CN109072755A - 射频过程感测、控制以及诊断网络和系统 - Google Patents

Abstract

一种射频感测、控制和微粒物诊断网络和系统和方法，并且更具体地，一种射频微粒过滤器诊断系统，其包括：外壳108，所述外壳包括连接到微粒物源的入口；微粒过滤器114，所述微粒过滤器位于所述外壳中并且适用于过滤所述微粒物；以及射频传感器，所述射频传感器适于检测异常微粒过滤器或系统操作的状况，并且包括至少一个射频探针124，所述射频探针被配置来与所述微粒过滤器的所述外壳接触并且适于接收射频信号；以及射频控制单元，所述射频控制单元与所述射频探针通信。

Description

射频过程感测、控制以及诊断网络和系统

相关申请的交叉参考

本专利申请要求2015年6月8日提交的美国专利申请序列号14/733,525以及2015年6月8日提交的美国专利申请序列号14/733,486的提交日期的优先权和权益并且是所述申请的部分继续申请，所述申请的公开和内容通过引用的方式全部明确并入本文。

本专利申请还要求2016年3月21日提交的美国临时专利申请序列号62/311,020的提交日期的优先权和权益，所述申请的公开和内容通过引用的方式全部明确并入本文。

政府赞助

本发明是在政府支持下在国家科学基金会授予的基金号IIP 1330313下进行的。政府享有本发明的某些权利。

发明领域

本发明总体上涉及一种射频过程感测、控制以及诊断网络和系统和方法，并且更具体地，涉及一种射频微粒过滤器诊断网络和系统和方法。

发明背景

本发明涉及一种射频过程感测、控制以及诊断网络和系统，并且更具体地，涉及于2015年12月10日公布的美国专利申请公开US 2015/0358091 A1和US 2015/0355110 A1中公开的类型的一种射频微粒过滤器诊断网络和系统，所述申请的公开和内容通过引用的方式全部并入本文，如同完整在本文阐述一样，并且所述申请已适用于感测、控制和诊断异常过滤器或系统操作的状况。

作为背景，微粒过滤器故障最经常由微粒过滤器上游的其他发动机或车辆部件的失灵或故障所引起。这种上游失灵或故障的示例包括但不限于喷油器故障、涡轮增压器故障、冷却剂泄漏、漏油、使用不正确的燃料或润滑剂、发动机维护不良、空气过滤器缺少或脏污、进气流量受限等等。

在一个示例中，上述上游失灵可能导致微粒过滤器的过量烟灰或微粒物(PM)填塞或者水、燃料、油或冷却剂收集在过滤器上。通常，在问题变得恶化到排放微粒过滤器本身也发生故障或其性能严重下降的程度之前，可能检测不到这些上游故障模式的早期警告标志。因此，需要在微粒过滤器不可逆地受到影响之前检测潜在的上游系统失灵或故障的标志。

微粒过滤器的损坏可能导致微粒物逸出或穿过过滤器，所述损坏包括通道壁的破裂、一个或多个通道端塞的损失或者过滤材料的熔化。诸如使用直管或旁路系统从排气系统中移除全部或部分微粒过滤器也可能导致过量的PM排放。因此，需要检测可能导致过量PM水平通过微粒过滤器的状况。

用于检测异常过滤器或系统操作状况的压力传感器和基于模型的方法具有以下缺陷：压力测量缺乏检测故障状况的分辨率，从而导致PM在规定的车载诊断(OBD)限制下从过滤器逸出。这种缺陷已在技术文献中有详细记载，并且这也是所述系统目前未用于OBD的原因；所述方法仅提供了一种估算过滤器上的PM负荷水平的间接方法；差压传感器直接测量过滤器两端的压降(不是PM负荷水平)，这会由大量参数混淆，所述参数诸如排气流量、温度、粉尘负荷水平、烟灰分布、过滤器设计等；所述系统仅在有限的操作条件范围下工作并且不能用作连续监测器；在低排放气流条件下(怠速或发动机关闭)、在再生期间、在频繁的瞬态操作期间以及一旦在过滤器中积聚灰尘而使得过滤器老化之后，压降测量是不可靠的；并且模型(虚拟传感器)依赖于一组已知的操作条件来精确地估计过滤器负荷水平；并且所述系统按照定义在错误状况或异常操作(诸如过滤器失灵或故障)期间无法正常运行，因为这些状况超出了模型的能力范围。

烟灰传感器存在以下缺陷：烟灰传感器监测过滤器下游的一部分废气中的烟灰浓度，并且因此，传感器不能监测过滤器上游的任何发动机或系统失灵，并且因此不能提供潜在故障状况的预先警告；烟灰传感器不直接监测过滤器的状态，并且更具体地，仅监测过滤器下游的排气中的烟灰，即所述传感器仅可在过滤器已发生故障并且烟灰排放已超过阈值限度之后提供过滤器故障的指示；烟灰传感器精度也受到排气流速、排气管中传感元件的位置(因为它仅对可能不代表总流量的较小体积的流量进行采样)、温度、微粒形态和成分以及随着传感器老化沉积物(灰分、催化剂/修补基面涂层微粒)的积聚的影响；积聚型烟灰传感器不提供连续监测，而是从测量状态循环到再生状态，并且再生状态通常需要额外的能量输入以烧掉传感元件上的任何积聚的烟灰；积聚型烟灰传感器不直接监测排放气流中的烟灰微粒数量或质量，而是直接监测足够的烟灰积聚在传感元件上的时间，从而仅提供排气中的烟灰水平的间接指示；烟灰传感器遭受较差的耐久性、污染物(诸如灰分)积聚以及热冲击(排气中的水)，这限制了传感器的使用寿命以及传感器在其使用寿命内的精度；并且为了进一步提高测量精度，许多利用烟灰传感器的OBD方法仍然需要预测模型来估计发动机排放烟灰水平，以便与下游烟灰传感器测量值进行比较。

本发明的RF传感器网络和系统以及感测、控制和诊断的方法有利地提供了改进微粒过滤器的控制和操作以及诊断用于OBD应用的过滤器的状态并且检测发动机系统失灵的双重功能和益处。

仍然更具体地，本发明的RF传感器网络和系统以及感测、控制和诊断方法解决和克服了如上所述的当前途径和方法的问题和缺陷，并且至少提供了以下益处：与当前采用的间接方法不同，本发明的RF传感器提供了微粒过滤器负荷状态的直接测量；在微粒过滤器不可逆地损坏之前，RF感测使得能够及早检测到上游发动机或系统失灵或故障的标志；RF感测可用于监测烟灰泄漏或从微粒过滤器中逸出；RF感测对整个过滤器进行采样，并且因此对穿过它的整个体积的排气进行采样；RF感测可连续监测微粒过滤器的整体运行状况，包括发动机关闭状况；RF感测元件(导电杆状天线)是无源元件，其与积聚型烟灰传感器不同，它不需要主动清洁或再生；RF感测元件相对于烟灰传感器提供增加的耐久性，因为感测元件由于结垢、水或冷凝暴露、温度效应等而不经受相同的故障模式；并且与压力传感器或烟灰传感器不同，RF感测方法完全不受排气流量的影响。

