CN108474682A - 用于检测储箱中的液态和/或固态流体水平的方法和相关联的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于借助于电容探测器来检测储箱中的流体的水平的方法，所述探测器包括一列电容元件，每个电容元件都关联到所述储箱中的给定水平。该方法包括以下步骤，其对于每个电容元件在于：获得表征该电容元件电容的数值；根据温度信息获得补偿数值；基于所述表征电容元件电容的数值和所述补偿数值，计算补偿后的数值；通过将所述补偿后的数值与预定检测阈值比较，检测关联到该电容元件的水平处流体的存在。

Description

用于检测储箱中的液态和/或固态流体水平的方法和相关联 的系统

技术领域

本发明涉及一种用于借助于电容探测器来检测储箱中的液态和/或固态流体的水平的方法。更具体地，本发明适用于测量机动车辆用燃料储箱中的燃料水平。本发明还适用于测量机动车辆用尿素储箱中的尿素水溶液的水平。

背景技术

目前已经提出了众多用于测量储箱中、尤其是机动车辆燃料储箱中的液体的水平的设备。

一种已知测量设备基于对电容探测器(sonde capacitive)的使用。一般，这样的探测器包括一列的电容元件。电容元件按照规则的间隔相互叠置。每个电容元件因此关联到储箱中的给定水平。一般，每个电容元件提供代表其电容数值的信息或数值。一般，该信息是表征电容元件在预定时期内充电和放电阶段次数的计数(英文是“count number”)。该计数用于检测在电容元件所关联的给定水平处是存在还是不存在液体。图1示出基于由电容元件提供的数值来检测储箱中的液体水平的已知算法。在该已知算法中，将由每个电容元件1、2、3、4、5和6提供的数值P1、P2、P3、P4、P5和P6与检测阈值比较。每个电容元件的电容数值可能会根据例如温度、电容元件在其中演变的流体的介电常数和其中集成有电容元件的塑料的厚度而变化。当像现有技术的该传统算法所做的那样忽略这些变化时，对储箱中的液体的水平的确定不会具有鲁棒性(robuste)。

发明内容

本发明的目的之一因此在于提出一种借助于电容探测器来检测储箱中的流体(处于液态和/或固态)的水平的方法，该方法允许具有鲁棒性地确定储箱中的流体的水平。

由此，在本发明的一个具体实施方式中，提出一种借助于电容探测器来检测储箱中的(液态和/或固态)流体的水平的方法，所述探测器包括一列电容元件，每个电容元件都关联到储箱中的一个给定水平。所述方法包括以下步骤，对于每个电容元件这些步骤在于：

-获得表征该电容元件的电容的数值；

-根据温度信息获得补偿数值；

-基于表征电容元件电容的数值和补偿数值，计算补偿后的数值；

-通过将补偿后的数值与预定检测阈值比较，检测关联到该电容元件的水平处流体的存在。

由此能够实现更加具有鲁棒性的对储箱中的流体的水平的测量，这是因为自动地补偿了由于温度变化造成的改变，并且在电容式探测器的全有或全无(tout ou rien)的方面中考虑了流体的介电常数变化。

