于所述温度（T）的数据，以便在计算所述尿素溶液的品质时使用。

可选地，在该设备中，所述传感器结构包括导电率传感器，用于测量所述尿素溶液的导电率，所述导电率传感器包括在用于接收所述尿素溶液的流通道内安置的电极结构，所述流通道能够操作成将所述电极结构与空间上位于所述通道外的外部影响电学屏蔽。更可选地，在该设备中，所述电极结构包括沿所述流通道以直线布置方式安置的电极。更加可选地，在该设备中，靠近所述流通道的端部的一组外侧电极（P₁）能够操作成被激励，以产生位于所述通道内的质询电场，并且靠近所述流通道的中央区域的一组内侧电极（P₂）能够操作成产生用于传输至所述数据处理装置的接收信号。可选地，在该设备中，所述电极（P₁、P₂）结构包括不锈钢电极、碳电极、银电极中的至少一种。可选地，在该设备中，在用于确定所述尿素溶液的用于确定其品质的稳态导电率与复导电率中的至少一个的操作时，所述数据处理装置能够操作成将交流（a.c.）信号与稳态（d.c.）信号施加至所述电极结构。

可选地，在该设备中，所述传感器结构包括声学传感器，所述声学传感器包括声学换能器结构，所述声学换能器结构自相应的声学反射器以间隔开的方式安置，所述换能器结构能够操作成产生一个或多个声学脉冲，所述声学脉冲沿所述尿素溶液传播、自所述反射器被反射、以及随后接收回到换能器结构，以便产生用于所述数据处理装置的接收信号，以为了确定所述尿素溶液的密度进行处理。

可选地，该设备还包括安装接盘，其用于将所述设备安装至尿素溶液容器；用于加热所述尿素溶液的加热装置；以及尿素溶液液位检测装置，其用于检测所述尿素溶液相对于所述设备的液面高度。

根据本发明的第二方面，提供有一种利用设备测量尿素溶液的品质的方法，其特征在于，所述方法包括：

(a)在操作时将所述设备的至少一部分布置成插入到所述尿素溶液中；

(b)利用所述设备的传感器结构进行测量，其中，所述传感器以空间分布组合的方式被集成到所述设备中，以便测量所述尿素溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量通过所述尿素溶液内出现的成分被相互不同地影响；以及

(c)利用数据处理装置进行加工，所述机械与电学特性的测量用于产生表明所述尿素溶液的品质的输出数据。

根据本发明的第三方面，提供有一种在机器可读媒介上记录的软件，所述软件能够在计算硬件上执行，以便实现根据本发明第二方面的方法。

根据本发明的第四方面，提供有一种用于测量溶液的品质的设备，所述设备的至少一部分在操作时插入到所述溶液中，

其特征在于

所述设备包括传感器结构，所述传感器结构用于测量所述溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量通过所述溶液内出现的成分被相互不同地影响；以及

数据处理装置，其用于处理所述机械与电学特性的测量，以便产生表明所述溶液的品质的输出数据。

根据本发明的第五方面，提供有一种利用设备测量溶液的品质的方法，其特征在于，所述方法包括：

(a)在操作时将所述设备的至少一部分布置成插入到所述溶液中；

(b)利用所述设备的传感器结构进行测量，其中，所述传感器以空间分布组合的方式被集成到所述设备中，以便测量所述溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量通过所述溶液内出现的成分被相互不同地影响；以及

(c)利用数据处理装置进行加工，所述机械与电学特性的测量用于产生表明所述溶液的品质的输出数据。

可以清楚，在不脱离本发明范围的前提下，本发明的各个特征能够以不同组合的方式被组合。

附图说明

现在将参照附图仅仅示意性地说明本发明的实施例，其中：

图1是汽车的废气系统的示意图，该废气系统能够操作成采用AdBlue（“Adblu”）以便减少经过废气系统的废气中的NOx的浓度；

图2A至2C是根据本发明的品质传感器系统设备的实施例的示意图；

图3是尿素溶液的密度特征的示意图；

图4是尿素溶液的导电率测量的示意图；

图5是图2的设备的声学传感器的示意图；

图6是图2A至2C的设备的导电率传感器的示意图；并且

图7是用于图6的导电率传感器的电路结构。

在各附图中，具有下划线的附图标记被用于代表了该具有下划线的附图标记所位于其上的项目或者该具有下划线的附图标记附近的项目。在附图标记没有被下划线并且伴随着相关的箭头时，无下划线的附图标记被用于表明箭头所指向的大体的项目。

