CN107430083B - 用于测量柴油过滤器中水的存在的方法和用于执行所述方法的水传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量柴油过滤器中水的存在的方法和用于执行所述方法的水传感器，包括与一对电极(5)关联的功能组件，所述一对电极在柴油过滤器中布置在与燃料分离的用于倾析水的区域中，借助于电流源(3)和开关桥(4)将电流施加到所述电极，在被电时段分离的测量周期中，每个周期被确定为电流脉冲串，在第一测量周期中调适电极(5)的极化以便优化对在包含电极的介质中的水的测量，在检测到水的存在时调整作用在电流脉冲的持续时间上的功能行为。
Description
技术领域
本发明涉及检测柴油发动机的燃料过滤器中水的积累，针对所述功能提出一种用于检测水的存在的方法和一种允许在有利条件下执行所述方法的传感器，使用了一种减小对于与要被控制的水-燃料介质接触的电极的有害影响的电导率系统。
背景技术
在用于柴油发动机的过滤和燃料喷射系统的领域中，长时间以来，就已经知道需要分离水，作为在制造和存储过程中污染的结果或者由于故意的掺杂，水可能存在于燃料(柴油)中，分离水的目的是防止水与被施加燃料的发动机的喷射系统的敏感元件接触，其中由于侵蚀的现象水会具有破坏性影响。
在小型车辆的情况下，分离水的这种功能可以被整合到应用的系统的发动机的燃料过滤器中，在其他应用中，可以使用称为水分离器的特别的过滤器。在任何情况下，从燃料分离出的水被倾析并且存储在特定的合适区域中，由于水密度大于柴油的事实，所述特定的合适区域通常位于过滤器或水分离元件的壳体的下部部分中。
通常由检测水的积累的传感器来补充分离并存储水的所述功能，所述传感器在水的积累在倾析区域中达到预定最大水位时提供信号，以便在造成损坏之前使积累的水被清除或汲取。
基本上存在两种对于倾析的水在柴油过滤器中的积累的检测系统。
1)浮子系统和磁簧开关，其包括提供有磁体的浮子，所述浮子的大小设置成使得在其浸没在包含水和柴油的容器中时，其漂浮在水中，水由于密度较大的事实而保持在下部部分中，并且其在柴油中下沉，柴油转而漂浮在水上，并且因此，当水倾析在容器的下部部分中时，浮子随水位向上移动。磁簧开关与浮子协同布置，以使得当到达预定水位时，由于磁体的安置，借助于磁簧开关的激活或去活而产生状态的改变，可以应用此在水到达最大预定水位时激活警告信号。
该系统具有没有电部件与液体介质接触以使得不产生侵蚀的破坏性现象的优点。然而，缺点在于其非常脆弱、对于振动和撞击高度敏感，并且此外，对于从应用的过滤器中的下部部分的竖直组件来说，设计必须非常特定，而对于横向组件来说，需要的设计完全不同，这使得需要使几种不同的设计可用，使其应用的可能性复杂化。
2)电导率系统，包括利用水和柴油之间的电导率差，原因在于柴油在应用的温度范围内是良好的电绝缘体，而水具有可以相对容易地测量的在所述温度范围内的电导率。
在该系统中布置有与液体介质接触的两个电极，电极一般借助于电压源和电阻式分压器或借助于电流源被极化，以使得电极之间产生的电压对电子比较器供电，电极被校准以便能够将较不导电的水与柴油区别开，这是作为在应用的过滤器中分离和倾析的结果而预期要被发现的。
目前，这种类型的系统的几乎所有设计都使用以直流的电极极化，由于阳极中的氧化以及阴极上的不溶性盐的沉积，这导致侵蚀的现象，当电极被保持浸没在水中时该现象不破坏电极之间的电连接性，并且因此也不破坏传感器的操作，但是当水被清除并消除时，电极变得与柴油接触，柴油被沉积物的晶体结构吸收，形成绝缘层，该绝缘层在电极再次变得与水接触时不会消除，这使得传感器关于检测在应用的过滤器中的后续的水积累的有效性的能力退化。
然而，根据电化学理论，可以知道如果在足够短的时间内倒转电极之间电流的极性，则在前述传感器的阳极或正电极中发生的许多氧化反应是可逆的。另外，沉淀反应(例如碳酸钙转变成碳酸盐)其在借助利用直流对电极极化的传感器中在负电极或阴极普遍发生，根据在每个时刻相同电极的极性，极性倒转在一个电极和另一个电极中交替地发生，从而增加传感器的功能有效性的时间，原因是电极中的每一个接收沉淀物的一半。
