CN106464311B - 射频过程感测、控制和诊断系统 - Google Patents

Abstract

公开一种感测和控制系统和方法，其利用空腔谐振和波导测量来直接监测过程状态变量或检测系统的所述状态的变化，并提供直接的原位反馈控制以优化所述过程。所述同一系统可用来监测许多不同的过程参数(包括材料的组成、量、分布和物理或化学性质)或监测系统或子系统的所述状态或健康。所述系统广泛适用于包括从发动机和排气系统到生产设备的大范围的系统和过程。

Description

射频过程感测、控制和诊断系统

技术领域

本申请要求2014年6月6日提交的美国临时专利申请序列号62/008,505的优先权，所述申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。

背景技术

利用空腔和波导的射频测量可在广泛的过程控制系统中使用以监测系统的状态、检测故障并提供适应反馈控制来优化过程。微波空腔和波导测量对于提供关于原位系统状态的信息是有用的，而不需要像许多现有系统一样进行样本移除和后续分析。

用于说明基于射频的空腔和传输测量系统的广泛适用性的实例包括：发动机和发动机系统、动力设备、化工设备、石油提炼和加工和任何数目的系统中的过程感测和控制。

过程控制系统的当前感测和控制网络经受许多限制，所述限制如下被简要概述：

首先，在许多系统中需要以指定时间间隔从系统中的离散点物理地移除样本以便随后对所述样本进行分析。这些测量在样本收集时间与样本分析时间之间引发时间延迟，其范围可从数分钟至数周或者甚至在一些情况下是数月。移除样本的过程可在测量中引入附加变异性，其可能与样本处理、采用的采样方法和样本提取的地点和时间等等有关。除了增加的变异性的引入可能性，基于所提取样本的测量还提供仅对应于在从系统提取样本的时候的样本特性或状态的有限信息。样本收集与收到测量结果之间的时间延迟不允许高效的过程优化或当故障或错误状况发生时，对所述故障或错误状况的检测。

第二，许多过程采用传感器来在线监测各种系统参数的状态或特性。这些类型的传感器的实例包括温度传感器、压力传感器、水分传感器、组成传感器诸如气体传感器、粒子传感器和类似传感器。然而，这些传感器中的大多数仅提供非常接近于传感器的过程参数的测量或者需要被测量材料与传感元件本身之间的紧密接触。这些类型的传感器的使用极大地限制了可直接监测的参数的类型，并且也限制对系统中的传感器所定位于的离散点的测量。

第三，为了测量系统的各种不同的特性，一般需要许多不同类型的传感器，各自采用不同的测量原理。例如，温度、压力和气体组成传感器(氧、NOx、氨、PM)可在排气系统中使用。许多不同类型的传感器(各自具有它们自己的特定要求和响应特性)的使用增加了感测和控制网络的成本和复杂性。

第四，尽管大量传感器盛行，但时常可不直接测量所关注的实际状态变量，并且必须基于来自于可用传感器的测量值进行间接估计。例如，可从跨过滤器的压降测量值推断出积聚在过滤器上的材料的量，或者可从监测催化器上游或下游的的气体组成的气体组成传感器推断出吸附在催化器上的气体的量。在另一个实例中，使用常规传感器测得的上游和下游过程参数的测量值可用来推断或间接检测装置诸如过滤器或催化器的操作不良的失灵。然而，在这些情况下，需要的状态变量的直接测量值，即过滤器上材料的量或吸附在催化器上的材料的量不可被直接测量。此类间接估计经受低准确度并且校准时麻烦且耗时。

第五，在许多情况下，当发生系统故障或操作不良时，需要对它们进行检测，或在它们发生前，优先地检测故障或操作不良的迹象。具体地，系统中的某些部件可掩蔽故障或操作不良的迹象，使它们难以通过常规传感装置来检测。例如，排气微粒过滤器可掩蔽即将发生的发动机故障诸如与机油或燃油高消耗有关的烟或归因于冷却剂漏泄的水蒸汽的可观察到的迹象。使用常规传感器难以检测此类故障，或使用来自常规传感器的测量值容易弄错或混淆此类故障。

第六，许多常规传感器诸如电化学气体传感器、积聚型煤烟或粒子传感器等等需要传感元件与被测量材料的接触或直接相互作用。因传感元件上的污染材料的堆积，此类传感器经受污染、毒化或老化，这些问题需要被避免。

因此，期望具有改良的感测和控制网络。这种改良网络可表现出以下属性中的一个或多个：(i)状态变量或所关注变量的直接测量、(ii)原位测量、(iii)快速响应时间、(iv)进行多个大容量采样的能力(即，有选择地选择被采样的装置中的区域)和/或检测可能不是非常接近于传感元件的系统的变化、(v)改良的测量准确度和反馈控制、(vi)非接触传感方法，借此传染元件无需与材料相接触或过程被查询、以及(vii)简化的且不麻烦的测量系统。

还期望测量过程系统表面(诸如装置或反应器壁)上的材料的沉积，在一个实例中，沉积物不利于装置的操作(诸如化学反应器中的炉胆包层或生物膜上的沉积物)。

因此，需要改良的过程感测和控制网络，其对于广泛的应用和使用领域将具有相当大的效用性。

发明内容

公开一种感测和控制系统和方法，其利用空腔谐振和波导测量以直接监测过程状态变量或检测系统的状态的变化并提供直接的原位反馈控制以优化过程。所述同一系统可用来通过监测空腔或波导的介电性质的变化来监测许多不同的过程参数(包括材料的组成、量、分布和物理或化学性质)或监测系统或子系统的所述状态或健康。所述系统广泛适用于范围为从发动机和排气系统到生产设备的大范围的系统和过程。