在一个具体实施方式中，所述探测器包括至少一个能够提供所述温度信息的热敏电阻。

有利地，所述方法包括以下步骤，针对当前水平处的当前电容元件和下一更高水平处的下一更高电容元件这些步骤在于：

-计算表征当前电容元件的电容的数值与表征下一更高电容元件的电容的数值之间的数值差；

-将计算出的所述数值差用于计算所述补偿后的数值。

在一个有利实施方式中，所述方法另外还包括以下步骤，这些步骤在于：

-检测沿着探测器的温度梯度的存在，根据所述温度信息确定补偿系数；

-通过将补偿系数应用到计算出的所述数值差，计算补偿后的数值差；

-将所述补偿后的数值差用于计算所述补偿后的数值。

有利地，所述方法包括以下步骤，其在于：

-根据表征电容元件的电容的数值和预定的计数容差，检测指示需要调整所述检测阈值的事件；

-用表征电容元件的电容的数值来调整所述检测阈值。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的第一具体实施方式的用于检测储箱中的流体的水平的算法。在该实施例中，电容探测器S1包括六个电容元件1、2、3、4、5和6，和布置在电容元件1附近的热敏电阻TH1。当然，在另一实施方式中，电容探测器可包括更多数量的电容元件。热敏电阻Therm1被配置为测量电容元件1附近的温度。当然，在另一实施方式中，电容探测器可包括多个热敏电阻。在第一其它实施例中，电容探测器可包括布置在电容元件1附近的第一热敏电阻和布置在电容元件6附近的第二热敏电阻。采用这样的构型，能够使用由第一和第二热敏电阻提供的信息来检测出沿着探测器存在温度梯度。在第二其它实施例中，电容探测器可包括布置在每个电容元件附近的热敏电阻。

在步骤E21中，获得表征每个电容元件的电容的数值。在一个优选实施方式中，在步骤E21中，对于每个电容元件获得表征该电容元件充电和放电阶段次数的计数Pad₁、Pad₂、Pad₃、Pad₄、Pad₅和Pad₆。

在步骤E22中，借助于热敏电阻Therm1获得电容元件1附近的温度，通过使用测得的温度和预先生成的对应表来确定补偿数值CompPad1(T℃)。该对应表可以以理论或实验的方式来获得。然后，对于每个电容元件，由以下方式计算得到补偿后的数值(或者说校准后的数值)：

Pad_n_Comp＝Pad_n+CompPad1(T℃) (方程1)

n是电容元件1、2、3、4、5或6的编号。

在步骤E23中，将每个补偿后的数值与预定检测阈值THRn比较。由此，对于电容元件n，如果补偿后的数值Pad_n_Comp大于或等于检测阈值THRn，则检测到(即得出的结论是)在关联到该电容元件n的水平处存在流体(该流体可处于液态和/或固态(即结冰体))，否则得出的结论是电容元件n处于空气中。在一个具体实施方式中，预定检测阈值可以对于所有电容元件都是相同的。在图4所示的另一具体实施方式中，一个电容元件的预定检测阈值可以不同于另一个电容元件。图4示出计数表。在图4的例子中，电容元件1被标定为使得其在接触液体或结冰体时指示1200的计数，在处于空气中(即不与液体或结冰体接触)时指示3500的计数。电容元件3被标定为使得其在与液体或结冰体接触时指示1155的计数，在处于空气中(即不与液体或结冰体接触)时指示3655的计数。在该例子中，对于电容元件1将检测阈值固定为2350(即(1200+3500)/2)，对于电容元件3将检测阈值固定为2405(即(1155+3655)/2)。

图3示出根据本发明的第二具体实施方式的用于检测储箱中的流体的水平的算法。图3的第二实施方式与上文参照图2所述的第一实施方式的不同之处在于，该第二实施方式实施步骤E32、E33和E34，而不是E22。以下说明步骤E32、E33和E34。图3的算法的步骤E21和E23与图2的算法的步骤E21和E23相同，因此以下不赘述。

在步骤E32时，计算两个相继电容元件之间(即当前水平处的当前电容元件与下一更高水平处的下一更高电容元件之间)的数值差。这有利地允许降低由于例如塑料厚度或沿着探测器的温度梯度造成的共同模式效应(即对于两个电容元件共同的测量值的任何干扰)。由此，对于每个电容元件2、3、4、5和6，由以下方式计算数值差Diff_P_n_P_n-1：

Diff_P_n_P_n-1＝Pad_n–Pad_n-1 (方程2)

n是电容元件2、3、4、5或6的编号。

在步骤E33中，借助于热敏电阻Therm1获得电容元件1附近的温度，并基于测得的温度检测存在或不存在沿着探测器的温度梯度。如果检测到存在温度梯度，则通过使用测得的温度和来自文献、优选地经实验验证的理论关系式(曲线、表格、公式等)确定补偿系数CompT。可替代地，可在模型和/或原型上实验地生成该关系式。然后，对于每个电容元件，通过将补偿系数CompT应用到在步骤E32中计算的数值差，计算得到补偿后的数值差Diff_P_n_P_n-1_CompT。然后，进行步骤E34。

