CN112697875A - 用于检测液体介质的性质的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及：用于检测液体介质的性质的方法和设备，特别是用于检测代表液体介质中的扰动的性质；尿素传感器系统；计算机程序产品；和计算机可读存储介质。在现有技术的方法和设备中，确定信噪比(SNR)。但是，由于温度变化造成的脉冲发生器和/或接收器的漂移，SNR不准确和/或不适合确定液体介质中的扰动。该问题通过创造性的方法来解决，其包括以下步骤：生成超声波脉冲；至少接收传输通过液体介质的超声波脉冲的第一回波和第二回波；为至少两个回波中的每一个生成振幅信号；计算第一回波的振幅信号和第二回波的振幅信号之间的振幅信号比；以及确定代表液体介质的性质的至少一个性质信号。

Description

用于检测液体介质的性质的方法和设备
技术领域
本发明涉及：用于检测液体介质的性质的方法和设备，特别是用于检测代表液体介质中的扰动的性质；尿素传感器系统；计算机程序产品；和计算机可读存储介质。
背景技术
在现有技术的检测液体介质的性质的方法和设备中，确定信噪比(SNR)。但是，SNR不正确和/或不适于准确确定液体介质中的扰动。本领域的一个问题是脉冲发生器和/或接收器的漂移，其可能例如由于温度变化而发生。
发明内容
因此，本发明的目的是提供方法、设备以及相应的计算机程序产品或计算机可读存储介质，其抵消测量设备的性质并且在受扰动的液体介质中提供更准确的测量。
本发明的方法解决了上述问题，在于，其包括以下步骤：生成超声波脉冲；至少接收通过液体介质传输的超声波脉冲的第一回波和第二回波；为至少两个回波中的每一个生成振幅信号；计算第一回波的振幅信号和第二回波的振幅信号之间的振幅信号比；以及确定代表液体介质的性质的至少一个性质信号。
相应地，本发明的设备解决了上述问题，其包括：脉冲发生器，配置为生成超声波脉冲；接收器，配置为至少接收通过液体介质传输的超声波脉冲的第一回波和第二回波；以及计算器单元，配置为为至少两个回波中的每一个寻找和计算振幅信号，以计算第一回波的振幅信号和第二回波的振幅信号之间的振幅信号比，并确定代表液体介质的性质的至少一个性质信号。
创造性的尿素传感器系统用于确定尿素溶液的至少一个性质，特别是用于检测代表尿素溶液中的扰动的性质，该尿素传感器系统包括创造性的设备。
本发明通过计算机程序产品和计算机可读存储介质解决了上述问题，该计算机程序产品和计算机可读存储介质包括指令，当由计算机执行指令时，使计算机执行创造性的方法的步骤。
方法、设备、传感器系统、计算机程序产品和计算机可读存储介质可以通过其他技术特征得到进一步改进。那些附加的技术特征可以彼此任意组合，或者如果通过某技术特征获得的技术效果对于本发明不是必需的，则可以省略所述某技术特征。
本公开的实施例尤其可以应用于含尿素的液体介质的领域。
当发送超声波脉冲通过液体介质时，例如通过水性溶液、泡泡(特别是气体泡泡)和其他扰动将影响脉冲。信号可能受到干扰，以至于无法再基于发射和接收反射的超声波脉冲准确地执行进一步的测量。在本公开内，特征“液体介质”和“水性溶液”可以彼此替换。因此，表示水性溶液的实施例也可以应用于更通用的液体介质。
根据创造性的设备的一个方面，脉冲发生器和接收器可以组合成在换能器，这允许生成超声波脉冲和接收回波，优选在不同的时间。
如上所述，如本领域中应用的那样，测量设备确定信噪比是不利的，因为信噪比对于不同的超声波换能器可能是不同的，并且取决于温度、传感器的寿命周期或由于另外的参数而变化。
根据本发明的实施例提供了一种创新的方式来确定比如水性溶液的液体介质的性质，特别是测量水性溶液中的扰动并且优选地检测尿素溶液中的所述扰动。
在生成超声波脉冲之后，可以将所述脉冲传输通过包含液体介质的样品体积。在那里，脉冲撞击在反射器上，反射器将脉冲朝向生成脉冲的换能器反射回。
在换能器处，超声波脉冲再次被反射并在样品体积中进行第二次往返。因此，大量的回声撞击在换能器上并被转换成电信号。代表相应回波的振幅的该电信号可以用于计算至少两个回波中的每一个的振幅信号。该计算优选地由计算单元执行，该计算单元可以体现为现场可编程门阵列、微控制器或任何合适的集成电路。
相同或附加的计算单元可以执行第一回波和第二回波的振幅信号之间的振幅信号比的计算。
最后，确定至少一个性质信号，其中所述性质信号代表液体介质的性质。特别地，性质信号可以代表液体介质中的任何扰动的存在。