因此，从理论的观点来看，用交流极化水传感器的电极具有潜在地延长所述传感器在应用在柴油过滤器中的寿命，其中它们经受与倾析的水和柴油接触的连续周期。然而实际上，在这个意义上通常没有获得显著的益处，这归因于这样的事实：使用利用交流对电极极化的传感器的实施例不充分地使用交流电势，原因在于其没有将应用的环境的某些参数和特性考虑在内。
发明内容
根据本发明，提出了一种测量方法，用于利用使得所述方法能够在有利条件下被使用的检测器来检测柴油过滤器中的倾析的水的积累。
本发明的目的的测量方法使用提供有电极的传感器，所述电极借助于管理电流的连接、断开或变化的控制件而用直流或交流极化。
根据本发明的所述方法，传感器不连续地使电极极化和测量，而是执行被休止时段分离的短测量周期(几秒)。并且，如果适用，则每个测量周期被确定为被非常短的断开时段分离的电流脉冲串。
在第一测量周期期间，执行传感器的电极的极化条件的调适，目的在于在检测水是否存在于被测量的介质中时优化分析，并且如果检测到水，则调整作用在电流脉冲的持续时间上的功能行为。
因此，初始将特定水平(例如，10μA)的电流施加到电极并且检查在电极之间获得的电压，以使得如果所述电压处于低电平(例如，约1伏)，则意味着电极处于高电导率介质中，证明水的存在；而如果获得的电压具有相当高的值(例如，约3.5伏)，则意味着电极处于绝缘介质中或者介质具有减小的电导率，其可能为柴油或具有低电导率的水。
在这些条件下，当在电极之间获得的电压为高(约3.5V)时，为了确定介质是柴油还是具有低电导率的水，将施加的电流减小到显著较小的值 (例如，1μA)并且再次检查电极之间获得的电压，以使得如果电压值继续为高，则确认电极在其中被发现的介质无疑为柴油，而如果在这些条件下获得的电压为中间值(例如，约2伏)，则介质为具有地电导率的水。
当检测到水的存在时，不管其为高电导率还是低电导率的水，都激活信号，传达水的存在，并且保持已经施加到电极的电流值，调适电流脉冲的持续时间以使得每个脉冲期间电极之间的电压在其中电压增长的瞬变状态中被保持在特定范围内；通过这样最小化了侵蚀的影响和电极上沉积物的形成。
一旦进行了前述调整，系统就仅在每个电流脉冲结束时评估电极之间的电压值，以便重复地确认水的存在；并且在在某个周期中不确认水的存在的情况下，再次发起所述过程以便建立新的调整。
用于执行用于测量水的存在的该方法的传感器的功能组件包括输入级，其集成对于从汽车装置的电动力供应所需的部件；电流源，其生成稳定电流；开关桥，其可以具有可以用交流或直流工作的结构；信号调节器，其进行需要的调适以便将电极的电压信号供应到模/数转换器或比较器；控制器，其管理设备的操作；输出级，其调适设备提供的信号，用于其耦接到车辆上的控制器；以及针对有害外部影响的保护装置。
以这种方式，实现了一种方法，该方法提供用于高效地检测倾析在柴油过滤器中的水的存在的有利特征，具有如下特性：
-借助于电流源对电极极化，允许电流之间不依赖于水电阻率的恒电流，以使得可以简单地通过测量电极之间的电压来直接获得电极之间的电阻的值，而不需要任何其他外部参数，例如来自电力供应的电压、极化电阻等。另外，对偏置电流的水平的精确控制允许在电极中发生的化学反应 (例如，氧化和沉淀沉积)受到控制，并允许电极被嵌入在其中的绝缘材料或电子部件的泄露电阻的影响。
-不通过模拟传输链处理电极之间的电压，而是在传输链开始时数字化所述电压以从而允许信号的随后的数字处理。
-电极不被恒定不变地被极化，而是被间断地极化，遵循与下述情况相容的策略：足够快地获得关于水的存在的信息以便防止危险地超过预定最大水平。这借助于由集成在传感器中的中央单元控制的开关或固态开关的组件，通过电流源的激活和去活来实现。在测量周期期间，可以存在数字信号处理，目的在于帮助关于水存在或不存在的分析过程和决策。
