CN113866263A - 一种基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其包括：获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V；获取待测尿素溶液当前的温度值T；根据传播速度V和温度值T依据本申请的公式计算待测尿素溶液的浓度C。其中本申请的公式是经过多次测试和实验所得，经过验证采用本申请方法测量得到的尿素溶液的浓度的精度高，且不受温度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法。
背景技术
近年来我国对汽车尾气带来空气污染问题逐渐重视，机动车尾气污染排放的标准一再提升，一氧化碳、非甲烷烃以及氮氧化物的排放要求变得更加严格。柴油发动机通过超高压缩比压缩空气产生高温，在这种高温高压的状态下柴油燃烧会产生过量的氮氧化物。氮氧化物NO具有毒性，NO2 溶于空气中的水分子中形成硝酸降落在地面是产生酸雨和光化学污染的重要原因。中大型柴油车的尾气处理通常采用优化燃烧+SCR方法。SCR(Selective Catalytic Reduction)即选择性催化还原法，使用适当浓度(32.5％)的尿素溶液产生NH3作为催化剂，在290-400℃下有选择的将NO 和NO2还原成无害的N2和水，能够将发动机尾气中的氮氧化物减少90％以上。SCR系统在尾气处理中需要尿素喷射、水解、还原NO和氧化NH3产生氮气和水等复杂的物理化学反应，这需要通过传感器来精确测定尿素溶液的浓度(约32.5％)，以确保反应充分发生并尽可能少的产生NH3防止二次污染。这个浓度下的尿素溶液结晶点温度最低(-11℃)，确保SCR系统可以在较低的温度和更广的地域范围内使用。
传统测量尿素含量的化学方法是采用酶催化剂催化分解尿素产生氨气和二氧化碳，随后气敏电极测定这昂中气体的含量来推算尿素的含量。然而这种方法测量精度高，但是化学传感器使用寿命短，也无法测量溶液中的尿素浓度。日本sun-awks公司采用测量尿素箱中溶液的传热系数来测定尿素浓度。尿素溶液具有取决于尿素浓度的特殊传热速率。该传感器设计成能够检测出溶液热系数的极小差异，采用半导体工艺制成的铂金温度传感器单元的均匀结构来保证长期的耐用性。然而这种传感器的缺点在于无法确定尿素传感器的液位高度，其测量精度受温度影响大，较低温度时为防止尿素结晶需要对溶液加热，这影响了尿素溶液传热系数和浓度的测量。
现有的采用超声波来测量尿素溶液浓度的方法受温度和环境的影响，导致测量精度不高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是现有技术中采用侧声波测量尿素溶液浓度的精度不高。
一种基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，包括：
获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V；
获取所述待测尿素溶液当前的温度值T；
根据所述传播速度V和温度值T依据下式计算待测尿素溶液的浓度C；
C＝(A1*V+A2)*T+B1*V+B2
其中，A1＝0.0042，A2＝-5.236，B1＝0.1653，B2＝-233.75。
在一种实施例中，所述获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V包括：
获取超声波在待测尿素溶液中的多组传播时间；
对所述多组传播时间进行归一化处理得到目标传播时间；
根据传播距离和所述目标传播时间计算出传播速度。
在一种实施例中，所述对所述多组传播时间进行归一化处理得到目标传播时间包括：
在某一个特定温度下，多次测量超声波在该温度下时在尿素溶液中的传播时间以得到多个测量时间，首先通过下列公式(1)对每个测量时间进行归一化处理：
式(1)中，t′ij表示在某温度下本次测量的时间被归一化后的时间， max(tj)表示在某温度下多个测量时间中的最大值，(tij)表示在某温度下当前次测量时间，min(tij)表示在某温度下多个测量时间中的最小值；
通过下列公式(2)计算出每个归一化后的超声波传输时间t′ij在缓慢升温和缓慢降温情况下测量的时间中的出现频率：
式(2)中yij表示归一化后的时间在升温和降温下测量的时间中所占的频率；
根据下列公式(3)计算出各个测量时间数据的信息熵Eij：
进一步通过下列公式(4)计算出每个测量时间的权重Wj；
公式(4)中，Wj表示第j个测量时间的权重，Ej表示第j个测量时间的信息熵，n表示测量时间的总个数；
最终通过下列公式(5)进行加权求和，得到超声波传输的目标传播时间X；
公式(5)中，
表示第j个测量时间在总测量时间中所占的比例。
在一种实施例中，所述超声波测量装置包括支撑底座、第一超声波传感器、第二超声波传感器、至少一个反射板；
所述第一超声波传感器和第二超声波传感器设置在所述支撑底座上，所述第一超声波传感器用于发出超声波信号，所述第二超声波传感器用于接收所述第一超声波传感器发出的超声波信号；所述反射板设置在所述超声波信号传输的路径上，用于对所述超声波信号进行反射以改变其传输方向，使得所述第二超声波传感器接收到所述超声波信号。
在一种实施例中，支撑底座设置有用于超声波信号传输的传输通道，所述反射板设置在所述传输通道上，用于对所述超声波信号进行反射以改变其传输方向。
在一种实施例中，所述传输通道包括六段条形槽，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器分别设置在位于传输通道两端的条形槽内。
在一种实施例中，所述超声测量装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述支撑底座上，用于测量当前尿素溶液的温度值。
在一种实施例中，所述超声测量装置还包括选频滤波电路，该选频滤波与所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的输出端连接，用于对所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的采集信号进行滤波处理。