附图简述

图1表示由射频系统监测并控制的设备或过程系统，诸如在一个实施方案中是发动机和排气系统，但可以是任何设备或过程控制系统。

图2在一个实施方案中表示射频探针。

图3表示基于射频的控制系统的过程流程图，所述控制系统在一个实施方案中可以是发动机系统，但可以是任何设备或过程控制系统。

发明详述

图1描绘由射频系统监测的设备，诸如发动机和排气系统。所述设备可以是任何类型的设备，诸如化学设备、食品加工设备、动力设备、精炼厂、酿酒厂或任何类型的设备或过程。所述设备或反应器可以是流动反应器或者它可以是分批反应器。

机器102，诸如在一个实例中是发动机或在另一个实例中是设备，可具有出口连接件诸如导管106，所述导管106可连接到各种部件和传感器。机器102可生成输出流诸如排气流或任何其他流，所述输出流可或可不引导通过导管106。在一个实施方案中，导管106可连接到第一模块108和第二模块110。在一个实施方案中，模块108和110可以是空腔诸如谐振腔或在另一个实施方案中可以是波导。

在特定实施方案中，模块108可以是微粒过滤器外壳，诸如汽油微粒过滤器或柴油微粒过滤器外壳。模块108可包含多个元件诸如催化器元件112，所述催化器元件112可以是三元催化器(TWC)、氧化催化器(OC)、选择性催化还原催化器(SCR)、稀燃NOx捕集阱(LNT)或任何类型的催化器；和过滤器元件114诸如微粒过滤器。在一个实施方案中，模块110可以是包含催化器元件116的催化器外壳，诸如SCR、LNT、TWC、氨存储、烃捕集阱或任何其他类型的催化器。在另一个实施方案中，可不存在模块108或110并且在另一个实施方案中，可存在多于一个模块。每个模块在一个实例中可包含一个或多个元件诸如催化器、过滤器或膜或在另一个实例中无内部元件。

导管106也可包含一个或多个内部元件118诸如过滤器、催化器、混合器、扩散器或其他元件，它们可位于导管106内的任何位置处。射频探针120、122、124和126诸如杆状天线、环形天线、波导、介电谐振器或用于发射或接收射频信号的任何其他合适的探针也可安装在沿导管106的或模块108或110上的任何位置处。

附加导管138可连接到机器102，所述导管138诸如进气管道、燃油管线、机油管线、冷却剂管线或其他类似导管诸如管道、管子或管。导管138可将入口流供应到设备或机器102。导管138可包含一个或多个模块136，诸如空气过滤器外壳、机油过滤器外壳、燃油过滤器外壳、散热器、EGR冷却器、燃油箱、机油箱、尿素箱或任何其他类型的模块、空腔或波导。射频探针128或130可或可不安装在导管138或模块136中。

尽管图1将机器102描绘为具有一个入口导管138和一个出口导管106，但是机器102还可包含多于一个入口导管、多于一个出口导管或无入口导管或无出口导管。另外，每个导管(如果存在)可由用于连接件、通路和导管(未示出)的网络组成，所述网络诸如由互连的不同尺寸和几何形状的导管组成的管或管道系统或网络。附加模块诸如多个模块136、108、110或118可或可不存在于入口或出口导管中。

在发动机的情况下，射频探针132可安装在机器102的一个部件诸如气缸134中。附加探针(未示出)还可安装在机器102的其他部件中。射频探针120、122、124、126、128、130和132可连接到控制单元104。在一个实施方案中，单个控制单元104可用来监测并控制所有的射频探针或可使用多于一个控制单元104。在一个实施方案中，射频探针的数目可多于或少于图1所描绘的那些。可使用附加传感器诸如温度传感器、压力传感器、气体组成传感器(NOx、PM、氧、氨)或任何其他类型的传感器(其未在图1中示出)。这些辅助传感器可连接到控制单元104或另一个控制单元，诸如发动机、设备或过程控制单元(也未示出)，所述另一个控制单元可与控制单元104通信。

控制单元104可连接到机器102或另一个控制单元，诸如发动机控制单元或过程控制单元(未示出)。控制单元104可包含处理单元和计算机可读存储介质140，所述计算机可读存储介质140包含指令、算法、数据、查找表和对控制所连接的传感器和机器必要的任何其他信息。控制单元104可包含连接142，所述连接142可以是通信连接，诸如以太网、USB、模拟、CAN、串行或一些其他类型的连接或电力连接。连接142可连接到设备控制单元、车辆中的发动机控制单元(ECU)或用信号通知操作员单元状态和潜在问题。

控制单元104可包含用来传输射频信号的硬件或电子器件诸如振荡器，以及用于检测射频信号的检测器诸如二极管或功率检测器或任何其他类型的检测器。控制单元104还可包含混合器、分路器、定向耦合器、开关和用于控制、调制、传输和监测射频信号的其他部件。

控制单元104可被配置来通过射频探针120、122、124、126、128、130或132中的任一个发射和接收射频信号。每个探针可被独立地控制以诸如在包括传输、反射和传输或反射的多端口网络中发射、接收或发射和接收射频信号。例如，探针122可发射可通过一个或多个探针126、124、122或120检测到的射频信号。在另一个实例中，探针126可发射仅可通过探针126或通过探针124接收到的射频信号。任何数目的探针可被使用并且一个探针可或可不与另一个探针通信。