如上所述，本公开的实施例可以特别地应用于在柴油发动机中用于清洁柴油机废气的尿素溶液的领域。通常，声速测量可以用于检测液体介质的类型和/或质量，而特别是使用尿素时，所述水性溶液倾向于产生泡泡，这使得声速测量不准确。因此，有利的是精确和准确地确定尿素溶液中是否存在泡泡以及泡泡存在的程度。当确定液体介质中的声速时，附加地抵消存在的泡泡的影响是进一步有利的。
本发明具有超声换能器的性质被抵消，即不影响测量的优点。这例如在温度漂移的情况下有利，其否则可能改变换能器的性质。
如果根据本发明，检测到泡泡形式的扰动的存在，则可以根据性质信号执行进一步的步骤。
方法的另一实施例包括以下步骤：确定用于计算测得的声速的第一回波的飞行时间并提供代表测得的声速的测得的声速信号。声速可以通过飞行时间和超声波脉冲行进的已知距离来计算。
在相应的设备中，计算单元可以提供计算器，其将行进的距离除以第一回波的飞行时间。
方法还可以通过包括以下步骤来进一步改善：基于振幅信号比和预定的校准比确定补偿因子；至少基于测得的声速和补偿因子确定液体介质中的计算出的声速；以及提供代表计算出的声速的计算出的声速信号。这样的优点是可以在没有任何扰动的情况下确定液体介质中超声波脉冲的声速。
预定的校准信号比可以在校准期间确定和/或在存储介质中提供。因此，预定的校准信号比可以在超声测量之前确定，或者在存储位置中提供并从存储位置读取，在测量之前其已经存储在存储位置中。
计算出的声速可以进一步取决于根据经验发现的变量。
根据另一实施例，方法还包括将振幅比信号与预定的振幅比阈值进行比较的步骤，其中，如果振幅比信号超过振幅比阈值，重启方法和/或提供警报信号。
该实施例的优点在于，可以准确地确定液体介质的性质是否可以被可靠地测量，例如，因为液体介质中存在过多的扰动，例如过多的泡泡，这会妨碍准确测量。特别是在尿素溶液的情况下，其中尿素倾向于产生由振动引起的泡泡，在液体介质中生成的泡泡的数量的程度会构成关键参数并且需要被监测。该实施例允许指示这样的过量的泡泡的存在，或更一般的：过量的扰动的存在，或甚至更一般的，液体介质的性质超过预定阈值。该实施例的一个目标是指示超出的阈值，其中该比较的结果可以触发进一步的步骤，例如，重新初始化或重启方法。还可以设想的是，检测到的超出的阈值可以启动另一个方法步骤，在该方法步骤中减少液体介质(尤其是尿素溶液)中的泡泡数量。
根据该方法的设备的实施例可以包括比较器模块或单元，其可以在计算单元中实现或者可以与计算单元分开地提供。
校准值可以尤其取决于液体介质。因此，不同的液体介质可以具有不同的校准值。
在另一实施例中，方法还包括以下步骤：从液体介质的列表选择一种液体介质，并根据所选择的液体介质提供对应的校准比。根据该实施例，液体介质在测量之前是已知的并且在测量之前被指定。所述液体介质的列表可以在计算单元的存储模块中提供。存储模块还可以包括对应于液体介质的校准比。液体介质和对应的校准比可以在查找表中彼此相关。
方法的另一实施例包括以下步骤：基于计算出的声速信号，确定超声波脉冲传输通过的液体介质的类型和/或成分。
因此，方法的该优选的实施例允许确定a)液体介质的类型和/或b)液体介质的具体成分。特别地，在尿素溶液的情况下，该实施例可以应用于测量尿素浓度，其独立于任何换能器漂移或温度影响，且独立于受扰条件(例如，泡泡的存在)。该实施例还提供了液体介质中的声速，该声速将在没有任何扰动的情况下获得。
为了确定液体介质的类型，方法的另一个实施例将计算出的声速信号与预定的和/或存储的声速信号的列表进行比较。因此，提供了可能的液体介质的列表，例如在查找表中，其中，附加地，那些可能的液体介质中的声速与那些液体介质类型相关。通过将计算出的声速信号与之前存储的声速信号进行比较，从而可以分配正确的液体介质。
根据本公开，创造性的设备可以配置为执行上述创造性方法的任何实施例。因此，对应的设备还可以包括反射器，用于反射超声波脉冲至少两次，以将第一回波和第二回波引导向换能器，设备可以包括：对应的计算装置，其附加地提供或在计算器单元内提供，用于测量飞行时间，即，特别是用于检测生成超声波脉冲和检测到第一回波之间的时间跨度；比较器装置，用于将测量值与之前存储的值进行比较；以及存储装置，用于存储预定的液体介质和对应的校准比和/或声速信号。
相应地，计算机程序产品和计算机可读存储介质可以执行之前所述方法的任何实施例的方法。
在下文中，通过附图描述了本发明，附图描述了本发明的示例性实施例。这些示例性实施例的技术特征可以彼此任意地组合。此外，示例性实施例不限制由权利要求限定的可能的保护范围。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本发明，在附图中：
