CN112714672A - 用于燃料系统的液滴传感器 - Google Patents

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Abstract

一种液滴检测系统包括感测通道，比如微流体通道，所述感测通道被配置用于接收流体流，所述流体流可能包含分散在所述流体中的一个或多个液滴。所述感测通道的截面面积可以被配置为允许预定大小的液滴一次一个地流过所述通道。光源、光孔和光检测器位于所述感测通道外部，所述光源、光孔和光检测器使用选定频带的光，所述选定频带的光对所述液体的吸光率与对所述流体的吸光率显著不同。可以使用来自所述光检测器的信号来检测和表征液滴。

Description

用于燃料系统的液滴传感器
本申请要求于2018年5月31日提交的美国临时申请序列号62/678,806的权益，所述美国临时申请通过援引并入本披露内容。
本披露内容涉及液滴传感器。具体地，本披露内容涉及被配置用于检测分散在不同流体中的液滴、比如分散在燃料中的水滴的液滴传感器。
燃料中的水在内燃发动机的燃料系统中可能造成问题。燃料中的水可能会因燃烧过程中的腐蚀或气化而损坏燃料喷射器。例如，喷射器的损坏可能会导致发动机操作中的各种问题，比如无法符合管辖排放标准。燃料喷射器损坏可能需要修理或维护。对于商用或工业车辆来说，缩短操作时间的成本可能特别高。
已经提出了燃料含水量(WIF)传感器等传感器来检测燃料中的水。一种类型的传感器是浮子系统，所述浮子系统使用密度介于水与燃料之间的材料。另一种类型的传感器是电导率传感器。随着时间的推移，这两种类型的传感器都会出现问题，因为灰尘或碎片会聚集在表面上。具体地，随着时间的推移，导电式WIF传感器可能会受到腐蚀和电化学电镀的影响。已经提出了使用近红外波长的光源来检测燃料中的水的燃料系统上的管线中流量传感器。一些系统被设计为在光源与检测器之间具有厘米数量级的路径长度以适于检测水。这种系统在区分溶解水与水滴方面可能是无效的，溶解水和水滴可以对喷射器产生不同的影响。此外，当检测器中存在多个水滴时，这种系统可能提供不准确的大小确定信息。
需要改进的传感器以减轻燃料喷射器的损坏并随着时间的推移提高内燃发动机的性能。
发明内容
本披露内容的各个方面涉及液滴传感器，所述液滴传感器被配置用于使用感测通道来检测不同流体中的液体，比如使用微流体通道来检测分散在不同流体中的液滴。在一些实施例中，所述液滴检测传感器可以被配置用于检测分散在烃流体(比如燃料)中的水滴，其可以被描述为微流体燃料含水量(WIF)传感器。所述液滴传感器可以使用红外光来测量通过所述微流体通道的吸光率并确定所述流体中是否存在液滴或存在多少液滴。所述液滴传感器可以被配置为当流体流过所述微流体通道时区别或区分分散在流体中的液滴与流体中的溶解液体。来自所述传感器的信息可以用于确定流体中液体的浓度、液滴大小或通过所述微流体通道的液滴流速中的一个或多个。还可以使用所述传感器来测量水位。
在一个方面，本披露内容涉及一种系统，所述系统包括微流体通道，所述微流体通道被配置用于接收第一流体的流和分散在所述第一流体中的第二流体。所述第二流体具有不同于所述第一流体的成分。所述系统还包括光源，所述光源被配置用于沿着通过所述微流体通道的路径引导某一频带的光束。所述频带被选择为所述第二流体比所述第一流体具有更高的吸光率。所述系统进一步包括孔元件，所述孔元件限定位于来自所述光源的所述光束的所述路径中的光孔。所述系统进一步包括光检测器，所述光检测器被定位成用于在所述光束穿过所述微流体通道和所述光孔之后在感测区域中接收所述光束。所述光检测器被配置用于提供表示所述频带的光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述系统进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来确定所述第二流体是否为液滴形式。
在另一方面，本披露内容涉及一种系统，所述系统包括燃料与水分离器，所述燃料与水分离器具有限定水收集体积的壳体。所述水收集体积流体连接到发动机燃料管线并且流体连接到排水出口。所述系统还包括光源，所述光源被配置用于沿着通过所述水收集体积的路径引导某一频带的光束。所述频带被选择为被水吸收。所述系统进一步包括光检测器，所述光检测器被定位成用于在所述光束穿过所述水收集体积的至少一部分之后在感测区域中接收所述光束。所述光检测器被配置用于提供表示所述频带的光的量的信号。所述系统进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来确定是否检测到水。
在又一方面，本披露内容涉及一种系统，所述系统包括微流体通道，所述微流体通道被配置用于接收烃流体流。所述微流体通道具有大小被确定成当预定大小的水滴分散在所述烃流体中时一次接收一个水滴的横截面积。所述系统还包括位于所述微流体通道外部的光源，所述光源被配置用于产生选定的频带的光以使得所述水滴在所述选定频带中具有比所述烃流体更高的吸光率。所述系统进一步包括光检测器，所述光检测器位于所述微流体通道外部并对所述选定频带敏感并且被配置用于提供表示光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述系统另外包括光孔，所述光孔位于所述光源与所述光检测器之间，其中，来自所述光源的穿过所述光孔的光形成光束，所述光束限定延伸通过所述光源、所述微流体通道和所述光检测器的光束轴。所述系统更进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于来自所述光检测器的所述信号来检测分散在所述烃流体流中的一个或多个水滴，所述信号表示来自所述光源的光在穿过所述微流体通道和所述光孔之后剩余的量。
在又一方面，本披露内容涉及一种传感器，所述传感器包括大小被确定成接收流体流的微流体通道。所述微流体通道具有大小被确定成当预定大小的液滴分散在所述流体中时一次接收一个液滴的截面面积。所述传感器还包括位于所述微流体通道外部的光源，所述光源被配置用于产生选定频带的光以使得所述液滴在所述选定频带中具有与所述不同液体不同的吸光率。所述传感器进一步包括光检测器，所述光检测器位于所述微流体通道外部并对所述选定频带敏感并且被配置用于提供表示光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述传感器另外包括位于所述光源与所述光检测器之间的光孔，其中，来自所述光源的穿过所述光孔的光形成光束，所述光束限定延伸通过所述光源、所述微流体通道和所述光检测器的光束轴。所述光孔和所述光检测器的宽度限定感测区域。所述传感器更进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于来自所述光检测器的所述信号来确定通过所述微流体通道的所述感测区域的液滴速率，所述信号表示来自所述光源的光在穿过所述微流体通道和所述光孔之后剩余的量。
在进一步方面，本披露内容涉及一种水滴传感器，所述水滴传感器包括限定小于1mm2的截面面积的微流体通道。所述传感器还包括位于所述微流体通道外部的光源，所述光源被配置用于产生近红外频带的光。所述传感器进一步包括光检测器，所述光检测器位于所述微流体通道外部并对所述选定频带敏感并且被配置用于提供表示光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述传感器另外包括位于所述光源与所述光检测器之间的光孔，其中，来自所述光源的穿过所述光孔的光形成光束，所述光束限定延伸通过所述光源、所述微流体通道和所述光检测器的光束轴。所述孔的宽度小于1mm。所述传感器更进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于来自所述光检测器的所述信号来检测分散在所述烃流体流中的一个或多个水滴，所述信号表示来自所述光源的光在穿过所述微流体通道和所述光孔之后剩余的量。
附图说明
在附图中展示了本披露内容的各种实施例，附图总结如下：
图1展示了根据本披露内容的实施例的具有液滴传感器的发动机系统。
图2展示了可以在图1的系统中使用的液滴传感器。
图3A至图3D展示了图1至图2的液滴传感器的微流体通道的感测区域中的大液滴。图3A是透视图；图3B是截面图；图3C是俯视图；并且图3D是光检测器信号图。
图4A至图4D展示了图1至图2的液滴传感器的微流体通道的感测区域中的中等液滴。图4A是透视图；图4B是截面图；图4C是俯视图；并且图4D是光检测器信号图。
图5A至图5D展示了图1至图2的液滴传感器的微流体通道的感测区域中的小液滴。图5A是透视图；图5B是截面图；图5C是俯视图；并且图5D是光检测器信号图。
图6展示了可以在图1的系统中使用的检测组件。
图7展示了可以在图1的系统中使用的另一个检测组件。
图8展示了可以在图1的系统中使用的传感器控制器的布局。
图9展示了可以与图1的系统一起使用的检测和表征液滴的方法。
图10展示了可以在图1的系统中使用的具有会聚-发散喷嘴的液滴传感器。
图11至图13展示了可以在图1的系统中使用的具有延伸到主流通道中的微流体通道的各种液滴传感器。
图14A至图14B和图15A至图15B展示了可以在图1的系统中使用的具有浸没在主流通道中的微流体通道的各种液滴传感器。
图16至图18展示了可以在图1的系统中使用的包括水位传感器的各种燃料-水分离器或燃料过滤器。
图19展示了传感器在可以在图1的系统中使用的燃料-水分离器中的各种位置。
图20展示了包括检测组件的实验装置。
图21展示了使用图20的检测组件的光检测器信号图。
图22展示了使用利用流动聚焦液滴发生器的检测组件的光检测器信号图。
具体实施方式
本披露内容涉及被配置用于使用一个或多个感测通道(比如微流体通道)来检测或表征分散在不同流体中的液滴的传感器。尽管本文参考用于保护发动机燃料系统的水滴传感器，比如燃料含水量(WIF)传感器，但是所述传感器和相关技术可以用于检测或表征液体的吸光率不同于流体的任何流体中的液体以及各种车辆或非车辆应用。其他应用的非限制性示例包括检测油中的水或检测用于散装燃料储存的燃料箱中的水。还可以使用所述传感器来测量水位。各种其他应用对于得益于本披露内容的本领域技术人员来说将显而易见。
在与发动机燃料系统相关的应用中，不同形式的水可以对燃料系统的各种部件产生不同的影响。例如，未溶解在燃料中的水(可描述为游离水、水滴或分散的水)可通过引起生锈、促进微生物生长、损坏燃料喷射器或引起不良的点火性能对发动机系统造成损坏。
提供被配置用于精确地检测水滴或游离水而不是等同地处理所有形式的水的传感器可以是有益的。例如，与燃料中的溶解水相比，传感器可以对检测水滴(比如燃料中的乳化水)显著更敏感。提供比浮子传感器或导电式WIF传感器等现有传感器需要更少维护的传感器可以是有益的。此外，提供可以用于表征燃料中的水滴的传感器可以是有益的。