-一旦结束检测过程就将水的存在的信号传输到外部，并且在外部发信号阶段期间，电极不被极化，减轻氧化和沉淀的现象，这除了提供对于电磁式干扰的更加免疫外还提供了传感器耐久性的增加。
-以不间断的方式传输水的存在的信号直到下一电力周期，当断开发动机时，在这个期间传感器从其电力供应断开，在下一电力周期中被再次连接，以便回到检测模式并且在执行自检测之后执行新的检测周期。
-高级诊断是可能的，以使得传感器可以例如如果电极之间的信号与老传感器的信号对应，则激活特定输出值，指示传感器必须被清理或替换。
-可选地可以具有数字输出协议，其能够传输数字值。
-如果实施了数字型输出协议，则利用数字协议的特性，所述传感器可以与同一系统中找到的其他传感器组合，其他传感器例如压力或温度传感器。
另外，在直流上运行，施加到电极的信号的频率是可变的，能够用低频率(例如，约500Hz)在部分或全部测量周期中进行频率扫描，以便精确地确定传感器的电极位于其中的液体介质的性质，并且基于这个事实，调适后续检测周期的特性，目的在于最大化传感器的有效性，并且同时最小化自调适系统产生的沉积和侵蚀的影响。
因此，由用于检测柴油过滤器中的水的功能的有利功能特性产生的本发明的目的的方法获得其自身的生命并且相对于被用于相同功能的常规系统来说更优。
附图说明
图1示出了调适应用到根据本发明的用于测量水的存在的方法的电极的极化的框图。
图2示出了用于根据本发明的用于测量水的存在的所述方法的传感器的功能组件的框图。
图3是为了用直流工作的根据实施例的传感器的开关桥的简图。
图4是为了用交流工作的根据实施例的传感器的开关桥的简图。
具体实施方式
本发明的目的涉及尤其是在车辆的柴油发动机中用于测量倾析在柴油过滤器中的水的存在的方法和传感器，目标在于当水的所述积累到达出于安全目的确定的最大水位时发出警告信号，以便防止水对应用的系统造成破坏。
本发明的方法基于测量被布置浸没在要被控制的介质中的电极5之间的电电导率，以短周期(几秒)将电流信号施加到所述电极5，所述短周期被在其中借助控制系统禁用电流供应的休止时段分离。
每个测量周期由电流脉冲串组成，其被非常短的断开时段分离，根据在图1中简略地表示的过程适应于第一测量周期中电极5的极化的条件，目标在于优化区分在电极被浸没在其中的介质中是否存在水的过程，该过程包括以下阶段：
A)将由预定最大持续时间tmax的脉冲组成的电流Imax(例如，10μA 的电流)注入到电极5。
B)特征化在电极5之间获得的电压瞬变，检查达到的电压值和稳定时间；确定最终电压是接近低电压V1(例如，约1伏)，这与高电导率介质对应，证明水的存在，还是接近视为高电压V2(例如，约3.5 伏)的值，这与绝缘介质或具有减小的电导率的介质对应，可能为柴油或具有低电导率的水。
C)如果电压具有意味着电极5在其中被发现的介质是水的低值V1，则激活信号，传达水的存在。
D)保持施加到电极5的电流值，调适电流脉冲的持续时间以使得不管极性，在每个脉冲期间电极5之间的电压在在其中电压增长的瞬变状态中不超过瞬变状态和永久状态之间的限值。每个电流脉冲的最优持续时间可以在最大值tmax和最小值tmin之间变化，最大值tmax和最小值tmin例如分别为5毫秒和0.5毫秒。
E)电流脉冲施加的频率基于前一阶段中确定的脉冲的持续时间而适应于电极5。
F)一旦在第一测量周期中完成极化的调适，则在随后测量周期中，就仅在每个电流脉冲结束时评估电极5之间的电压值以便确认水的存在：以使得如果确认所述存在，则重复所述频率的脉冲的施加，以便连续地确认水的存在，并且如果在脉冲中所述检查不反映水的存在，则以第一阶段A开始再次发起调整过程。
G)替代地，如果在阶段B中电极5之间的电压的结果是高电压V2，这与绝缘或减小的电导率的介质对应，为了确定其为柴油还是低电导率的水，施加的电流被减小到显著较小的值(例如，1μA)。
H)当施加所述电流Imin时再次检查电极5之间产生的电压，以使得如果在这些条件下电压回到高电压值V2，则确认在其中发现电极5的介质确实是柴油，以阶段A开始再次发起调整过程。
