CN103403506B - 用于测定流体混合物的成分的浓度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测定在流体腔（103）中的流体混合物（101）的成分（102）的浓度的方法，包括：将超声波脉冲（104）射入流体混合物（101）中，超声波脉冲（104）在至少两个阻抗阶跃处被反射之后，接收超声波脉冲（104）的反射（107）作为测量信号，依据测量信号测定流体混合物（101）的成分（102）的浓度。一种装置设置用于实施该方法。

Description

用于测定流体混合物的成分的浓度的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测定流体混合物的成分的浓度的方法。此外本发明还涉及一种用于测定流体混合物的成分的浓度的相应装置。
背景技术
借助于超声波，可以根据其典型的声速来识别流体（脉冲-反射-方法，Impulse-Echo-Verfahren）。为此，测量超声波需要用于预定的传播路径的传播时间。为区分液体混合物的不同浓度或者不同的液体，对传播时间差进行评估。传播时间差处于微秒范围。传播时间越长，传播时间差在浓度相同时差别就越大。
在机动车中例如为了进行液位测量而应用这种脉冲-反射-方法来测定油箱中的流体量。此外，这种脉冲-反射-方法用于测定流体混合物、特别是双组分混合物的浓度。
为了得到尽可能好的浓度分辨率，需要提供尽可能长的传播距离。
US5，650，571示出了节能信号处理装置的应用的各种实施方式。在此，在一个实施例中说明了一种借助于超声波的液位测量，并且在另一个实施例中说明了一种借助于超声波的浓度测量。
B.Henning,et.al.“In-line concentration measurement in complex liquidsusing ultrasonic sensors”,Ultrasonics(2000)799–803以及J.A.Bamberger,M.S.Greenwood“Measuring fluid and slurry density and solids concentrationnon-invasively”,Ultrasonics,42(2004)563–567分别说明了一种用于表征液体混合物的传感器系统，其中为了测量，超声波脉冲分别在两个相对设置的声变换器中交替被反射，并且对反射进行评估。
值得期望的是，给出一种方法以及相应的装置，该方法或装置能够实现结构空间减小以及高精度评估。
发明内容
本发明的特征在于一种方法以及一种用于实施该方法的装置。
在一个实施方式中，为了测定在流体腔中的流体混合物的成分的浓度，将超声波脉冲射入流体混合物中。超声波脉冲在至少两个阻抗阶跃（Impedanzspruengen）处被反射之后，接收超声波脉冲的反射作为测量信号，其中通过流体混合物与空气的过渡，形成两个阻抗阶跃中的一个阻抗阶跃。依据测量信号测定流体混合物的成分的浓度。
特别是通过装置的安装状态来预定流体腔的几何结构。在发射和接收反射之间的超声波脉冲所经过的总路径通过在至少两个处于流体腔的预定几何结构中的阻抗阶跃处的反射来延长。借此也延长了在发射与接收之间的超声波脉冲传播时间。因此与在仅一个阻抗阶跃处的单次反射相比，在测定处于该结构空间的几何结构中的流体混合物成分的浓度时提高了精度。
在为了测定浓度而预定精度时可能的是，尽管保持精度但缩小流体腔。
在另一个实施方式中，超声波脉冲在至少两个阻抗阶跃处分别交替地被反射多次之后，接收反射。例如超声波脉冲总共至少被反射十一次。特别是超声波脉冲在两个阻抗阶跃中的首先反射超声波脉冲的第一阻抗阶跃处被反射六次之后，接收反射，并且每个在第一个阻抗阶跃上的两次反射间的超声波脉冲在两个阻抗阶跃中的第二个阻抗阶跃上被反射。
因此总路径并且进而传播时间被进一步延长，由此进一步提高了在测定浓度时的精度或可进一步缩小流体腔。
在一个实施方式中，装置包括超声波转换器和用于使超声波转换器运行的控制单元。超声波转换器设置用于将超声波脉冲射入流体混合物中。超声波转换器还设置用于接收作为测量信号的反射。控制单元设置用来提供用于超声波转换器的信号，以使超声波转换器发超声波脉冲。此外该控制单元设置用于依据测量信号来测定流体混合物的成分的浓度。
两个阻抗阶跃特别如此设置，从而使超声波脉冲在第一阻抗阶跃处这样被反射，从而使超声波脉冲在这个阻抗阶跃处反射之后射到另一个阻抗阶跃上。
此外至少两个阻抗阶跃这样设置，从而使超声波脉冲在另一个阻抗阶跃处这样被反射，从而使超声波脉冲在另一个阻抗阶跃处反射之后再次射到这个阻抗阶跃上。因此可能的是，超声波在两个阻抗阶跃处被多于两次地反射，由此能延长超声波脉冲的总路径并且进而传播。
特别地，另一个阻抗阶跃在流体腔中局部地布置在超声波转换器的区域中。例如另一个阻抗阶跃在超声波转换器的上表面处，从而使超声波脉冲在超声波转换器上被反射。
附图说明
进一步的优点、特征和改进方案由下列结合附图3说明的实例给出。所描述的构件和彼此的尺寸比例基本上不被看作是按比例的。