控制单元104进一步可被配置来同时或在不同时间通过射频探针120、122、124、126、128、130或132中的任一个发射和接收射频信号。探针可基于来自控制单元104的命令或请求以指定的时间间隔或根据需要来连续地操作(发射/接收)。每个探针可以指定的频率或频率范围操作，所述频率或频率范围可根据每个探针的类型、地点和测量应用而变化。

射频信号特性可取决于所使用的探针和所查询的变量。因此，由于模块108、110或136或导管106或138的谐振/传输特性可能不同，所以一个探针可使用与第二探针不同的不同频率范围，以及针对由不同探针查询的变量的改良特性的期望的不同频率范围(即，更好的选择性或敏感性，其可能是频率相关的)。相同的探针可能使用多个频率范围，或改良一个变量的检测或者查询不同变量单元。

不同模块或同一模块中的不同变量的探测可通过控制单元104在不同时间将信号发送到不同探针以进行扫描来在不同时间发生。当探测不同空腔时可能使用(由控制单元104生成的)不同传输功率，或当针对单个探针的不同频率范围进行探测时可能使用不同功率。因此，控制单元104在不同时间可生成具有恒定或可变振幅并且具有不同频率范围的射频信号，所述射频信号被传输到所选择的辐射天线并且在给定时间从一个或多个接收天线接收信号。

在另一个实例中，SCR、LNT、TWC、氨存储、烃捕集阱或任何类型的催化器中的探针120所生成的信号可通过独立探针诸如122、124、126、132、130或128在模块的上游或下游检测到，或所述信号可通过这个实例中的同一发射探针120来检测到。可替代地，可通过探针128发射信号并通过探针130检测信号，在这种情况下，模块136为空气过滤器外壳、机油或燃油过滤器外壳、EGR冷却器、燃油箱、机油箱、SCR箱或其他类型的过滤器、储箱、壳体或催化器。可使用探针和导管或模块的任何配置。

射频信号可跨越频率范围以建立一种或多种谐振模式，或者可跨越不包括谐振模式的频率范围或可以是单一频率。各种模块108、110、136和导管106或138或机器部件134可用作微波谐振腔或波导，或可包含可用来对被监测装置的限制地区进行采样的谐振器(诸如介电谐振器)。射频信号(包括谐振曲线、绝对振幅、相对振幅(即，归一化为通过探针发射的功率)、相位、谐振频率偏移、频率偏移或它们的一些衍生参数(包括本地或绝对最大值或最小值、频率偏移、相位偏移、平均值、品质因数、求和、面积、峰宽或其他参数))可与系统状态相关并且用来监测系统负载状态的变化。空腔或波导内介电性质的变化可用来监测或检测以下参数中的一个或多个：

1. 材料的量：诸如空腔或波导内所包含的或流过所述空腔或波导的、或从空腔或波导逸出或渗漏的固相、液相或气相成分。在一个实例中，可对过滤器上所收集的煤烟或灰烬的量或吸附在催化器上的气相成分的量进行检测。还可对催化器、过滤器或膜的负载或存储状态的变化进行检测，其中负载状态归因于固相、液相或气相成分的积聚或损耗。

2. 材料的类型：诸如多于一种类型的材料或物质的共混物的组成。在一个实例中，可对液体共混物进行检测，诸如燃油中水的存在、生物柴油和石油柴油共混物、乙醇和汽油共混物、冷却剂和水共混物、气体中的煤烟粒子、机油中的煤烟粒子、老化、氧化或液体(诸如燃油或机油)状态的变化、煤烟和灰烬共混物、SOF、SOL、灰烬和粒子的碳部分或任何其他类型的共混物。

3. 空间分布：诸如过滤器上所收集的、吸附在催化器上的、沉积于空腔或波导的壁或表面上的材料、或空腔或波导中各种成分的共混物的分布。

4. 材料的物理或化学性质：其中材料的介电性质随化学状态诸如氧化或还原状态、极性、pH、导电性或电阻或其他化学性质(例如，归因于化学吸附)的变化而变化，或其中材料的介电性质随物理性质诸如密度、结构、相位或任何其他物理性质的变化而变化。

5. 环境条件：其中材料的介电性质随环境条件诸如温度、压力、湿度或任何其他相关因素的变化而变化。

6. 位置或含量：诸如气缸内活塞的位置、曲柄角、线性或旋转位置或储箱、贮存器或导管诸如燃油箱、机油槽、尿素箱或任何其他储箱或贮存器或管或软管内液体的体积。

7. 空腔或波导完整性：其中构成空腔或波导的壁或结构的材料的变化影响射频信号，所述变化诸如通过材料在空腔或波导表面上的堆积或积聚、材料从空腔或波导表面的损失或逃逸、或空腔或波导表面的变化诸如破裂、细化、疲劳、应力、孔的产生、系统几何结构的变化或诸如凸缘、耦合件等的连接的分离。

