CN106033051A - 用于检测溶液浓度的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测溶液浓度的装置。具体而言，在本文中描述了一种用于检测在溶液中的给定成分的浓度，优选地检测与水的溶液中的尿素的浓度的装置，包括：用于发射辐射的器件(2)；用于接收辐射的至少一个器件(4)，其预先布置为用于确定前述辐射的至少一个特性；和光导向件(6)，其预先布置为用于将前述发射器件光学地连接至前述接收器件，其中，前述光导向件(6)具有至少一个表面，该至少一个表面与前述溶液接触，以便确定前述传播介质与前述溶液之间的分界面。装置还包括控制器件(100)，该控制器件(100)构造成用于获得指示前述溶液中的前述化合物的浓度的值，该值作为来自前述接收器件的信号的函数。

Description

用于检测溶液浓度的装置
技术领域
本发明涉及用于检测溶液浓度、优选地为在与水的溶液中的尿素浓度的装置。
背景技术
如所知，在本领域中存在设计为减少氧化氮排放的装置，其包括催化系统，在该催化系统中，尿素溶液注入由废气穿过的隔间中，该尿素溶液热离解以便释放氨，氨与氧化氮结合以便减少它们并获得自由的氮和水。该催化系统称作选择性催化还原(SCR)。所讨论的该系统对所使用的尿素和水溶液中的尿素浓度值进行控制，以便适当地校准其自身的操作模式。具体而言，作为浓度值的函数，该系统改变注入反应室中的溶液的流速。此外，该系统核查浓度值保持在预定范围内，以便保证该系统自身的正确的操作。
前述导致需要在车辆上安装传感器装置，该传感器装置设计为确定溶液中的尿素浓度。
在所讨论的技术领域中，还感受到需要能够在车辆上核实用于上面提及的催化系统的溶液有效地包含尿素。实际上已注意到以下风险：其他液体与所讨论的溶液意外地混合，诸如例如发动机冷却剂或柴油。在冷却剂循环系统中的泄漏的情况下，冷却液可与包含溶液的储存器内的水和尿素溶液混合，该溶液在车辆发动机的启动期间由冷却液加热。同样，在储存器位于柴油箱附近的情况下，柴油可被错误地引入尿素和水的溶液的储存器中。外来液体的存在的另一原因是由欺骗性动作描述的，该动作由此代替尿素和水的溶液，供应具有低得多的成本的一些其他类型的液体(不管是否是代用品)。
发明内容
发明的目的
在所讨论的技术领域中，本发明的目的为提供一种传感器装置，其将能够满足前述要求中的一个或更多个，并且同时将呈现精确且可靠的操作。
上述目的由于呈现在所附权利要求中说明的特性的传感器装置而实现。
权利要求形成与本发明相关地在本文中提供的技术教导的整体部分。
附图说明
根据参照附图的随后的描述，本发明的更多特性和优点将清楚地显现，附图是作为非限制性实例而提供的，并且在附图其中：
- 图1是在本文中描述的装置的实施例的透视图；
- 图2是图1的装置的分解透视图；
- 图3是在本文中描述的传感器装置的第二实施例的分解透视图；
- 图4是包括控制器件的图1的装置的示意图，该装置装备有该控制器件；
- 图5是用实验方法获得的尿素和水的溶液的特性图，其标绘出在尿素的浓度改变时，本文中描述的装置中的辐射强度损失；并且
- 图6是与图5相似的用于水和氯化钠的溶液的图。
具体实施方式
在随后的描述中，例示出了各种具体细节，其旨在提供实施例的深入理解。可在没有具体细节中的一个或更多个的情况下，或通过其他方法、成分或材料等情况下获得该实施例。在其它情况下，未详细地示出或描述已知的结构、材料或操作，以便实施例的各种方面将不会难以理解。
在本文中使用的引用仅是出于便利的原因而提供的，并因此不限定保护的范围或实施例的范畴。
本发明涉及一种装置，其用于检测溶液的浓度，优选地为与水的溶液中的尿素的浓度。水中尿素的浓度的测量构成优选的应用，本申请人已经为该优选的应用开发了所讨论的新装置。在任何情况下，本申请人已经发现，如将在下文中所讨论的，在本文中描述的装置可在任何速率下用于测量其他溶液的浓度。
在各种实施例中，如在图1至4中示出的实施例中，在附图中通过标号10指出的传感器装置包括光辐射的发射器2、用于接收光辐射的至少一个器件4、和将接收器件光学地联接至发射器的传播介质或光导向件6。如将在之后更详细地看到的，传播介质构造为以便呈现至少一个表面，该至少一个表面在装置的操作期间保持浸在待测量浓度的溶液中。传播介质与溶液之间的分界面(其以传播介质的折射率和溶液的折射率为特征)与装置的其他参数一起确定穿过传播介质10的光辐射的量和相反地分散在溶液内的辐射的量。图4示意地例示出了在本文中描述的装置的构造。