本披露内容提供了可以被配置用于使用一个或多个微流体通道来使用光(比如近红外(NIR)波长的光)来检测烃流体(比如燃料或油)流中的水滴并确定其大小的液滴传感器。微流体通道可以具有正方形、矩形、圆形、椭圆形、半圆形或任何其他合适的几何形状的横截面。微流体通道限制了光穿过通道的路径长度，所述路径长度用于检测燃料中的水滴。有利的是，由微流体通道提供的有限路径长度可以减少在液滴传感器的感测区域中一些水滴隐藏在其他水滴后面的发生，从而有助于检测水滴的敏感度高于检测溶解水的敏感度，这可以有助于准确和精确地表征液滴。
在一些应用中，可以将微流体通道的宽度或深度的大小确定成与所关心的水滴相当。例如，可以使用宽度为150微米的微流体通道来检测直径在15微米到300微米范围内的液滴并确定其大小。换句话说，可以检测低至微流体通道宽度或深度的十分之一的液滴直径并确定其大小。可以使用较小的通道(比如100微米的宽度)、更精确的对准或更敏感的电子检测器来检测较小的液滴并确定其大小。
水对NIR光的吸光率可能与燃料的吸光率显著不同。例如，对于10毫米的路径长度，水可以具有大于3的吸光率，而烃流体(比如燃料)可以具有小于0.5的吸光率。在一个或多个实施例中，传感器包括以大约1550纳米为中心的NIR光源、与通道对准的圆孔、和光检测器。在一些实施例中，传感器可以不包含聚焦光学器件，并且液滴传感器的许多部分(比如光源和光检测器)不需要物理接触水或燃料来使用光检测水滴，这可以有助于传感器电子器件的稳健操作，例如，因为与导电式WIF传感器相比腐蚀的风险较小。在一些实施例中，仅微流体通道可以接触水或燃料。此外，液滴传感器可以被设计成使用低功耗部件而没有移动部件，这可以有助于更少的维护事件和更长的操作时间。
如本文所用，术语“光”是指在电磁光谱中的一个或多个波长处的能量。“光”的非限制性示例包括太阳能、红外(IR)光、可见光或紫外(UV)光。红外光可以包括从0.75微米到1000微米范围内的波长。
如本文所用，术语“近红外”光或“NIR”光包括大于或等于0.75或0.78微米且小于或等于2.5或3微米的波长。
如本文所用，术语“或”通常以其包含性的意义使用，例如，表示“和/或”，除非内容清楚地另外指明。术语“和/或”意指所列出的元素中的一个或全部元素或者所列出的元素中的至少两个元素的组合。
现在将参考附图，附图描绘了本披露内容中描述的一个或多个方面。然而，应当理解，附图中未描绘的其他方面落入本披露内容的范围内。图中使用的相似的数字是指相似的部件、步骤等。然而，应当理解的是，使用附图标记来指代给定图中的元素不旨在限制用相同附图标记标注的另一个图中的元素。另外，在不同的图中使用不同的附图标记来指代元素不旨在指示不同地指代的元素不能是相同或类似的。
图1示出了具有液滴传感器102的系统100，所述液滴传感器被配置用于检测分散在不同流体中的液体。在所示实施例中，系统100是包括发动机120、燃料系统130和计算机122的发动机系统。发动机120可以是内燃发动机。液滴传感器102可以被配置用于检测流体中的水滴。所述流体可以是烃流体，比如燃料或油。在所示实施例中，所述流体是燃料112。燃料112的非限制性示例包括汽油和柴油。燃料112由燃料系统130储存并提供给发动机120。系统100可以在车辆上用于道路或路外应用，比如货车运输或采矿。在这种应用中，计算机122可以是车辆计算机，比如发动机控制模块(ECM)或其他车载计算机。
如所示，燃料系统130包括液滴传感器102、燃料箱108、燃料泵110、燃料管线114、燃料过滤器116和喷射系统118。燃料箱108与燃料泵110、燃料管线114和喷射系统118流体连通。燃料112储存在燃料箱108中并且当系统100在操作中在发动机120中燃烧燃料112时由燃料泵110泵送。燃料泵110被配置用于向喷射系统118的一个或多个燃料喷射器提供燃料112流或燃料流。燃料管线114被配置用于将流体输送到喷射系统118。燃料112在燃料泵110处进入燃料管线114并且在喷射系统118处离开燃料管线114。喷射系统118可以包括加压燃料轨和一个或多个燃料喷射器。喷射系统118被配置用于向发动机120的一个或多个燃烧气缸中提供燃料112的加压喷雾。
燃料过滤器116沿着燃料管线114定位或设置。燃料112可能包含水。燃料过滤器116被配置用于从燃料112中去除水。燃料过滤器116可以是例如在一些车载柴油发动机系统中使用的燃料-水分离器(FWS)。燃料112中的水可能对系统100的各种部件造成损坏。例如，水可能对喷射系统118的一个或多个喷射器造成损坏。具体地，当燃料112中的水滴在燃烧气缸中气化时，会对喷射系统118的一个或多个喷射器造成损坏。燃料112中的溶解水不会造成类似损坏。
液滴传感器102可以沿着燃料管线114定位或设置以检测燃料112中的水。液滴传感器102可以被配置为对检测燃料112中的水滴比检测燃料112中的溶解水更敏感以提供对喷射系统118的任何喷射器的潜在损坏的可靠指示。
液滴传感器102包括一个或多个检测组件104。每个检测组件104可以被配置用于接收燃料112流以测量水滴。来自燃料管线114的燃料112可以流过每个检测组件104。燃料112可以在测量之后被返回到燃料管线114。燃料112可以使用由燃料泵110提供的燃料112通过燃料管线114的流动来进入每一个检测组件。换句话说，燃料112可以被动地进入一些或所有检测组件104。
在一些实施例中，液滴传感器102可以包括不同于燃料泵110的一个或多个单独的泵(未示出)，以主动地从燃料管线114向一些或所有检测组件104提供燃料112流。所述单独的泵或采样泵可以位于任何感测通道或微流体通道的下游，使得泵不影响对液滴的测量。例如，泵可能具有“切碎”一些水滴的效果。
如本文所用，术语“下游”是指沿着燃料管线114朝向燃料泵110的方向。术语“上游”是指下游的相反方向，或者沿着燃料管线114朝向喷射系统118的方向。
在所示实施例中，燃料泵110位于燃料过滤器116的上游。在其他实施例(未示出)中，燃料过滤器116位于燃料泵110的上游。在一些实施例(未示出)中，系统100包括两个或更多个燃料过滤器116。例如，一个燃料过滤器116可以位于燃料泵110的上游并且一个燃料过滤器116可以位于所述燃料泵的下游。每个燃料过滤器116可以相同或不同。在一些实施例中，可以在上游燃料过滤器116、下游燃料过滤器116或两者处从燃料中去除水。
每个检测组件104可以包括被配置用于接收来自燃料管线114的燃料112流的微流体通道。每个微流体通道可以沿着燃料管线114邻近或接近主燃料112流定位。在一些实施例中，检测组件104的一些或所有微流体通道与燃料管线114平行流体连通。在一些实施例中，检测组件104的一些或所有微流体通道被设置在燃料管线114的主流中，使得一些或所有主流被引导通过一个或多个微流体通道。
取决于应用，液滴传感器102可以位于沿着燃料管线114的一个或多个位置处，比如上游、下游或燃料过滤器116的位置。在一些实施例(未示出)中，液滴传感器102位于在喷射系统118与燃料箱108之间流体连通的燃料回流管线(未示出)上。在一些实施例(未示出)中，液滴传感器102可以内置于喷射系统118的一个或多个喷射器中或与所述一个或多个喷射器集成在一起。换句话说，液滴传感器102可以直接集成到燃料喷射器或喷射系统118中。
在一个实施例中，液滴传感器102包括一个检测组件104。所述一个检测组件104可以位于燃料过滤器116的下游。可替代地，所述一个检测组件104可以位于燃料过滤器116处或燃料过滤器116的上游。在一些实施例中，液滴传感器102包括位于从上游、下游或燃料过滤器116的位置中选择的一个或多个位置处的检测组件104的组合。一个或多个检测组件104可以位于沿着燃料管线114的相同位置处。
将检测组件104定位在燃料过滤器116的下游或其处可以用于提供用于确定燃料过滤器116的水-燃料分离质量的信息，所述信息可以用于指示燃料过滤器116操作正常或者可能需要维护或更换。将检测组件104定位在燃料过滤器116的上游或其处可以用于提供用于确定储存在燃料箱108中或正沿着燃料管线114提供的燃料112的质量的信息，所述信息可以用于指示燃料箱108操作正常或者可能需要维护或更换或者指示可能需要向燃料箱108提供燃料112。
当燃料112接近喷射系统118时，燃料112例如由于接近喷射系统118或发动机120而可以达到高温。在一些实施例中，检测组件104可以位于喷射系统118的上游足够的距离以防止一些喷射系统的高温显著影响某些液滴传感器102的性能。
液滴传感器102可以包括传感器控制器106。传感器控制器106可以可操作地连接或耦接到一个或多个检测组件104。每个检测组件104可以进行测量并向传感器控制器106提供表征在燃料112中检测到的水滴的信息。信息可以以信号的形式提供，比如电信号。电信号的示例包括电流信号、电压信号和功率信号。传感器控制器106可以使用来自检测组件104的信息来确定与燃料112中的水滴相对应的各种特性，比如液滴大小、液滴速率或燃料112中的水的量(例如，浓度)。
传感器控制器106可以可操作地连接到计算机122。计算机122可以用于控制燃料系统130的各个方面，比如燃料112的流速或喷射系统118的喷射正时。传感器控制器106和计算机122是系统100的控制系统的一部分并且可以是单独的部件。在一些实施例中，传感器控制器106和计算机122的功能可以集成到单个部件中，比如单个控制器或计算机。
液滴传感器102可以被配置用于检测预定大小的液滴或液滴大小。如本文所用，可以使用体积或使用与液滴的体积相对应的当液滴成形为球形时的球形直径互换地描述“液滴大小”。换句话说，任何形状的液滴的体积都可以用同一液滴在重新成形为球体时的球形直径来描述。以这种方式，液滴大小可以被描述为与指定球形直径相对应的体积。
在一些实施例中，液滴传感器102被配置用于检测或表征大于或等于5、10、15、50、100、150、250、300或1000微米的液滴大小。在一些实施例中，液滴传感器102被配置用于检测或表征小于或等于5000、1000、300、250、150或100微米的液滴大小。在一些实施例中，液滴传感器102被配置用于检测或表征5微米到5000微米范围内的液滴大小。在一个或多个实施例中，液滴传感器102被配置用于检测或表征10至300微米范围内的液滴大小。
在燃料系统应用中，小于10微米的液滴大小可能不被认为是对系统100的喷射系统118的操作有负面影响的液滴。具体地，这种水滴大小在10微米以下可能被认为是不稳定的并且可能基本上不会损坏燃料喷射器。此外，穿过典型燃料泵110的燃料中的水倾向于形成至少约10微米的液滴。
通常，本文所描述的比如控制器、传感器、检测器或计算机等部件中的一个或多个可以包括处理器，比如中央处理单元(CPU)、计算机、逻辑阵列或能够引导数据进入或离开传感器的其他设备。控制器可以包括具有存储器(可以包括存储驱动器)、处理和通信硬件的一个或多个计算设备。控制器可以包括用于将控制器的各种部件耦接在一起或者将控制器的各种部件与可操作地耦接到控制器的其他部件耦接在一起的电路。控制器的功能可以由硬件和/或作为非暂态计算机可读存储介质上的计算机指令来执行。
