CN103201600B - 确定柴油机排气流体的质量和/或深度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定罐中流体的质量和/或深度的系统。该系统包括控制器、一个或多个换能器以及温度传感器。固定距离换能器朝向固定表面发射声波。深度换能器发射被流体的表面反射的声波。该温度传感器感测罐中流体的温度并且将该温度的指示提供给控制器。控制器测量声波在固定距离换能器与固定表面之间行进的经过时间和声波在深度换能器与保持在容器内的流体的表面之间行进的经过时间。使用该经过时间和流体的温度，控制器能够确定流体的质量和深度。

Description

确定柴油机排气流体的质量和/或深度的系统和方法
相关申请
本申请要求于2010年11月11日提交的在先提交的共同未决的美国临时专利申请No.61/412,667的权益，其全部内容通过引用于此结合。
背景技术
本发明涉及用于确定基于水的流体的质量或浓度和/或罐内流体的深度的系统和方法。具体地，本发明涉及用于确定包含在罐内的柴油机排气流体（DEF）的质量和浓度和/或罐内DEF的深度的系统和方法。
DEF被用来减少柴油发动机的排气中的氮氧化物（NOx）气体。DEF是作为雾状物注入到排气中的、32.5%汽车级UREA和纯净水的混合物。雾状物和排气混合并且将排气中的NOx离解成氮、水以及二氧化碳。当诸如柴油燃料、水、乙二醇等的污染物和DEF混合时，DEF减少排气中的NOx的能力被削弱和/或可能对NOx还原系统产生不可逆损害。
DEF被存储在车辆的罐中并且以对正被燃烧的柴油燃料成约1:50的比率被注入到排气中。确定罐中DEF的液面以便当有需要添加额外的DEF时向用户提供指示。
发明内容
本发明使用浸入压电超声换能器来检测罐中DEF的液面（例如，以向操作员提供剩余DEF量的指示），并且确定DEF是否已经被污染（包括确定污染物的类型和量）。DEF溶液内UREA的浓度水平也被测量。可以向DEF控制系统提供DEF流体质量的指示，使用户能够视需要采取补救措施。
在一个实施例中，本发明提供了包括罐、控制器、换能器以及温度传感器的系统。温度传感器感测罐中流体的温度。控制器使用所感测的温度来得到通过流体行进的超声信号的依赖于温度的声速。控制器生成用于换能器的第一命令信号。作为响应，换能器生成朝向固定表面的超声声波并且接收被该固定表面反射的超声声波的回波。控制器确定在通过换能器发射超声声波与通过换能器接收回波之间的经过时间。控制器还基于该经过时间和所感测的流体的温度来确定罐中的流体中任何污染物的浓度和存在。
控制器还通过调制所发射的超声声波的振幅来提高所接收到的超声回波的质量。控制器通过改变施加到换能器的命令信号的电压脉冲的振幅和/或数目来调制超声声波。优选地，换能器在谐振下被驱动，其中电压脉冲系列的频率与换能器的依赖于温度的频率特性相匹配。控制器可以使用包括基于温度的信息的查找表来生成该命令信号。
控制器还确定超声回波是否是有效的。当回波在预定时间窗口内被接收到时，超声回波被确定为有效。当表示回波的信号的振幅在预定范围内时，回波被进一步确定为有效。当表示回波的信号的持续时间在预定范围内时，回波被进一步确定为有效。控制器生成预期经过时间窗口、预期回波振幅范围以及预期回波持续时间范围中的至少一个。
控制器能够记录给定超声发射的多个回波反射以增加所记录的时间测量的分辨率。此外，来自温度传感器的信息可以通过耦合到控制器的通信模块而被分配到其它设备和其它位置。
在另一实施例中，本发明提供了包括罐、控制器、换能器以及温度传感器的系统。温度传感器感测罐中流体的温度，并且将该温度的指示提供给控制器。控制器使用所感测的温度来得到通过流体行进的超声信号的依赖于温度的声速。控制器生成用于换能器的第一命令信号，检测来自换能器的第一回波信号，并且确定换能器在近场时间内是否接收到该第一回波信号。如果该第一回波信号在近场时间内被接收到，则控制器检测具有预定范围内的幅度的第二回波信号。如果该第二回波信号在预定时间量内未被检测到，则控制器忽略第一回波信号，并且生成不同于第一命令信号的第二命令信号。控制器修改第二命令信号直到第二回波信号被检测到为止。控制器将第一回波信号或在第一回波信号与第二回波信号之间的差转换为表示到目标的距离的值或罐中流体量的体积表示。为了确保控制器能够区分真实的回波信号和二次回波反射，控制器被编程为测量通过紧跟触发命令之后连续地监测换能器的输出来测量换能器的回响时间（ring time）。当输出信号持续预定的时间段为高时，控制器认为回响时间结束。控制器被编程为补偿能够影响回响时间和其它测量变量的温度改变，并且在进行每个测量之前确定换能器的回响时间。控制器将近场时间设置在回响时间的约二又三分之一倍。
控制器还生成具有多个驱动脉冲的命令信号，该多个驱动脉冲调制所发射的超声声波的振幅以优化所接收到的超声回波的质量。优选地，换能器以一系列脉冲在谐振下被驱动，使得脉冲的频率与换能器的依赖于温度的频率特性相匹配。控制器可以利用具有基于温度的数据的查找表来生成所述命令信号。
控制器还确定超声回波是否是有效的。当回波在预定时间窗口内被接收到时、当表示回波的信号的振幅在预定范围内时以及当表示回波的信号的持续时间是在预定范围内时，超声回波被确定为有效。控制器生成预期经过时间窗口、预期回波振幅范围以及预期回波持续时间范围中的至少一个。