现在应当注意到的是，本申请人已发现，至少在包括0％和50％之间的水中的尿素的浓度的范围内(本文中描述的传感器装置的使用条件无疑落在该范围内)，水中的尿素溶液的折射率值线性地取决于溶液中的尿素浓度值。由此可见，尿素浓度值可从溶液的折射率值直接导出。
在本文中描述的装置的框架中，由于传播介质与溶液之间的分界面，溶液的折射率与辐射的强度损失相关。该损失可基于由接收器件检测的强度值来计算。因此，可作为由接收器件检测的强度值的函数而导出被测量的溶液中的尿素浓度值。依据前述，在本文中描述的装置因而包括控制器件100，控制器件100构造为用于获得如下值，该值作为来自接收器件的信号的函数指示尿素的浓度。
在各种实施例中，控制单元构造成用于基于来自接收器件的信号而获得指示前述强度损失的值。在各种实施例中，如在所例示出的一个实施例中，控制器件包括计算模块102，该计算模块102设计为通过用实验方法导出的数学函数从强度损失值开始确定尿素浓度值。在各种实施例中，控制单元包括储存模块，该储存模块包含一个或更多个映射，这些映射也是用实验方法导出的，代表强度损失值与尿素浓度值之间的匹配，并且控制单元构造成用于基于前述映射获得与给定的强度损失值对应的浓度值。
前述函数或前述映射相关地设置在传播介质中发生的强度损失值与测得的溶液中的尿素浓度值。优选地，它们是在装置的校准过程期间用实验方法获得的。
根据优选实施例，作为第一步骤，校准过程设想获得在传播介质为空气的条件下穿过传播介质的辐射的强度损失值。这允许确定装置内在的损失，即，基本由光学纤维的几何形状和由与其直接地关联的各种参数导致的损失。接着，该过程设想对于一系列条件，在传播介质浸在溶液中的情况下获得强度损失的值，这些条件关于溶液中的尿素浓度值而彼此不同(例如，分别对于0％、32.5％、50％的浓度)。基于采集的数据，有可能推导出实验规律，即，在校准的具体装置中将测得的强度损失与溶液中的尿素浓度联系起来的函数。应当注意的是，在例示出的实施例的实例中，该规律是线性类型的。如在上面已看到的，控制单元使用以期望的方式获得的函数和/或值的对应映射，以基于由接收器件接收的信号而获得与所获得的强度损失的值对应的尿素浓度值。如在开始提到的，导出的浓度值由计算系统的控制单元用在输入处，以用于校准系统的操作模式。
在各种优选实施例中，如在例示出的一个实施例中，控制单元还构造成用于将发现的浓度值与最大参考值和最小参考值比较，并且用于在发现的值落在由两个参考值限定的范围外的情况下识别警报状态。
清楚的是，为了确定尿素浓度值，控制器件还可使用从来自接收器件的信号直接地导出的强度的值，而不获得在传播介质中发生的强度损失，从而将该强度值考虑为上述损失的间接指示；为了这样做，清楚的是，假定由发射器发射的辐射的强度在时间上保持恒定，否则实现设计为将强度保持为实际上恒定的器件。
如从前述所显现的，在本文中描述的装置因而能够确定水中的尿素的浓度，并且此外能够核实其是否在本说明书的开始处提及的期望的操作范围内。
此外，为了能够以信号告知被测量的溶液中的污染物(尤其是不可混合污染物)的存在，装置的控制器件还可构造为以便能够检测由接收器件接收的信号的稳定的和突然的变化，或者在任何情况下，能够检测基于前述信号由控制器件处理的值的如下变化，这些变化代表因光学纤维事实上已由污染物覆盖(因而改变了纤维与溶液之间的分界面的光学特性)而引起的，在纤维中发生的光强度的损失的急剧的和非渐进的变化。控制器件还构造成用于作为前述检测的结果而指示警报状态。
现在应当注意到的是，本申请人还已发现，在如上所述的装置的框架中，三个不同波长范围中的辐射的强度损失在尿素的浓度变化时都遵循相应的变化规律。对于所考虑的波长范围，前述规律或函数的组对于所讨论的尿素和水的溶液是特定的，并且因而构成溶液的一种标志(fingerprint)。
就此而论，图5例示出一个图，在其横坐标上显示的是尿素浓度值C(以重量百分比表示)并且在其纵坐标上显示的是强度损失值P；在存在包含范围从0％至50％的尿素的浓度的溶液的情况下，代表的强度损失以百分比表示并且指示可归因于在上面讨论的分界面的损失。三个直线代表红色(系列1)、绿色(系列2)、和蓝色(系列3)中的作为尿素的浓度的变化的函数的光导向件中的强度损失的标绘。
其中，如从上述图中所显现的，三个不同波长范围中的损失在水中的尿素的浓度变化时保持基本恒定的比率。