8. 过程参数的变化率：射频信号的时间分辨测量使信号的导数或变化作为时间的函数被确定。此类测量值可提供关于项目1-7中所描述的过程的变化率的信息。

以上列表示出可使用射频装置进行监测的若干主要类别的参数但是其绝不是详尽的。只要参数影响空腔或波导的介电性质，也可对许多其他参数进行监测。

控制单元104可从一个或多个射频探针发射和接收信号以监测各种系统部件和功能的状态。在一个实例中，机器102是发动机诸如内燃机，但机器102可以是可通过对至少一个输入执行某一功能并产生至少一个输出来表征的任何类型的机器、过程或装置。在这个实例中，模块136是空气过滤器、机油过滤器、燃油过滤器、散热器、以及EGR冷却器、中间冷却器、储箱或贮存器或类似装置，并且探针128用来监测所述装置的状态，诸如过滤器的负载状态或材料在元件中的沉积或积聚、或模块136中材料的量、品质或组成诸如燃油、机油、冷却剂、空气、尿素、EGR气体或其他材料的量、品质或组成。在一个实例中，探针128可用来检测水、硫含量、氧化状态、煤烟堆积、基数的变化或模块136内或穿过模块136的材料的某个其他特性。

关于模块136和探针128所描述的这些相同的测量也可借助于探针130在导管138中进行。在这种情况下，导管138可以是燃油、空气、冷却剂、液压油、尿素的管、管子、软管或导管、EGR管线或冷却器或某一其他材料。所述测量可与材料组成、量、特性或其他性质有关。

在另一个实例中，探针132可安装在一个或多个发动机气缸中并且用来测量气缸内活塞的位置、燃烧过程的品质、燃烧过程产生的排放物、喷油量或任何其他参数诸如温度或压力。在其他实例中，探针132可安装在其他位置中以监测在其他类型致动器诸如线性或旋转致动器内的位置，或储箱和贮存器(诸如燃油箱的液体箱或尿素箱或机油或冷却剂箱)中的空隙容积。

在又一个实例中，探针126或124可用来监测模块108内的介电性质的变化。尽管两个探针未示出，但仅一个探针或多于一个探针可用于反射、传输或两者的某一组合。探针可或可不包含在模块108内。在一个实施方案中，模块108为包含微粒过滤器114和催化器元件112的微粒过滤器外壳。模块108可仅包含一个过滤器或催化器或多个元件诸如多个过滤器和催化器。可使用探针126或124来监测模块108内的元件诸如催化器元件112或微粒过滤器114，以便确定过滤器或催化器的状态诸如负载状态、老化、毒化(诸如被硫毒化)、灰烬或煤烟积聚或分布、以及和催化器元件112或过滤器元件114或模块108的健康或完整性。

此外，使用探针126或124进行模块108、催化器元件112或过滤器元件114的状态的时间分辨测量可用来确定材料从模块流入或流出的速率。在一个实例中，模块108可以是微粒过滤器外壳并且可使用探针126或124通过射频测量来确定过滤器114上积聚的煤烟的量，诸如通过监测相位、振幅或某一导数参数或它们的组合。在这个实例中，射频信号可以快于一个实施方案中的每秒1个样本的速率进行采样，但是也可能更快或更慢。在这个实例中，射频信号的导数或及时连续测量之间信号的差值提供过滤器元件114上的煤烟积聚的变化率的指示。以此方式，整个过滤器元件114可用作积聚煤烟传感器以确定过滤器元件114上煤烟积聚的速率，不仅仅是总积聚。

在一个实例中，包含模块108和探针126或124的组合的过滤器可充当发动机排出的煤烟的传感器，并且基于模块108内所包含的过滤器114上煤烟积聚的变化率来提供发动机反馈控制或诊断信息。在该实例中的某些情况下，煤烟氧化模型可或可不用来补偿过滤器114上的煤烟氧化。

在另一个实例中，模块108可能不是微粒过滤器外壳但可以是任何类型的催化器或组合的过滤器和催化器系统，诸如三元催化剂涂覆的过滤器、氧化催化剂涂覆的过滤器或选择性催化还原涂覆的过滤器。以类似的方式，整个催化器或催化剂涂覆的过滤器可用作气体传感器，所述气体传感器基于监测到的RF信号的变化率来确定特定气体物质(诸如NOx、NH₃、HC、CO或一些其他物质)的流入速率，所述RF信号指示催化器表面上的特定气体物质的吸附或所关注的气体物质与催化器的其他相互作用。如以上实例，被监测材料无需为气相或粒子相，但也可以是液体。

在一个实例中，可根据绝对或相对振幅或相位测量或它们的一些衍生参数诸如给定功率水平、品质因数下的最大值或最小值、平均值、频率偏移、峰值或谐振宽度、或相关参数来确定被监测射频参数。可在固定频率下或在连续或不连续频率范围内确定参数。频率可或可不包括谐振条件。

一个或多个测得的射频参数P的变化率(Δ/t)可在特定时间t作如下计算：

(Δ/t) = (P_t-1-P_t)/((t-1) – t) 方程式1

其中符号(t-1)指示在先前时间的参数P的测量值并且下标(t)指示当前测量时间。以此方式，模块108或其一部分可用来确定所关注的构成材料进入模块的速率。可通过控制单元104中所包括的定时装置来测量时间。

相反地，相同的方法可用来确定所关注的构成材料逸出或离开模块108或110或136或导管138或106的速率。在一个实例中，如果材料进入模块108的速率例如在一组特定条件下已知，则模块108内的材料含量的变化率可用来检测材料从模块108的损失的逃逸。