控制器还确定污染物已经被引入到罐内（例如，在罐的填充期间）的似真性。控制器将第一回波信号的经过时间和在第一回波信号与第二回波信号之间的差的经过时间中的一个转换为表示到目标的距离的值或罐中流体量的体积表示。当所计算的距离或罐中流体量的体积超过罐的容量时，控制器生成故障输出。
在一个实施例中，本发明提供了包括罐、控制器、两个换能器以及温度传感器的系统。温度传感器感测罐中流体的温度，并且控制器使用所感测的温度来得到通过罐中流体行进的超声波信号的依赖于温度的声速。控制器生成用于第一换能器的第一命令信号，从而使第一换能器生成朝向浸没在罐内的固定目标的超声声波。当该波被固定目标反射回到换能器时，控制器接收该超声声波的一系列回波。该声波在目标与换能器之间来回地反跳多次。控制器确定通过第一换能器发射超声声波与通过第一换能器接收回波之间的经过时间。控制器还使用对于接收经发射的回波中的至少一个所需要的经过时间和所感测的流体的温度来计算通过流体行进的超声波的声速。基于所计算的声速和所感测的流体的温度，控制器确定该流体的浓度和罐中的流体内任何污染物的存在。
控制器生成用于第二换能器的第二命令信号，并且确定第二换能器在近场时间内是否接收到回波信号。如果该回波信号在近场时间内被接收到，则控制器检测来自第二换能器的预定幅度的第二回波信号。如果第二回波信号在预定的时间量内未被检测到，则控制器忽略第一回波信号，并且生成不同于第一命令信号的第二命令信号。控制器修改第二命令信号直到第二回波信号被检测到为止。控制器使用接收第一回波信号所需要的时间或在第一回波信号与第二回波信号之间的时间差来计算表示到目标的距离的值或罐中流体量的体积表示。为了确保控制器能够区分真实的回波信号和二次回波反射，控制器被编程为测量通过紧跟触发命令之后连续地监测换能器的输出来测量换能器的回响时间。一旦来自换能器的检测信号持续预定的时间段为高时，控制器认为回响时间结束。温度传感器被耦合到控制器，并且控制器被编程为补偿能够影响回响时间和其它测量变量的温度改变。耦合到控制器的通信模块将来自温度传感器的信息分配到其它设备和其它位置。控制器在进行每个测量之前确定换能器的回响时间，从而设置近场时间，该近场时间被设置为所测量的回响时间的两倍。
命令信号包括调制第一和第二换能器两者的所发射超声声波振幅的多个驱动脉冲。控制器修改该命令信号以优化来自每个换能器的所接收到的超声回波的质量。优选地，换能器在谐振下被驱动，其中脉冲系列的频率与换能器的依赖于温度的频率特性相匹配。控制器可以利用具有基于温度的数据的查找表来确定该命令信号的特性。
控制器还确定从第一和第二换能器接收到的超声回波是否是有效的。当回波在预定的时间窗口内被接收到时，超声回波被确定为有效。当接收到的回波反射的数目在预定范围内时，回波被进一步确定为有效。控制器生成预期经过时间窗口和来自意图目标的接收到的回波反射的预期数目中的至少一个。
控制器还确定已经被引入到罐中的污染物的似真性，并且如果所计算的流体液面超过对于罐内DEF流体可能的最大容量，则生成故障输出。
该系统能够在温度传感器失效的情况下生成精确的液面测量。控制器确定声波从第一换能器行进到固定反射器并回来的第一经过时间。控制器还确定声波从第二换能器行进到罐中流体的表面并回来的第二经过时间。控制器基于该第二经过时间（液面）与该第一经过时间（质量）的比率来计算罐中流体的深度。
在另一实施例中，本发明提供了用于确定罐中流体的质量和/或量的系统。该系统包括第一换能器、第二换能器、温度传感器以及控制器。该第一换能器被配置成生成第一声波并且检测该第一声波的回波。该第二换能器被配置成生成第二声波并且检测该第二声波的回波，第二声波由离第二换能器已知距离的固定结构传回。该温度传感器被配置成检测流体的温度。该控制器被耦合到第一换能器、第二换能器以及温度传感器，并且具有车载诊断，该车载诊断被配置成基于通过流体的不正确计算的声速来检测错误条件，并且生成指示所检测到的错误条件的信号。
通过考虑具体实施方式和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是用于感测DEF罐内流体的质量的系统的图。
图2是用于感测DEF罐内流体的液面的系统的图。
图3是用于感测罐中DEF的质量和深度的系统的图。
图4是图1和2的系统的框图。
图5是图3的系统的框图。
图6是对于各种DEF浓度的声速对温度的图表。
具体实施方式
在详细地解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是本发明在它的应用方面不限于基于DEF或UREA的流体，并且应理解的是，本发明在它的应用方面不限于在以下描述中阐述或者在以下图中图示的构造的细节和组件的布置。本发明能够具有其它实施例，并且能够被以各种各种方式来实践或者执行。
罐中DEF的液面能够由包括电阻性浮子换能器、超声换能器（空气耦合）等的常规方法来监测。超声换能器发出被表面反射的声波。换能器作为接收来自表面的声波回波的接收器。基于该声波到表面并回来的飞行时间，控制器使用声速来确定到表面的距离。因为声速在空气中是恒定的（基于空气的温度而具有一些轻微改变），所以容易在空气耦合换能器中执行必要的计算。