附图示出：
图1是示例性的装置的示意图，
图2是所接收的反射的走势，和
图3是根据本发明的装置的参照一个实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出了装置100的示意图。装置100包括超声波转换器110。装置100还包括使超声波转换器110运行的控制单元120。
超声波转换器110是同样用作超声波接收器的超声波源。在实施方式中，超声波源与超声波接收器是分离的部件。
控制单元120与超声波转换器110连接。控制单元120设置用来提供用于使超声波转换器运行的信号，从而使超声波110根据信号发出超声波脉冲。此外控制单元120设置用于从超声波转换器接收测量信号。
超声波转换器110布置在流体腔103上。流体腔由侧壁109围绕。流体腔至少部分地填充有流体混合物101。
流体混合物101例如包括两种成分。两种成分中的一种成分102的浓度被测定。例如流体混合物是包括尿素和水的混合物，其应用在SCR催化器（SCR:选择性催化降低,英语:selective catalytic reduction）中用来对机动车的尾气再处理。在本实例中，流体混合物101的成分102是尿素。
在流体腔103中布置有两个阻抗阶跃105和106。在示出的实施例中，第一阻抗阶跃105是超声波转换器110的面向流体腔103的上表面。第二阻抗阶跃106在流体腔中相对于第一阻抗阶跃105布置，从而使由超声波转换器110发出的超声波脉冲104在两个阻抗阶跃105和106之间来回反射。
在示出的实施例中，超声波转换器110布置在侧壁109上，并且通过侧壁将超声波脉冲射入流体混合物101中。在另一实施方式中，超声波转换器布置在流体腔中，从而使其与流体流体混合物101相接触。此外可能的是，将超声波转换器安装在流体混合物流经的管路上，其中这样安装超声波转换器，从而横向于流体混合物的流动方向地发出超声波脉冲104。
超声波转换器110发出超声波脉冲104，该超声波脉冲在阻抗阶跃106处被反射回超声波转换器110或阻抗阶跃105。在示出的实施例中，流体腔103的与超声波转换器110相对设置的侧壁109用作阻抗阶跃106。为加强反射波可选择设置一个超声波反射器108。
超声波在阻抗阶跃106被反射之后，其到达阻抗阶跃105被再次反射。超声波在阻抗阶跃105上再次被反射，从而使其射到阻抗阶跃106，在阻抗阶跃106上其再一次被反射。接着超声波脉冲第二次射到超声波转换器110上。这样重复，直到超声波脉冲消退。
在图2示出超声波转换器110的前六个反射的发射与接收。在大约0秒到大约20微秒的范围内发出超声波104。第一反射在大约50微秒后到达传感器。大约每50微秒，其他反射到达超声波转换器110。
控制单元120依据源于接收到的反射107的测量信号来测定流体混合物101的成分102的浓度，该反射不仅至少一次在阻抗阶跃106处而且至少一次在阻抗阶跃105处被反射。控制单元120依据源于第二个或者紧接着接收到的反射的测量信号来测定流体混合物101的成分102的密度。
在发射和接收被控制单元120使用的反射之间的超声波脉冲所经过的总路径由用于进行评估的反射得出。如果为了测定成分的浓度而使用第二个到达的反射，则总路径是两个阻抗阶跃105和106的间距的四倍。如果将第六个到达的反射用于评估，则总路径是两个阻抗阶跃105和106的间距的十二倍。例如间距总计36毫米，在估算第六次到达的反射波时总路径总计为432毫米。
普遍的是，总路径等于两个阻抗阶跃105和106之间的间距乘以接收到的反射的序号的两倍，该反射用于测定流体混合物101成分102的浓度。
控制单元120测量在发射超声波脉冲104和接收反射107之间的传播时间。反射107是接收到的反射。其为了测定成分102的浓度而被用作测量信号。由测量到的传播时间和算出的总路径可算出流体混合物101中的声速。该声速表征了在流体混合物101中成分102的浓度，从而能根据声速测定成分的浓度。
在实施方式中，预先给定接收到的、用于测定浓度的反射107的序号。借此已知了总路径，以便依据传播时间来测定浓度。
通过将第二个到达的反射波用作为测量信号用于测定浓度，或者将紧接着到达的反射波用作测量信号，相对于其中使用第一个到达的反射波的常规方法，提高了超声波脉冲的总路径并且进而传播时间。由此在测定浓度时提高了精度，这是因为随着传播时间更长，在成分的浓度不同时的传播时间差更大。
在不变地预定精度时可能的是，通过评估第二个或紧接着到达的反射来缩小流体腔103的结构腔，例如减小两个阻抗阶跃105和106之间的间距。
图3示出了图1的参照一个根据本发明的实施方式的装置100。不同于图1之处在于，阻抗阶跃106并不布置在流体腔的相对设置的侧壁上，而是作为流体混合物101与另一种介质、特别空气的过渡111。根据这个实施例，除了测定浓度以外，超声波转换器110和控制装置120也用于测定在流体腔103中的流体混合物101的液位高度。