发明内容

本发明涉及一种射频感测、控制和微粒物诊断系统，其包括：外壳，所述外壳包括连接到微粒物源的入口；微粒过滤器，所述微粒过滤器位于所述外壳中、，适用于过滤所述微粒物；射频传感器，所述射频传感器适于检测异常微粒过滤器或系统操作的状况，所述射频传感器包括至少一个射频探针，所述射频探针与所述微粒过滤器的所述外壳接触并且适于接收射频信号；以及射频控制单元，所述射频控制单元与所述射频探针通信。

在一个实施方案中，所述射频传感器适于监测所述射频传感器的响应的时间变化率，以检测所述微粒过滤器中的微粒物积聚的速率高于或低于阈值。

在一个实施方案中，所述微粒物源是发动机，并且所述微粒物积聚是烟灰、灰分、水、冷却剂、油或燃料。

在一个实施方案中，所述射频传感器监测所述射频信号的幅值、频率或相位的时间变化率。

在一个实施方案中，所述射频传感器检测不存在所述微粒过滤器或所述过滤器的一部分。

在一个实施方案中，通过在所述微粒过滤器存在于所述系统中的情况下感测所述射频信号的所述幅值、频率或相位的变化超出所述射频信号的所述幅值、频率或相位的阈值范围来检测所述外壳中不存在所述微粒过滤器或其一部分。

在一个实施方案中，所述射频传感器适于经由将在限定的时间段内在所述微粒过滤器中积聚的微粒物的速率与在正常过滤操作期间微粒物积聚的已知速率进行比较来检测微粒物的积聚速率低于阈值速率。

在一个实施方案中，所述射频传感器适于监测所述系统的温度响应的变化。

在一个实施方案中，所述微粒物源是发动机，并且所述射频传感器适于监测发动机停机事件，并且所述射频控制单元基于选定的测量或导出参数来存储所述系统的所述温度响应的变化的历史记录，所述测量或导出参数包括发动机停机时计算的微粒物负荷、发动机停机时的排气温度、所述发动机冷却期间的周期性或连续射频测量值、所述系统达到阈值温度的时间以及发动机停机后意外升温的检测。

在一个实施方案中，所述射频传感器适于监测所述系统对外部刺激的响应。

在一个实施方案中，所述外部刺激是微粒物排放的瞬时、受控的增加或减少。

在一个实施方案中，所述射频传感器适于响应于所述外部刺激来监测预期的微粒物标记的变化，并且所述预期的微粒物标记是从现有的射频传感器测量数据导出的。

在一个实施方案中，所述射频传感器适于感测所述系统对选定的系统输入的响应，以便经由传递函数使所述输入射频信号和所述输出射频信号相关。

在一个实施方案中，所述微粒物源是发动机，所述微粒物是烟灰，并且所述射频传感器适于监测微粒过滤器再生事件以便使所述微粒过滤器中积聚的烟灰氧化。

本发明还涉及一种射频诊断系统，其包括：空腔，所述空腔包括连接到污染物材料源的入口；所述空腔中的内部元件，所述内部元件被配置来捕获或存储所述污染物材料；射频传感器，所述射频传感器适于进行射频测量并监测所述空腔的状态，所述射频传感器包括与所述空腔接触的至少一个射频探针并且适于检测所述空腔、所述内部元件或所述污染物材料源的异常操作状况；以及控制单元，所述控制单元被配置来确定所述射频测量的优选条件。

在一个实施方案中，所述射频传感器利用一种或多种谐振模式来确定所述异常操作的空间位置。

在一个实施方案中，用于进行射频测量的所述优选条件被确定为其中烟灰氧化可忽略的条件。

在一个实施方案中，用于进行射频测量的所述优选条件是侵入性测试。

本发明的其他优点和特征根据本发明的优选实施方案的以下详述、附图和随附权利要求书将显而易见。

附图说明

本发明的这些和其他特征可通过对附图的描述来最好地理解，所述附图如下：

图1是根据本发明的由射频网络和系统监测和控制的例如像车辆发动机和排气系统的设备或处理系统的示意图；

图2和图3是根据本发明的描绘了正常驾驶循环操作对侵入性测试(刺激)的预期响应对实际响应的比较的曲线图，以探测系统的实际RF传感器响应以及(b)根据射频网络和系统的RF响应的变化率；并且

图4是根据本发明的网络或系统的过程流程图或方法，所述方法用于在开始可以任何顺序执行序列的动作之前确定异常过滤器状况并验证故障状况的检测，并且所述验证步骤可执行一次或若干次。

具体实施方式

本发明涉及一种射频过程感测、控制以及诊断网络和系统，并且更具体地，涉及于2015年12月10日公布的美国专利申请公开US 2015/0358091 A1和US 2015/0355110 A1中公开的类型的一种射频微粒过滤器系统，所述申请的公开和内容都通过引用的方式全部并入本文，如同完整在本文阐述一样，并且如以下更详细描述的，所述申请已适用于检测、感测、控制和诊断异常过滤器或系统操作的状况。

具体地，并且如在2015年12月10日公布的美国专利申请公开US 2015/0358091 A1和US 2015/0355110 A1中公开的，所述系统可包括：微粒过滤器，所述微粒过滤器被容纳在形成谐振空腔或波导的导电壳体中；一个或多个天线或射频发射或接收探针或传感器，其被配置来与过滤器外壳电接触；以及至少一个入口，所述至少一个入口被配置来将流引导到过滤器外壳中并且连接到发动机或微粒物或污染物材料源。

图1描绘了由射频系统监测的诸如发动机和排气系统的设备。所述设备可为任何类型的设备，诸如化学工厂、食品加工厂、发电厂、炼油厂、酿酒厂或者任何类型的设备或工艺。所述设备或反应器可为流动反应器，或者其可为间歇式反应器。

机器102，诸如图1所示的示例中的车辆发动机或者另一示例中的设备，具有连接到各种部件和传感器的出口连接件，诸如导管或入口106。机器102产生输出流，诸如污染物或微粒材料或物质的排气流，或者任何其他流，所述流被引导通过导管106。在示出的实施方案中，导管106连接到第一模块108和第二模块110，在示出的实施方案中，所述第一模块和所述第二模块包括谐振空腔，并且在另一个实施方案中，可包括波导。

在示出的实施方案中，模块108是微粒过滤器外壳或空腔，诸如用于汽油或柴油微粒过滤器或内部元件的外壳或空腔，所述外壳或空腔被配置来捕获或存储进入的污染物或微粒材料或物质。模块108包含催化剂元件112和过滤元件114(诸如微粒过滤器)，所述催化剂元件可为三元催化剂(TWC)、氧化催化剂(OC)、选择性催化还原催化剂(SCR)、NOx储存还原催化器(LNT)或者任何其他类型的催化剂。

在示出的实施方案中，模块110是催化剂外壳或空腔，所述外壳或空腔包含催化剂内部元件116，诸如SCR、LNT、TWC、储氨器、碳氢化合物捕集器或者任何其他类型的催化剂。在另一个实施方案中，可省略模块108和110，并且在另一个实施方案中，可存在两个以上的模块。每个模块可包含一个或多个内部元件，诸如在一个示例中为催化剂、过滤器或膜，或者在另一个示例中不包含内部元件。

导管106还包含一个或多个内部元件118，诸如过滤器、催化剂、混合器、扩散器或其他元件。包括例如杆状天线、环形天线、波导、介电谐振器或者任何其他合适的RF信号传输和接收探针的射频(RF)探针120、122、124和126适于监测空腔108和100的状态并且如以下更详细描述的检测空腔108和110、内部空腔元件或污染物材料源的异常操作或故障，并且沿着导管106或在模块108和110之上和之中定位和安装在各个位置处。