还已为与红色、蓝色和绿色的系列不同的波长范围组合获得了该类型的图。
本申请人因而已经考虑利用上述发现，以便确定一种控制方法，经由该控制方法来核实经历测量的溶液正好是期望的尿素和水的溶液。
出于该目的，在各种实施例中，如在例示出的一个实施例中，发射器件构造成用于以至少三个不同的波长范围发射辐射，且接收器件构造成用于检测同样的三个范围中的辐射。
控制器件构造成用于对于第一个波长范围，通过应用用于前述第一范围的溶液的特性函数，获得具有前述形式(modality)的尿素浓度值。
控制器件还构造成用于为其他两个波长范围处理来自接收器件的信号，并且用于核实这些信号的对应值是否与之前发现的尿素浓度值一起满足用于其他两个波长范围的溶液的两个特性函数。
在各种优选实施例中，如在例示出的一个实施例中，控制器件构造成用于获得指示三个不同波长范围中的辐射的强度损失值，并且用于对于第一个波长范围，通过应用用于该第一范围的溶液的特性函数，导出处于之前描述的形式的尿素浓度值。控制器件还包括比较模块，该比较模块设计为核实其他两个波长范围的指示强度损失的值是否与之前导出的尿素浓度值一起满足用于该其他两个波长范围的溶液的两个函数。
在各种实施例中，控制器件构造成用于在不满足给定函数的情况下指示警报状态。通过这样做，装置因而能够检测外来液体的存在。在这些核实的背景下，控制器件可清楚地使用容许阈值。
同样在该情况下，清楚的是，控制器件还可使用从来自接收器件的信号直接地导出的强度值，而不获得在传播介质中发生的强度损失。
现在应当注意的是，图6代表用于水和氯化钠的溶液的与图5的图类似的图。如从该图明显可见的，同样对于水和氯化钠的溶液，检查的三个范围中(红色、蓝色和绿色)的辐射的强度损失呈现出保持基本恒定且为溶液类型的特性的相互比率。该比率与尿素和水的溶液的比率明显不同。
本申请人已经获得用于水中的其他类型溶液(例如乙二醇、乙醇、乙酸、甲醇等的溶液)的相同类型的图，并且对于所有的这些，已在检查的三个范围中确定了强度损失之间的比率，其对于溶液的类型而言是特定的。
这显示了，在本文中描述的装置还可有效地用在与在本文中讨论的一个应用不同的应用中。
应当注意到的是，本申请人已发现，与在上面所讨论的控制方法相似的控制方法还可参照仅两个不同的波长范围，以及多于三个的多个范围来执行。
现参照图1至3，在各种实施例中，如在图2和图3中示出的实施例中，传播介质6由光学纤维组成，该光学纤维遵循以下发展形式：对于至少一部分具有给定的方向变化，该改变本身是恒定或可变的，以便将穿过传播介质的辐射的强度损失集中在该部分中。在各种优选实施例中，如在图1至3中例示出的一个实施例中，传播介质6具有大体U形发展形式。
该装置包括具有圆柱形几何形状的基底元件12，该基底元件12在与基底主体的轴向方向平行的方向上具有相应的开口12A、12B，开口12A、12B用于接收光学纤维的两个直线端部部分。具有对应开口16A、16B的盘16通过衬垫17的介入而联接至主体12，该衬垫17定位在开口12A、12B和16A、16B处，以便光学纤维的接收在主体12中的直线部分与尿素和水的溶液隔离。
纤维从基底主体12和盘16的组突出，其中其肘形部分(并且可能地，直线部分)组成容纳在基底主体中的端部部分的延长部分，以便其可浸入尿素和水的溶液中。在各种实施例中，如在图2和图3中示出的一个实施例中，基底主体在与光学纤维由其突出的一侧相反的侧部上具有：第一座12C(在图2中可见)，其延伸出到基底主体的两个开口中的一个中，其设计为接收发射器2；和第二座12D(其在图2中也可见)，其延伸出到基底主体的另一开口中，其设计为接收接收器件4。
在各种优选实施例中，如在图2和3中例示出的一个实施例中，发射器是LED光源，优选地由驱动模块110管理，该驱动模块110构造成用于为光源供应适当的电流信号。在其中装置预先布置为用于在三个不同波长范围中的辐射下操作的实施例中，前述光源优选地包括设计为发射不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的光的三个LED。在各种实施例中，如在例示出的实施例中，接收器件是光电检测器(例如光电二极管)，其适于检测发射器操作的波长范围或多个波长范围中的辐射。在其中装置在三个波长范围中操作的实施例中，接收器件优选地为具有三个波长带的光电传感器(例如RGB类型的)。