I)如果在检查中施加电流Imin时获得的电压具有中间值V3(例如，约 2伏)，这意味着电极5位于其中的介质是具有低电导率的水，在这种情况下激活水的存在的信号。
J)调适电流Imin的脉冲以保持tmax时间和tmin时间之间其的持续时间，从阶段E通过以根据上面所说明的继续过程。
连续地传输在任何情形中借助于所述测量过程获得的水的存在的信号，以便激活在应用的过滤器中存在的水的情况的警告指示器，保持信号有效直到对应的车辆中发动机的动力被断开，一旦连接发动机的动力就再次执行水的存在的评估。
图2概略地示出用于执行根据本发明的用于测量柴油过滤器中水的存在的所述方法的传感器的功能组件，所述传感器包括：
输入级1，在所述输入级中存在对于来自一般的汽车网络的电动力供应 2所需要的保护、限制和过滤部件。
电流源3，其产生具有约1％精度的稳定电流。根据在图中表示的实施例，该电流源3可以具有外出的电流；然而，不改变本发明的构思，其还可以根据灌电流式实施例，意味着具有进入的电流。
开关桥4，其确定一对电极5的连接中的状态的改变，所述一对电极组成检测器的一部分，所述检测器浸没在应用的液体介质中以检测水的存在。
该开关桥4可以具有用于传感器用直流操作的配置，根据图3中的示例，具有在电极5中的一个的电连接7中的开关6，而另一个电极5具有接地的连接8，以使得利用所述开关6，来自于电流源3的电流的通路被激活和去活，所述开关6被控制信号9自动致动成关闭或打开。以这种方式，每个电极5总是具有相同配置，阳极为来自于电流源3的电流通过其进入的极，而阴极为接收通过在其中发现电极5的介质之后的电流的极。
在该配置中，可以还想到包括用于断开接地的电极5的其他开关10，目标在于在应用的过滤器的地电位和传感器的地电位中有差异的情况下，防止电流在接地的所述电极5和过滤器的金属外壳之间流动，使得接地的那个电极5不断老化——即便另一个电极5被开关6断开。
开关桥4还可以具有用于传感器用交流操作的配置，根据图4中的示例，具有带有四个开关11的H形结构，四个开关11被两个控制信号12 和13成对地自动致动，在前述H形结构的所述开关11之间连接到传感器的电极5。利用这种布置，由于开关11，来自于电流源3的电流可以交替地通过一个电极5并且然后另一个电极进入，所述一个电极和另一个电极取决于通过它们电流进入还是流出在阳极和阴极的功能上交替。这种配置允许使用可变频率，以使得以低频率(例如，约500Hz)开始，用不同频率分析电极5的响应，能够确定用于有效地检测在其之间的电流的通路，这意味着在电极被浸没于其中的介质中存在水。
利用交流，替代如图4所示的带有四个开关11的H形结构，可以借助于具有相反符号(拉电流和灌电流)的两个电流产生器和两个开关来获得相同效果。
用信号调节器14来补充功能组件，信号调节器14分析最优地将电极5 的电压信号供应到模/数转换器所需的电平、阻抗调适和滤波的改变。可选地，替代模/数转换器，可以用比较器，在所述比较器中比较模拟输入信号，以稍后用可以是可变的预定阈值进行处理，允许获得数字化和分析的功能，这相比于通过用模/数转换器的数字化以较低的成本足够用于一些应用。
传感器的一般控制通过控制器15完成，所述控制器是微处理器型装置，其被设置有集成模/数转换器和必要的输入/输出外设，用于传感器的功能部件的控制连接和从用于其应用的电极5获得的到输出级16的信号的数字处理，输出级16是转而调适来自于控制器15的信号的模拟块，以使得存在与将接收由传感器供应的信号17的控制系统(尤其是与车辆的控制系统) 的合适耦接，以便确定在其的燃料过滤器中水的存在。
为了避免可能导致传感器故障的有害影响，功能组件包括针对错误连接、短路、电磁干扰或静电放电的保护装置18 ，这在车辆应用中是常见的。
Claims (13)