附加导管138(包括例如进气管道、燃料管线、油管线、冷却剂管线)连接到机器102。导管138向设备或机器102供应入口流。导管138包含一个或多个模块136，诸如空气过滤器外壳、滤油器外壳、燃料过滤器外壳、散热器、EGR冷却器、燃料箱、油箱、尿素箱或者任何其他类型的模块、空腔或波导。在示出的实施方案中，射频探针128或130位于并安装在导管138和模块136中。

在示出的实施方案中，射频探针132安装在发动机汽缸134中。未示出的附加探针也可安装在机器102的其他部件中。射频探针或传感器120、122、124、126、128、130和132连接到控制单元104，所述控制单元被配置来确定用于进行射频测量的优选条件。单个或多个控制单元104可用于监测和控制所有射频探针。

尽管未示出，但是应当理解，可使用额外的传感器，诸如温度传感器、压力传感器、气体成分传感器(NOx、PM、氧气、氨气)或者任何其他类型的传感器并且连接到控制单元104或者连接到可与控制单元104通信的另一控制器(未示出)。

控制单元104连接到机器102并且可连接到另一个控制单元，诸如发动机控制单元或过程控制单元(未示出)。控制单元104包含处理单元和计算机可读存储介质140，所述存储介质包含指令、算法、数据、查找表以及控制连接的传感器和机器所需的任何其他信息。控制单元104包含连接142，所述连接可为通信连接，诸如以太网、USB、模拟、CAN、串行或者一些其他类型的连接或电源连接。连接142可连接到设备控制单元、连接到车辆中的发动机控制单元(ECU)或者向操作者发信号来通知单元的状态和潜在的问题。

控制单元104还包含用于发射射频信号的硬件或电子器件，诸如振荡器或合成器，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者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、放大器以及用于控制、调制、发送和监测射频信号的其他部件。

控制单元104被配置来通过射频探针120、122、124、126、128、130或132中的任何一个来发射和接收射频信号。每个探针可独立地被控制来诸如在包括传输、反射以及传输或反射的多端口网络中发送、接收或发送和接收射频信号。例如，探针122可发送射频信号，所述射频信号可由一个或多个探针126、124、122或120检测。在另一个示例中，探针126可发射可仅由探针126或探针124接收的射频信号。可使用任何数量的探针，并且一个探针可或可不与另一个探针通信。

射频信号可跨越频率范围，诸如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，或者可处于单个频率。各种模块108、110、136以及导管106或138或机器部件134可用作微波谐振空腔或波导，或者可包含可用于对被监测的装置的有限区域进行采样的谐振器(诸如介电谐振器)。射频信号，包括谐振曲线、绝对幅值、相对幅值(即，归一化成由探针传输的功率)、相位、谐振频移、频移或者其某些导数包括局部或绝对最大值或最小值、频移、相移、平均值、品质因数、求和、面积、峰宽或者其他参数可与系统的状态相关并且用于监测系统的负荷状态的变化。

空腔或波导内的介电特性的变化可用于监测或检测以下参数中的一个或多个：材料的量、材料的类型、材料的空间分布、材料的物理或化学特性、环境条件(诸如温度、压力、湿度或其他相关因素)、位置或水平(包括活塞在气缸内的位置、曲柄角度、线性或旋转位置或者诸如燃料箱、贮油槽、尿素箱的罐、贮存器或导管中液体的体积或者任何其他罐或贮存器或管道或软管、空腔或波导完整性)、工艺参数的变化率以及空腔或波导内的材料的健康或状态。

控制单元104发送和接收来自一个或多个射频探针的信号，以监测各种系统部件和功能的状态。在示出的实施方案中，机器102是诸如内燃机的发动机，并且模块136是空气过滤器、滤油器、燃料过滤器、散热器和EGR冷却器、中间冷却器、罐或贮存器或者类似装置，并且探针128用于监测装置的状态，诸如过滤器的负荷状态或者元件中材料的沉积或堆积，或者模块136中材料的量、质量或成分，诸如燃料、油、冷却剂、空气、尿素、EGR气体或其他材料的量、质量或成分。在一个示例中，探针128可用于检测水、硫水平、氧化态、烟灰积聚、碱值的变化或者模块136内或穿过模块的材料的一些其他特性。

在另一个示例中，探针132可安装在一个或多个发动机气缸中并且用于测量气缸内的活塞的位置、燃烧过程的质量、燃烧过程产生的排放、喷射的燃料量或者任何其他参数，诸如温度或压力。在其他示例中，探针132可安装在其他位置中以监测诸如线性或旋转致动器的其他类型的致动器内的位置或者罐和贮存器中的空隙体积，这种贮液罐用于燃料箱或尿素箱或者油箱或冷却剂箱。

在又一个示例中，探针126或124可用于监测模块108内的介电特性的变化。在一个实施方案中，模块108是微粒过滤器外壳，所述外壳包含微粒过滤器114和催化剂元件112。模块108可仅包含过滤器或催化剂或者多种元件，诸如多个过滤器和催化剂。可使用探针126或124监测模块108内的元件，诸如催化剂元件112或微粒过滤器114，以便确定过滤器或催化剂的状态，诸如负荷状态、老化、诸如由硫、灰分或烟灰积聚或分布引起的中毒，以及催化剂元件112或过滤器元件114或模块108的健康或完整性。过滤器元件114还可包含或可不包含催化剂涂层。

此外，模块108、催化剂元件112或过滤器元件114的状态的时间分辨测量可用于使用探针126或124来确定材料流入或流出模块的速率。在一个示例中，模块108可为微粒过滤器外壳，并且过滤器114上的积聚烟灰的量可通过使用探针126或124的射频测量诸如通过监测相位、幅值、频率或一些导数参数或其组合来确定。在所述示例中，在一个实施方案中，可以比每秒1个样本更快的速率(然而可更快或更慢)对射频信号进行采样。射频信号的导数或者连续时间测量之间的信号差异提供了在所述示例中过滤器元件114上的烟灰积聚的变化率的指示。以这种方式，整个过滤器元件114可用作积聚烟灰传感器，以确定过滤器元件114上的烟灰积聚速率，而不仅仅是总积聚量。

在一个示例中，包含模块108和探针126或124的组合过滤器可用作发动机排放烟灰传感器，并且基于模块108内包含的过滤器114上的烟灰积聚的变化率来提供发动机反馈控制或诊断信息。在所述示例中，在某些条件下，烟灰氧化模型可或可不用于补偿过滤器114上的烟灰氧化。

在另一个示例中，模块108可不是微粒过滤器外壳，但可为任何类型的催化剂或组合的过滤器和催化剂系统，诸如三元催化剂涂覆过滤器、氧化催化剂涂覆过滤器或者选择性催化还原涂覆过滤器。以类似的方式，整个催化剂或催化剂涂覆过滤器可用作气体传感器，以基于监测的RF信号的变化速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信号指示催化剂表面上特定气体物质的吸附或者感兴趣的气体物质与催化剂的其他相互作用。监测的材料不需要处于气相或微粒相，如在上述示例中，然而也可为液体。