替代地，流体耦合超声换能器能够被用来监测罐内DEF的质量和/或液面。在流体耦合换能器情况下，换能器被浸入在流体中并且定位于罐的底部。为了确定DEF的质量，超声声波被朝着浸入在流体中的固定目标定向并且从其反射。由换能器所生成的声波被从位于离该换能器已知距离的固定目标（即反射器）传回并且被换能器检测到。为了确定DEF的液面，来自换能器的超声声波被朝着流体的表面的方向向上定向。由换能器所生成的声波被流体的表面传回并且被换能器检测到。这与具有一个预告（caveat）的空气耦合换能器类似；声速取决于流体的类型而大大地变化，并且在较小程度上取决于流体的温度。
图1示出了用于确定罐110中DEF105的质量的质量感测系统100。质量感测系统100包括压电超声换能器115，以及具有温度传感器125（例如，热敏电阻）和其它组件（未示出）的印刷电路板120。换能器115和印刷电路板120被定位在罐110的底部。温度传感器125被定位使得温度传感器125检测罐110中的DEF105的温度。换能器115作为发射器和接收器两者。由换能器所生成的超声声波130通过流体105传播并且由反射器135朝着换能器115的方向往回反射。经反射的超声声波130由换能器115来检测，并且由换能器115朝着反射器135的方向往回反射。超声声波130在反射器135与换能器115之间来回地行进多次。质量感测系统100可以被集成到罐110中或者可以是安装在罐110中的单独的组装件。
图2示出了用于通过感测罐110中的DEF105的表面205的水平来确定罐110中的DEF105的量的液面感测系统200。除了压电超声换能器210被定位在罐110的底部，使得由换能器210所产生的超声声波215被DEF105的表面而不是固定反射器反射之外，液面感测系统200包括与质量感测系统100相同的组件。
图3示出了用于确定罐110中的DEF105的质量和量两者的组合感测系统300。组合感测系统300包括两个压电超声换能器115和210。质量换能器115被定位成使超声声波130由反射器135反射，而量（或液面）换能器210被定位成使超声声波215由DEF105的表面205反射。
图4示出了质量感测系统100和量感测系统200的框图。除换能器115/210和温度传感器125之外，系统100/200包括控制器400、信号调节电路405、驱动器410、功率调节电路415以及输出驱动器420。控制器400包括处理器（例如，微处理器、微控制器、ASIC、DSP等）和存储器（例如，闪存、ROM、RAM、EEPROM等），其可以在控制器400内部、在控制器400外部或者其组合。信号调节电路405、驱动器410、温度传感器125以及输出驱动器420中的一个或多个可以被包括在控制器400中。换能器115/210在两个模式下作为压电发射器并且作为压电接收器来操作。当换能器115/210在换能器115/210的压电晶体的谐振频率下被电压激励时，换能器115/210发出超声声波130/215。当换能器115/210在换能器115/210的谐振频率下被超声声波130/215（例如，回波）激励时，换能器115/210生成指示该声波的输出信号。信号调节电路405用来响应于被接收到的超声声波130/215激励而对从压电换能器115/210接收到的低电平信号进行放大和滤波。
图5是组合感测系统300的框图。系统300包括质量换能器115、液面换能器210以及温度传感器125。系统300还包括控制器400、第一信号调节电路405、第二信号调节电路405’、第一驱动器410、第二驱动器410’、功率调节电路415以及输出驱动器420。控制器400包括处理器（例如，微处理器、微控制器、ASIC、DSP等）和存储器（例如，闪存、ROM、RAM、EEPROM等），其可以在控制器400内部、在控制器400外部或者其组合。信号调节电路405和405’、驱动器410和410’、温度传感器125以及输出驱动器420中的一个或多个可以被包括在控制器400中。换能器115和210在两个模式下作为压电发射器并且作为压电接收器来操作。当换能器115和210在换能器115和210的压电晶体的谐振频率下被电压激励时，换能器115和210分别发出超声声波130和215。当换能器115和210在换能器115和210的谐振频率下分别被超声声波130和215（例如，回波）激励时，换能器115和210生成指示所接收到的声波的输出信号。第一信号调节电路405用来响应于被接收到的来自超声声波130的回波激励而对从质量压电换能器115接收到的低电平信号进行放大和滤波。第二信号调节电路405’用来响应于被接收到的来自超声声波215的回波激励而对从液面压电换能器210接收到的低电平信号进行放大和滤波。