在一个实例中，可按照这种方式检测煤烟或粒子从微粒过滤器模块108的损失或泄漏。在这个实例中，发动机在以下条件下的操作可用来检测过滤器元件114的导致煤烟泄漏的失灵：所述条件导致煤烟从发动机输出的已知速率和颗粒过滤器元件114上的煤烟氧化的已知量或可忽略量。在这个实例中，在指定的时间间隔内过滤器元件114上煤烟积聚的变化率或过滤器元件114上煤烟积聚的总变化可与在此时间段期间发动机排出的进入模块108的煤烟废气排放物的已知量进行比较。如果过滤器114上测得的煤烟含量的增加少于进入模块108的煤烟量，则过滤器114上测得的煤烟积聚与进入过滤器模块108的煤烟量的差值可指示归因于过滤器操作不良或失灵诸如破裂或融化区域的煤烟的损失或逃逸。这个实例的一个应用是用于检测车载诊断的过滤器失灵。在一种情况下，测量的时间间隔可超过几秒或几分钟。间隔可涵盖整个测试周期诸如驱动周期或模式周期或仅一种特定的工操作条件。发动机排出的煤烟排放物可以是先前确定的或通过传感器诸如PM传感器或射频传感器来测量。

以上实例无需限于微粒过滤器，而可以是任何类型的过滤器、膜或催化器系统，其中固相、液相或气相组分以可测量的方式与模块108相互作用，诸如通过沈积、吸附与108或108内所包含的某些元件112或114的相互作用壁进行相互作用。以此方式，根据方程式1，借助于监测一个或多个射频参数的变化，模块108可用作气体传感器诸如NOx、CO、HC、O₂、NH₃或任何其他气体或者甚至是液体。应用包括为达控制或诊断目的而检测一种或多种成分从模块108的流入或流出。以此方式，催化器的失灵诸如某些气体物质的逃逸也可被确定，或由设备或机器102生成的某些物质的排放速率也可被确定用于反馈控制。

以上实例无需一直应用于流动反应器。当在分批反应器中使用时，也可使用方程式1确定转化率，同时可能通过使用不同探测模式/频率来将转化率确定为反应器中的时间和地点两者的函数。所获得的信息可用来控制化学反应器。

上述测量也可在导管106中诸如通过探针122进行。探针122可监测穿过或沉积在导管106壁上的材料。在一个实例中，与控制单元104结合的探针122可作为频域反射计或时域反射计操作以监测通过连接到导管106的部件和系统的一部分或全部的故障定位、失灵或介电性质的变化、阻塞、堵塞或缺陷和不连续。以此方式，在一个实例中，可从单个探针监测多个元件112、114、118或116。在另一个实例中，可使用多个探针。具体地，变量探针可涉及安装在SCR、LNT、TWC、烃捕集阱、氨存储催化器或任何其他催化器上的探针120和安装在模块110上游或下游的探针122。

在另一个实例中，导管106可由具有各种连接、转变、空腔和其他元件诸如导管网络的多个分支或支路组成。在一个实施例中，导管网络为管路或分布式管系统。探针122、120、124或126可用来检测导管网络内的故障诸如破裂或不连接的导管，或网络内元件诸如元件112、114、118或116的失灵。元件的失灵可导致泄漏，诸如渗余物从过滤器的泄漏、气体、液体或固体或一些其他材料的泄漏。可通过射频监测的参数的变化诸如异常特征或不连续性来检测失灵。

图1示出的系统的一个明显的特征在于，控制单元104可用来监测并控制探针120、122、124、126、128、130或132的网络。网络可由至少一个探针或任何数目的探针组成。在一个实例中，仅一个控制单元104可用来控制并监测大量的探针。每个探针可用来监测图1所示的设备、过程或发动机系统的不同方面、参数或状态或不同部件。可以不同时间间隔并且使用不同射频特性诸如频率、相位和/或振幅进行测量。来自各种探针的测量值可用来提供设备或机器102的直接反馈控制。在另一个实例中，可使用多个控制单元104。

例如，控制单元104可基于系统输入的性质和组成的射频测量值来修改发动机燃烧或校准诸如加燃油、气流、增压压力、EGR速率、喷油定时、尿素或烃配料和相关参数。在一个应用中，可对石油基燃油和某一其他燃油(诸如乙醇或生物柴油)的共混物进行监测。在另一个实例中，可对尿素的品质或组成进行监测。

控制单元104还可基于燃油品质的射频测量值(诸如高水或硫含量)来警示操作员或触发故障状况。在另一个实例中，控制单元104可基于燃油、机油、冷却剂、液压油、进气、尿素、氨生成成分的品质、组成或含量、或其他过程参数的射频测量值来警告操作员或触发故障状况。

控制单元104可基于使用安装在导管106或模块108或110上的射频探针测得的排气排放物测量值来进一步修改发动机和排气系统操作。在一个实施方案中，模块110可以是SCR催化器系统并且探针120可使用反射测量、或利用模块110 (传输)中的第二个探针进行的传输或使用安装在模块110的上游或下游或模块110内的探针122来监测SCR催化器上的氨存储。控制单元104可基于SCR催化器元件116上监测到的氨存储含量来控制尿素配料。在另一个实施方案中，除了排气系统内的其他元件，探针126或探针122可监测SCR催化器。在另一个实例中，SCR催化器116上氨存储的来自探针120的射频测量值用来与发动机控制单元通信以命令发动机贫和富操作以从TWC催化器上游产生氨，所谓的被动SCR。