在一个示例中，可从绝对或相对幅值或相位测量或其某些导数来确定监测的射频参数，诸如在给定功率水平下的最大值或最小值、平均值、频移、峰值或谐振宽度、品质因数或相关参数。可在固定频率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。

一个或多个测量的射频参数P的变化率(Δ/t)可在特定时间t来计算如下：

(Δ/t)＝(P_t-1-P_t)/((t-1)–t) 公式1

其中符号(t-1)指示先前时间的参数P的测量值，标签下标(t)指示当前测量时间。以这种方式，模块108或其一部分可用于确定感兴趣的构成材料进入模块的速率。所述时间可由包括在控制单元104中的定时装置来测量。

相反，可使用相同的方法来确定感兴趣的构成材料从模块108或110或136或者导管138或106逸出或离开的速率。在一个示例中，如果例如在一组特定条件下材料进入模块108的速率已知，则模块108内的材料水平的变化率可用于检测材料从模块108的损失的逸出。

在一个示例中，可以这种方式检测来自微粒过滤器模块108的烟灰或微粒的损失或泄漏。在所述示例中，发动机在导致从发动机输出的烟灰的已知速率和在微粒过滤器元件114上已知或可忽略的烟灰氧化的量的条件下的操作可用作用于使用控制单元104来检测过滤器元件114的导致烟灰泄漏的故障的优选条件。在所述示例中，可将过滤器元件114上的烟灰积聚的变化率或过滤器元件114上的烟灰积聚在指定的时间间隔内的总变化与在此时间段内进入模块108的已知的发动机排放烟灰的排放量进行比较。过滤器114上测量的烟灰积聚与进入过滤器模块108的烟灰量的差异可指示由于诸如裂缝或熔化区域的过滤器失灵或故障(如果过滤器114上的测量的烟灰水平的增加小于进入模块108的烟灰的量)而导致的烟灰的损失或逸出。所述示例的一种应用是检测过滤器故障以便进行车载诊断。在一种情况下，测量的时间间隔可在几秒或几分钟内，或者在另一种情况下，在小于一秒的间隔内。所述间隔可包括整个测试循环，诸如驾驶循环或模态循环，或者仅包括一种特定的操作条件。发动机排放烟灰排放量可预先确定，或者由诸如PM传感器或射频传感器的传感器来测量。

在另一个示例中，用于监测过滤器上的烟灰积聚的变化或者过滤器上的烟灰积聚的变化率的优选时间间隔可为在低温操作或低NOx操作期间，其中惰性氧化是有限的。在一个示例中，这可在低于250摄氏度的温度下进行。在另一个示例中，用于监测过滤器烟灰水平的变化的优选窗口可为在排气中具有低氧或无氧的时间段期间，例如像在汽油机的情况下，而不管排气温度如何。本领域技术人员将理解，可能存在排气状况或后处理系统设计的许多变型，其中烟灰氧化可忽略不计或者被充分表征(诸如通过模型)并且可能非常适合或优选用于将烟灰进入过滤器的速率与在过滤器上积聚的监测速率进行比较，以便确定从过滤器的烟灰损失的速率，所述烟灰损失可能是由于诸如裂缝、熔化区域或者过滤器或排气系统的其他缺陷而导致的失灵。

上述示例不必限于微粒过滤器，而是任何类型的过滤器、膜或催化剂系统，其中固体、液体或气相组分以可测量的方式与模块108相互作用，诸如通过沉积、吸附、与108的相互作用的壁或者108中包含的某些元件112或114的反应。以这种方式，根据等式1，模块108借助于监测一个或多个射频参数的变化可用作气体传感器，诸如用于NOx、CO、HC、O₂、NH₃或任何其他气体或者甚至是液体。所述应用包括检测来自模块108的一个或多个部件的流入或流出以用于控制或诊断目的。以这种方式，也可诸如通过某些气体物质的逸出(或者缺少某些气体物质的储存或吸附)来确定催化剂的失效，或者也可确定由设备或机器102产生的某些物质的排放率以便进行反馈控制。

上述测量也可在导管106中进行，诸如通过探针122来进行。探针122可监测穿过或沉积在导管106的壁上的材料。在一个示例中，探针122结合控制单元104可操作为频域反射计或时域反射计，以监测失误、故障的位置或介电特性的变化、阻塞物、障碍物或缺陷或者通过连接到导管106的一部分或所有部件和系统的不连续性。以这种方式，在一个示例中，可从单个探针监测多个元件112、114、118或116。在另一个示例中，可使用多个探针。具体地，可变探测可涉及安装在SCR、LNT、TWC、碳氢化合物捕集器，储氨器催化剂或任何其他催化剂上的探针120以及安装在模块110的上游或下游的探针122。

在另一个示例中，导管106可由多个分支或支路组成，具有各种连接、过渡、空腔和其他元件，诸如导管网络。在一个示例中，管道网络是管道或分布式管道系统。探针122、120、124或126可用于检测导管网络内的故障，诸如断裂或断开的导管，或者诸如元件112、114、118或116网络内的元件的故障。元件的故障可能导致泄漏，诸如渗余物从过滤器的泄漏，气体、液体或固体或者一些其他材料的泄漏。可通过诸如异常特征或不连续性的射频监测参数的变化来检测故障。在另一个示例中，上游元件的故障可能导致已从下游元件或上游元件或导管的一部分逸出的材料的沉积。检测到下游导管或下游元件上的泄漏材料也可用于确定上游元件的故障。

控制单元104可基于系统输入的特性和组成的射频测量来修改发动机燃烧或校准，诸如加燃料、空气流量、增压压力、EGR率、喷射正时、尿素或碳氢化合物配量以及相关参数。在一种应用中，可监测石油基燃料和一些其他燃料的共混物，诸如乙醇或生物柴油。在另一个示例中，可监测尿素的质量或组成。

控制单元104还可基于燃料质量的射频测量值(诸如较高的水或硫水平)来警告操作者或触发故障状况。在另一个示例中，控制单元104可基于燃料、油、冷却剂、液压流体、进气、尿素、产生氨的组分的质量、成分或水平或者其他工艺参数的射频测量来警告操作者或者触发故障状况。

控制单元104可进一步使用安装在导管106或模块108或110中的射频探针来基于排放废气测量来修改发动机和排气系统操作。在一个实施方案中，模块110可为SCR催化剂系统，并且探针120可使用反射测量来监测SCR催化剂上的储氨器，或者利用模块110(传输)中的第二探针或使用安装在模块110上游或下游或模块110内的探针122来进行传输。控制单元104可基于SCR催化剂元件116上的储氨器的监测水平来控制尿素定量。在另一个实施方案中，探针126或探针122可监测SCR催化剂以及排气系统内的其他元件。在另一个示例中，来自探针120的SCR催化剂116上的储氨器的射频测量值用于与发动机控制单元通信以命令发动机贫操作和富操作，诸如从上游TWC催化剂(所谓的无源SCR)产生氨。

在另一个示例中，模块108可为微粒过滤系统，并且来自探针126或124的测量值可用于控制机器102的操作，诸如通过增加排气温度、碳氢化合物配量或者任何其他手段来诱导再生，并且还终止再生或控制再生事件的温升速率。