图1是创造性的设备的示例性实施例；
图2是创造性的方法的示例性实施例的流程图；
图3是指示扰动的影响的衰减或时间的示例性测量；以及
图4是测量的和校正的飞行时间的示例性比较。
具体实施方式
在图1中，示出了创造性的设备1的示例性实施例。设备包括脉冲发生器或换能器3，其设置在换能器壳体3a中。换能器3位于样品体积5附近，其中与换能器3相对地设置有反射器7。
在样品体积5中，提供水性溶液9a形式的液体介质9，其中泡泡13形式的扰动11可能发生在水性溶液9a中。水性溶液9a可以特别是尿素溶液9b。
设备1还包括计算器单元15，其在所示的实施例中连接到电子控制单元17和换能器3。
计算器单元还可以是控制器19，其控制电子控制单元17的输出，电子控制单元17进而驱动换能器3，即为换能器3提供电子信号，电子信号被换能器3转换为超声波脉冲21。
在更一般的实施例中，可以设置单个且单独的脉冲发生器和单个且单独的接收器，它们不组合成一个元件。在图2所示的实施例中，这两者是组合的。
超声波脉冲21传输通过水性溶液9a，在反射器7处反射并作为第一回波23返回到换能器3。在那里，第一回波23的部分25在换能器3中被吸收，并产生代表第一回波23的第一电或振幅信号27。这表示为计算器单元15的数据线15a上的信号。
第一回波23也在换能器处反射并再次朝向反射器7传输。在那里，它被反射并作为第二回波29返回到换能器3。再次，第二回波29的部分25在换能器3中被吸收并生成第二电信号31。同样，第二电或振幅信号31在数据线15a上示例性地示出。随着第二回波29的衰减，第二电信号31小于第一电信号27。
超声波脉冲21从产生到作为第一回波23到达换能器3所需的时间为飞行时间55。
计算器单元15可以包括比较器单元35、存储模块37(其包括查找表39)，以及输出单元41，输出单元41包括用于提供计算出的声速信号45的输出端口43。计算出的声速信号45由输出端口43上的矩形脉冲示出。
如图1所示，泡泡13形式的扰动11影响超声波脉冲21以及第一回波23和第二回波29，特别是第一电信号27和第二电信号31的信号强度，这是因为超声波脉冲17以及第一回波23和第二回波29在传输通过水性溶液9a和其中的气泡13时被衰减。
在图2中，示出了流程图，该流程图示出了创造性的方法的一个示例性实施例。在步骤一S1中，生成超声波脉冲21。在步骤二S2中，第一回波23和第二回波29被换能器3接收并转换为相应的第一电信号27和第二电信号31。之后，在步骤三S3中，计算第一回波23的振幅信号和第二回波29的振幅信号之间的振幅信号比。
基于该振幅信号比，检查并验证条件一C1。将振幅信号比与预定的振幅比阈值进行比较，并检查振幅比信号是否超过振幅比阈值。
如果是这种情况(由‘Y’指示的分支)，则整个方法从步骤一S1重新开始。如果振幅比阈值未被超过(由‘N’指示的分支)，在方法继续步骤四S4，在S4中确定补偿因子，补偿因子然后被移交至步骤五S5，在S5中，方法确定计算出的声速。
该流程图仅描述了创造性的方法的示例性实施例。在不同的实施例中，可以提供附加的步骤，比如输出确定的计算出的声速等。类似地，在该方法的不同实施例中可以检查更多的条件。
在图3和图4中，示出了两个示例性测量值，以说明扰动对超声测量值的影响。
图3示出了取决于时间t的衰减47。衰减47在功能上取决于第一回波的振幅信号和第二回波的振幅信号之间的振幅信号比。
在第一区域49中，没有扰动11存在于液体介质9中，其中在第二区域51中，存在扰动11并且明显地增加衰减47。在第三区域53中，再次不存在扰动11。
图4示出了飞行时间55，其具有时间单位，且对应于超声波脉冲21行进通过样品体积5直到其再次到达换能器3的时间，其在时间t上绘制。
曲线图示出了测得的飞行时间55a，其与图3所示的衰减47相关。该关联性被用于校正飞行时间，其中在使用衰减47进行校正之后，获得校正的飞行时间55b。校正的飞行时间55b用较粗的实线绘制。
在第二区域51中增加的飞行时间55可以由泡泡13中较高的声速来解释，泡泡13包括诸如空气的气相。
图4清楚地示出了，即使在衰减从约2.5增加到平均6的值的情况下，飞行时间55可以被准确地校正以对应于其中不存在扰动11的第一区域49和第三区域53中的飞行时间55。
因此，该方法允许确定飞行时间，从而确定液体介质9中的声速，其将在不存在扰动11的情况下测量。因此，如果液体介质9已经包含扰动11(例如，泡泡13的形式)，也可以获取并相应地计算原始液体介质9的性质。