在另一个实例中，模块108可以是微粒过滤器系统并且来自探针126或124的测量值可用来控制机器102操作以通过增加排气温度、烃配料或任何其他手段诱导再生，并且也可终止再生或控制再生事件的温度上升速率。

在一个实例中，元件118可以是氨流失催化器或小过滤器元件，并且来自探针122的测量值可用来检测氨流失或穿过上游催化器或过滤器的粒子以用于诊断目的。

在另一个实例中，探针122、130或任何其他探针可监测穿过导管106或130或模块136、108或110或其内所包含的材料(诸如任何气体、液体或固体)的性质。

在另一个实例中，仅单个探针诸如探针126可用来通过由导管106和模块108和110组成的整个排气系统发射射频信号，以从单个探针监测发生在系统的每个部分中的过程。在这种情况下，位于模块110的下游的导管106的离开区段或出口区段的网孔可用来包含信号。在另一个实例中，可使用一个或多个探针126并且可使用一个或多个网孔或筛网。

在又一个实例中，在化学制造设备例如费托设备中，传感器可监测催化器的温度以及蜡的沉积或甚至催化器上煤烟的产生。化学设备可以是流动设备(诸如活塞流反应器)或分批反应器。在分批设备的情况下，传感器可监测条件诸如试剂的转化、转化速率、压力和/或温度。来自控制单元104的信息可用来优化设备的性能。

在另一个实例中，在动力设备中，过滤器单元的固体负载可通过所述单元中的一个或多个探针确定，并且同一单元可用于监测用于NOx控制的SCR单元。可通过使用一个探针在不同频率探测过滤器的不同区域或通过多个探针并利用空间分辨率来测量动力设备排气单元的粒子负载(例如，袋滤室或静电滤尘器)。如在汽车应用中，SCR单元、探针的射频探测可检测催化器上的氨浓度，并确定通过反应器的气体的适当流动(均匀的)和适当的氨分布。它也可确定催化剂的活性水平，从而指示催化剂的烧结或毒化的潜在问题，指示更换或再生的需要。单元中的测量值可指示氨分布不均的问题或气体流速。在高度控制系统中可实现氨流失的极小化。尤其在瞬态期间，同一单元可用来监测反应器的温度以协助单元的适当操作。

总共，图1所示的系统形成基于射频的过程控制系统，由此可通过一个或多个射频控制单元104监测并控制多个部件或子系统或图1所示的任何模块108、110或136或任何其他部件或子系统以优化设备或机器102的操作。优化可包括提高的效率、延伸的耐久性、改良的性能或输出或任何其他期望的结果以及对任何故障状况的警告或归因于故障状况的保护措施的启动。可通过控制图1所示的任何部件或子系统的一个或多个输入或过程控制变量来实现优化。控制可基于来自每个探针的测量值的直接反馈控制，以便将测量值保持在期望范围内。控制可或可不包括来自其他传感器或装置的补充的基于模型的控制或输入。

除控制系统操作之外，也可通过控制单元104检测故障和操作不良。当来自图1所示的任何射频探针的测量值落在可接受范围之外或超出需要的阈值或落在阈值之下时，可检测到此类故障状况。故障包括过量排放物诸如粒子(煤烟、灰烬或任何其他粒子)或气体诸如规定的排放物或任何其他物质。其他可被监测的系统参数包括需要满足车载诊断要求的参数。

潜在失灵模式或失灵的的早期迹象以及图1所示的任何子系统或部件的灾难性失灵也可被监测。例如，微粒过滤器系统(模块108)的使用可掩蔽浓烟排放物，诸如其归因于高燃油消耗、高机油消耗、冷却剂泄漏或相关故障。控制单元104和探针126或124可用来检测浓烟、冷却剂或水蒸气排放物，其可沉积在过滤器114上或穿过模块108或导管106。异常的，诸如过滤器元件114上高含量的灰烬积聚也可指示高机油消耗。

在另一个实例中，也可基于模块110或108中的催化器射频测量来检测异常排放(高或低含量)的不同气体物质诸如NOx或氨。也可通过探针130或128监测润滑剂和燃油品质和状况以诊断例如不良品质燃油或异常润滑剂老化或高煤烟含量的存在或磨损金属水平。也可通过探针132直接检测不良燃烧。也可监测催化器元件112、114、116的负载状态以及催化剂老化、毒化和性能退化或随时间变化的其他特性。

控制单元104也可利用来自其他传感器诸如温度传感器、压力传感器、气体传感器、位置传感器等的输入，它们不基于射频而且在图1中未被示出。

在另一个实施方案中，元件136、112、114、118或116也可作为传感元件本身被利用并且使用探针128、126、124、122或120通过微波装置进行监测。在一个实例中，过滤器元件114为微粒过滤器并且探针126或124可快速地对积聚在过滤器元件114上的煤烟的量进行采样。被监测的煤烟负载的导数或煤烟负载随时间的变化提供对发动机排出的煤烟排放物的直接测量。控制单元104可基于测得的来自过滤器元件114的发动机排出的煤烟排放物提供对机器102的反馈控制。在一个实例中，采样速率可从1 Hz至10 Hz，但是在一些情况下可更快或更慢。以相同的方式，可使用探针128、126、124、122或120来监测任何元件136、112、114、118或116负载状态的瞬时变化，以提供对来自元件的这些材料中的任意者上的材料增加、积聚、吸附或损失速率的实时或连续测量。在另一个实例中，催化器元件112为TWC并且实时氧浓度可通过探针126或探针124来测量。在另一个实例中，催化器元件116为SCR或LNT并且NOx排放速率或氨配料速率可被直接监测。在又一个实施例中，导管诸如导管106中材料的浓度也可被测量。