在一个示例中，元件118可为氨泄漏催化剂或小过滤器元件，并且来自探针122的测量值可用于检测氨泄漏或者穿过上游催化剂或过滤器的微粒以用于诊断目的。

在另一个示例中，探针122、130或任何其他探针可监测材料的性质，诸如穿过或包含在导管106或130或模块136、108或110内的任何气体、液体或固体。

在另一个示例中，可仅使用单个探针(诸如探针126)来发射射频信号通过由导管106和模块108和110组成的整个排气系统，以从单个探针监测系统的每个部分中发生的过程。在这种情况下，网格可用于在模块110下游的导管106的出口或出口侧部分处控制信号。在另一个示例中，可使用一个或多个探针126，并且可使用一个或多个网格或屏幕。

总的来说，图1所示的系统形成基于射频的过程控制系统，由此一个或多个部件或子系统可由一个或多个射频控制单元104监测和控制，以便优化设备或机器102或者任何模块108、110或136或图1所示的任何其他部件或子系统的操作。所述优化可包括改进的效率、延长的耐久性、改进的性能或输出或者任何其他期望的结果以及对由于故障状况导致的任何故障状况或保护措施的启动的警报。可通过针对图1所示的任何部件或子系统控制一个或多个输入或过程控制变量来实现优化。所述控制可基于来自每个探针的测量的直接反馈控制，以便将测量值维持在期望范围内。所述控制可或可不包括基于补充模型的控制或者来自其他传感器或装置的输入。

除了如上所述地控制系统操作之外，还可由控制单元104检测失误或失灵或故障。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者超过或低于所需的阈值时，可检测到这种失误或故障状况。失误或故障包括过量排放，诸如微粒(烟灰、灰分或任何其他微粒)或气体(诸如受管制的排放物)或者任何其他物质。可监测的其他系统参数包括满足车载诊断要求所需的参数。

还可监测潜在的故障模式或故障的早期标志(早期警告或预测)以及图1所示的任何子系统或部件的灾难性故障。例如，使用微粒过滤系统(模块108)可掩盖诸如由于高燃料消耗、高油耗、冷却剂泄漏或相关故障所引起的高烟雾排放。控制单元104和探针126或124可用于检测高烟雾、冷却剂或水蒸气排放，它们可沉积在过滤器元件114上或者穿过模块108或导管106。诸如过滤器元件114上的高水平的灰分积聚异常也可指示高油耗。

在另一个示例中，还可基于模块110或108中的催化剂的射频测量来检测不同气体物质(诸如NOx或氨)的异常排放(高水平或低水平)。也可通过探针130或128来监测润滑剂和燃料质量和状况，以诊断劣质燃料或异常润滑剂老化，或者例如存在较高的烟灰水平或磨损金属水平。探针132也可直接检测到不良燃烧。还可监测催化剂元件112、114、116的负荷状态以及催化剂老化、中毒或性能退化或随时间的变化的其他特性。

控制单元104还可利用来自诸如温度传感器、压力传感器、气体成分传感器、位置传感器等的其他传感器的输入，所述传感器不是基于射频的，但是未在图1中示出。

在另一个实施方案中，元件136、112、114、118或116可用作感测元件本身，并且通过使用探针128、126、124、122或120的微波装置来进行监测。在一个示例中，过滤器元件114是微粒过滤器，并且探针126或124可对在过滤器元件114上积聚的烟灰量进行快速采样。监测的烟灰负荷的导数或者烟灰负荷随时间的变化提供了发动机排放烟灰排放量的直接测量。控制单元104可基于来自过滤器元件114的测量的发动机排放烟灰排放量来向机器102提供反馈控制。在一个示例中，反馈控制可涉及修改燃烧参数。在一个示例中，采样率可在1Hz至10Hz的范围内，但是在某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的负荷状态的瞬时变化，以提供从所述元件的任何这些材料的材料添加、积聚、吸附或损失的速率的实时或连续测量。在另一个示例中，催化剂元件112是TWC，并且可通过探针126或探针124测量实时氧浓度。在另一个示例中，催化剂元件116是SCR或LNT，并且可直接监测NOx排放速率或氨配量速率。在又一个示例中，还可测量导管(诸如导管106)中的材料的浓度。

参考图1描述的系统适用于需要检测或诊断过滤器状态的任何应用。特定应用的一些示例包括：内燃机(汽油、柴油、天然气等)可利用排放微粒过滤器来减少PM排放。特定过滤器包括柴油微粒过滤器(DPF)、汽油微粒过滤器(GPF)，但是许多其他应用也可能是合适的。这些类型的过滤器用于公路应用，诸如客车、卡车和公共汽车，以及越野应用，包括农业和建筑设备、船舶、铁路/机车、固定和移动发电以及使用内燃机的许多其他应用。特别适合的附加应用包括非导电过滤介质，诸如用于诸如可在发电厂排放控制、工业袋滤室、采矿、药品和化学品加工等中发现的从气体或液体流中进行微粒过滤的陶瓷、聚合物或纸过滤器。

在一个示例中，过滤器可为陶瓷微粒过滤器，诸如柴油或汽油微粒过滤器，其可安装在柴油或汽油发动机上以用于任何数量的公路或越野应用。所述应用可包括客车、卡车、公共汽车、建筑设备、农业设备、发电机、船舶、机车等。在另一个示例中，过滤器可为安装在任何合适应用上的任何类型的合适过滤器。

可将频率操作范围选择为任何合适的频率范围。在一个示例中，所述频率范围可从100MHz至3,000MHz。所述射频信号可为宽带或窄带。所述信号可或可不包括过滤器外壳中的一种或多种谐振模式。在外壳中建立一种或多种谐振模式的示例中，谐振下的信号的观察的变化提供了微粒过滤器的状态的变化的度量，以及过滤器状态已发生变化的空间位置或一般区域。RF传感器操作的频率范围可为固定的或可变的。在一个示例中，可基于过滤器负荷状态或条件来改变操作频率范围。

在一种操作方法中，射频传感器用于监测微粒过滤器中烟灰和灰分的积聚。如例如美国专利号8,384,397；8,384,396；以及9,144,831中所描述的，在正常操作条件下，烟灰或灰分的积聚通过降低信号幅值或者引起信号中的频移或相移来以可预测的方式影响射频信号。具体地，频率、相位或幅值的变化可能在谐振时最为明显。使用射频传感器来监测一种或多种谐振模式的信号变化不仅提供了关于过滤器的空间(局部)位置或负荷状态变化的信息，而且监测覆盖整个过滤器的多种模式确保可精确地测量对应于发动机排放水平的污染物负荷的总体或合计变化率。可监测的空间变化或局部变化与对应于每种谐振模式的空腔内的高电场的区域有关。

然而，在许多情况下，连接到微粒过滤器的系统(诸如发动机)的失灵或故障可能导致流过过滤器的异常排气状况。这种上游故障或失灵包括过量的烟灰排放，水、冷却剂、油或燃料泄漏到系统中，或者任何其他相关的故障模式，所述故障模式可能将异物引入排气中或者导致异常的废气排放水平。这种故障可能是由于喷油器故障、涡轮增压器故障、使用不正确或质量差的燃料和润滑剂、上游密封件和垫圈(诸如阀杆密封件、涡轮增压器密封件、气缸盖垫圈等)的故障，或者甚至EGR阀的故障、EGR冷却器结垢或相关问题。