控制器的处理器可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或等效的分立或集成逻辑电路中的任何一个或多个。在一些示例中，处理器可以包括多个部件，比如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC和/或一个或多个FPGA的任何组合，以及其他分立或集成逻辑电路。本文中归属于控制器或处理器的功能可以体现为软件、固件、硬件或其任何组合。虽然在本文中被描述为基于处理器的系统，但是替代控制器可以单独地或与基于微处理器的系统组合地利用继电器和定时器等其他部件来实现期望的结果。
在一个或多个实施例中，示例性系统、方法和接口可以使用计算装置使用一个或多个计算机程序来实施，所述计算装置可以包括一个或多个处理器和/或存储器。本文所描述的程序代码和/或逻辑可以应用于输入数据/信息以执行本文所描述的功能并生成期望的输出数据/信息。所述输出数据/信息可以作为输入被应用到一个或多个其他设备和/或方法，如本文所描述的或以已知方式应用的。鉴于以上所述，显而易见的是，可以以本领域技术人员已知的任何方式实施本文所描述的控制器功能。
图2示出了可以与图1的系统100一起使用的包括检测组件104和传感器控制器106的液滴传感器102的各种部件。在所示实施例中，检测组件104包括微流体通道200、光源202、光孔204和光检测器206。传感器控制器106可操作地连接到光检测器206并且还可操作地连接到光源202。
微流体通道200被配置用于接收流体208流。微流体通道200可以包括用于接收所述流体208流的入口和排出所述流体208流的出口。液滴传感器102可以被配置用于检测和表征所述流体208流中的液滴210，所述流体流也可以以朝向所述出口的正向方向或者甚至以朝向所述入口的反向方向流过微流体通道200。
液滴210可以分散在微流体通道200中的流体208中。例如，液滴210可以以单独的相悬浮在流体208中。换句话说，液滴210未溶解在流体208中。
通常，微流体通道200的大小被确定成一次接收一个或多个液滴210。在一些实施例中，微流体通道200具有大小被确定成一次接收一个预定大小的液滴210的截面面积。具体地，微流体通道200的截面面积大小可以与液滴210的截面面积大约相同，这可以有助于一次计数一个液滴210以有助于对液滴210的准确计数和大小确定。
截面面积可以被限定为与流体208的流动方向正交。换句话说，截面面积可以被描述为横向于流体208的纵向流动。在一些实施例中，微流体通道200具有小于或等于1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.04、0.03或0.02mm2的截面面积。在一些实施例中，微流体通道200具有大于或等于0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2或0.5mm2的截面面积。例如，150×150微米微流体通道200的截面面积为0.0225mm2。
截面面积可以被限定为通道深度乘以通道宽度。通道深度和通道宽度两者可以正交于流体208的流动方向。在一些实施例中，通道深度小于或等于通道宽度。使用较浅的通道深度可以在液滴流过微流体通道200时防止液滴210堆叠或彼此隐藏。
在一些实施例中，通道宽度小于或等于5000、2000、1000、500、300、250、200、150或100微米。在一些实施例中，通道宽度大于或等于50、100、150、200、250、300、500、1000或2500微米。在一个或多个实施例中，通道宽度为150微米。在一个或多个实施例中，通道宽度为250微米。
在一些实施例中，通道深度小于或等于750、500、300、250、200、150、120或100微米。在一些实施例中，通道深度大于或等于50、100、120、150、200、250、300或500微米。在一个或多个实施例中，通道深度小于或等于150微米。在一个或多个实施例中，通道深度小于或等于250微米。
在所示实施例中，光源202位于微流体通道200外部。光孔204位于光源202与光检测器206之间。在一些实施例中，光孔204位于微流体通道200之前，例如，在光源202与微流体通道200之间。在一些实施例中，光孔204位于微流体通道200之后，例如，在微流体通道200与光检测器206之间。
光源202被配置用于引导光212通过光孔204以形成光束214。光束214被引导穿过微流体通道200。至少对于光束214通过微流体通道200的路径长度，光束214可以被光孔204准直或基本准直。光束214可以限定延伸通过微流体通道200的光束轴。微流体通道200的壁可以由透光材料形成，至少对于光源202提供的光212是如此。光束214与微流体通道200相交的路径限定感测区域216，所述感测区域也可以被描述为感测体积，在所述感测体积中可以检测到液滴210。在光束214穿过微流体通道200之后，光束214被光检测器206接收，在所示实施例中，所述光检测器位于微流体通道200的外部。当液滴210和流体208处于感测区域216中时，光检测器206可以用于确定液滴210和流体208对光束214的吸光率以检测液滴210、确定其大小或以其他方式对其进行表征。
如本文所用，术语“路径长度”是指来自光源202的光在要测量的流体中行进的距离。在一些实施例中，路径长度可以等于微流体通道200的宽度或深度。路径长度可以很小以提高对液滴210的敏感度。在一些实施例中，路径长度小于或等于2000、1000、500、300、250、200、150或100微米。在一个或多个实施例中，路径长度小于或等于1000微米。
光源202被配置用于产生选定频带的光，使得液滴210在所述选定频带中具有与流体208不同的吸光率。在一个或多个实施例中，当液体是水并且流体208是烃流体时，液滴210具有比流体208更高的吸光率。在燃料系统应用中，例如，光源202可以至少产生NIR频带的光212。在一些实施例中，NIR光212可以包括1400至1600纳米范围内的发射峰，或者至少包括1400至1600纳米范围内的频率。具体地，NIR光212可以包括以1550纳米为中心或附近的发射峰。在一些实施例中，NIR光212可以包括在至少900至1100纳米范围内的发射峰，或者至少包括在至少900至1100纳米范围内的频率。具体地，NIR光212可以包括以1000纳米为中心或附近的发射峰。
光源202可以包括能够提供选定频带的光212的任何合适类型的光源。在一些实施例中，光源202是发光二极管(LED)。LED光源202可以是低功率LED。在一些实施例中，LED光源从发光结全向或在所有方向上发射。在一些实施例中，LED光源主要在一个方向上发射。在一些实施例中，光源202可以与将光导向微流体通道200的光纤电缆配对或包括光纤电缆。光孔204可以用于允许窄光束214通过微流体通道200，这可以有助于消除例如由于散射和反射而引起的噪声或错误信号。
光孔204包括孔元件218中的开口。如本文所用，“孔”是指所述孔元件内的开口或空隙。光孔204的宽度的大小相对于微流体通道200和光检测器206而定以有助于检测流体208中的液滴210的最佳敏感度。在一些实施例中，光孔204的宽度与微流体通道200的通道宽度相同或基本相同。
另外或可替代地，光孔204的大小可以相对于所关心的预定液滴大小而定。例如，在一些实施例中，光孔204的宽度可以被设计为小于或等于所关心液滴大小的2、3、4、5、6、7、8、9或10倍。在一些实施例中，光孔204的宽度可以被设计为大于或等于所关心液滴大小的1、2、3、4、5、6、7、8或9倍。
光孔204可以具有任何合适的几何形状。在一些实施例中，光孔204具有环形或圆形形状，比如圆形或椭圆形。在一些实施例中，光孔204具有多边形形状，比如三角形、正方形、梯形或矩形。光孔204可以具有可以沿着与流体208的流动相同的方向延伸的长度。在一个或多个实施例中，光孔204的长度可以与光孔204的宽度相同或基本相同。
在一些实施例中，光孔204的宽度小于或等于5000、2000、1000、500、300、250、200、150或100微米。在一些实施例中，光孔204的宽度大于或等于50、100、150、200、250、300、500、1000或2500微米。在一个或多个实施例中，光孔204的宽度为150微米。在一个或多个实施例中，光孔204的宽度为250微米。
光检测器206可以是对所述选定频带敏感的任何合适类型的光电检测器，所述频带可以是NIR频带。光检测器206还被配置用于提供表示来自光束214的光在穿过微流体通道200之后剩余的量的信号。具体地，光检测器206可以被配置用于响应于接收到所述选定频带的光而生成电信号，比如电流信号、电压信号或功率信号。光电检测器的类型的非限制性示例包括铟镓砷(InGaAs)或锗(Ge)光电二极管。例如，InGaAs光电二极管可以对1100至1700纳米的频带的光212敏感。Ge光电二极管可以在1550纳米处具有峰值敏感度。
传感器控制器106被配置用于基于来自光检测器206的信号来检测分散在流体208流中的一个或多个液滴210、确定其大小或以其他方式对其进行表征。在一些实施例中，传感器控制器106可以被配置用于一次检测分散在流体208流中的一个液滴210，具体是预定大小的液滴210。所述信号可以用于确定每单位体积的流体208(例如，烃流体)中液体(例如，水)的量，不包括溶解在流体208中的液体。
在一些实施例中，传感器控制器106被配置用于确定通过感测区域216的液滴速率。例如，基于来自光检测器206的信号检测到的吸光率变化可以指示液滴210正在进入或正在离开感测区域216。可替代地或另外，传感器控制器106可以被配置用于确定液滴大小。在一些实施例中，传感器控制器106可以基于以下中的至少一个来确定液滴速率或液滴大小：包含在信号内的脉冲的幅度、包含在信号内的脉冲的宽度、用于检测感测区域中的最小大小液滴的第一阈值信号电平、用于检测填充感测区域的液滴的第二阈值信号电平、以及阈值信号电平交叉率，这些将在本文中相对于图3至图5更详细地描述。传感器控制器106可以基于液滴速率、液滴大小或两者来确定每单位体积的流体208中液滴形式的液体210的量，比如液滴浓度。在一些应用中，比如非发动机应用，当液滴速率是规则的或基本上规则的时，液滴速率可以用于估计或确定液滴大小或浓度。
在燃料系统应用中，传感器控制器106可以被配置用于响应于检测到燃料中的水而提供维护信号。例如，可以在某些条件下提供维护信号，比如当检测到超过阈值大小的液滴时，检测到超过阈值大小的液滴数时，检测到阈值数量的液滴时，基于检测到的液滴确定水的阈值体积时，检测到液滴的阈值速率(或频率)时，或者检测到燃料中的水的阈值浓度时。这些条件也可以用于流体中的其他液滴。
图3A至图5D示出了可以使用图2的检测组件104中的单个微流体通道来检测的各种大小的液滴303、304、305。具体地，图3A至图3D是示出当具有大于微流体通道312的通道宽度310的大液滴大小的液滴303(例如，栓塞形状)流过感测区域314时的各种图示。图4A至图4D是示出当具有等于通道宽度310的中等液滴大小的液滴304(例如，球形形状)流过感测区域314时的各种图示。图5A至图5D是示出当具有小于通道宽度310的小液滴大小的液滴305(例如，小球形形状)流过感测区域314时的各种图示。