在本文中描述的装置还包括保护性的外壳14，外壳14通过衬垫15的介入而联接至基底主体12，构造成用于相对于冲击保护从基底主体突出的光学纤维的部分。该外壳在顶部处具有顶部开口14A，可通过该顶部开口14A用待测量的溶液填充其，以便光学纤维将因此完全地浸没。
外壳14在内侧具有环形表面14'，该环形表面14'面对外壳的与具有开口14A的一个端部相反的端部，靠着该环形表面，衬垫15和主体12和盘16的整体由主体13包裹，以用于封闭旋入外壳14中的装置。
在各种实施例中，如在例示出的实施例中，在本文中描述的装置还包括第二接收器件22，预先布置该第二接收器件22以用于在沿着光学纤维6引导由发射器发射的辐射之前检测指示其强度的值。在各种实施例中，如在例示出的一个实施例中，所讨论的接收器件设定为紧接发射器，以便能够直接地接收由发射器发射的辐射的部分。在各种优选实施例中，如在图2中例示出的一个实施例中，出于该目的，预先布置座12C以用于一起接收发射器和第二接收器件。在各种备选实施例中，如在图3中例示出的一个实施例中，第二接收器件22改为在另一座12E内设定在离发射器某一距离处，该座12E在与在其中提供座12C和12D的相同侧上形成在基底主体12中，并且第二接收器件22经由完全地包含在主体12中的另一光学纤维24连接至基底主体12。图2和3的实施例因此基本上通过图3的实施例中的另一光学纤维24的存在来辨别。
与发射器由LED光源构成的情况相比，应当注意，LED的特征在于除主发射光束之外次级侧光束的存在，该次级侧光束通常决不用于照明的目。
基于在上面已描述的内容，在本文中描述的装置的框架中，取而代之，前述次级光束用于精确地获得由光源发射的辐射的强度值。本申请人在此方面已发现，存在主光束的强度与次级光束的强度之间的比率K。基于该比率，因而通过确定次级光束的强度，可能获得主光束的强度。
在各种实施例中，如在例示出的一个实施例中，装置的控制器件因而构造成用于将由第二接收器件检测的强度乘以因数K，并且将因而获得的值用作参考值，可从该参考值开始基于由第一接收器件检测的强度计算强度损失。
通过第二接收器件进行的核查允许考虑因外部参数(诸如例如温度)或因发射器的老化引起的发射器所产生的亮度的变化，以便装置将能够贯穿其寿命周期保证精度和可靠的检测。
当然，在不损害本发明的原理的情况下，构造和实施例的细节可相对于仅作为非限制实例在本文中已示出的那些改变、甚至较大地改变，而不因而脱离如由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (15)

1. 一种用于检测溶液中给定成分的浓度，优选地检测与水的溶液中的尿素的浓度的装置，包括：用于发射辐射的器件(2)；用于接收辐射的至少一个器件(4)，其预先布置为用于确定所述辐射的至少一个特性；和光导向件(6)，其预先布置为用于将所述发射器件光学地连接至所述接收器件，其中，所述光导向件(6)具有至少一个表面，所述至少一个表面与所述溶液接触，以便确定所述光导向件与所述溶液之间的分界面，
其中，所述装置包括控制器件(100)，所述控制器件(100)构造成用于获得指示所述溶液中的所述成分的浓度的值，该值作为来自所述接收器件的信号的函数。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光导向件遵循以下发展形式：对于至少一个部分，具有给定的方向变化，以便将穿过所述光导向件的辐射的强度损失集中在所述部分中，其中，所述部分限定所述表面的与所述溶液接触的至少局部，优选地，其中，所述光导向件具有大体U形的发展形式，并且其中，所述导向件的肘形部分限定所述表面的与所述溶液接触的至少局部。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述接收器件构造成用于检测辐射强度值。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述控制器件(100)构造成用于处理指示从来自所述接收器件(4)的信号导出的辐射强度的值，以便获得指示浓度的所述值。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述控制器件(100)构造成用于基于来自所述接收器件(4)的信号获得指示穿过所述光导向件(6)的辐射的强度损失的值。