在操作中，控制器400向驱动器410发送低电平的一系列驱动脉冲和驱动脉冲振幅命令信号。该驱动脉冲是在换能器115/210的谐振频率下。驱动器410放大低电平信号，从而将一系列高压脉冲施加到换能器115/210，使换能器115/210以与施加到换能器115/210的谐振驱动脉冲的数目成比例的振幅来发出超声声波130/215。超声声波130/215通过流体传播并且被反射器135或表面205往回朝着换能器115/210的方向反射。所返回的超声回波使换能器115/210谐振，从而产生低电平电压信号，该低电平电压信号被信号调节电路405放大、滤波并且整形而且被控制器400检测。超声声波130/215通过DEF105从换能器115/210传播到反射器135/表面205所必需的时间被作为第一回波反射存储在控制器400的存储器中。考虑到足够的振幅，超声声波130/215在换能器115/210与反射器135/表面205之间来回地传播，从而产生一系列回波反射。对于给定发射，通常接收到4或5次反射。该反射被测量和存储在控制器400的存储器中以用于处理。
由系统所使用的回波反射的数目取决于对于区分DEF浓度水平所需要的分辨率。例如如果一个回波反射需要第一时间来从换能器115/210通过流体传播、被反射器135或表面205反射并返回，则第二回波反射将需要第一时间的两倍来传播，并且第三回波反射将需要第一时间的三倍，等等。考虑到这一点，两次反射提供了一次反射的分辨率的两倍，三次反射提供了分辨率的三倍等等。在典型应用中，4到5次反射在所需要的分辨率与能够被容易地组装到DEF罐中的传感器系统的实用尺寸之间提供了良好平衡。
当被驱动器410激发时，换能器210在驱动电压已经被移除之后继续谐振或者回响输出（ring out）持续有限的时间量。在这个时间段期间，换能器210不能够被用作为接收器以检测从流体105的表面205反射的回波，从而限制能够由容量感测系统200所解析的最小流体液面。用心设计能够减少回响时间但它不能够被完全地消除。当罐是空的或几乎空的时，用于测量罐中流体的液面的替代方法将以足够大的振幅来驱动液面感测换能器210，以在流体105的表面205与换能器210之间产生超声声波215的多次反射，使得超声声波215在换能器210已经停止回响之后继续来回地反射。然后能够使用不同的方法来计算用于声波215在换能器与流体105的表面205之间来回地行进的时间，例如，考虑在两个连续的回波反射之间的时间差。
控制器400生成控制并调制超声声波130/215的振幅以便实现所期望数目的回波反射的命令信号。控制器400通过增加或者减小施加到依赖于温度的换能器的谐振电压脉冲的数目和/或振幅来执行这个功能。施加到换能器的谐振脉冲的数目通常范围从低到1个脉冲至高到16或更多个脉冲，尽管可以施加其它数目的脉冲。开关电容器电荷泵被优选地用来在控制器400的控制下增加或者减小施加到驱动器410的换能器驱动电压的振幅。该驱动电压通常从低到2伏特至高到30伏特变化。驱动脉冲的数目和振幅基于所接收到的回波反射的数目来选择。如果回波反射的数目降到预设数量（基于所辨别的相对距离来计算）以下，则控制器400增加驱动脉冲的振幅和/或数目。相反地，如果回波反射的数目大于预设数量，则控制器400减小施加到换能器115/210的驱动脉冲的振幅和/或数目（减少不需要的失真和噪声）。因此，产生闭环增益控制以用于超声声波130/215回波反射的传输和检测。
控制器400将近场操作模式定义为当所识别的第一回波反射发生在等于或稍大于两倍于换能器210的平均回响时间的时间段期间时发生的操作模式。控制器400将远场操作模式定义为当第一回波反射发生在由近场操作模式所定义的时间段之外时发生，或者换句话说，如果在大于换能器210的平均回响时间的时间间隔的两倍的时间间隔处接收到第一回波反射的操作模式。在近场模式中，控制器400调制换能器210的功率以确保紧跟回响周期的结束之后接收到至少两个经过验证的回波反射。在远场模式中，控制器400调制换能器210的功率以确保紧跟回响周期的结束之后接收到至少一个有效的回波反射。
诸如换能器115/210的压电晶体的谐振频率随着温度而改变。调制并控制超声波130/215的振幅的能力取决于在驱动换能器115/210的谐振频率下驱动换能器115/210。控制器400通过基于由温度传感器125所感测的温度而改变施加到换能器115/210的脉冲的频率来执行这个功能。换能器115/210的压电谐振频率与温度之间的关系特定于压电材料的所选类型、尺寸、形状以及机械设计。依赖于温度的关系被对于设计经验地测量，并且然后被以控制器400内的查找表的形式来阐述。使用对于所测量的温度在查找表中规定的频率，控制器400选择并且控制换能器115/210驱动频率。
超声波130/215通过罐110传播，从而产生由罐110的壁和浸没在流体中的其它组件的反射。这些反射能够干扰来自反射器135和/或表面205的回波反射。这能够产生假回波反射，该假回波反射加到一串经记录的回波反射或者抵消该串内的期望的回波反射。此外，流体的运动、温度梯度、空气气泡以及其它污染物能够干扰超声声波，从而在时间上产生漂移或者在所接收到的回波串内生成噪声。为了确保所接收到的回波不被破坏，控制器400通过应用窗口滤波器来验证返回的一串回波，该窗口滤波器检查每个返回回波的时间相对于已知标准时间，以及对于从一个测量到下一个能够发生的改变的预定容限。本方法的原理基于流体属性与正在进行的测量的速率相比相对慢地改变的事实。例如，在DEF系统的操作期间，除了当罐110正被填充时，罐110中流体105的液面非常慢地改变（例如，在数分钟期间）。在实际的实现中，测量每秒进行20次，而在紧跟罐填充或污染物的引入之后，流体的属性花费几十秒改变。因此，用于预望的或容许的时间窗口的参数可以被设计并且应用于每个返回回波时间。如果返回回波时间落入所定义的时间窗口内，则它被认为有效。相反地，如果返回回波时间落入所定义的时间窗口之外，它被认为无效。无效回波时间被控制器400丢弃，同时有效回波被用来计算存在于罐110内的DEF105的浓度。