在所示实施例中，微流体通道312的横截面318的通道深度316等于通道宽度310。换句话说，微流体通道312具有正方形横截面318。此外，在所示实施例中，感测区域314为圆柱形状，这可以由圆形的光孔来提供。如本文所述，可以基于例如响应于各个液滴303、304、305而检测到的信号323、324、325来确定液滴303、304、305的各种特性。
如本文所用，“栓塞形状”可以用于描述已经被挤压到微流体通道中的液滴并且可以具有类似于由圆柱体连接的两个球形帽的形状。
图3A示出了当液滴303的中心与微流体通道312的感测区域314的中心对准时流过微流体通道312的大液滴303的快照。图3B示出了当液滴303如图3A所示定位时微流体通道312在感测区域314的中心处的横截面318。可以看出，当液滴303被限制在微流体通道312中时，液滴303的宽度333与通道宽度310和通道深度316相同。当液滴303不受微流体通道312约束时，液滴303可以具有球形形状。为了比较，图3C示出了同样当液滴303如图3A所示定位时在感测区域314中可见的液滴303的俯视图。可以看出，当液滴303流过感测区域314时，液滴303填充感测区域314。
图3D示出了来自光检测器206(图2)的信号的一个示例的曲线图343。信号323的曲线图343示出了电压V对时间t的关系。信号323可以与感测区域314中的液体的吸光率逆相关。换句话说，当吸光液体进入感测区域314时，信号323可以下降，并且当吸光液体离开感测区域314时，信号323可以上升。在其他实施例中，例如，取决于所使用的光检测器的类型，信号323可以与感测区域314中的液体的吸光率正相关(例如，与逆相关相反)。
可以使用各种阈值来表征液滴303。在所示实施例中，在液滴303进入感测区域314之前，信号323超过第一阈值350。随着吸光液滴303开始填充感测区域314，信号323下降。在液滴303完全填充感测区域314之后，信号323下降到第二阈值352以下。随着液滴303开始离开感测区域314，信号323上升并超过第二阈值352。在液滴303完全离开感测区域314之后，信号323可以再次超过第一阈值350。
图4A示出了当液滴304的中心与微流体通道312的感测区域314的中心对准时流过微流体通道312的中等液滴304的快照。图4B示出了当液滴304如图4A所示定位时微流体通道312在感测区域314的中心处的横截面318。可以看出，当液滴304在微流体通道312中时，液滴304的宽度334与通道宽度310和通道深度316相同。为了比较，图4C示出了同样当液滴304如图4A所示定位时在感测区域314中可见的液滴304的俯视图。可以看出，当液滴304流过感测区域314时，液滴304填充感测区域314。换句话说，大液滴大小的液滴303(图3A)和中等液滴大小的液滴304(图4A)完全填充感测区域314。
图4D示出了来自光检测器206(图2)的信号324的曲线图344。像图3D，信号324的曲线图344示出了电压V对时间t。这里示出了图3D所示的相同阈值350、352。在所示实施例中，在液滴304进入感测区域314之前，信号324超过第一阈值350。随着吸光液滴304开始填充感测区域314，信号324下降。像图3D，在液滴304完全填充感测区域314之后，信号324下降到第二阈值352以下。随着液滴304开始离开感测区域314，信号324上升并超过第二阈值352。在液滴304完全离开感测区域314之后，信号324可以再次超过第一阈值350。与图3D相比，信号324下降到第二阈值352以下与随后超过第二阈值352之间的持续时间显著更短。从图3D中可以看出，与第二阈值352的交叉之间的持续时间看起来像平坦或基本平坦的线，而图4D的信号324看起来像“V”或尖锐的山谷。此外，与图3D的信号323相比，信号324与第一阈值350的交叉之间的持续时间更短。
图5A示出了当液滴305的中心与微流体通道312的感测区域314的中心对准时流过微流体通道312的小液滴305的快照。图5B示出了当液滴305如图5A所示定位时微流体通道312在感测区域314的中心处的横截面318。可以看出，当液滴305在微流体通道312中时，液滴305的宽度335小于通道宽度310和通道深度316。为了比较，图5C示出了同样当液滴305如图5A所示定位时在感测区域314中可见的液滴305的俯视图。可以看出，与大液滴大小的液滴303(图3A)和中等液滴大小的液滴304(图4A)相比，当液滴305流过感测区域314时，液滴305不填充感测区域314。
图5D示出了来自光检测器206(图2)的信号325的曲线图345。像图3D和图4D，信号325的曲线图345示出了电压V对时间t。这里示出了图3D和图4D所示的相同阈值350、352。在所示实施例中，在液滴305进入感测区域314之前，信号325超过第一阈值350。随着吸光液滴305开始填充感测区域314，信号325下降。与图3D和图4D相比，在液滴305完全进入感测区域314之后，信号325不会下降到第二阈值352以下。随着液滴305开始离开感测区域314，信号325上升。在液滴305完全离开感测区域314之后，信号325可以再次超过第一阈值350。与图3D和图4D相比，信号325没有交叉第二阈值352。此外，与图3D的信号323和图4D的信号324相比，信号325与第一阈值350的交叉之间的持续时间更短。当低于第一阈值350时，信号325看起来像平坦或基本平坦的线，这类似于图3D，但不同于图4D。所述平坦线可归因于液滴305的长度比感测区域314的长度短，使得整个液滴305在感测区域314中的持续时间比图4D所示的更长。
参考在信号323、324、325中观察到的各种图案，可以标识和表征各种液滴303、304、305。可以基于包含在来自光检测器206(图2)的信号内的脉冲的幅度来确定液滴速率或液滴大小。如本文所用，术语“脉冲”是指信号下降到第一阈值350以下的时间。脉冲的较大幅度下降可以指示较大的液滴大小或较慢的液滴速率。此外，定性地，如果信号交叉第一阈值350两次但是在其间没有交叉第二阈值352，则液滴大小可以被确定为小于通道宽度310。反之亦然，如果信号在第一阈值350交叉之间交叉第二阈值352，则液滴大小可以被定性地确定为至少通道宽度310的大小。
在一些实施例中，当信号电平没有交叉第二阈值时，可以基于包含在信号内的脉冲的幅度来确定液滴大小。当信号没有交叉第二阈值时，液滴大小可以被确定为小于通道宽度310。在这种情况下，可以基于脉冲期间信号的幅度下降来确定液滴大小。通常，幅度下降越大，液滴大小越大。
另外或可替代地，可以基于包含在来自光检测器206的信号内的脉冲的宽度来确定液滴速率或液滴大小。第一阈值350交叉之间的较大脉冲宽度、第二阈值352交叉之间的较大脉冲宽度或两者可以指示较大的液滴大小或较慢的液滴速率。
在一些实施例中，当信号电平交叉第二阈值时，可以基于包含在信号内的脉冲的宽度来确定液滴大小。当信号交叉第二阈值时，液滴大小可以被确定为至少通道宽度310的大小。在这种情况下，可以基于信号与一个或两个阈值350、352的交叉之间的时间来确定液滴大小，所述时间可以用于指示脉冲的宽度。通常，宽度越大，液滴大小越大。
对于特定应用，第一阈值350和第二阈值352可以由传感器控制器106(图2)凭经验确定和存储。可以设置第一阈值350以检测感测区域314中的最小大小的液滴。通常，第一阈值350设置得越低，液滴检测的最小大小越大。可以设置第二阈值352以检测填充感测区域314的液滴，比如液滴303(图3A)或液滴304(图4A)，所述液滴可以具有大于或等于通道宽度310的液滴大小。可以基于信号是否交叉第一阈值、第二阈值或两者来确定液滴速率或液滴大小。
可以基于阈值信号电平交叉率或信号多快地交叉第一阈值350、第二阈值352或两者来确定液滴速率或液滴大小。例如，可以测量信号从第一阈值350或第二阈值352以上到以下的交叉，或反之亦然。在一些实施例中，可以使用信号与一个阈值350、352的交叉。例如，如果信号下降到第一阈值350以下，则下一次信号下降到第一阈值350以下时，信号一定已经上升到第一阈值350以上。因此，可以仅使用一种类型的阈值交叉来确定液滴速率。
在本披露内容的一些实施例中，可以在液滴传感器中使用一个以上的微流体通道。例如，每个检测组件中可以包括至少另一个微流体通道。可操作地连接到光检测器206(图2)的传感器控制器可以进一步被配置用于基于来自光检测器的信号来通过另一个微流体通道来检测分散在流体流中的一个或多个液滴。传感器控制器可以被配置用于区分流过每个微流体通道的液滴。
图6和图7示出了可以与图1的系统100一起使用的检测组件450、452的额外实施例。在所示实施例中，每个检测组件450、452包括多个微流体通道400。每个微流体通道400可以共享一个入口420并且可以共享一个出口422。微流体通道400、入口420和出口422之间的流体连接用虚线示意性示出。在一些实施例(未示出)中，微流体通道400可以与不同的入口420流体连通并且可以与不同的出口422流体连通。入口420和出口422可以与例如系统100的燃料管线114中的主流体流流体连通。如所示，微流体通道400与燃料管线114平行流体连通。每个检测组件450、452包括光检测器404和相对的光源(未示出)。微流体通道400可以共享一个光检测器404和一个光源。
每个微流体通道400可以具有相同或不同的截面面积。在一些实施例中，每个微流体通道400的截面面积的大小可以被不同地确定成检测不同的液滴大小。与使用单个微流体通道相比，使用多个微流体通道400可以用于各种应用中以允许在相同的压降下对更多的流体进行采样，允许通过检测组件的更高流体流速，或者对于相同量的采样流体降低压降。例如，使用多个微流体通道400可以与通过燃料管线114的主流体流一起串联使用。
检测组件450可以包括多个光孔402。每个光孔402与一个微流体通道400相对应。光孔402可以用于限定多个光束，所述光束又限定每个微流体通道400的一个感测区域。当液滴流过每个微流体通道400时，光检测器404将检测与流过微流体通道400的液滴相对应的不同吸光水平。光孔402可以具有相同或不同的宽度，这可以有助于对不同的液滴大小的敏感度。每个光孔402可以具有任何合适的形状，比如圆形形状。
检测组件452可以包括单个光孔412。单个光孔412与多个微流体通道400相对应。换句话说，多个微流体通道400共享一个光孔412。光孔412可以具有任何合适的形状，比如矩形形状。在一些实施例(未示出)中，光孔412可以沿着每个微流体通道400具有不同的宽度。
在一些实施例(未示出)中，可以使用一个以上的光检测器404。例如，每个微流体通道400可以具有对应的光检测器。每个光检测器可以可操作地连接到相同或不同的传感器控制器。