所得的高水平的发动机排放排放量或污染物可通过RF传感器的响应中的突然变化(如在部件的灾难性故障的情况下)或较慢的变化(在渐进式部件劣化的情况下)来检测。如图2和图3所示，可监测传感器响应的时间变化率，以检测过滤器上的材料积聚的速率高于指定阈值的情况。可从一种或多种谐振模式导出传感器响应的时间变化率。监测各个模式提供了关于过滤器内的局部改变的信息。在一个示例中，监测多种模式提供了关于总变化率的信息，所述信息可最佳地与总发动机排放烟灰排放量的变化相关联。在另一个示例中，监测各个模式可用于检测过滤器的特定区域中的局部故障。过滤器上的材料积聚可为烟灰、灰分、水、冷却剂、油、燃料或者影响过滤器外壳内的介电特性的一些其他材料(固体、液体或气体)。

RF传感器响应的变化可在于RF信号的信号幅值、频率或相位。可基于传感器检测到异常过滤器负荷水平来触发警报或故障指示。所述警报可在故障状况变得严重到不可逆地损坏过滤器或进一步损坏发动机或相关子系统之前向操作者提供所述故障状况的提前警告。在另一个实施方案中，由RF传感器触发的警报或故障状况可用于启动动作并且在另一个示例中，诸如通过降低系统的等级来修改发动机或过滤系统的操作，以避免损坏系统或过滤器。

在另一种操作方法中，RF传感器可用于检测烟灰、灰分或过滤器被设计来捕获的任何其他材料从过滤器中逸出的状况。

在一个示例中，RF传感器可通过RF信号(幅值、频率或相位)的变化来检测完全不存在过滤器元件(诸如其被移除)，当系统中存在过滤器时，所述变化超出指定或限定范围。所述范围可通过评估当前和/或现有操作条件和/或当存在过滤器时预期的响应基线的存储或累积计算来限定。在另一种操作方法中，过滤器元件的缺失被检测为谐振频率的偏移或者相位或幅值的变化。

在另一个实施方案中，可通过RF信号的变化来进一步检测仅部分缺少过滤材料的一部分，诸如裂缝、熔化或缺失区域，诸如在一个示例中是谐振频率的偏移，或者在另一个示例中是幅值或相位的变化。可仅通过在包含缺陷的过滤器的特定区域中表现出高电场的那些谐振模式来优先检测局部缺陷。

在一个实施方案中，缺乏全部或部分过滤器可能导致谐振模式的较高谐振频率的偏移，而过滤器上的材料的负荷(诸如烟灰或灰分)可能表现出相反的行为，从而允许易于检测到过滤材料中存在缺陷或者不存在过滤器。在所述示例中，可通过RF信号的变化直接检测缺少过滤器或者过滤器中的缺陷，而不参考烟灰水平或过滤器中的烟灰水平的变化。

在另一个示例中，RF传感器可检测过滤器上异常低的材料积聚速率。在一个示例中，可通过将在特定时间段内在过滤器上积聚的材料的速率或量与正常过滤器操作的材料积聚特性的已知速率进行比较来检测低材料积聚速率，或者在另一个示例中可通过了解进入过滤器的上游排放速率来进行检测。

材料积聚的低速率监测或确定可从当前和现有的RF传感器测量数据或历史数据导出，但是也可采用RF传感器测量数据的补充与测量或导出以增强低速率的材料积聚的RF传感器确定的发动机操作信息。依据发动机或排气后处理控制器的分布，可由系统中的其他控制单元提供额外的补充信息。

在一个示例中，如果由RF传感器测量的过滤器上的材料积聚速率低于可接受的阈值，则传感器可触发故障或警报信号。可以这种方式检测的过滤器故障模式包括裂缝、熔化区域或过滤垫材料的劣化等，所述故障模式可能导致材料从过滤器逸出或穿过过滤器。可从正常过滤器操作条件和驱动循环或发动机操作模式确定阈值水平。所述阈值水平可基于过滤器正常运行时的历史水平或者存储在传感器或发动机或后处理系统控制器中的预设值或限值。可调节发动机操作，以便在短时间段内提供具有已知排放速率的一组条件，诸如排气中特别高的烟灰浓度。

可针对各个谐振模式设置用于故障检测的阈值水平，诸如用于检测局部故障，或者针对从多于一种谐振模式导出的参数。

还可监测系统的温度响应，主要是为了确定系统的热容量基本上没有变化。可从温度补偿推断出所述单元的估计温度，其中由于快速的温度匀升，单元的负荷变化很小。利用排气的已知的上游和下游温度，从RF传感器确定的滤床温度可用于确定过滤器中的问题，诸如未提供信号响应的较大灵敏度的大量材料的积聚，诸如来自发动机中漏油的油或灰分或过滤器上游的排气泄漏，这导致低于通过过滤器的预期流速。问题或故障模式可通过过滤器的热容量的变化、通过过滤器的流量的变化等而表现出。热响应可在发动机运行的主动变化之后确定，或者仅在正常操作状况期间确定。

也可在发动机关闭状况期间监测温度响应，在此期间，包括过滤器的排气系统仅在系统冷却时经受周围环境对温度曲线的影响。RF传感器可监测发动机关闭事件，并且基于若干测量或导出参数来保持过滤器温度如何变化的历史记录，所述参数包括例如发动机停机时计算的烟灰负荷、发动机停机时的排气温度、冷却期间的周期性或连续RF测量值、排气系统达到一定温度的时间、发动机停机后意外温度升高的检测等等。这种监测发生的时间可根据条件而变化，但是将由不再处于燃烧模式的发动机启用。

在另一个示例中，还可以类似的方式监测发动机启动事件。在发动机关闭时确定的测量的过滤器状态也可与在发动机启动时确定的测量的过滤器状态进行比较，以检测过滤器状态或故障的变化。类似地，即使发动机关闭，也可周期性地监测过滤器状态。在发动机启动或关闭事件期间监测的参数可包括温度、过滤器负荷状态的RF传感器测量值(诸如烟灰或灰分水平)或者原始RF谐振值，诸如一种或多种谐振模式的频率、幅值或相位或者频率范围。

在另一个实施方案中，可采用有源装置来评估过滤器对特定外部刺激的响应。在一个示例中，外部刺激(侵入性测试)可为发动机排放烟灰排放量的瞬时控制增加，这诸如通过增加供给燃料、修改喷射正时、控制进气流量(节流)、排气再循环(EGR)的变化或者增压压力的操纵等等。通过发动机的烟灰生成的预期变化将具有如由通过RF传感器对控制单元的侵入性请求的协调决定的预期的标志，所述控制单元控制发动机以及可控制烟灰产生的控制参数。作为示例，所述烟灰标志可为烟灰排放量的暂时增加、烟灰排放量的暂时减少或者诸如脉冲或抖动的智能标志。

可通过RF传感器监测发动机排放烟灰排放量的所产生的变化。发动机排放烟灰排放量的变化预计会导致过滤器负荷水平的变化，所述变化可基于RF信号响应与来自发动机的预期排放量关联。如侵入性请求的预期的烟灰水平响应的监测或确定可从当前和现有的RF传感器测量数据导出，但是也可采用RF传感器测量数据的补充与测量或导出以增强所述响应的RF传感器确定的发动机操作信息。依据发动机或排气后处理控制器的分布，可由系统中的其他控制单元提供额外的补充信息。