具体实施方式

本发明旨在提供一种用于测量溶液的代表性空间区域内的溶液、例如存储罐内的尿素溶液品质的品质传感器设备，这是通过采用集成至设备组件的传感器的空间分布的组合而实现的；该设备能够操作以测量大容积的溶液内的溶液特征。这种设备与现有技术的用于测量尿素溶液浓度特征的装置区别在于在操作时在包含尿素溶液的容器内的特定的空间点进行测量。有利地，尿素溶液品质的测量是通过以下方式实现的，确定大空间容积的溶液内传播的声波速度，同时更有利地利用了反射声波辐射以增加有效传播路径长度。此外，尿素溶液的导电率测量有利地通过以下措施实现，采用在大空间容积内构造的电极，同时提供了在大空间范围的溶液内的提高的测量准确性。可选地，交流电（a.c.）测量被执行以有助于特征化尿素溶液的表征品质的属性。更可选地，这种a.c.测量以与溶液内出现的离子的偶磁极矩对应的频率实现，因而可以确定离子的属性并因而得知溶液内出现的杂质的类型。可选地，直流电（d.c.）测量被执行以有助于特征化尿素溶液的表征品质的属性。可选地，a.c.与d.c.测量的组合被采用以测量溶液的品质。尿素溶液的密度以及尿素溶液的导电率都是尿素溶液温度的函数，所述尿素溶液温度在品质传感器设备中也被监测。尿素溶液的（可选地作为温度的函数的）密度和导电率测量值被用作为一映射函数的输入参数，该映射函数的输出参数是尿素溶液的品质的表征；这种品质的表征与作为另一课题的浓度测量并不矛盾。该映射函数有利地利用存储在机器可读媒介的一个或多个软件实现，所述软件能够在设备的计算硬件上执行，以提供所述映射函数。此外，该映射函数可选地设置为在设备中采用的查找表格、插值多项式和/或采用表示测量过程的公式的数学模型。可选地，映射函数被设置为以软件实现的神经元网络型函数。

现在将参照图2A、图2B和图2C说明该设备的实施例。在图2A中，该设备大体上由附图标记100表示，并且包括接盘（flange）110，其包括电连接器120，以便接收电力并相对于设备100相应地提供输入和输出信号。此外，设备100包括管连接器130，该管连接器用于接收热水软管，所述热水用于加热尿素溶液，其中在操作时，所述设备100的加热线圈或加热绕组140至少部分地浸没在所述尿素溶液内。接盘110适于使得设备100安装至在尿素容器（未示出）内设置的孔。可选地，所述容器在道路车辆上安装，所述容器可操作成存储将被注射到车辆的废气系统中的尿素溶液，以便处理在操作时由车辆的内燃机所产生的NOx燃烧产物。接盘110还设有一个或多个由附图标记240表示的管连接器或相关的管，所述管连接器或相关的管穿过所述接盘110，以便添加、排出和/或循环尿素溶液、并且提供通气。

设备100还包括尿素溶液液位计量仪，该尿素溶液计量仪包含传感器管150，该传感器管设有相关联的浮体160。浮体160可操作成在一体积的尿素溶液的上表面上漂浮。此外，浮体160包括一个或多个永磁体，并且所述传感器管150包括沿其布置的一组空间设置的磁簧继电器，所述磁簧继电器在操作时响应于沿传感器管150如箭头170所示地移动的浮体160而被选择性地致动。附加地，设备100包括一个或多个温度传感器180A、180B，所述温度传感器例如设置为热电偶和/或热敏电阻器。温度传感器180A有利地在空间上邻近设备110的传感器190、200，并且温度传感器180B有利地安装到传感器管150上。