Claims (14)

1.一种用于测定在流体腔(103)中的流体混合物(101)成分(102)的浓度的方法，包括：
-将超声波脉冲(104)射入所述流体混合物(101)中，
-所述超声波脉冲(104)在至少两个阻抗阶跃(105；106)处被反射之后，接收所述超声波脉冲(104)的反射(107)作为测量信号，其中通过所述流体混合物(101)与空气的过渡(111)，形成所述两个阻抗阶跃(105；106)中的一个阻抗阶跃(106)，其中，接收的所述反射(107)在第一阻抗阶跃(106)处至少反射一次并且在第二阻抗阶跃(105)处至少反射一次，
-依据所述测量信号测定所述流体混合物(101)的所述成分(102)的所述浓度，其中，通过两个阻抗阶跃之间的间距和接收到的反射的数量获得在发射和接收反射之间的超声波脉冲所经过的总路径。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
-所述超声波脉冲(104)在至少两个所述阻抗阶跃(105；106)处分别交替地被反射多次之后，接收所述反射(107)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括：
-所述超声波脉冲(104)在至少两个所述阻抗阶跃(105；106)处分别交替地被反射总共至少11次之后，接收所述反射(107)。
4.一种包括超声波转换器(110)和用于使所述超声波转换器(110)运行的控制单元(120)的装置，其中所述装置设置用于实施根据权利要求1至3中任一项所述的方法。
5.根据权利要求4所述的装置，其中至少两个所述阻抗阶跃(105；106)这样布置，从而使所述超声波脉冲(104)在所述阻抗阶跃(106)处这样被反射，即所述超声波脉冲(104)在所述阻抗阶跃(106)处反射之后射到另一个所述阻抗阶跃(105)上。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中至少两个所述阻抗阶跃(105；106)这样布置，从而使所述超声波脉冲(104)在另一个所述阻抗阶跃(105)处这样被反射，即所述超声波脉冲(104)在另一个所述阻抗阶跃(105)处反射之后射到所述阻抗阶跃(106)上。
7.根据权利要求4或5所述的装置，其中由所述超声波转换器(110)发出所述超声波脉冲(104)，所述超声波转换器布置在所述流体腔(103)上，并且由所述超声波转换器(110)接收所述反射(107)，其中另一个所述阻抗阶跃(105)在所述流体腔中局部地布置在所述超声波转换器(110)的区域。
8.根据权利要求6所述的装置，其中由所述超声波转换器(110)发出所述超声波脉冲(104)，所述超声波转换器布置在所述流体腔(103)上，并且由所述超声波转换器(110)接收所述反射(107)，其中另一个所述阻抗阶跃(105)在所述流体腔中局部地布置在所述超声波转换器(110)的区域。
9.根据权利要求4或5所述的装置，其中在所述超声波转换器(110)和所述阻抗阶跃(106)之间具有间距，并且所述控制单元设置用于依据总路径来测定所述流体混合物(101)的所述成分(102)的所述浓度，所述总路径由所述间距和在至少两个所述阻抗阶跃(105；106)处的所述反射的数量得出。
10.根据权利要求8所述的装置，其中在所述超声波转换器(110)和所述阻抗阶跃(106)之间具有间距，并且所述控制单元设置用于依据总路径来测定所述流体混合物(101)的所述成分(102)的所述浓度，所述总路径由所述间距和在至少两个所述阻抗阶跃(105；106)处的所述反射的数量得出。
11.根据权利要求4或5所述的装置，其中所述超声波转换器这样布置，从而使所述超声波脉冲(104)在所述流体腔(103)的侧壁(109)上被反射。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述超声波转换器这样布置，从而使所述超声波脉冲(104)在所述流体腔(103)的侧壁(109)上被反射。
13.根据权利要求4或5所述的装置，其中所述超声波转换器，这样布置，从而使所述超声波脉冲(104)在所述流体混合物(103)与空气的所述过渡(111)处被反射。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述超声波转换器，这样布置，从而使所述超声波脉冲(104)在所述流体混合物(103)与空气的所述过渡(111)处被反射。
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Title
Measuring fluid and slurry density and solids concentration non-invasively;Judith A. Bamberger, Margaret S. Greenwood;《Ultrasonics》;20040401;正文第3节measuring density，附图1-4、6 *

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