侵入性测试可定期或连续进行。在一个实施方案中，用于进行射频测量的优选条件是在条件优选时进行或确定的侵入性测试，诸如在一个示例中是过滤器上可忽略不计烟灰氧化的条件，或者在另一个示例中是其中烟灰氧化是众所周知的条件。除了烟灰氧化之外，可使用其他考虑因素来确定进行侵入性测试的优选条件。

如图2和图3所示，可在正常操作状况或驱动循环内进行故障状况的检测，诸如高于或低于阈值的负荷水平。

图2示出了测量的RF响应，而图3示出了导数响应(相对于时间的变化)。在一个示例中，可使用比正常发动机操作或驾驶循环更多或更少的预期RF响应来确定是否已发生系统失灵或故障，诸如较高的发动机排出的烟灰、油、冷却剂水平或者任何其他污染物进入过滤器，或者已发生的过滤器失灵或故障是否导致材料从过滤器的损失或者过滤器的捕获效率降低，诸如破裂、熔化或缺失区域。

图3示出了RF信号对与RF传感器的导数响应(时间变化率)相关的故障模式的预期响应的附加差异。

图2和图3还展示了通过使用侵入性测试来检测失误、故障或失灵，所述侵入性测试可在正常发动机或车辆操作的过程中被触发一次或多次。侵入性测试可用于检测系统故障或失灵、诊断系统状况或者确认或验证在正常发动机或车辆操作期间进行的测量的结果。

在另一个实施方案中，可确定对诸如节气门、发动机速度或供给燃料的某些系统输入的RF响应，以便经由传递函数将输入与输出RF信号关联。通过使用简单的反馈回路，可将预期的RF信号响应与提供误差信号的实际响应进行比较，所述误差信号可用于诊断过滤器故障或异常发动机操作，而不需要对系统进行任何特定的输入整形。

在另一个实施方案中，RF传感器监测用于氧化过滤器中积聚的烟灰的过滤器再生事件。基于过滤器中计算或测量的烟灰存储量，RF传感器可存储关于先前过滤器再生事件的信息，包括例如峰值再生温度(由RF传感器直接感测或者从其他控制单元外部提供)、烟灰氧化速率、在完全再生之后实现的烟灰负荷水平、在部分再生之后实现的烟灰负荷水平、再生事件的持续时间和/或类似的性能信息。

与历史事件相比，评估再生事件的差异提供了评估机制，以确定过滤器的响应是否指示结构故障。预期的烟灰水平的监测或确定可从当前和现有的RF传感器测量数据导出，但是也可采用RF传感器测量数据的补充与测量或导出以增强所述响应的RF传感器确定的发动机操作信息。依据发动机或排气后处理控制器的分布，可由系统中的其他控制单元提供额外的补充信息。

在另一个示例中，烟灰氧化速率可用于推断催化剂的健康或状态或者上游发动机排出状况。在一个实施方案中，慢于通过RF传感器测量的预期的烟灰氧化速率可用于诊断催化微粒过滤器或上游氧化催化剂的催化剂活性的老化或损失。

在另一个示例中，降低的烟灰氧化速率可能是由于发动机排出的NOx排放量的减少或者高于预期的PM与NOx的比率。由RF传感器监测的再生过程和烟灰氧化速率可为主动再生或被动再生或者主动再生和被动再生的组合。

在另一个示例中，催化过滤器或上游氧化催化剂的催化剂健康或活性可通过给定温度下的排气温度测量和烟灰氧化速率的RF传感器测量或者给定温度下的烟灰氧化速率的变化的组合来确定。

如果RF信号的响应变化率或RF信号响应的相对变化低于或高于来自外部刺激的预期，则可能存在过滤器故障状况，由此烟灰或其他材料穿过过滤器。可预定义应用于系统的特定刺激，以用完整的过滤器建立众所周知和“正常”的响应。所述刺激可周期性地或连续地发生。根据情况，施加有效刺激的频率也可为固定的或可变的。预期响应的变型的示例在图2和图3中示出。

有效刺激不需要导致过滤器中过量或高水平的材料添加，但是如果存在过滤器故障状况，则还可被设计来引起过滤器中材料的损失。在一个示例中，诸如通过快速增加发动机速度来命令高排气流速，这可能导致排气流的尖峰或脉冲。如果过滤器包含缺陷或瑕疵(破裂、熔化或失效区域)，则排气流中的这种脉冲可能导致材料从过滤器或通过过滤器吹出。在施加这种有效刺激之后由RF传感器确定的监测的过滤器负荷水平的降低直接指示过滤器故障状况。

有效刺激的应用可与RF传感器结合使用以检测过滤器故障状况。如图3所示，在一个示例中，有效刺激可仅用于避免过滤器故障的假阳性指示(确认存在故障)，诸如在正常发动机操作过程中遵循低于过滤器上预期的材料积聚的初始指示。在这种情况下，如果由RF传感器检测到低于正常材料积聚水平(材料积聚的缓慢速率)，则传感器或发动机控制单元可请求施加有效刺激以进一步探测或测试系统以确认存在过滤器故障。可施加递增幅值的有效刺激的顺序施加以进一步探测或确认存在过滤器故障状况。

可通过一个或多个装置确定由RF传感器测量的过滤器负荷水平或过滤器上的材料积聚速率是否在可接受范围之内或之外。

在一个示例中，可将材料积聚的水平或速率与类似操作条件下的历史值进行比较，或者可将其与固定值或阈值水平进行比较，诸如在微控制器上存储在计算机可读存储介质中的呈查询表形式的那些。

在另一个示例中，可将RF传感器响应与用于在另一个示例中在某些条件下估计发动机排放排放水平的预测模型的结果进行比较。

在另一个示例中，可将RF传感器对过滤器上的负荷水平的响应与上游传感器的测量结果进行比较。在又一个示例中，可采用机器学习技术，诸如在一个示例中的神经网络，以及在另一个示例中的模式识别，以检测RF信号中的异常变化。

RF测量可能需要某种类型的补偿，诸如温度补偿。在一个实施方案中，使用RF装置监测过滤器健康状况可为连续的。在另一个实施方案中，RF传感器可仅在系统操作期间监测过滤器健康状况，此时更有利于这样做，诸如在一个示例中的低排气温度条件或者在另一个示例中的高温条件。在高温条件或低温条件下监测过滤器可为表现出温度依赖性介电特性的材料提供一些优势。在又一个示例中，用于监测过滤器健康状况的优选时间段可为处于一个示例中的清洁过滤器状态，并且在另一个示例中，用于监测过滤器健康状况的优选有利时间段可处于负荷状态。

从预期信号到测量信号的变化可用于确定过滤器本身、发动机或仪器的问题或故障。单元的重新校准和自诊断可用来确定测量单元或其部件(电缆、天线、电源、通信)的故障。

可诸如通过修改频率范围和/或修改信号的幅值来修改RF信号。在一个示例中，可诸如通过在一个示例中激发特定的谐振模式来修改感兴趣的频率范围以特定地探测过滤器的特定区域。在另一个示例中，可诸如借助于可调增益或其他机制来修改RF输出信号幅值。在又一个示例中，可调节RF输出幅值以满足接收端口(其可为或可不为与传输端口相同的一个)处的指定幅值，并且与检测的幅值相反，所应用的增益可用作过滤器状态的指示符。在另一个示例中，可诸如通过在信号中引入相移来改变信号的相位。