在加热线圈或加热绕组140的下端处安装用于测量尿素溶液密度的声学传感器190以及导电率传感器200。在图2B中，传感器190、200定位在大体上“L形”加热绕组140的远端处。声学传感器190和导电率传感器200在空间上分离，可选地以相邻对抵的结构设置，并且可操作成特征化尿素溶液，这是通过在一体积的尿素溶液内的大部分中进行测量而实现的，而这与在仅仅一个空间位置点处进行测量的现有的尿素溶液测量装置相反。传感器180A、180B、190、200的输出信号经由信号缆线210、220被传输至数据处理单元230，所述数据处理单元包括计算硬件，例如为微控制器，所述计算硬件可操作成执行一个或多个在机器可读媒介、例如固态读/写数据内存中存储的软件，以便使得计算硬件处理经由缆线210、220所传输的输出信号，以产生电连接器120可用的测量输出。在图2C中，加热绕组140设置为螺旋结构，其包括一个或多个绕圈；螺旋结构潜在地是更紧凑的并且提供了更大的加热表面面积，因而更迅速地加热尿素溶液。相反地，图2B的大体L形绕组实施方式提供了更大空间体积中的加热。

如上简短所述，尿素溶液的密度ρ和导电率S大体上可由公式1（Eq.1）和公式2（Eq.2）表示：

ρ=F₁(T,K,q)                 Eq.1

S=F₂(T,K,q)                  Eq.2

其中

T＝温度；

K＝容器内溶液的尿素浓度；

q=容器内出现的杂质的浓度；

F₁=提供密度作为输出的第一函数；

F₂=提供导电率作为输出的第二函数。

参看图3，以定性的方式示出了大体上由附图标记300表示的曲线图，其包括从左向右表明增加温度的横坐标320以及从下向上表明增加密度的纵坐标310，作为尿素溶液的不同浓度K以及尿素溶液温度T的函数的密度ρ变化。在低于过渡温度T_F时，尿素从溶液中被冻出，并且冷冻的溶液的体积扩张。高于过渡温度T_F时，尿素溶液表现出与淡水更相似的属性。浓度K₁对应于与浓度K₂相比水中的尿素的更高的浓度；类似地，浓度K₂对应于与浓度K₃相比水中的尿素的更高的浓度。通过测量穿过容器内的尿素溶液的超声辐射脉冲群的传播延迟而在设备100内检测密度ρ；对于容器内的尿素中的给定的传播路径长度L，传播延迟Δt与声脉冲的声速ν成反比，这由公式3（Eq.3）表示：

$\mathrm{\Δt}=\frac{L}{v}---\mathrm{Eq}.3$

有利地，考虑到设备100的相对紧凑的特点，为了包括足够的振动以在Fourier领域内精确地限定脉冲，脉冲群优选包括一些周期的声辐射，其具有的频率在300kHz至10MHz的范围内、更优选地在700kHz至3MHz的范围内并且最优选地大致为1MHz。如果单个脉冲被采用的话，则其脉冲长度因而有利地是在1微秒持续时间的级别上。已知温度T和传播延迟Δt的话，则密度ρ可以由公式4（Eq.4）计算出：

ρ=F₃(T,Δt)                  Eq.4

公式3、4和1的组合可以用于确定尿素浓度K与杂质表征q的组合的影响。这些函数可以通过理论分析得出或者例如以数字化的方式利用插值方式被确定为查询表格或者通过源自各种不同的已知的校准尿素溶液的实验结果的多项式。

非气态媒介中的声速同时针对体积与剪切变形考虑了非零刚度。因而可行的是产生具有不同速度的声波，而取决于所述声波，变形模式被采用。产生体积变形、即压缩以及剪切变形的声波也分别被称为纵波和横波。在地震中，对应的地震波分别被称为P波和S波。这两种类型的波的声速在公式5和6（Eq.5&Eq.6）中提供：

$c_p=\sqrt{\frac{K_B+\frac{4}{3}G}{\mathrm{\ρ}}}=\sqrt{\frac{E(1-v)}{\mathrm{\ρ}(1+v)(1-2v)}}---\mathrm{Eq}.5$