1.一种用于测量柴油过滤器中水的存在的测量方法，所述方法为了检测电极(5)浸没于其中的介质中水的存在，所述检测基于将电流施加到所述电极(5)时在所述电极(5)之间产生的电压，所述方法的特征在于：在被休止时段分离的测量周期中将电流施加到电极(5)中，每个测量周期被确定为电流脉冲串，借助于施加特定水平的电流在第一测量周期中调适电极(5)的极化，以便检查在电极(5)之间产生的电压是约为低值V1或是约为被视作高的值V2，所述低值V1与电极(5)浸没于其中的介质中水的存在对应，被视作高的值V2与电极(5)在其中被发现的介质是绝缘的或具有减小的电导率对应，以使得当在电极(5)之间存在所述电压时，用信号表示水的存在，激活信号以提醒水的存在并且保持已经施加到电极(5)的电流的值，调适施加的电流的脉冲的持续时间，以使得每个脉冲中电极(5)之间的电压在其中电压增长的瞬变状态中被保持在特定范围内，随后确认水的存在，在每个测量周期中在每个电流脉冲结束时重复地评估电极(5)之间的电压值。
2.根据权利要求1所述的用于测量柴油过滤器中水的存在的测量方法，其特征在于，当在电极(5)之间获得的电压为与绝缘或低电导率介质对应的高值V2时，减小施加的电流到显著较低的值并且再次检查电极(5)之间获得的电压以便确认高值V2保持为高还是获得的电压是中间值V3，高值V2保持为高反映电极(5)在其中被发现的介质是柴油，获得的电压是中间值V3反映在其中电极(5)被发现的介质为具有低电导率的水。
3.根据权利要求1所述的用于测量柴油过滤器中水的存在的测量方法，其特征在于，当在电极(5)之间产生的电压反映在其中所述电极(5)被发现的介质是水时，在5毫秒的最大时间和0.5毫秒的最小时间之间调适施加的电流脉冲的持续时间。
4.根据前述任意一项权利要求所述的用于测量柴油过滤器中水的存在的测量方法，其特征在于，所述特定水平为10μA，所述低值V1为约1伏，并且所述被视作高的值V2为约3.5伏。
5.根据权利要求2所述的用于测量柴油过滤器中水的存在的测量方法，其特征在于，所述显著较低的值为1μA，并且所述中间值V3为约2伏。
6.一种用于前述任意一项权利要求所述的测量方法的水传感器，包括与一对电极(5)关联的功能组件，用于检测通过倾析在柴油过滤器中而以特定水位积累的水的存在，其特征在于，所述功能组件包括：输入级(1)，在所述输入级(1)中建立电动力供应(2)的连接；电流源(3)，所述电流源(3)产生稳定电流；开关桥(3)，所述开关桥(3)建立电极(5)的连接的状态的改变；信号调节器(14)，所述信号调节器(14)将电极(5)的电压信号供应到模/数转换器或比较器；控制器(15)，所述控制器(15)执行电极(5)接收的信号的数字处理；以及输出级(16)，所述输出级(16)调适控制器(15)处理的信号以耦接到应用的接收器系统。
7.根据权利要求6所述的水传感器，其特征在于，所述开关桥(4)具有用于以交流操作的配置，具有带四个开关(11)的H形结构，所述四个开关(11)通过控制信号(12、13)成对地被自动致动，电极(5)连接在所述开关(11)之间。
8.根据权利要求6所述的水传感器，其特征在于，所述开关桥(4)具有用于以直流操作的配置，具有带相反符号的电流的两个产生器和两个开关的结构。
9.根据权利要求6所述的水传感器，其特征在于，所述开关桥(4)具有用于以直流操作的配置，具有开关(6)，所述开关(6)被控制信号(9)自动致动成关闭或打开，所述开关(6)放置在电极(5)中的一个的电连接中，而另一个电极(5)借助于连接(8)而接地。
10.根据权利要求9所述的水传感器，其特征在于，断路开关(10)布置在接地的连接(8)中。
11.根据权利要求6所述的水传感器，其特征在于，所述功能组件包括针对外部影响的保护装置(18)。
12.根据权利要求6所述的水传感器，其特征在于，所述控制器(15)是微处理型装置。
13.根据权利要求8所述的水传感器，其特征在于，所述带相反符号的电流为拉电流和灌电流。
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