在步骤E34中，借助于热敏电阻Therm1获得电容元件1附近的温度，通过使用测得的温度和预先生成的对应表来确定补偿数值CompPad1(T℃)。可理论地或实验地获得该对应表。然后，对于电容元件1，由以下方式计算得到补偿后的数值：

Pad_1_Comp＝Pad1+CompPad1(T℃) (方程3)

然后，对于每个电容元件2、3、4、5和6，由以下方式计算得到补偿后的数值：

Pad_n_Comp＝Diff_P_n_P_n-1_CompT+Pad_n-1_Comp (方程4)

n是电容元件2、3、4、5或6的编号。

在步骤E33中，当检测到不存在温度梯度时，由以下方式计算针对每个电容元件2、3、4、5和6的补偿后的数值：

Pad_n_Comp＝Diff_P_n_P_n-1+Pad_n-1_Comp (方程5)

n是电容元件2、3、4、5或6的编号。

本发明还涉及一种用于检测储箱中的液体的水平的系统，其包括：

-电容探测器，该探测器包括一列电容元件，每个电容元件都关联到储箱中的给定水平；

-配置为对于每个电容元件执行以下步骤的处理单元：

获得表征电容元件的电容的数值；

根据温度信息获得补偿数值；

基于表征电容元件的电容的数值和补偿数值，获得补偿后的数值；

通过将补偿后的数值与预定检测阈值比较，检测液体是否存在。

在一个有利实施方式中，在(以上参照图2和3所述的)步骤E23中所用的检测阈值THRn可以动态地调整以考虑到电容元件的老化和电容元件1附近的温度变化。因此，表征电容元件1的电容的数值可作为用于执行该动态调整的参考。

图5示出用于实施在根据本发明的方法中所用的该或该些检测阈值THRn的动态调整的一个例子的组织图。在一个有利实施方式中，该动态调整可以在(以上参照图2和3所述的)步骤E21之后执行。

在步骤E21中，对于每个电容元件获得当前计数。在图4的例子中，电容元件1关联到2350的检测阈值。例如，在步骤E21中，电容元件1指示“1500”的当前计数。当前计数小于检测阈值，因此是可能与液体或结冰体接触的情况，进行步骤501。

在步骤501中，核查当前计数是处于准许范围之内还是之外。在图4的例子中，电容元件1被标定为使得其在与液体或结冰体接触时指示“1200”的计数。例如，计数容差固定为1200的+5％。由此，在步骤501中，检测到当前计数(1500)处于1140至1260的准许范围之外。该事件指示需要调整检测阈值。于是进行步骤502。

在步骤502中，在计数表中，用“1500”的当前计数替换“1200”的计数。

然后在步骤503中，用“1500”的当前计数和“3500”的计数(指示与空气接触)计算新检测阈值。对于电容元件1，新阈值是2500(即(1500+3500)/2)。

本领域技术人员将不难理解，上述步骤501、502和503的原理可移置到步骤504、505和506。

有利地，对于电容探测器的每个电容元件都实施这样的对检测阈值的动态调整。

有利地，本发明的方法另外还包括一个或多个用探测器确定储箱不同水平处的流体状态的步骤，在探测器中，每个电容元件均关联到储箱中的给定水平。

得益于来自其中浸没有探测器的流体的介电特性的可组合的数据和对于探测器电容元件的使用已知的数据，能够对电容元件建立热学模型，该热学模型与流体温度信息组合，允许以对每个电容元件独立的方式来区分媒质的固态和液态。

该热学模型取决于储箱中包含的流体的热容量、即由探测器电容元件测量的该流体的介电常数，流体的介电常数随温度剧烈变化。媒质的介电常数遵循称作“介电异常”的行为表现，其包括三个分别的相，如图6所示。也称作混合相的第一相位于流体转换温度附近，限定了流体从液态到固态的转换(或从固态到液态的转换)。该相因此对应于流体是液体和固体混合物的相。称作“固相”的第二相位于转换温度上游，对应于在其期间流体仅处于固态的相。称作“液相”的第三相位于转换温度下游，对应于在其期间流体仅处于液态的相。