$c_s=\sqrt{\frac{G}{\mathrm{\ρ}}}---\mathrm{Eq}.6$

其中

K_B和G分别是尿素溶液的体积模量与剪切模量；

c_p是体积波的速度；

c_s是剪切波的速度；

E=杨氏模量；并且

ν=泊松比。

应该清楚在还出现诸如金属盐的其它污染物时，尿素溶液的密度本身不足以特征化尿素溶液的品质。这些金属盐在从汽车的废气系统喷出时能够造成一种环境灾害，并且还可以导致汽车废气系统中催化器中毒。这种催化器可以包括替换昂贵的贵金属。因此，重要的是识别采用劣等Adblue、DEF的时间，这种劣等AdBlue、DEF由使得汽车废气处理系统的催化器成分中毒而造成损害危险。

尽管声学传感器190适用于经由声速测量而确定尿素溶液密度ρ，但是这种测量本身不足以确定能够在尿素溶液中出现的其它痕量污染物、例如不同的金属盐。为了获得关于这些污染物的进一步信息，导电率传感器200由设备100所采用。溶液的导电率S大体上随着温度T而增加，这是因为增加的温度T如图4所示导致了尿素溶液中离子之间的更大的离解；在图4中，示出了大体上由附图标记400所表示的曲线图，包括从左向右表示增加温度T的横坐标420以及从下向上表示增加导电率S的纵坐标410。此外，尿素溶液的导电率S还由溶液中尿素的浓度以及溶液内出现的诸如金属盐的杂质被确定。在特定的温度尿素溶液的给定的浓度应当具有对应的密度ρ以及对应的导电率S；在该作为温度T的函数的密度ρ和导电率S与所期望的背离时，这种背离意味着污染物q的存在。

导电率S适于利用交流信号（a.c.）例如经由电容耦合被测量。可选地，直流（d.c.）信号能够单独地或者与所应用的a.c.信号组合地被采用。取决于用于与尿素溶液接触的电极的属性，为尿素溶液提供欧姆接触或电势（汇合）接触。例如，碳和银电极适于与溶液进行欧姆接触，而诸如不锈钢的金属被观察与溶液进行电势接触。尽管欧姆接触导致了作为测试电极之间的电势差函数的恒定的电阻以测量尿素溶液的导电率，但是电势接触导致了作为电极之间所应用的电势差函数的变化的电阻。这种作为电势差函数的变化的电阻由尿素溶液中出现的痕量金属盐污染物影响，并且可选地可以用于确定尿素溶液内出现的痕量盐的浓度，也就是说得到尿素溶液的品质表达。在a.c.信号被用于测量尿素溶液的导电率并且显著超过任何电势（汇合）接触的相对高的电极电势被采用时，这种电势（汇合）的影响变得不重要。

利用交流信号（a.c.）的尿素溶液的导电率涉及作为频率的函数而变化的复阻抗。可选地，导电率的a.c.测量在设备内以范围在100Hz至10kHz内的、有利地大致5kHz的频率执行，所述频率的测量对于低功率电路方便处理。例如，5.1kHz的a.c.频率被方便地采用。在交流信号的频率是在100kHz至10MHz的范围内时，尿素溶液内的离子的偶磁极矩变得明显并且清楚地在以作为温度函数的测量的复阻抗中检测到。这种复阻抗已经在论文"Frequency dependence of ionicconductivity of electrolyte solutions",Chandra & Bagchi in associationwith research supported by the Council of Scientific and IndustrialResearch(CSIR),Department of Science and Technology(DST),andGovernment of India and Indian National Science Academy中得到报道。该文献处于公众领域中并且其内容结合在此引作参考。尿素溶液的复阻抗也受到溶液内出现的诸如金属盐的污染物影响。

因而，设备100经由导电率传感器200操作成测量容器内的尿素溶液的作为温度T函数的d.c.导电率和/或a.c.导电率，由前述的公式2（Eq.2）表示：

S=F₂(T,K,q)               Eq.2

其中

T＝温度；

K＝容器内溶液的尿素浓度；并且

q=容器内出现的杂质的浓度。

如上所述，公式1和2体现了两个联立公式，所述公式具有两个归因于导电率S和密度ρ的未知的因素、浓度K和杂质q，所述导电率和密度使得这些未知的因素得到计算。导电率在a.c.频率的测量和/或利用导致电势测量的电极的导电率确定使得其它联立公式得到确立，同时使得因素K和q更加准确地被确定。杂质q和浓度K都使得容器内的尿素容器的总体品质以及适用性得到检测。这些联立公式有利地由查询表格、多项式中的至少一种被解出。