图2示出射频探针的附加细节，其可或可不与图1所示出的探针120、122、124、126、128、130或132相同。探针可由导电外套管202、内部电介质204和内导体206组成。另选地，探针可以是环形天线或任何其他类型的天线的波导。穿孔的导电网孔、筛网、其他外壳或护套208可或可不与导电的外套管202电接触。内部电介质可或可不完全或部分地在内导体206上方延伸以完全或部分地覆盖内导体206。

在一个实例中，可使用护套208并且内导体206可延伸超过内部电介质204。在另一个实例中，可不使用护套208但是内部电介质204可延伸并且覆盖内导体206。在一个实例中，材料诸如固体、液体或气体可直接地收集或吸附到内部电介质204上并且可被测量。在另一个实例中，可使用护套208并且其用来包含护套区域内的射频信号。以此方式，信号是解耦或不受周围环境影响的，但是仍然暴露于可穿过穿孔或网孔的材料流。在一个实例中，图2所示的探针为煤烟传感器或气体传感器或液体传感器。

控制单元操作的一种非限制性方法在示出图3的系统控制逻辑的流程图中有所描述。尽管附图具体地指排气系统，但旨在可将相同逻辑应用于任何过程控制系统，包括发动机、设备、机器等。如步骤60所示，控制单元104获取并监测来自图1所示的射频探针以及附加传感器诸如温度、压力、流速、组成传感器等的多个输入。如步骤62所示，随后控制单元104中的计算机可读存储介质140上所包含的控制算法利用传感器输出(在本公开中，术语“传感器”和“探针”互换使用)。此外，步骤62可包括基于来自另一个传感器或探针或存储在控制单元104内的测量值校正任何传感器或探针值。在一个实例中，此类校正可包括基于来自温度传感器或其他类型的传感器的测量值的对RF信号或RF确定的信号参数的校正。在另一个实例中，可利用多个RF参数(振幅、相位、频率)或其导数来确定最终的传感器值。在示例性实施方案中，可使用振幅和相位信号两者。控制单元104还可包含定时机构，以提供时间分辨信息。

如步骤64所示，使用存储在控制单元104中的指令来确定传感器值中的任一个是否在可允许范围之外或超出某一阈值。

如果没有传感器值在可允许范围之外，控制算法返回到步骤60。如步骤66所示，如果一个或多个传感器或探针值在可允许范围之外，则对传感器测量值进行一次或多次验证。可通过来自同一传感器的重复测量或来自相关或冗余传感器的测量或通过与附加模型、查找表或存储值对比进行验证以确认传感器性能。真实性检查(诸如通过以反射、传输或反射和传输模式操作一个或多个探针进行对同一参数的多次测量)可用来验证传感器值。如步骤68所示，存储在控制单元104中的计算机可读存储介质140中的指令用来确定传感器值是否真正在可允许的范围之外，或在某一阈值之上。如步骤70所示，如果传感器值被确认为在可接受的范围之外，计算机控制单元104可保存多个传感器值并记录故障。保存的传感器值可或可不来自于测量异常值的同一传感器。

如步骤72所示，随后控制单元104中的计算机可读存储介质140中的附加指令将用来确定操作不良的严重性和将要采取的动作。如步骤74所示，控制单元104可警告操作员操作不良；如步骤76所示，警告发动机、排气后处理操作或设备；如步骤78所示，或进行某一另选操作。

也可能通过引入化学物流监测发动机系统或化学设备的状态。引入的化合物可存在于机器的正常运行条件下，或者它可以是外来的化合物。化合物的引入将导致化学或物理性质的变化(导致机器中的催化器或过滤器的有效介电常数的变化)；可使用微波系统来监测介电常数的变化。材料的引入可接通和断开，从而允许微波对机器介电常数中变化的响应的感测。

本领域的技术人员将确切地意识到：在不背离本发明的目的和范围的情况下以上描述的步骤可以另一个序列进行。

Claims (20)

1.一种射频过程控制系统，其包括：

设备或机器，其需要至少一个输入并生成至少一个输出流；

在所述设备或机器中形成谐振腔以包含射频信号的模块、导管、或组件；

在所述模块、导管或组件上的谐振腔中的射频探针，其用于发射和/或接收跨越频率范围的射频信号，以建立一个或多个谐振模式；以及

射频控制单元，其与射频探针通信，以(i)至少监测通过所述模块、导管或组件上的谐振腔发射和/或接收的射频信号的相位变化并且(ii)至少基于通过所述模块、导管或组件上的谐振腔发射和/或接收的射频信号的相位变化的测量值来测量多于一个参数，所述参数选自包括以下各项的组：材料的量、材料的类型、材料的空间分布、材料的物理或化学性质、环境条件、位置或含量、空腔完整性、或参数的变化率，所述射频控制单元包括用于发射、检测、控制、调制和监测由射频探针所发射和/或所接收的射频信号的组件。