然而，电容元件这样的行为表现的出现取决于施加给电容元件的做功频率，即电容元件的激励频率。实际上，施加给电容元件的做功频率越接近媒质的弛豫频率，转换温度就越确定地位于混合相中。相反地，当做功频率远离媒质的弛豫频率时，混合相可能会向转换温度上游偏移，电容元件的热学行为表现变得非常呈指数性，如图7对于给定流体所示。在极端情况下，做功频率非常远离流体的弛豫频率，这导致电容元件热学行为表现中的混合相消失。在这样的例子中，电容元件的热学行为表现变得是指数性的，从而不可能直接区分流体的状态。然而，温度可提供对流体状态的指示。

在其它情况中，基于电容元件热学行为表现和做功频率建立的热学模型允许用流体温度信息来区分流体的液态和固态。

由此，得益于存在于探测器上的多个电容元件和它们相对于彼此的独立性，能够区分流体的不同状态，及其在储箱内的位置。这样的区分允许根据流体的状态设置特别合适的加热策略。例如，在启动一个或多个加热器以使得包含在储箱中的完全结冰的流体解冻之后，能够一旦有预定量的液态流体可用，就停止这些加热器的运作。该量可例如是要提供给注射器的最小流体量。因此能够避免由于这些加热器在不需要的时候运作而造成的过多消耗。

有利地，本发明的液体水平检测系统包括处理单元，该处理单元被配置为执行所述一个或多个对于储箱的所有水平确定流体状态的步骤，其中储箱的所有水平均与探测器的一个电容元件关联。该处理单元也配置为实施关联的加热策略。

有利地，根据本发明的系统另外还包括至少一个加热器，该至少一个加热器设置为当处理单元实施的加热策略需要时就加热包含在储箱中的流体。

在低温条件下，储箱内的流体处于固态(冻结)。因此要激活加热器以使得流体一部分解冻，该部分转换到液态并因此能够被传输到注射器。然而，尤其是当要注射的流体量高于可用的液态流体量时，可能会产生一个或多个空气泡(也称作空腔)。因此，借助于电容元件独立地检测在储箱不同水平处的流体状态的可行性允许避免检测到不表征实际存在于储箱中的流体的液体水平。

Claims (6)

1.一种借助于电容探测器来检测储箱中的流体的水平的方法，所述探测器包括一列电容元件，每个电容元件都关联到所述储箱中的一个给定水平，所述方法的特征在于，该方法包括以下步骤，针对每个电容元件这些步骤在于：

-获得表征该电容元件的电容的数值；

-根据温度信息获得补偿数值；

-基于所述表征电容元件的电容的数值和所述补偿数值，计算补偿后的数值；

-通过将所述补偿后的数值与预定检测阈值比较，检测关联到该电容元件的水平处流体的存在。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器包括至少一个能够提供所述温度信息的热敏电阻。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，针对当前水平处的当前电容元件和下一更高水平处的下一更高电容元件这些步骤在于：

-计算表征所述当前电容元件的电容的数值与表征所述下一更高电容元件的电容的数值之间的数值差；

-将计算出的所述数值差用于计算所述补偿后的数值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤，这些步骤在于：

-检测沿着所述探测器的温度梯度的存在，根据所述温度信息确定补偿系数；

-通过将所述补偿系数应用到计算出的所述数值差，计算补偿后的数值差；

-将所述补偿后的数值差用于计算所述补偿后的数值。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，这些步骤在于：

-根据所述表征电容元件的电容的数值和预定的计数容差，检测指示需要调整所述检测阈值的事件；

-用所述表征电容元件的电容的数值来调整所述检测阈值。

6.一种用于检测储箱中的流体的水平的系统，包括：

-电容探测器，该探测器包括一列电容元件，每个电容元件都关联到所述储箱中的一个给定水平；

-配置为对于每个所述电容元件执行以下步骤的处理单元：

-获得表征该电容元件的电容的数值；

-根据温度信息获得补偿数值；

-基于所述表征电容元件的电容的数值和所述补偿数值，计算补偿后的数值；

-通过将所述补偿后的数值与预定检测阈值比较，检测关联到所述电容元件的水平处流体的存在。