现在将分别参照图5和6更详细地说明声学传感器190以及导电率传感器200。在图5中，声学传感器190包括细长的支承面板500，大致在面板500的第一端处承载有声学反射器510。在面板500的远离第一端的第二端处包括有换能器结构，所述换能器结构具有壳体520，所述壳体具有如图所示背离反射器510指向的开口。换能器结构还包括压电元件530，该压缩元件设置为陶瓷材料盘、石英材料盘和/或有机聚合物材料盘。压电元件530在操作时经由壳体520连至尿素溶液。可选地，壳体520由金属；坚硬聚合材料、例如聚氨酯、PTEE等；或由陶瓷材料制成。此外，元件530通过化学惰性的声能吸收材料550的区域被密封并被保护在壳体520内，其中所述化学惰性的声能吸收材料550例如设置为合适等级的环氧树脂或其它聚合材料。在操作时，脉冲信号经由一个或多个电极S_D被施加至元件530，以产生向外的声波脉冲群600，该声波脉冲群沿面板500的细长轴线传播以碰撞到反射器510上并且随后自该反射器被反射为反射的脉冲群610，所述反射的脉冲群传播回到换能器结构，以在一个或多个电极S_D处产生回波信号。可选地，元件530配备有至少一对电极；在这对电极之间施加的电势差建立了元件530中的电场，因而造成了应力，其中所述应力导致了元件530的应变变形以相关的声辐射的产生；施加至元件530的应力还适于产生元件530内的电场，其中所述电场由于这对电极之间的电势差而可以检测到。更可选地，元件530配备有用于接收驱动信号以及用于将接收的回波信号输出的单独的电极。数据处理单元230可操作成产生用于一个或多个电极S_D的驱动信号并且接收用于进行处理的反射信号。声学传感器190需要提供与可以是腐蚀性的尿素溶液接触的多年的可靠服务。因此可以想到声学传感器190并非设计为一种简单的组件，并且声学传感器结构所用的材料非常小心、谨慎地被选择，以在多年的使用中实现可靠的性能。例如，应力在声学传感器190中被减小，否则的话，所述应力能够导致元件530的破裂；这种应力的减少是可行的，例如通过采用连接到元件530上的横向可滑动的表面而实现。

在图6中详细地示出了导电率传感器200，所述导电率传感器包括细长通道壳体700，所述细长通道壳体由绝缘塑料制成，具有开口端部，以便接收如针对第一流向的箭头所示流经壳体700的尿素溶液；在操作时，尿素溶液也可以沿与所示的方向相反的方向流经壳体700。此外，壳体700被安装到同样由绝热塑料制成的基底710上。沿基底710安置一组总共四个电极720，由针对外侧电极的P₁以及针对内侧电极的P₂表示。可选地，电极720由不锈钢材料制成。

在操作时，在执行导电率S的a.c.测量时，来自由数据处理单元230所建立的调制电流源的a.c.供电信号电流I_B跨过电极P₁，以产生沿壳体700的电场，所述电场通过电极P₂被检测为电势差V_A，电极P₂经由电阻器R₁、R₂连接至运算放大器800，以产生微分信号S_E，其连至数据处理单元230的模拟采样输入。随着壳体700内的尿素溶液的导电率变化，由于偏置电流I_B而在电极P₁之间流动的电流遵循着壳体700内的空间分布，其作为相应影响微分信号的尿素溶液的导电率的函数被调制。因而，信号S_E是尿素溶液内的尿素浓度K的单调函数。数据处理单元230可以操作成接收信号S_E，将其转换成数据，并且然后利用该数据确定尿素溶液的导电率并以及测量尿素溶液的品质。

可选地，偏置电流I_B可选地包括a.c.信号分量和/或a.c.信号。此外，a.c.信号分量和/或a.c.信号在壳体700内感生出交流电场，所述交流电场与尿素溶液中的离子的偶磁极矩相互作用。因此，电势差V_A是一种交流信号，该交流信号由放大器800放大并然后在数据处理单元230内经受同步解调，以便确定尿素溶液的复阻抗。有利地，这种同步解调针对施加至电极P₁的波形被同步化，以由电势差V_A产生同相和求积信号分量，所述信号分量的相对幅值易于在数据处理单元230中被采用，以更准确地确定杂质q的大小。尿素溶液的导电率S的这种a.c.测量如前所述提供了对在尿素溶液内出现的诸如金属盐的杂质的了解。可选地，传感器190、200在时间上交替地操作，以避免它们之间的信号串扰，因而提高了设备100的测量精度。