附图标记
1 设备
3 换能器
3a 换能器壳体
5 样品体积
7 反射器
9 液体介质
9a 水性溶液
9b 尿素溶液
11 扰动
13 泡泡
15 计算器单元
17 电子控制单元
19 控制器
21 超声波脉冲
23 第一回波
25 部分
27 第一电信号
29 第二回波
31 第二电信号
35 比较器单元
37 存储模块
39 查找表
41 输出单元
43 输出端口
45 计算出的声速信号
47 衰减
49 第一区域
51 第二区域
53 第三区域
55 飞行时间
55A 测得的飞行时间
55B 校正的飞行时间
T 时间
S1 步骤一
S2 步骤二
S3 步骤三
S4 步骤四
S5 步骤五
C1 条件一

Claims (13)

1.一种检测液体介质(9)的性质的方法，特别是检测代表所述液体介质(9)中的扰动(11)的性质，包括以下步骤：
生成超声波脉冲(21)；
至少接收传输通过所述液体介质(9)的所述超声波脉冲(21)的第一回波(23)和第二回波(29)；
为所述至少两个回波(23，29)中的每一个生成振幅信号(27，31)；
计算所述第一回波(23)的振幅信号(27)和所述第二回波(29)的振幅信号(31)之间的振幅信号比；以及
确定代表所述液体介质(9)的性质的至少一个性质信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：确定用于计算测得的声速的所述第一回波(23)的飞行时间(55)并提供代表所述测得的声速的测得的声速信号。
3.如权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：
基于所述振幅信号比和预定的校准比确定补偿因子；
至少基于所述测得的声速和所述补偿因子确定所述液体介质(9)中的计算出的声速；以及
提供代表所述计算出的声速的计算出的声速信号(45)。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述计算出的声速还取决于根据经验发现的变量。
5.如权利要求1或4中任一项所述的方法，还包括将所述振幅比信号与预定的振幅比阈值进行比较的步骤，其中，如果所述振幅比信号超过所述振幅比阈值，重启所述方法和/或提供警报信号。
6.如权利要求3或5中任一项所述的方法，其中所述校准值取决于所述液体介质(9)。
7.如权利要求3或6中任一项所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：从液体介质(9)的列表选择一种液体介质(9)，并根据所选择的液体介质(9)提供对应的校准比。
8.如权利要求3或7中任一项所述的方法，还包括以下步骤：基于所述计算出的声速信号(45)，确定所述超声波脉冲(21)传输通过的所述液体介质(9)的类型和/或成分。
9.如权利要求8所述的方法，其中将所述计算出的声速信号(45)与预定的和/或存储的声速信号的列表进行比较，以确定所述液体介质(9)的类型。
10.一种用于检测液体介质(9)的性质的设备(1)，特别是检测代表所述液体介质(9)中的扰动(11)的性质，所述设备(1)包括；
脉冲发生器(3)，配置为生成超声波脉冲(21)；
接收器，配置为至少接收传输通过所述液体介质(9)的所述超声波脉冲(21)的第一回波(23)和第二回波(29)；以及
计算器单元(15)，配置为为至少两个回波(23，29)中的每一个寻找和计算振幅信号(27，31)，以计算所述第一回波(23)的振幅信号(27)和所述第二回波(29)的振幅信号(31)之间的振幅信号比，并确定代表所述液体介质(9)的性质的至少一个性质信号。
11.一种用于确定尿素溶液(9b)的至少一个性质的尿素传感器系统，特别是用于检测代表所述尿素溶液(9b)中的扰动(11)的性质，其中所述尿素传感器系统包括如权利要求10所述的设备(1)。
12.一种计算机程序产品，包括指令，当程序由计算机执行时，使所述计算机执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
13.一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令由计算机执行时，使所述计算机执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
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