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述控制器件包括计算模块(102)，所述计算模块(102)设计为通过用实验方法导出的数学函数，从通过由所述接收器件接收的信号导出的辐射强度值开始，确定指示所述成份的浓度的所述值，并且/或者其中，所述控制单元包括储存模块，所述储存模块包含用实验方法导出的一个或更多个映射，所述映射代表浓度值与辐射强度值之间的匹配，并且其中，所述控制单元构造成用于基于从由所述接收器件接收的信号导出的辐射强度值，通过所述映射获得指示浓度的所述值。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，包括用于接收辐射的第二器件(22)，所述第二器件(22)预先布置为用于检测不在所述光导向件中传播的由所述发射器(2)发射的辐射。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二接收器件(22)预先布置为用于检测辐射强度值，并且其中，所述控制器件(100)构造成用于确定指示沿着所述光导向件(6)引导的由所述发射器(2)发射的辐射的强度的值，该值作为由所述第二接收器件接收的信号的函数。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述接收器件(4)是第一接收器件并且构造成用于检测辐射强度值，并且其中，所述控制器件(100)构造成用于，基于来自所述第一和第二接收器件(4、22)的信号，获得指示穿过所述光导向件的辐射的强度损失的值。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述发射器件(2)构造成用于发射处于不同的至少一个第一波长范围和一个第二波长范围中的辐射，并且所述接收器件(4)构造成用于检测同样范围中的辐射。
11. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述控制器件(100)构造成用于对于所述第一波长范围获得指示所述溶液中的所述化合物的浓度的值，所述值作为来自所述接收器件的第一信号的函数，并且用于对于所述第二波长范围，核实指示浓度的所述值和从来自所述接收器件的第二信号导出的辐射强度值是否满足用于所述第二波长范围的给定函数、所述溶液的特性。
12. 根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制器件包括比较模块，所述比较模块设计为核实指示从来自所述接收器件的所述第二信号导出的辐射强度的值是否与指示浓度的所述值一起满足所述溶液的所述特性函数。
13. 一种用于检测溶液内的成分的浓度，优选地为检测尿素和水的溶液内的尿素的浓度的方法，包括以下步骤：
- 提供：用于发射辐射的器件(2)；用于接收辐射的至少一个器件(4)，其预先布置为用于确定所述辐射的至少一个特性；和光导向件(6)，其预先布置为用于将所述发射器件光学地连接至所述接收器件，其中，所述光导向件(6)具有至少一个表面，所述至少一个表面与所述溶液接触，以便确定所述光导向件与所述溶液之间的分界面，
- 从所述发射器(2)发射辐射，并且从所述接收器件(4)获得信号，和
- 获得指示所述溶液中的所述成分的浓度的值，所述值作为来自所述接收器件(4)的信号的函数。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过用实验方法导出的数学函数，从通过由所述接收器件接收的信号导出的辐射强度值开始，确定指示所述成分的浓度的所述值，并且/或者提供用实验方法导出的一个或更多个映射，所述映射代表浓度值与辐射强度值之间的匹配，并且基于从来自所述接收器件的信号导出的辐射强度值，通过所述映射获得指示浓度的所述值。
15. 根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
- 提供：发射器件，其构造成用于发射处于不同的至少一个第一波长范围和一个第二波长范围的辐射；和接收器件，其构造成用于检测同样范围中的辐射；
- 对于所述第一波长范围获得指示所述溶液中的所述化合物的浓度的值，所述值作为来自所述接收器件的第一信号的函数；
- 对于所述第二波长范围，提供从来自所述接收器件的第二信号导出的辐射强度值；和
- 核实指示浓度的所述值和所述辐射强度值是否满足用于所述第二波长范围的所述溶液的给定特性函数。
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