设备100与测量尿素溶液特征的先前的方式区别在于高测量精度、高健壮性以及设备的更容易使用。由于在大空间体积内提供测量，所以设备100可操作成与现有方法相比提供尿素溶液品质的更代表性的表征。设备100适用于测量含酶尿素溶液以及无酶尿素溶液的品质。可选地，除了尿素溶液的品质以外或者作为尿素溶液的品质的替代，设备100还适合于测量其它类型的溶液的品质。

因而，尽管前述设备100描述了关于针对道路汽车、越野汽车、诸如固定发电机组的工业应用、飞行器以及海运应用测量尿素溶液品质，但是设备100适合于测量其它类型的溶液及其相关的品质特征，例如在石油工业、化学处理工业、食品处理工业、制药工业、水处理工业、渔业养殖等中。为了迎合这些工业，与导电率传感器200相协作的由数据处理单元230所执行的复阻抗测量是一种有用的手段。可选地，设备100配备有其它类型的化学传感器、例如电化学传感器和/或光学传感器，所述传感器例如连接至数据处理单元230，以便承担更复杂的溶液品质监测任务。

数据处理单元230可操作成实现信号之间的映射函数，所述映射函数自传感器180、190、200接收并输出，提供了设备100至少部分地浸没其中的溶液的品质的表示。经由在数据媒介上、例如在固态数据内存中记录的一个或多个可执行的软件，映射函数有利地在数据处理单元230内被执行。软件可以操作成借助于以下措施提供映射函数，即：

(a)查询表格；

(b)一个或多个多项式函数，所述多项式函数的系数在数据内存中记录；和/或

(c)神经元网络映射函数。

例如，在从100kHz至10MHz的频率范围内利用传感器200的复阻抗测量产生了作为频率函数的一复数系列的阻抗测量。有潜力地，由于尿素溶液内出现的金属盐所导致的给定的杂质离子能够影响频率范围内的几个点频处的复阻抗。尤其在设备100所安装的汽车移动导致出现噪音时，对复阻抗的解释是复杂的。通过利用不同点频率的复阻抗测量作为神经元网络算法的输入，该算法能够适于识别不同类型的尿素溶液以及相关的品质。有利地，该算法还提供有来自一个或多个传感器180A、180B、190的数据。在数据处理单元230内为了执行前述映射所采用的参数通过送至数据处理单元230的数据指令被有利地动态改变。这种可改变的功能使得设备100能够由参数动态地更新，其中所述参数使得设备更准确地识别各种不同类型的杂质。例如，在农业环境中，可以是大多数这样的情况，其中规定类型的杂质降级尿素被用于Adblue、DEF以省钱，但是这利用发动机排放经由废气处理系统造成了不期望的环境损害。设备100有利地需要更准确地识别大量这种问题。可选地，设备100的操作参数可以通过以下措施被更新，即将外部数据供应至数据处理单元230，以便使得设备100动态地适合于不同类型的溶液。

在设备100安装至汽车的容器时，汽车操作时的移动影响了容器中的液体，例如使得液体泼溅到容器周围并且因而导致了由传感器190、200所执行的测量时间上发生改变。因此，设备100可选地可操作成在一段时间内使得其测量平均化。可选地，实现平均化的时间段响应于送至设备100的数据处理单元230的数据指令是动态可变的。

在不脱离由权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，前述本发明的实施例的改型是可行的。诸如“包含”、“包括”、“采用”、“组成”、“具有”、“是”的用于描述并保护本发明的术语将以非唯一性的方式被解释，也即允许未明确记载的项目、部件或元件也被体现。单数也理解为涉及复数。权利要求书中括号内包括的附图标记将有助于理解权利要求并且不应以任何方式理解为限制权利要求书所要求保护的技术主题。

Claims (12)