图6示出了对于汽车级UREA和纯净水的多个混合物（即，DEF）的声速对温度图形。基于水对UREA的量以及混合物的温度，在质量感测系统100（和组合感测系统300）中，通过流体的声速能够从约1400米每秒（m/sec）到约1680m/sec变化，换能器115与反射器135之间的物理距离是固定的。因此，在给定温度下，通过流体的声速能够由以下关系来表达：
声速(T)=D×N×2/T，其中
其中D是换能器与反射器之间的距离，
T是对于多次回波反射的时间测量，以及
N是反射的数目。
基于这个公式，控制器400对于通过DEF流体行进的超声波计算依赖于温度的声速，并且然后通过向诸如图6中所示出的查找表应用所计算的声速和测量的温度来确定UREA溶液的浓度。如可以看见的，使用多次反射将测量的分辨率增加了等于所使用反射的数目的倍数。替代地，可以使用来自图6的数据和传感器系统100的已知物理参数来产生查找表，从而使得对于给定数目的反射，控制器400能够基于所测量的温度和经过验证的回波反射时间来从表中直接地内插流体浓度。查找表的使用减少了控制器400所需要的存储器，并且提高了控制器400的处理速度。
流体105的浓度的数字或模拟表示被从控制器400传送到输出驱动器420，其将测量输送到外部控制器以用于管理和控制车辆的DEF系统的功能。输出驱动器420可能以数字驱动器形式，诸如用于直接地与车辆的数据总线通信的J1939或CAN总线，或者取决于特定应用的需要，输出驱动器420可以生成另一适当的模拟信号或数字信号。
污染物被引入到罐中（例如，当填充罐时）是可能的。表1描绘了对于当填充DEF系统时能够被引入的多个潜在污染物而不是所规定的32.5%UREA溶液的近似声速。如可以从表1中看见的，针对普通汽车液体的声速大大地不同于DEF溶液。将污染物引入到罐110中改变了液体105内的声速，这对于小偏差（诸如稀释的UREA）来说容易地被检测为UREA浓度水平的移位，或对于大偏差来说容易地被检测为超范围测量，诸如可能是柴油燃料的情况。
污染物 声速（m/sec）
柴油燃料 1350
制动液 1480
动力转向液 1480
纯净水 1480
清洗液 1590
乙二醇 1720
盐水 1830
表1
引入到DEF溶液105中的污染物能够影响DEF系统将柴油机排气中的NOx转换为氮、水以及二氧化碳的能力。因此，期望的是确定在DEF中是否存在污染物，并且污染物是什么。控制器400能够被配置成，无论何时对于给定温度测量的声速超过已经被定义在UREA浓度查找表内的声速或者降到其以下，在输出驱动器420处生成诊断输出信号或超范围输出信号。替代地，控制器400能够被用来选择性地识别特定污染物，诸如柴油燃料，并且以数字消息的形式输出该信息，或者被用来将该出现存储为诊断事件以用于将来的询问。在任一情况下，超范围输出使得DEF系统能够采取行动，从而关闭该DEF系统，或者在某些情况下禁用车辆，以防止对DEF系统组件的不可逆损害。DEF系统还能够向用户通知（例如，点亮车辆的仪表板上的情况指示灯）UREA的质量是否不能够充分地离解柴油机排气中的NOx。如说明书和权利要求中所使用的，“污染物”和“污染”指的是将污染物引入到UREA中，并且还指的是UREA的稀释（例如，水的引入）。
在液面感测系统200（和组合感测系统300）中，能够基于对于液体的已知声速和在换能器210与罐110的底部之间可能存在的任何机械偏移来计算换能器210与流体105的表面205之间的物理距离，如由以下关系式所表达的：
液面=偏移+声速(t)×T/2
其中，偏移是罐110的底部与换能器210之间的机械偏移，
声速(t)是对于该流体的依赖于温度的声速，以及
T是对于经过验证的回波反射的时间测量。
基于DEF罐中水对UREA的量以及混合物的温度，通过流体的声速在室温下能够从近似1530米每秒（m/sec)到约1680m/sec变化（参见图5和表1）。在正常操作中，DEF系统以在室温下导致1630m/sec的声速的32.5%的UREA浓度水平来工作。
控制器400基于已知机械偏移、对于回波反射测量的时间T以及对于通过DEF流体105行进的超声波215的依赖于温度的声速来计算流体液面。优选地使用查找表以基于所测量的温度来计算依赖于温度的声速。替代地，可以使用传感器系统200的已知物理参数和对于流体105的依赖于温度的声速数据来产生查找表，从而使得控制器400能够基于所测量的温度和经过验证的回波反射时间T从表中直接地内插流体液面。使用这样的表降低了存储器空间需求并且提高了控制器400的处理速度。