图8示出了可以与液滴传感器102(图1和图2)一起使用的传感器控制器106的布局。如所示，传感器控制器106包括输入接口500和输出接口502。传感器控制器106可以使用输入接口500可操作地连接到光检测器206或可选的流量传感器550。传感器控制器106可以使用输出接口502可操作地连接到计算机122或光源202。每个接口500、502可以可操作地连接到处理器504、存储器506或两者。处理器504可以可操作地耦接到存储器506以存储和检索信息或数据，比如信号510、阈值512、液滴速率520、液滴大小522或液滴量524。
在所示实施例中，处理器504可以被配置用于使用输入接口500从光检测器206接收信号510。一个或多个阈值512可以由处理器504基于信号510来确定或者从存储器506中检索。处理器504的各种模块可以基于信号510和阈值512来执行。例如，可以使用在处理器504上执行的比较器514来比较信号510与阈值512。基于所述比较，处理器504可以使用液滴检测器516来确定是否已经检测到液滴。此外，可以使用液滴表征器518来确定液滴的各种特性。可以确定的液滴特性的非限制性示例包括液滴速率520、液滴大小522和液滴量524。在一些实施例中，处理器504可以确定向输出接口502提供维护信号526。
来自流量传感器550的流体流速可以用于确定一些特性。在一些实施例中，流量计或流量传感器550可以位于感测通道或微流体通道中、上游或下游。通常，流量传感器550被定位和配置成用于确定通过微流体通道的流体的流速，所述微流体通道也可以被描述为感测通道。
图9示出了描述可以与图2的液滴传感器102或者图8的传感器控制器106一起使用的方法600的流程图。方法600可以包括监测信号602。如果监测的信号下降到第一阈值以下604，则方法600可以继续并确定已经检测到液滴606。否则，可以继续监测信号602。
在已经检测到液滴606之后，如果信号超过第一阈值608而例如没有下降到第二阈值以下，则方法600可以继续并确定液滴大小或速率610。例如，液滴大小可以被确定为小于微流体通道的通道宽度。作为另一个示例，可以仅基于与第一阈值的交叉来确定液滴速率。在确定液滴大小或速率之后，可以继续监测信号以寻找另一个液滴602。如果信号还没有超过第一阈值608，则方法600可以继续并确定信号是否已经下降到第二阈值以下612。
如果信号例如在超过第一阈值之前下降到第二阈值以下612，则方法600可以基于脉冲宽度来确定液滴大小或速率614。如上文所述，低于第二阈值的信号可以指示液滴大小大于或等于微流体通道的通道宽度，并且所述脉冲宽度可以指示液滴大小或速率。在确定液滴大小或速率614之后，可以继续监测信号以寻找另一个液滴602。
否则，如果信号例如在超过第一阈值之前没有下降到第二阈值以下612，则方法600可以基于脉冲幅度来确定液滴大小616。如上文所述，高于第二阈值的信号可以指示液滴大小小于微流体通道的通道宽度，并且所述脉冲幅度可以指示液滴大小。在确定液滴大小616之后，可以继续监测信号以寻找另一个液滴602。
液滴传感器可以以任何合适的方式与主流管线集成在一起。控制管道尺寸(例如，长度或水力直径)并观察局部压头损失的影响(例如，水力直径的膨胀或收缩)可以允许控制整个系统中的压力损失。在一些情况下，液滴传感器可以以减少总压力或能量损失的方式集成，例如，促进更短的微流体通道长度。
微流体传感器可以与主流分支平行流体连通。在一些实施例中，微流体通道可以被配置用于接受来自主流的旁路流。在一些实施例中，微流体通道可以至少部分地设置在主流内。
图10示出了可以与系统100一起使用的液滴传感器的一个示例。液滴传感器700包括被定位成用于接收来自主流通道704的旁路流的微流体通道702。主流通道704或微流体通道702中的一个或两个可以包括弯曲部以将旁路流与主流分开。
在所示实施例中，微流体通道702与主流通道704的主流入口706和主流出口708形成直线路径。直的几何形状可以防止水滴或气泡被捕获在微流体通道702中。主流遵循沿着主流分支710的不同路径。如所示，主流分支710被示出为简单的回路，但是可以使用任何合适的形状来平衡压力和通过微通道的流量。
在一些实施例中，微流体通道702可以包括会聚-发散喷嘴或会聚-发散喷嘴设计。所述喷嘴可以改善压力恢复，或者以其他方式控制压力损失，例如，通过减小微流体通道702的长度。在所示实施例中，所述喷嘴可以由入口部分712、感测部分714(也可以描述为喷嘴的喉部)和出口部分716限定。在其他实施例中，感测部分714可以结合到入口部分712或出口部分716中。
在所示实施例中，入口部分712和出口部分716各自具有沿其长度可变或变化的宽度。微流体通道702的长度是沿着轴线限定的，所述轴线沿着通过微流体通道702的流动方向延伸。微流体通道702的宽度通常与长度正交。例如，当感测部分714没有结合到入口部分712或出口部分716中时，感测部分714可以具有沿其长度不变的宽度。
入口部分712可以在通过微流体通道702的流体流的方向或流动方向上逐渐变细。所述逐渐变细可以是线性的或非线性的(例如，弯曲)。入口部分712可以限定收缩角，所述收缩角是可以表示线性锥度的角度或者可以表示平均测量值的测量值，所述平均测量值表示非线性锥度中的角度的多个测量值。可以从任何合适的轴线测量角度，比如与通过微流体通道702的旁路流体流的方向对准的轴线。入口部分712可以被描述为收缩入口部分。
出口部分716可以在通过微流体通道702的流体流的方向或流动方向上张开。所述张开可以是线性的或非线性的(例如，弯曲)。出口部分716可以限定膨胀角，所述膨胀角可以以类似于收缩角的方式计算。可以从任何合适的轴线测量角度，比如与旁路流体流的方向对准的轴线。出口部分716可以被描述为膨胀出口部分。
入口部分712和出口部分716也可以使用收缩比和膨胀比来描述。如本文所用，“收缩比”是指喷嘴入口处的截面面积(入口部分712的最宽截面面积或入口部分的最宽开口处的截面面积)与喉部(最小截面面积，比如在感测部分714中)的比率。“膨胀比”是指喷嘴出口处的截面面积(出口部分716的最宽截面面积或出口部分的最宽开口处的截面面积)的比率。例如，从300微米减小到100微米并且再回到300微米的通道截面面积将具有3的收缩比和3的膨胀比。
入口部分712和出口部分716的长度和相应的角度可以相同或不同。在一些实施例中，收缩入口部分712的长度比膨胀出口部分716的长度短，或反之亦然。在一些实施例中，入口部分712的收缩角可以大于出口部分716的膨胀角。在一些实施例中，膨胀比和收缩比可以相同或不同。例如，即使相应的长度和角度不同，膨胀比和收缩比也可以相同。
在所示实施例中，主流720或主流体流从图示的左侧从主流入口706进入微流体通道702。主流720在主流分支710与微流体通道702之间分流。旁路流在入口部分712处进入微流体通道702并且在流体速度上增加，同时流速保持不变，因为入口部分712中的横截面减小导致静压头减小。在旁路流从入口部分712和感测部分714通过并进入出口部分716之后，发生相反的情况并且流体速度减小，同时流速保持不变，导致静压头压力增加。换句话说，在旁路流遇到微流体通道702的最小直径之后，流体速度可以减小，并且静压头压力可以增加。旁路流然后可以在穿过出口部分716之后重新加入主流中。
通过控制收缩率和膨胀率，可以例如通过使系统内的流动分离最小化来控制压力恢复的量。在适当设计的设备中，在给定的通道长度下，与恒定截面面积的通道长度相比，使流动分离最小化可以产生持续较小的压降。微流体通道702的会聚-发散喷嘴设计可以用于控制通过液滴传感器700的压降。较低的压降可以产生通过液滴传感器700的额外流量。
系统100可以包括限流器以促进流体流过液滴传感器700。在所示实施例中，限流器722可以沿着主流通道704定位，例如，在主流分支710中。与没有限流器722的系统相比，限流器722可以有助于驱动更多的流量通过微流体通道702。在一些情况下，在没有限流器722的情况下，例如，当微流体通道702的宽度或直径为150微米并且主流通道704的宽度或直径为12毫米时，小于或等于0.0001％的主流可以进入微流体通道702。通常，微流体通道702的相对宽度与主流通道704相比比所展示的小得多(例如，至少一个数量级)。在一些实施例中，例如，当包括会聚-发散喷嘴或限流器722时，至少0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、5％或甚至10％的主流可以进入微流体通道702。
光学部件可以用于例如通过增加来自光源730的指向光检测器732的光的强度来增加液滴传感器700的信噪比。在一个或多个实施例中，液滴传感器704可以包括一个或多个光学部件，比如聚焦光学器件或透镜734。一个或多个透镜734通常可以位于光源730与光检测器732之间。如所示，一个透镜734位于光源730与微流体通道702之间，并且另一个透镜734位于微流体通道702与光检测器732之间。
微流体通道可以至少部分或完全浸没在燃料管线的主流中。在一些实施例中，微流体通道的入口位于主流或主流通道中。图11至图13示出了定位微流体通道的入口以对来自主流通道的主流进行采样的各种示例。通过主流通道704的主流720可以由液滴传感器从主流通道704的壁附近(例如，管道的壁附近)或从主流通道704内部(例如，管道内部)进行采样。如果从主流通道704的中部对主流720进行采样，则可以从管道的直段或者从管道中的弯曲部对主流720进行采样。微流体通道702的入口部分712可以包括开口752，所述开口被定位成用于捕获用于液滴传感器的代表性流体样本，即，其中水滴被浓缩的样本或者其中水滴被稀释的样本。通常，主流通道704的中心可以提供主流720的代表性流体样本。
开口752可以具有与微流体通道702相同的横截面尺寸或者可以更大或更小。较大的传感器入口尺寸可以是有利的，因为压降较低。
图11示出了液滴传感器750，所述液滴传感器包括位于入口部分712远端的开口752，所述入口部分从主流通道704的一侧向主流通道704的中心延伸以将开口752定位在主流通道704的中心附近。在所示实施例中，主流通道704线性或直线延伸，并且微流体通道702正交于主流720的方向线性或直线延伸。
主流通道704可以线性或非线性延伸。在一些实施例中，一个或多个液滴传感器实施例也可以与具有弯曲部或其他非线性几何形状的主流通道一起使用。图12示出了液滴传感器760，所述液滴传感器包括位于入口部分712远端的开口752，所述入口部分从主流通道704中的弯曲部754延伸到主流通道704的中心以将开口752定位在主流通道704的中心附近。在所示实施例中，主流通道704是非线性的。微流体通道702在弯曲部754处进入主流通道704。
微流体通道702的入口部分712可以是直的或包括锥度(或会聚喷嘴)。图13示出了液滴传感器770，所述液滴传感器包括位于入口部分712远端的开口752，所述入口部分从弯曲部754延伸到主流通道704的中心以将开口752定位在主流通道704的中心附近。入口部分712至少部分是锥形的并且开口752比液滴传感器760(图12)大。在所示实施例中，主流通道704线性或直线延伸，并且微流体通道702沿着主流720的方向线性或直线延伸。