1.一种用于测量尿素溶液的品质的设备（100），其中在操作时，所述设备的至少一部分插入到所述尿素溶液中，

其特征在于

所述设备（100）包括传感器（180、190、200）结构，所述传感器（180、190、200）以空间分布组合的方式被集成到所述设备（100）中，以便测量所述尿素溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量结果通过所述尿素溶液内出现的成分被相互不同地影响，其中所述成分影响所述尿素溶液的品质；以及

所述设备包括数据处理装置（230），其用于处理所述机械与电学特性的测量结果，以便产生表征所述尿素溶液的品质的输出数据（120）。

2.根据权利要求1所述的设备（100），其特征在于，所述传感器（180、190、200）结构包括分别用于测量机械特性的和用于测量电学特性的声学和导电率传感器（190、200），所述这些传感器（190、200）在所述设备（100）内空间上隔离地部署。

3.根据权利要求1或2所述的设备（100），其特征在于，所述传感器（180、190、200）包括温度计，用于测量所述尿素溶液的温度（T），并用于向所述数据处理装置（23）提供对应于所述温度（T）的数据，以便在计算所述尿素溶液的品质时使用。

4.根据前述权利要求任一所述的设备（100），其特征在于，所述传感器（180、190、200）结构包括用于测量所述尿素溶液的导电率的导电率传感器，所述导电率传感器包括在用于接收所述尿素溶液的流通道（700、710）内安置的电极（720）结构，所述流通道（700、710）能够操作成将所述电极结构与空间上位于所述通道（700、710）外的外部影响电学屏蔽。

5.根据权利要求4所述的设备（100），其特征在于，所述电极（720）结构包括沿所述流通道（700、710）以直线布置方式安置的电极。

6.根据权利要求5所述的设备（100），其特征在于，靠近所述流通道（700、710）的端部的一组外侧电极（P₁）能够操作成被激励，以产生位于所述通道（700、710）内的质询电场，并且靠近所述流通道（700、710）的中央区域的一组内侧电极（P₂）能够操作成产生用于传输至所述数据处理装置（230）的接收信号。

7.根据权利要求4、5或6所述的设备（100），其特征在于，所述电极（P₁、P₂）结构包括不锈钢电极、碳电极、银电极中的至少一种。

8.根据权利要求4、5或6所述的设备（100），其特征在于，在用于确定所述尿素溶液的用于确定其品质的稳态导电率与复导电率中的至少一个的操作时，所述数据处理装置（230）能够操作成将交流（a.c.）信号与稳态（d.c.）信号施加至所述电极（720）结构。

9.根据前述权利要求任一所述的设备（100），其特征在于，所述传感器（180、190、200）结构包括声学传感器（180），所述声学传感器包括声学换能器结构（530），所述声学换能器结构自相应的声学反射器（510）以间隔开的方式安置，所述换能器结构（530）能够操作成产生一个或多个声学脉冲，所述声学脉冲沿所述尿素溶液传播、自所述反射器（510）被反射、以及随后接收回到换能器结构（530），以便产生用于所述数据处理装置（230）的接收信号，以为了确定所述尿素溶液的密度进行处理。

10.根据前述权利要求任一所述的设备（100），其特征在于，所述设备（100）还包括安装接盘（110），其用于将所述设备（100）安装至尿素溶液容器；用于加热所述尿素溶液的加热装置（130、140）；以及尿素溶液液位检测装置（150、160），其用于检测所述尿素溶液相对于所述设备（100）的液面高度。

11.一种利用设备（100）测量尿素溶液的品质的方法，其特征在于，所述方法包括：

(a)在操作时将所述设备的至少一部分布置成插入到所述尿素溶液中；

(b)利用所述设备（100）的传感器（180、190、200）结构进行测量，其中，所述传感器（180、190、200）以空间分布组合的方式被集成到所述设备（100）中，以便测量所述尿素溶液体积内的机械与电学特性，所述机械与电学特性的测量结果通过所述尿素溶液内出现的成分被相互不同地影响；以及

(c)利用数据处理装置（230）处理所述机械与电学特性的测量结果，以便产生表征所述尿素溶液的品质的输出数据（120）。

12.一种在机器可读媒介上记录的软件，所述软件能够在计算硬件上执行，以便实现根据权利要求11所述的方法。

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