液面的数字或模拟表示被从控制器400传送到输出驱动器420以将测量输送到外部控制器，以用于管理和控制汽车的DEF系统的功能。输出驱动器420可能以数字驱动器形式，诸如用于直接地与车辆的数据总线通信的J1939或CAN总线，或者取决于特定应用的需要，输出驱动器420可以生成另一适当的模拟信号或数字信号。
当污染物变得与DEF105结合时，通过结合流体的声速能够大大地改变。污染物在被引入到罐100中之前变得与DEF105混合是可能的，或者污染物能够被直接地引入到罐110中，从而与DEF105混合。表1中的许多潜在污染物具有比对于由32.5%UREA组成的DEF溶液慢的声速。具体地，柴油燃料、制动液、动力转向液、清洗液以及水全部具有比与32.5%UREA溶液相关联的1630m/sec声速慢的声速。较慢的声速对于经反射的回波导致增加的测量时间，其超过所规定的DEF溶液将会发生的测量时间。因此，如果当填充罐时引入污染物，则液面传感器系统200将生成超过罐110的容量的液面测量。知道这一点，控制器400能够被编程为执行似真性检验，以通过相对于罐100的绝对物理容量比较所计算的液面，来确定污染物是否被引入到罐110中。
无论何时所测量的液面超过UREA罐的容量，控制器400都生成诊断输出或超范围输出信号。超范围输出使得DEF系统能够采取行动，从而关闭该DEF系统，或者在某些情况下禁用车辆，以防止对DEF系统组件的不可逆损害。DEF系统还能够向用户通知（例如，点亮车辆的仪表板上的情况指示灯）UREA的质量是否不能够充分地离解柴油机排气中的NOx。
诸如密度比DEF流体大的乙二醇或其它的污染物的引入能够在DEF罐110内分层，从而形成较重的污染物覆盖传感器系统300而较轻的DEF层在上面形成的层。在这样的情况下，质量（浓度）测量将反映污染物的属性，并且传感器系统300将如先前所描述地生成适当的输出。质量传感器系统100也将检测致密的污染物。
诸如密度比DEF流体小的柴油燃料、制动液、汽油以及其它的污染物的引入能够在DEF罐110内分层，从而形成较重的DEF流体层覆盖传感器系统300而较轻的污染物层在上面形成的层。在这样的情况下，由质量感测换能器115所生成的浓度测量将看起来正常，然而由于声波穿过密度更低的污染物层的行进时间较长，来自液面感测换能器210的液面测量将暗示更高的DEF105的液面。较慢的声速对于经反射的回波导致增加的测量时间，其超过所规定的DEF溶液将会发生的测量时间。因此，如果当填充罐时引入污染物，则液面感测功能将生成超过罐110的容量的液面测量。控制器400被编程为执行似真性检验以确定所确定的液面是否超过罐110的最大液面。无论何时所测量的液面超过罐110的容量，控制器400通过输出驱动器420生成诊断消息或超范围输出信号用于质量传感器输出和/或液面传感器输出。
超范围输出使得DEF系统控制器能够采取行动并且关闭该DEF系统或车辆，以防止对DEF系统组件的不可逆损害，并且此外向用户通知（例如点亮车辆的仪表板上的情况指示灯）UREA的质量是否将不能够充分地离解柴油机排气中的NOx。
控制器400还能够识别污染物在罐填充期间的引入，假定在罐内剩余的DEF流体105的液面足以使质量感测换能器115浸入，并且正被引入到罐110中的污染物比DEF较轻，如柴油燃料、制动液、汽油等的情况。在这样的情况下，结果得到的混合物将分层，其中较重的DEF在罐的底部上形成层而污染流体在DEF上形成层。由于声速在用于质量感测时间测量的DEF层与用于液面感测时间测量的DEF/污染物混合物之间不同，基于在液面操作模式下生成的回波反射时间相对于在质量操作模式下生成的回波反射时间之间的比率的液面计算将超过罐的容量。
传感器系统300包括车载诊断功能从而使得它能够检测系统300的各种组件的失效。例如，系统300当它检测到UREA的浓度水平在与UREA的液面降低的同时降低（即，被稀释）时确定存在错误。这可能当使用质量换能器115确定的声速比实际的声速较慢时引起。当系统300确定UREA正被稀释时，所计算的声速增加。由于在确定声速中的误差，可能的是罐110正被填充，从而引起UREA的稀释，但对于液面确定来说计算出UREA的液面实际上正降低。因为当UREA的液面正降低时UREA不能够被稀释，所以系统300确定错误存在。
此外，假如使用质量换能器115确定的声速比实际的声速更快，系统300确定罐110中UREA的液面高于它实际上的液面。一旦罐110被填充，就将存在所计算的液面将超过已知实际的最大液面的点。在这样的情况下，系统300确定错误存在。
紧跟温度传感器125的失效之后，传感器系统300能够继续以减少的功能性来操作。当温度传感器125失效时，控制器400基于在液面操作模式下生成的回波反射时间（换能器210）相对于在质量操作模式下生成的回波反射时间（换能器115）的比率来计算流体液面。给定质量功能横过固定的已知距离（例如，到反射器135），控制器能够通过将质量感测换能器115与反射器135之间的距离乘以所接收到的回波时间的所计算的比率来计算流体的液面。
因此，本发明提供了用于精确地确定罐内液体的质量和、或深度的系统和方法。

Claims (31)

1.一种用于确定罐中流体的质量的系统，所述系统包括：
换能器，所述换能器被配置成生成声波并且检测所述声波的回波，所述换能器被定位在所述罐的底部附近，使得所述声波朝向固定对象行进，所述固定对象被定位为离所述换能器已知距离；