过滤器故障状况的检测可用于触发警报、警告操作者、触发故障状况或者启动动作。示例包括指示灯的照明或者发动机操作的修改。在另一个示例中，过滤器故障状况的检测可用于触发另外的诊断测量或动作，诸如在一个示例中为侵入性测试，以确认或更确切地指出故障或失灵。

图4提供了一个示例，示出了用于诊断系统状态的流程图和决策步骤。在第一步骤中，进行RF测量。所述测量输出可为校准值，诸如过滤器中的烟灰或灰分水平，在一个示例中，或者为中间值，诸如原始RF幅值、频率或相位测量值或从其导出的参数或者对应于一种或多种谐振模式的谐振曲线。所述测量值可包括RF测量值或来自其他传感器的测量值，或者诸如历史数据、模型输出或计算数据的数据，或者存储在控制单元中的值，诸如在一个示例中存储在查找表中的值。

在第二比较步骤中，将测量值与预期值进行比较，以确定测量值是否在可接受的范围内或者高于或低于阈值。可与校准的RF传感器输出或原始RF谐振数据或者其一些衍生数据进行比较。在另一个示例中，所述比较步骤可确定RF谐振信号特征(诸如峰值、谷值或由此导出的其他特征或参数)是否与预期行为一致或者是否异常。

比较步骤的结果可为了重复测量或验证测量。在一个示例中，如果未检测到失误或失灵，则可简单地重复测量循环。在另一个示例中，如果所述比较或决策步骤检测到RF信号的异常、意外或反常行为或RF测量值与其他传感器测量值或计算、导出或预测参数或者测量值的组合超出范围或高于或低于可接受阈值，则可在后续步骤中验证所述测量值。

可使用任何数量的方法或步骤来验证所述测量值。在一个示例中，可重复测量以确定是否达到相同的值或结论。在另一个示例中，可进行不同的测量，诸如图2和图3中所示的侵入性测试，以便提供系统的不同测量，以确定在随后的决策步骤中是否达到相同的结论。所述验证和随后的比较或决策步骤可重复任意次数，以决定性地确认存在或缺少故障状况，或者更准确地指出或指定失灵或故障的类型、位置或严重性，或者检测相关失灵或故障。

在一个示例中，基于从聚集谐振曲线计算的参数，可使用指示过滤器捕获效率降低(从过滤器逸出的材料)的一般故障来确定存在过滤器故障。在所述示例中，后续验证步骤可涉及扫描不同的频率范围或不同的谐振模式，或者更精确地扫描具有更高频率分辨率的特定谐振模式，以更精确地指出故障的位置或严重性。在另一个示例中，可使用侵入性测试来改变系统的输入以确认或验证故障。在又一个示例中，可进行有理性或合理性检查，诸如通过比较来自一个或多个传感器或来自一个或多个模型的值或参考值来确认进行测量的传感器的正确操作，所述测量值用作用于检测故障或诊断系统的决策步骤的输入。验证步骤可进行一次、多于一次或者根本不进行。

在最后步骤中，可基于先前比较步骤的结果来启动动作。如果先前的比较步骤检测到系统失灵或故障，则可启动动作，所述动作可包括诸如通过警报或打开灯或指示器来警告操作者，或者在另一个示例中诸如通过修改系统操作来启动保护性动作。在又一个示例中，所述动作可记录或发送故障代码。在另一个示例中，所述动作可关闭发动机、设备或机器。在另一个动作中，发动机或设备可能降级。可启动任意数量的动作。

在不脱离本发明的新颖特征的精神和范围的情况下，可实现射频过程感测、控制以及诊断网络和系统的实施方案以及上述感测、控制和诊断的方法和示例的多种变化和修改。应当理解，并非意图或不应推断关于射频过程感测、控制以及诊断网络和系统以及感测、控制和诊断的方法和示例并且更具体地是射频微粒过滤器诊断系统和方法以及本文描述的感测、控制和诊断的示例进行限制。当然，所附权利要求意图涵盖落入权利要求范围内的所有此类修改。

Claims (18)

1.一种射频感测、控制和微粒物诊断系统，其包括：

外壳，所述外壳包括连接到微粒物源的入口；

微粒过滤器，所述微粒过滤器位于所述外壳中，适用于过滤所述微粒物；

射频传感器，所述射频传感器适于检测异常微粒过滤器或系统操作的状况，所述射频传感器包括至少一个射频探针，所述射频探针与所述微粒过滤器的所述外壳接触并且适于接收射频信号；

以及射频控制单元，所述射频控制单元与所述射频探针通信。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述射频传感器适于监测所述射频传感器的响应的时间变化率，以检测所述微粒过滤器中的微粒物积聚的速率高于或低于阈值。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述微粒物源是发动机，并且所述微粒物积聚是烟灰、灰分、水、冷却剂、油或燃料。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述射频传感器监测所述射频信号的幅值、频率或相位的时间变化率。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述射频传感器检测不存在所述微粒过滤器或所述过滤器的一部分。

6.如权利要求5所述的系统，其中通过在所述微粒过滤器存在于所述系统中的情况下感测所述射频信号的所述幅值、所述频率或所述相位的变化超出所述射频信号的所述幅值、所述频率或所述相位的阈值范围来检测所述外壳中不存在所述微粒过滤器或其一部分。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述射频传感器适于经由将在限定的时间段内在所述微粒过滤器中积聚的微粒物的速率与在正常过滤操作期间微粒物积聚的已知速率进行比较来检测微粒物的积聚速率低于阈值速率。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述射频传感器适于监测所述系统的所述温度响应的变化。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述微粒物源是发动机，并且所述射频传感器适于监测发动机停机事件，并且所述射频控制单元基于选定的测量或导出参数来存储所述系统的所述温度响应的变化的历史记录，所述测量或导出参数包括发动机停机时计算的微粒物负荷、发动机停机时的排气温度、所述发动机冷却期间的周期性或连续射频测量值、所述系统达到阈值温度的时间以及发动机停机后意外升温的检测。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述射频传感器适于监测所述系统对外部刺激的响应。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述外部刺激是微粒物排放的瞬时、受控的增加或减少。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述射频传感器适于响应于所述外部刺激来监测预期的微粒物标记的变化，并且所述预期的微粒物标记是从现有的射频传感器测量数据导出的。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述射频传感器适于感测所述系统对选定的系统输入的响应，以便经由传递函数使所述输入射频信号和所述输出射频信号相关。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述微粒物源是发动机，所述微粒物是烟灰，并且所述射频传感器适于监测微粒过滤器再生事件以便使所述微粒过滤器中所述积聚的烟灰氧化。

15.一种射频诊断系统，其包括：

空腔，所述空腔包括连接到污染物材料源的入口；

所述空腔中的内部元件，所述内部元件被配置来捕获或存储所述污染物材料；

射频传感器，所述射频传感器适于进行射频测量并监测所述空腔的状态，所述射频传感器包括与所述空腔接触的至少一个射频探针并且适于检测所述空腔、所述内部元件或所述污染物材料源的异常操作状况；以及

控制单元，所述控制单元被配置来确定所述射频测量的优选条件。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述射频传感器利用一种或多种谐振模式来确定所述异常操作的空间位置。

17.如权利要求15所述的系统，其中用于进行射频测量的所述优选条件被确定为其中烟灰氧化可忽略的条件。

18.如权利要求15所述的系统，其中用于进行射频测量的所述优选条件是侵入性测试。