微流体通道可以完全浸没在主流通道中。具体地，微流体通道的入口和出口可以位于主流通道的主流中。在一些实施例中，液滴传感器可以是环形流动构型，其中微流体传感器通道包含在主流通道内。微流体通道可以位于主流通道的中心处或远离中心处。
微流体传感器通道可以在主流通道内以任何合适的方式定向。在一些实施例中，微流体传感器通道可以平行于流体流的方向或成一定角度延伸。光源和检测器可以浸没在主流通道中(被封装和浸没)或者用光纤、光导、波导等耦接到微流体通道。微流体通道可以具有恒定的横截面尺寸(例如，宽度)或者可以沿其长度变化。改变微流体传感器通道尺寸通过降低压降或增加采样体积而可以是有利的。
图14A至图14B和15A至图15B示出了浸没在主流通道中的微流体通道的各种示例，这可以有助于在流体流的路径中具有更少的弯曲部。图14A至图14B示出了光源和光检测器浸没在主流通道中的液滴传感器的一个示例。液滴传感器800包括光源802、光检测器804和微流体通道806。具体地，微流体通道806的入口807(例如，开口或入口部分)和出口809(例如，开口或出口部分)浸没在主流通道810中。微流体通道806可以被描述为被主流通道810的壁或内表面包围。
为了将形成微流体通道806的基材保持在主流中，一个或多个支撑件812或支撑结构可以耦接到主流通道810。在所示实施例中，一个支撑件812耦接在光源802与主流通道810的壁之间。另一个支撑件812耦接在光检测器804与主流通道810的壁之间并且可以与另一个支撑件在主流通道810或微流体通道806的相对侧。形成微流体通道806的基材可以耦接到光源802或第一支撑件812并且可以耦接到光检测器804或第二支撑件812以被保持在例如主流的中心附近。支撑件812可以由任何合适的材料制成以机械耦接液滴传感器800的不同部件。
例如，微流体通道806可以由基材形成或者限定在两个或更多个光学部件之间，而不是仅由基材形成。在一些实施例中，可以在比如光源、光检测器、光孔、光通道、透镜和单独的微流体通道基材等两个或更多个光学部件之间限定微流体通道806。在一些实施例中，微流体通道806可以由玻璃管作为基材形成。
光通道的一个示例是光纤通道或由光纤形成的通道。光纤的使用可以允许液滴传感器的某些光学部件位于主流通道的外部。图15A至图15B示出了液滴传感器的一个示例，其中光纤至少部分浸没在主流通道中，所述光纤形成微流体通道。液滴传感器820包括光源802、光检测器804和光纤814。在所示实施例中，光源802和光检测器804位于主流通道810的外部并且通过光纤814光学耦接到主流通道810的内部。微流体通道826的长度和宽度可以由例如光纤814的光导纤维的端部限定，而不是由单独的微流体通道基材限定。
光学部件的各种组合也可以用于形成微流体通道。在一些实施例中，光源和光纤通道可以用于限定微流体通道。在其他实施例中，光检测器和光纤通道可以用于限定微流体通道。在更进一步的实施例中，光源和光检测器可以包含在主流通道内并限定微流体通道。
形成微流体通道的光学部件可以被描述为在两个部件之间形成虚拟微流体通道。也就是说，两个部件之间的路径长度产生微流体通道。光检测器或光源可以耦接到光孔或相对于光孔定位以限定所述虚拟微流体通道。
通常，光源和检测器中的一个或两个可以在主流通道外部，其中光纤、光导、波导等可以用于将光送入主流通道到虚拟微流体通道或从虚拟微流体通道从主流通道中送出。相对于仅使用单独的基材来形成微流体通道，利用虚拟微流体通道可以降低压降。
类似于本文所述的液滴传感器的传感器还可以用于在没有微流体通道的情况下检测水。在一些实施例中，这样的传感器可以用于检测何时水量或水位(例如，基于高度)已经达到某个阈值或用于连续监测水位。例如，在一些货车运输应用中，了解水的高度可以帮助货车操作者了解何时从燃料系统中排水，因为已经收集了一定的水量。货车运输应用中的现有水传感器利用可能易于结垢的机械浮子，或者也可能易于通过电镀或沉积物结垢的电阻式或导电式探针。
图16至图18示出了在燃料-水分离器或燃料过滤器(比如燃料过滤器116(图1))中没有微流体通道的情况下使用的传感器的各种实施例，比如水位传感器。当使用过滤器从燃料系统中去除水时，在燃料被过滤之后，水可以被收集在燃料-水分离器840的壳体842的底部的水收集体积844或碗中。水收集体积844可以流体连接到发动机燃料管线(例如，主流通道)并且流体连接到过滤元件846和排水出口848以在水已经达到阈值水位850时选择性地排水。通常，水收集体积844可以在过滤元件846的上游或过滤元件846的下游。
传感器852可以定位在与检测水达到阈值水位850相对应的水收集体积844的高度处。传感器852可以包括光源856，所述光源可以是近红外光源。传感器852还可以包括光检测器858，所述光检测器可以是光电检测器。光源856和光检测器858可以被定位成用于限定水收集体积844中的阈值水位850。光源856与光检测器858之间的距离或空间可以限定路径长度854。
控制器(其可以类似于图8的控制器106)可以可操作地耦接到光检测器858并且可选地可操作地耦接到光源856。所述控制器可以被配置用于响应于来自光检测器858的信号而确定水收集体积844中的水已经达到阈值水位850。通常，当沿着路径长度854在光源856与光检测器858之间存在水时，作为响应，所述控制器可以确定水量已经达到阈值水位850。
传感器852的各种构型可以用于测量水位。图16示出了具有位于水收集体积844和壳体842外部的光源856和光检测器858的传感器852。在其他实施例中，光源856和光检测器858中的一个或两个可以位于水收集体积844或壳体842内部并且可以浸没在水中。
图17示出了传感器构型的另一个示例。传感器860类似于传感器852并且进一步包括光学部件862或光纤。光学部件862可以用于将光从光源856或光检测器858耦接进出水收集体积844。在所示实施例中，光源856位于水收集体积844的外部并且光学耦接到光学部件862以将光束引导到水收集体积844中并导向光检测器858。光检测器858位于水收集体积844内部以接收光束并且光学耦接到另一个光学部件862以将光束引导到水收集体积844外部。可以在耦接到光源856的光学部件862与光检测器858之间限定路径长度854。
图18示出了传感器构型的又一示例。传感器870类似于传感器860并且定向成通过在用于测量上升水位的方向上(例如，竖直地)限定路径长度854来测量水位。具体地，光源856和光检测器858被定位成用于测量水收集体积844中的水位并且控制器(其可以类似于图8的控制器106)被配置用于响应于信号而确定水位。随着水位沿着路径长度854上升，由光检测器858检测到的吸光率将增加，并且控制器可以例如与吸光率的增加成比例地确定水位。在所示实施例中，光源856和光检测器858位于水收集体积844和壳体842内部。在其他实施例中，光源856和光检测器858可以位于水收集体积844或壳体842外部。
通常，近红外光源和检测器可以放置在水收集碗外部。如果所述近红外光源和所述检测器在水收集体积外部，则所述近红外光源和所述检测器可以与光纤、波导、光导(或类似物)耦接以将传入光送入碗中并收集透射光并将其从碗中送回。在一些实施例中，光源和检测器中的一个可以在水收集体积中，而另一个部件可以通过光纤、波导或光导连接在水收集碗外部。在其他实施例中，光源和检测器两者可以在水收集体积中。
光的路径长度可以由水收集体积宽度或高度的一部分组成或者可以包括整个水收集碗宽度或高度。如果光的路径长度是整个水收集体积宽度或高度，则燃料-水分离器的壳体可以由对近红外光透明的材料(例如，玻璃)制成，使得光源和检测器在壳体外部。如果传感器的取向与水收集碗宽度一致，则一旦水已经达到传感器的高度，传感器就可以用作触发器。如果传感器的取向与水收集碗高度一致(或成斜角)，则传感器可以用作连续水位传感器，因为透射光的减少可以指示水高度的增加。
图19示出了包括过滤器头的燃料-水分离器的一个示例。在所示实施例中，示出了传感器或液滴传感器884在燃料-水分离器880内的各种位置。在一些实施例中，一个或多个液滴传感器884可以位于过滤器头882中。过滤器头882可以包括与主流通道和过滤元件流体连通的入口和出口。液滴传感器884可以被定位成用于沿着入口890、沿着出口892、在入口与出口之间、或者甚至沿着过滤元件846或在所述过滤元件内进行采样。
通常，微流体水传感器或液滴传感器可以直接集成到过滤器头中。所述传感器可以放置在过滤器头的入口或出口中。所述传感器可以是直接连接入口和出口的过滤器的旁路。所述传感器可以直接结合到可更换的过滤元件中。
虽然本披露内容不受此限制，但是将通过下文提供的对具体示例和说明性实施例的讨论来获得对本披露内容的不同方面的了解。示例和说明性实施例以及本披露内容的附加实施例的各种修改将在本文中显而易见。
示例
在示例1中，如图20所示提供检测组件900。检测组件900包括中心在1550nm的近红外发光二极管(LED)902(可从新泽西州牛顿的索实验室(Thorlabs,Newton,New Jersey)购得)。LED 902由使用通用串行总线(USB)端口连接的市售5V电源904驱动。LED 902与市售51Ω电阻903串联连接。来自LED 902的光没有被光学器件聚焦。LED 902紧靠由聚二甲基硅氧烷(PDMS)(可以以商品名DOW CORNING SYLGARD 184购得)和玻璃制成的微流体设备906，所述微流体设备限定了微流体通道。微流体设备906包括将水滴供给到微流体设备906的微通道中的T型结液滴发生器。所述微通道或微流体通道的宽度为150微米并且深度为140微米。所述通道与150μm针孔光孔908(可从索实验室购得)对准。来自LED 902的光被引导通过光孔908和微流体设备906的微流体通道以被PDA30B锗(Ge)跨阻放大光检测器910(可从新泽西州牛顿的索实验室购得)检测。输出信号经由50ΩBNC电缆传输到TDS 2014C示波器(可从俄勒冈州比弗顿市的泰克公司(Tektronix,Beaverton,Oregon)购得)。
使用喷射泵(可从马萨诸塞州霍利斯顿的哈佛仪器公司(Harvard Apparatus,Holliston,Massachusetts)购得)向检测组件900提供每分钟25微升的燃料流和每分钟2微升的水流，这导致水滴的形成。如根据信号分析所确定的，水滴的直径为117微米，滴速为每秒40滴。使用探头衰减设置为10倍的TDS 2014C示波器进行测量。图21示出了来自TDS2014C示波器的信号922的电压(V)对时间(s)的曲线图920。信号922的每次下降与液滴移动通过由检测组件900限定的感测区域相对应。