温度传感器，所述温度传感器被配置成检测所述流体的温度；以及
控制器，所述控制器被配置成
产生信号以驱动所述换能器以产生所述声波，
从所述换能器接收所检测到的回波的指示，
从所述温度传感器接收所述流体的所述温度的指示，并且
基于所述流体的所述温度、从产生所述声波时到检测到所述回波时的时间段、以及至少一个如下选项来确定污染物是否存在于所述流体中：a)测量体积是否超范围，以及b)在所述流体的所述测量体积减少的同时检测到所述流体的稀释。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换能器产生超声声波。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器通过改变驱动所述换能器的所述信号的振幅来调制所述声波以提高所接收到的回波的质量。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器通过改变驱动所述换能器的所述信号的脉冲的数量来调制所述声波以提高所接收到的回波的质量。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器在和所述换能器的依赖于温度的谐振频率相匹配的频率下驱动所述换能器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器使用查找表来确定所述换能器的所述依赖于温度的谐振频率。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述回波在预定时限内被所述换能器接收到时，所述控制器确定所检测到的回波是有效的。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述回波的振幅是在预定范围内时，所述控制器确定所检测到的回波是有效的。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述回波的持续时间是在预定时间范围内时，所述控制器确定所检测到的回波是有效的。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器通过对连续回波之间的时间进行测量并且平均来增加所确定的回波时间的分辨率。
11.一种用于确定罐中流体的质量和/或量的系统，所述系统包括：
换能器，所述换能器被配置成生成声波并且检测所述声波的回波；
温度传感器，所述温度传感器被配置成检测所述流体的温度；以及
控制器，所述控制器被配置成
产生第一信号以驱动所述换能器来产生第一声波，
从所述换能器接收第一回波的指示，
从所述温度传感器接收所述流体的所述温度的指示，
确定所述第一回波是否在近场时间内被接收到，
当所述第一回波是在所述近场时间内时检测第二回波，以及
确定所检测到的第二回波的幅度是否小于预定的阈值。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，当所检测到的第二回波的幅度小于预定阈值时，所述控制器产生不同于所述第一信号的第二信号，以驱动所述换能器来产生第二声波，所述控制器确定所述第二声波的第一回波是否在近场时间中被检测到，并且当所述第二声波的所述第一回波是在所述近场时间中时检测所述第二声波的第二回波。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器产生另外的不同的信号，直到检测到具有大于所述阈值的振幅的第二回波为止。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器基于所述流体的所述温度和从检测到所述第一回波时到检测到所述第二回波时的时间段来确定所述流体中存在污染物和所述流体的体积中的一个。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置成监测所述换能器的回响时间，并且忽略在紧跟所述回响时间结束之后的预定时间段期间检测到的回波。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，基于多个所述回响时间来计算近场时间。
17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器通过改变驱动所述换能器的所述信号的振幅和改变驱动所述换能器的所述信号的脉冲的数量中的至少一个来调制所述声波以提高所接收到的回波的质量。
18.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器在与所述换能器的依赖于温度的谐振频率相匹配的频率下驱动所述换能器，所述控制器使用查找表来确定所述换能器的所述依赖于温度的谐振频率。
19.根据权利要求11所述的系统，其中，当所述回波在预定时限内被所述换能器接收到、具有落入预定范围内的振幅、具有预定时间范围内的持续时间或者前述三种情况的组合时，所述控制器确定所检测到的回波是有效的。