2.如权利要求1所述的系统，其包括：

在所述设备或机器中形成谐振腔以包含射频信号的至少第一模块、导管、或组件；

在所述设备或机器中形成谐振腔以包含射频信号的至少第二模块、导管、或组件；

在所述至少第一模块、导管或组件上的谐振腔中的至少第一射频探针，其用于发射和/或接收射频信号；

在所述至少第二模块、导管或组件上的谐振腔中的至少第二射频探针，其用于发射和/或接收射频信号；以及

其中所述射频控制单元与至少第一和第二射频探针通信，以(i)至少监测通过第一和第二模块、导管或组件中的每一个的谐振腔发射和/或接收的射频信号的相位变化并且(ii)至少基于通过第一和第二模块、导管或组件中的每一个的谐振腔中发射和/或接收的射频信号的相位变化的测量值来测量不只一个所述参数，所述射频控制单元包括用于发射、检测、控制、调制和监测由至少第一和第二射频探针所发射和/或所接收的射频信号的组件。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述模块、导管、或组件选自包括以下的组：催化器、基底、过滤器、空腔、外壳、或发动机。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述射频控制单元基于测得的所述输出流中的材料积聚和来自所述机器的所述材料的已知排放物来确定通过所述输出流的材料的泄漏。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述射频控制单元确定所述模块、导管、或组件中的材料的量、品质或组成。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述材料选自由以下各项组成的组：燃油、机油、冷却剂、空气、尿素以及EGR气体。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述模块、导管、或组件包括所述设备或机器的发动机，并且所述射频探针设置在所述发动机的气缸中以监测一个或多个发动机参数。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个发动机参数选自由以下各项组成的组：活塞的位置、燃烧过程的品质、所述燃烧过程处理的排放物、喷油量、温度以及压力。

9.一种射频传感系统，其包括；

射频探针，其用于在机器内的空腔内发射和/或接收跨越频率范围的射频信号以建立一个或多个谐振模式，所述射频探针在所述空腔内延伸，并且所述空腔包含射频信号；

定时装置；以及

射频控制单元，其与射频探针和所述定时装置通信，以至少监测所发射和/或接收的射频信号的相位和幅度变化，并且基于来自所述定时装置的输入以及所发射和/或接收的射频信号的相位和幅度变化的测量值来计算所确定的过程参数的变化率，并且基于所确定的过程参数的变化来启动动作，所述射频控制单元包括用于发射、检测、控制、调制和监测由射频探针所发射和/或所接收的所述射频信号的所有组件。

10.如权利要求9所述的射频传感系统，其包括；

第一射频探针，其用于在机器内的第一空腔内发射和/或接收射频信号，第一射频探针在第一空腔内延伸，并且第一空腔包含射频信号；

第二射频探针，其用于在机器内的第二空腔内发射和/或接收射频信号，第二射频探针在第二空腔内延伸，并且第二空腔包含射频信号；以及

其中射频控制单元与第一射频探针和第二射频探针以及所述定时装置通信，并且所述射频控制单元包括用于发射、检测、控制、调制和监测由至少第一和第二射频探针所发射和/或所接收的射频信号的所有组件。

11.如权利要求9所述的射频传感系统，其中所述射频控制单元基于所述确定的过程参数的变化将诊断信息提供给操作员。

12.如权利要求11所述的射频传感系统，其中所述诊断信息选自由以下各项组成的组：过滤器元件的失灵的指示、催化器元件的失灵的指示、破裂导管的指示以及所述机器中的阻塞或堵塞的指示。

13.如权利要求12所述的射频传感系统，其中所述射频控制单元基于所述确定的过程参数的变化来修改所述机器的操作。

14.如权利要求13所述的射频传感系统，其中所述射频控制单元修改加燃油、气流、增压压力、EGR速率、喷油定时、尿素或烃配料。

15.一种机器，其包括：

至少一个输入并生成至少一个输出流；

射频探针，其被安装在所述机器中的空腔中，用于发射和/或接收包含在所述机器中的空腔内并通过其传播的射频信号，所述射频探针可在建立一个或多个谐振模式的频率范围内操作，并且所述频率范围可根据射频探针的类型、位置和测量应用而异；以及

射频控制单元，其与射频探针通信，以监测通过所述空腔发射和/或接收的射频信号的至少相位的变化，至少基于通过所述空腔发射和/或接收的射频信号的相位的变化的测量值测量至少一个参数，并基于所述至少一个测得参数启动动作。

16.如权利要求15所述的机器，其包括：

多个独立控制的射频探针，其被安装在所述机器中的至少第一和第二空腔上，用于发射和/或接收包含在机器的至少第一和第二空腔内并通过其传播的射频信号，所述多个射频探针中的每一个可在指定频率或频率范围内操作，并且所述频率或频率范围可根据射频探针的类型、位置和测量应用而异；以及

其中射频控制单元与多个射频探针中所有射频探针通信，以监测通过所述第一和第二空腔发射和/或接收的射频信号的至少相位的变化，至少基于通过第一和第二空腔发射和/或接收的射频信号的相位的变化的测量值测量多于一个参数，并基于测得参数启动动作，所述射频控制单元包括用于同时或者在不同时间内发射、检测、控制、调制和监测由所述多个射频探针中所有射频探针所发射和/或所接收的射频信号的所有组件。

17.如权利要求15所述的机器，其中至少第一射频探针监测所述输入并且至少第二射频探针监测所述输出流。

18.如权利要求15所述的机器，其中所述射频控制单元基于所述至少一个测得参数修改所述机器的操作。

19.如权利要求15所述的机器，其中所述射频控制单元基于所述至少一个测得参数警告操作员故障状况。

20.如权利要求15所述的机器，其中所述射频控制单元与定时装置通信，并且所述射频控制单元确定所述至少一个测得参数的变化率。

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