在示例2中，向检测组件供给小于微流体设备的微通道的尺寸的液滴以测试检测器响应是否与液滴直径相对应或关联。所述检测组件与检测组件900相同，不同之处在于所述微流体设备使用流动聚焦液滴发生器而不是使用T型结液滴发生器来供给微通道并且示波器设置为1倍衰减。根据信号分析，确定了液滴频率和大小。如图22所示，曲线图940示出了对于不同的液滴大小(μm或微米)，检测器的输出电压降，单位为毫伏(mV)。可以看出，当液滴小于微通道的宽度时，较大的电压降与较大的液滴直径相对应。
说明性实施例
在实施例A1中，一种系统包括微流体通道，所述微流体通道被配置用于接收第一流体的流和分散在所述第一流体中的第二流体。所述第二流体具有不同于所述第一流体的成分。所述系统还包括光源，所述光源被配置用于沿着通过所述微流体通道的路径引导某一频带的光束。所述频带被选择为所述第二流体比所述第一流体具有更高的吸光率。所述系统进一步包括孔元件，所述孔元件限定位于来自所述光源的所述光束的所述路径中的光孔。所述系统进一步包括光检测器，所述光检测器被定位成用于在所述光束穿过所述微流体通道和所述光孔之后在感测区域中接收所述光束。所述光检测器被配置用于提供表示所述频带的光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述系统进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来确定所述第二流体是否为液滴形式。
在实施例A2中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于基于所述信号来确定每单位体积的第一流体中液滴形式的第二液体的量。所述量可选地不包括溶解在第一流体中的第二流体。
在实施例A3中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，所述系统进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来检测分散在所述第一流体的所述流中的所述第二流体的一个或多个液滴的液滴速率或液滴大小。
在实施例A4中，一种系统包括根据实施例A3所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于基于以下中的至少一个来确定所述液滴速率或所述液滴大小：包含在所述信号内的脉冲的幅度、包含在所述信号内的脉冲的宽度、用于检测所述感测区域中的最小大小液滴的第一阈值信号电平、用于检测填充所述感测区域的液滴的第二阈值信号电平、以及阈值信号电平交叉率。
在实施例A5中，一种系统包括根据实施例A4所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于执行以下中的至少一个：基于所述液滴速率和所述液滴大小来确定每单位体积的第一流体中液滴形式的第二液体的量；响应于所述信号不交叉所述第二阈值信号电平而基于包含在所述信号内的脉冲的所述幅度来确定所述液滴大小；响应于所述信号交叉所述第二阈值信号电平而基于包含在所述信号内的脉冲的所述宽度来确定所述液滴大小；以及基于所述液滴速率来确定所述液滴大小。
在实施例A6中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，其中，所述微流体通道是以下中的至少一个：与燃料管线的主流平行流体连通；至少部分浸没在所述燃料管线的所述主流中，其中，所述微流体通道的入口位于所述燃料管线的所述主流中或者所述微流体通道的所述入口和出口位于所述燃料管线的所述主流中；以及限定在选自以下各项的两个或更多个光学部件之间：所述光源、所述光检测器、所述光孔、光通道、透镜和单独的微流体通道基材。
在实施例A7中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，其中，所述微流体通道包括会聚-发散喷嘴。
在实施例A8中，一种系统包括根据实施例7所述的系统，其中：所述微流体通道的所述会聚-发散喷嘴包括沿着流动方向的收缩入口部分和膨胀出口部分；并且可选地，其中，所述收缩入口部分的长度比所述膨胀出口部分的长度短。
在实施例A9中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于检测预定大小的所述第二液体的液滴，所述液滴具有与具有在10微米到1000微米范围内的球形直径的所述第二液体的液滴相等的体积。
在实施例A10中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，其中，所述第一流体包括烃流体并且所述第二流体包括水。
在实施例A11中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，进一步包括以下中的至少一个：燃料管线，所述燃料管线被配置用于将燃料输送到燃料喷射器；燃料过滤器，所述燃料过滤器被配置用于从沿着所述燃料管线定位的汽油或柴油燃料中过滤水；以及燃料泵，所述燃料泵与所述燃料管线流体连通，其中，所述燃料泵被配置用于沿着所述燃料管线向所述燃料喷射器提供燃料流。
在实施例A12中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，所述系统进一步包括位于所述光源与所述光检测器之间的另一个微流体通道。
在实施例A13中，一种系统包括根据任一A实施例所述的系统，其中，所述微流体通道限定小于1mm2的截面面积并且所述光孔具有小于1mm的宽度以限定所述感测区域。
在实施例A14中，一种系统包括燃料与水分离器，所述燃料与水分离器包括限定水收集体积的壳体。所述水收集体积流体连接到发动机燃料管线并且流体连接到排水出口。所述系统还包括光源，所述光源被配置用于沿着通过所述水收集体积的路径引导某一频带的光束。所述频带被选择为被水吸收。所述系统进一步包括光检测器，所述光检测器被定位成用于在所述光束穿过所述水收集体积的至少一部分之后在感测区域中接收所述光束。所述光检测器被配置用于提供表示所述频带的光的量的信号。所述系统进一步包括控制器，所述控制器可操作地耦接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来确定是否检测到水。
在实施例A15中，一种系统包括根据实施例A14所述的系统，其中：所述光源和所述光检测器被定位成用于限定所述水收集体积中的阈值水位并且所述控制器被配置用于响应于所述信号而确定所述水收集体积中的水已经达到所述阈值水位；或者所述光源和所述光检测器被定位成用于测量所述水收集体积中的水位并且所述控制器被配置用于响应于所述信号而确定所述水位。
在实施例B1中，一种系统包括被配置用于接收烃流体流的微流体通道。所述微流体通道具有大小被确定成当预定大小的水滴分散在所述烃流体中时一次接收一个水滴的截面面积。所述系统还包括位于所述微流体通道外部的光源，所述光源被配置用于产生选定频带的光以使得所述水滴在所述选定频带中具有比所述烃流体更高的吸光率。所述系统进一步包括光检测器，所述光检测器位于所述微流体通道外部并对所述选定频带敏感并且被配置用于提供表示光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述系统进一步包括位于所述光源与所述光检测器之间的光孔。来自所述光源的穿过所述光孔的光形成光束，所述光束限定延伸通过所述光源、所述微流体通道和所述光检测器的光束轴。所述系统进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于来自所述光检测器的信号来检测分散在所述烃流体流中的一个或多个水滴，所述信号表示来自所述光源的光在穿过所述微流体通道和所述光孔之后剩余的量。
在实施例B2中，一种系统包括根据任一B实施例所述的系统，其中，所述控制器被配置用于基于来自所述光检测器的所述信号来确定除溶解水之外的每单位体积的水量。
在实施例B3中，一种系统包括根据任一B实施例所述的系统，其中，所述控制器被配置用于基于来自所述光检测器的所述信号来检测所述预定大小的所述水滴，所述预定大小的所述水滴具有与从10微米到1000微米范围内的球形直径相对应的体积。
在实施例B4中，一种系统包括根据任一B实施例所述的系统，其中，所述控制器被配置用于响应于基于来自所述光检测器的所述信号检测到烃流体中的水而提供维护信号。
在实施例B5中，一种系统包括根据任一B实施例所述的系统，所述系统进一步包括燃料管线，所述燃料管线被配置用于将燃料作为所述烃流体输送到燃料喷射器，其中，所述微流体通道与所述燃料管线平行流体连通。
在实施例B6中，一种系统包括根据实施例B5所述的系统，所述系统进一步包括燃料过滤器，所述燃料过滤器被配置用于从沿着所述燃料管线定位的汽油或柴油燃料中过滤水。
在实施例B7中，一种系统包括根据实施例B6所述的系统，所述系统进一步包括燃料泵，所述燃料泵与所述燃料管线流体连通，其中，所述燃料泵被配置用于沿着所述燃料管线向所述燃料喷射器提供燃料流。
在实施例B8中，一种系统包括根据任一B实施例所述的系统，所述系统进一步包括位于所述光源与所述光检测器之间的另一个微流体通道。所述控制器进一步被配置用于基于来自所述光检测器的所述信号来通过所述另一个微流体通道来检测分散在烃流体流中的一个或多个水滴。
在实施例C1中，一种传感器包括大小被确定成接收流体流的微流体通道。所述微流体通道具有大小被确定成当预定大小的不同液体的液滴分散在所述流体中时一次接收一个液滴的截面面积。所述传感器还包括位于所述微流体通道外部的光源，所述光源被配置用于产生选定频带的光以使得所述液滴在所述选定频带中具有与所述不同液体不同的吸光率。所述传感器进一步包括光检测器，所述光检测器位于所述微流体通道外部并对所述选定频带敏感并且被配置用于提供表示光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号。所述传感器进一步包括位于所述光源与所述光检测器之间的光孔。来自所述光源的穿过所述光孔的光形成光束，所述光束限定延伸通过所述光源、所述微流体通道和所述光检测器的光束轴。所述光孔和所述光检测器的宽度限定感测区域。所述传感器进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于来自所述光检测器的信号来确定通过所述微流体通道的所述感测区域的液滴速率，所述信号表示来自所述光源的光在穿过所述微流体通道和所述光孔之后剩余的量。
在实施例C2中，一种传感器包括根据任一C实施例所述的传感器，其中，所述控制器被配置用于基于以下中的至少一个来确定所述液滴速率或液滴大小：包含在所述信号内的脉冲的幅度、包含在所述信号内的脉冲的宽度、用于检测所述感测区域中的最小大小液滴的第一阈值信号电平、用于检测填充所述感测区域的液滴的第二阈值信号电平、以及阈值信号电平交叉率。
在实施例C3中，一种传感器包括根据任一C实施例所述的传感器，其中，所述控制器被配置用于基于所述液滴速率和所述液滴大小来确定每单位体积的液滴液体的量。
在实施例C4中，一种传感器包括根据任一C实施例所述的传感器，其中，所述控制器被配置用于当信号电平没有交叉所述第二阈值信号电平时基于包含在所述信号内的脉冲的幅度来确定所述液滴大小。