20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置成当所述第一回波是在所述近场时间内时检测第二回波，并且当所检测到的第二回波的幅度小于预定阈值时产生不同于所述第一信号的第二信号以驱动所述换能器来产生第二声波，所述控制器确定所述第二声波的第一回波是否在近场时间中被检测到，并且当所述第二声波的所述第一回波是在所述近场时间中时检测所述第二声波的第二回波，所述控制器被进一步配置成产生另外的不同的信号直到检测到具有大于所述阈值的振幅的第二回波为止。
21.一种用于确定罐中流体的质量和/或量的系统，所述系统包括：
第一换能器，所述第一换能器被配置成生成第一声波并且检测所述第一声波的回波；
第二换能器，所述第二换能器被配置成生成第二声波并且检测所述第二声波的回波，所述第二声波由离所述第二换能器已知距离的固定结构传回；
温度传感器，所述温度传感器被配置成检测所述流体的温度；以及
控制器，所述控制器被配置成
产生第一信号以驱动所述第一换能器来产生第一声波，
从所述第一换能器接收第一回波的指示，
从所述温度传感器接收所述流体的所述温度的指示，
确定所述第一回波是否在近场时间内被接收到，
当所述第一回波是在所述近场时间内被接收到时检测第二回波，以及
确定所述第二回波的幅度是否低于预定的阈值。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器当所检测到的第二回波的幅度小于预定阈值时产生不同于所述第一信号的第二信号以驱动所述换能器来产生第二声波，所述控制器确定所述第二声波的第一回波是否在近场时间中被检测到，并且当所述第二声波的所述第一回波是在所述近场时间中时检测所述第二声波的第二回波，所述控制器进一步配置成产生另外的不同的信号直到检测到具有大于所述阈值的振幅的第二回波为止。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器基于从产生所述第二声波时到检测到所述回波时的时间段来确定所述流体中存在污染物，并且基于从产生所述第一声波时到检测到所述第一回波时的时间段和从检测到所述第一回波时到检测到所述第二回波时的时间段中的一个来确定所述罐中所述流体的体积。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制器使用所述流体的所述温度来确定所述流体中存在污染物和所述罐中所述流体的体积。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器通过改变驱动所述第一换能器的所述信号的振幅和改变驱动所述第一换能器的所述信号的脉冲的数量中的至少一个来调制所述第一声波以提高所接收到的回波的质量，并且其中，所述控制器通过改变驱动所述第二换能器的所述信号的振幅和改变驱动所述第二换能器的所述信号的脉冲的数量中的至少一个来调制所述第二声波以提高所接收到的回波的质量。
26.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器在与所述换能器的依赖于温度的谐振频率相匹配的频率下驱动所述第一和第二换能器，所述控制器使用查找表来确定所述换能器的所述依赖于温度的谐振频率。
27.根据权利要求21所述的系统，其中，当所述回波在预定时限内被所述第一换能器接收到、具有落入预定范围内的振幅、具有预定时间范围内的持续时间或前述的组合时，所述控制器确定所述第一声波的所检测到的回波是有效的，并且其中，当所述回波在预定时限内被所述第二换能器接收到、具有落入预定范围内的振幅、具有预定时间范围内的持续时间或前述三种情况的组合时，所述控制器确定所述第二声波的所检测到的回波是有效的。
28.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器基于从产生所述第二声波时到检测到所述回波时的时间段与从产生所述第一声波时到检测到所述第一回波时的时间段和从检测到所述第一回波时到检测到所述第二回波时的时间段中的一个的比率来确定所述罐中流体的体积。
29.一种用于确定罐中流体的质量和/或量的系统，所述系统包括：
第一换能器，所述第一换能器被配置成生成第一声波并且检测所述第一声波的回波；
第二换能器，所述第二换能器被配置成生成第二声波并且检测所述第二声波的回波，所述第二声波由离所述第二换能器已知距离的固定结构传回；
温度传感器，所述温度传感器被配置成检测所述流体的温度；以及
控制器，所述控制器被耦合到所述第一换能器、所述第二换能器以及所述温度传感器，并且具有车载诊断，所述车载诊断被配置成
基于不正确计算的通过所述流体的声速来检测错误条件，并且
生成指示所检测到的所述错误条件的信号。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所计算的通过所述流体的声速是错误地低的，并且所述控制器基于所确定的所述流体的稀释和所确定的所述流体的液面的下降来检测所述错误条件。
31.根据权利要求29所述的系统，其中，所计算的通过所述流体的声速是错误地高的，并且所述控制器基于所确定的所述流体的液面超过最大极限来检测所述错误条件。
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