在实施例C5中，一种传感器包括根据任一C实施例所述的传感器，其中，所述控制器被配置用于当信号电平交叉所述第二阈值信号电平时基于包含在所述信号内的脉冲的宽度来确定所述液滴大小。
在实施例C6中，一种传感器包括根据任一C实施例所述的传感器，其中，所述控制器被配置用于基于所述液滴速率来确定液滴大小。
在实施例D1中，一种水滴传感器包括：微流体通道，所述微流体通道限定小于1mm2的截面面积；光源，所述光源位于所述微流体通道外部并被配置用于产生近红外频带的光；光检测器，所述光检测器位于所述微流体通道外部并对所述频带敏感并且被配置用于提供表示光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号；以及光孔，所述光孔位于所述光源与所述光检测器之间。来自所述光源的穿过所述光孔的光形成光束，所述光束限定延伸通过所述光源、所述微流体通道和所述光检测器的光束轴。所述孔的宽度小于1mm。所述传感器还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于来自所述光检测器的信号来检测分散在烃流体流中的一个或多个水滴，所述信号表示来自所述光源的光在穿过所述微流体通道和所述光孔之后剩余的量。
在实施例D2中，一种传感器包括根据任一D实施例所述的传感器，其中，所述光源被配置用于产生以1400至1600纳米范围为中心的光。
在实施例D3中，一种传感器包括根据任一D实施例所述的传感器，其中，所述光束从所述光孔到所述光检测器的路径长度小于或等于1000微米。
在实施例D4中，一种传感器包括根据任一D实施例所述的传感器，其中，所述微流体通道的通道宽度和所述孔的所述宽度中的至少一个小于或等于500微米。
在实施例D5中，一种传感器包括根据任一D实施例所述的传感器，其中，所述微流体通道的通道深度小于或等于所述微流体通道的通道宽度。
在实施例D6中，一种传感器包括根据任一D实施例所述的传感器，其中，所述孔的所述宽度小于或等于所述微流体通道的通道宽度。
因此，披露了用于燃料系统的液滴传感器(DROPLET SENSORS FOR FUEL SYSTEMS)的各种实施例。尽管本文参考形成本披露内容的一部分的附图，但本领域的至少普通技术人员将了解，本文所描述的实施例的各种改编和修改在本披露内容的范围内或不脱离本披露内容的范围。例如，本文所描述的实施例的方面可以按多种方式彼此组合。因此，应理解，在所附权利要求的范围内，所要求保护的本发明可以按除了本文明确地描述的其他方式来实践。
本文引用的所有参考和公布明确地通过援引以其全文并入本披露内容中，除非到了它们可能与本披露内容直接相抵触的程度。
除非另外规定，否则本文使用的所有科学和技术术语均具有本领域常用的含义。本文提供的定义是为了有助于理解本文中频繁使用的某些术语，并且不意味着限制本披露内容的范围。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征大小、量和物理性质的所有数字可以理解为受术语“精确地”或“大约”修饰。因此，除非指明相反情况，否则在前述说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，所述近似值可以取决于本领域技术人员利用本文披露的教示来寻求获得的期望性质而变化或者例如在典型的实验误差范围内变化。
通过端点叙述数值范围包括归入所述范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及所述范围内的任何范围。在本文中，术语“多达”或“小于或等于”某数字(例如，多达50)包括所述数字(例如，50)，并且术语“不小于”某数字(例如，不小于5)包括所述数字(例如，5)。
术语“耦接”或“连接”是指元件彼此直接地附接(彼此直接接触)或间接地附接(具有在这两个元件之间并将其附接的一个或多个元件)。任一术语都可以用“能操作地”和“可操作地”来修饰，这两个术语可以互换使用，以描述耦接或连接被配置用于允许部件相互作用以执行至少一些功能(例如，传感器控制器可以能操作地连接到车辆计算机以发送和接收数据)。
与取向相关的术语，比如“顶部”、“底部”、“上游”、“下游”，用来描述部件的相对位置并且不意味着限制所设想的实施例的取向。
对“一个实施例”、“实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”等的提及是指结合所述实施例描述的特定特征、构型、成分或特性包括在本披露内容的至少一个实施例中。因此，在各处出现此类短语不一定指的是本披露内容的同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、构型、成分或特性可以按任何合适的方式组合。
如在本说明书和所附权利要求中所用，除非内容清楚地另外指明，否则单数形式“一个/一种(a/an)”和“所述(the)”包括具有复数指示物的实施例。如在本说明书和所附权利要求中所用，术语“或”通常以包括“和/或”的其意义使用，除非内容清楚地另外指明。
如本文所用，“具有(have/having)”、“包括(include/including)”、“包括(comprise/comprising)”等以开放式意义使用，并且一般意指“包括但不限于”。应当理解，术语“基本上由……组成”、“由……组成”等包括在“包括(comprising)”等中。
后面跟有列表的短语“……中的至少一个”、“包括以下中的至少一个”和“……中的一个或多个”是指所述列表中的任一项目以及所述列表中的两个或更多个项目的任何组合。

Claims (15)

1.一种系统，包括：
微流体通道，所述微流体通道被配置用于接收第一流体的流和分散在所述第一流体中的第二流体，其中，所述第二流体具有不同于所述第一流体的成分；
光源，所述光源被配置用于沿着通过所述微流体通道的路径引导某一频带的光束，其中，所述频带被选择为所述第二流体比所述第一流体具有更高的吸光率；
孔元件，所述孔元件限定位于来自所述光源的所述光束的所述路径中的光孔；
光检测器，所述光检测器被定位成用于在所述光束穿过所述微流体通道和所述光孔之后在感测区域中接收所述光束，所述光检测器被配置用于提供表示所述频带的光在穿过所述微流体通道之后剩余的量的信号；以及
控制器，所述控制器可操作地耦接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来确定所述第二流体是否为液滴形式。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于基于所述信号来确定每单位体积的第一流体中液滴形式的第二液体的量，其中，所述量可选地不包括溶解在第一流体中的第二流体。
3.根据权利要求1或2所述的系统，进一步包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来检测分散在所述第一流体的所述流中的所述第二流体的一个或多个液滴的液滴速率或液滴大小。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于基于以下中的至少一个来确定所述液滴速率或所述液滴大小：包含在所述信号内的脉冲的幅度、包含在所述信号内的脉冲的宽度、用于检测所述感测区域中的最小大小液滴的第一阈值信号电平、用于检测填充所述感测区域的液滴的第二阈值信号电平、以及阈值信号电平交叉率。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于执行以下中的至少一个：
基于所述液滴速率和所述液滴大小来确定每单位体积的第一流体中液滴形式的第二液体的量；
响应于所述信号不交叉所述第二阈值信号电平而基于包含在所述信号内的脉冲的所述幅度来确定所述液滴大小；
响应于所述信号交叉所述第二阈值信号电平而基于包含在所述信号内的脉冲的所述宽度来确定所述液滴大小；以及
基于所述液滴速率来确定所述液滴大小。
6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述微流体通道是以下中的至少一个：
与燃料管线的主流平行流体连通；
至少部分浸没在所述燃料管线的所述主流中，其中，所述微流体通道的入口位于所述燃料管线的所述主流中或者所述微流体通道的所述入口和出口位于所述燃料管线的所述主流中；以及
限定在选自以下各项的两个或更多个光学部件之间：所述光源、所述光检测器、所述光孔、光通道、透镜和单独的微流体通道基材。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述微流体通道包括会聚-发散喷嘴。
8.根据权利要求7所述的系统，其中：
所述微流体通道的所述会聚-发散喷嘴包括沿着流动方向的收缩入口部分和膨胀出口部分；并且
可选地，其中，所述收缩入口部分的长度比所述膨胀出口部分的长度短。
9.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于检测预定大小的所述第二液体的液滴，所述液滴具有与具有在10微米到1000微米范围内的球形直径的所述第二液体的液滴相等的体积。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一流体包括烃流体并且所述第二流体包括水。
11.根据任一前述权利要求所述的系统，进一步包括以下中的至少一个：
燃料管线，所述燃料管线被配置用于将燃料输送到燃料喷射器；
燃料过滤器，所述燃料过滤器被配置用于从沿着所述燃料管线定位的汽油或柴油燃料中过滤水；以及
燃料泵，所述燃料泵与所述燃料管线流体连通，其中，所述燃料泵被配置用于沿着所述燃料管线向所述燃料喷射器提供燃料流。
12.根据任一前述权利要求所述的系统，进一步包括位于所述光源与所述光检测器之间的另一个微流体通道。
13.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述微流体通道限定小于1mm2的截面面积并且所述光孔具有小于1mm的宽度以限定所述感测区域。
14.一种系统，包括：
燃料与水分离器，所述燃料与水分离器包括限定水收集体积的壳体，所述水收集体积流体连接到发动机燃料管线并且流体连接到排水出口；
光源，所述光源被配置用于沿着通过所述水收集体积的路径引导某一频带的光束，其中，所述频带被选择为被水吸收；
光检测器，所述光检测器被定位成用于在所述光束穿过所述水收集体积的至少一部分之后在感测区域中接收所述光束，所述光检测器被配置用于提供表示所述频带的光的量的信号；以及
控制器，所述控制器可操作地耦接到所述光检测器并且被配置用于基于所述信号来确定是否检测到水。
15.根据权利要求14所述的系统，其中：
所述光源和所述光检测器被定位成用于限定所述水收集体积中的阈值水位并且所述控制器被配置用于响应于所述信号而确定所述水收集体积中的水已经达到所述阈值水位；或者
所述光源和所述光检测器被定位成用于测量所述水收集体积中的水位并且所述控制器被配置用于响应于所述信号而确定所述水位。
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