在一种实施例中，所述超声测量装置还包括放大电路，所述放大电路的输入端与所述选频滤波电路的输出端连接，用于对所述采集信号进行放大处理，使得采集信号被放大至饱和状态。
在一种实施例中，所述超声测量装置还包括比较电路，所述比较电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，用于将放大后的采集信号与预设阈值对比从而将采集信号转换成方波信号。
依据本申请的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其包括：获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V；获取待测尿素溶液当前的温度值T；根据传播速度V和温度值T依据本申请的公式计算待测尿素溶液的浓度C。其中本申请的公式是经过多次测试和实验所得，经过验证采用本申请方法测量得到的尿素溶液的浓度的精度高，且不受温度的影响。
附图说明
图1为本申请实施例的测量原理示意图；
图2为本申请实施例的测量装置结构示意图；
图3为本申请实施例的滤波电路和放大电路结构示意图；
图4为本申请实施例的整流电路结构示意图；
图5为本申请实施例的尿素溶液浓度测量方法流程图；
图6为本申请实施例的传播速度获取方法流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
实施例一：
请参考图1和图2，本实施例提供一种尿素溶液浓度测量装置,其包括：支撑底座3、第一超声波传感器1、第二超声波传感器2、至少一个反射板 4。第一超声波传感器1和第二超声波传感器2设置在支撑底座3上，第一超声波传感器1用于发出超声波信号，第二超声波传感器2用于接收第一超声波传感器1发出的超声波信号；反射板4设置在超声波信号传输的路径上，用于对超声波信号进行反射以改变其传输方向，以增加超声波信号传输的距离，同时通过反射后改变使得第二超声波传感器接收到超声波信号。本发明采用两个超声波收发器分别负责发射和接收超声波，能够更好地滤除环境干扰(如溶液中气泡对测量的不利影响)，降低压电陶瓷自身振动对测量的影响，提高测量的信噪比，提高传感器检测超声波传输时间，增大了渡越时间测量的分辨率，增加了尿素溶液浓度的测量精度。
在一种实施例中，在支撑底座3还设置有用于超声波信号传输的传输通道6，反射板设置在传输通道6的两侧，换言之，两侧的多个反射板4 围成条状的反射通道，在两个相邻的反射板的连接处形成反射点以反射超声波信号，通过反射板改变超声波传输方向后，使得超声波信号沿着超声波传输通道前进。传输通道6可以防止外界干扰或者气泡影响测量结果，使得测量结果更加精确。
具体的，如图2，本实施例的传输通道6包括六段条形槽，第一超声波传感器1和第二超声波传感器2分别设置在位于传输通道两端的条形槽内。
在一种实施例中，条形槽包括内板和外板，其中外板为反射板，内板由于不起到反射的作用，可以采用反射板，也可以不采用反射板。
在一种实施例中，测量装置还包括温度传感器5，例如温度传感器5 设置在所述支撑底座上，温度传感器5用于测量当前尿素溶液的温度值。
在一种实施例中，测量装置还包括选频滤波电路，该选频滤波与第一超声波传感器和第二超声波传感器的输出端连接，用于对第一超声波传感器和第二超声波传感器的采集信号进行滤波处理。具体的，本实施例可以采用带通或高通滤波器去掉低频和高频的干扰信号。
在一种实施例中，测量装置还包括放大电路，放大电路的输入端与选频滤波电路的输出端连接，用于对采集信号进行放大处理，使得采集信号被放大至饱和状态，以提高采样的精度和稳定性。具体的，本实施例的滤波电路和放大电路如图3所示。
在一种实施例中，测量装置还包括比较电路(也可以理解为整流电路)，比较电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，用于将放大后的采集信号与预设阈值对比从而将采集信号转换成方波信号。具体的，本实施例的整流电路如图4所示。
在一种实施例中，测量装置还包括处理芯片，处理芯片与比较电路的输出端连接，处理芯片用于方波信号进行处理。
实施例二：
本实施例提供一种基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，请参考图5，本实施例的方法包括：
步骤201：获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V。
步骤202：获取待测尿素溶液当前的温度值T。
步骤203：根据传播速度V和温度值T依据预设方法计算待测尿素溶液的浓度C。具体的，本实施例中通过以下公式计算待测尿素溶液的浓度C。
C＝(A1*V+A2)*T+B1*V+B2
其中，A1＝0.0042，A2＝-5.236,B1＝0.1653，B2＝-233.75。本实施例先在恒温箱中确保温度恒定，测量得到浓度与速度的关系，在通过改变温度来调整系数，得到各浓度C下速度V和温度T的拟合函数V(T)之后，将不同浓度下速度温度的函数C-V-T拟合，得到上述的多变量线性曲面方程。再经过多次测量和验证得到各个系数的值。
其中，如图6，本实施例中获取传播速度V的方法具体包括：
步骤2021：获取超声波在待测尿素溶液中的多组传播时间。
步骤2022：对多组传播时间进行归一化处理得到目标传播时间。
步骤2023：根据传播距离和目标传播时间计算出传播速度。
本实施例为了提高获取的时间的精度，还采用熵权法对第一超声波传感器和第二超声波传感器的信号数据进行预处理，首先将测量的超声波传输时间数据归一化，并根据数据的不同信息熵决定不同的权重参数相乘并求和。信息熵越小权重越大，意味着这一组的超声波传播时间数据不确定性更小，具有更好地参考价值，在计算平均时需要给以更高的权重。在温度近似不变的缓慢升温和降温过程中，测量两组超声波传输时间数据并归一化。
具体的，本实施例中通过以下方法对时间进行标准化处理，具体包括：
在某一个特定温度下，多次测量超声波在该温度下时在尿素溶液中的传播时间以得到多个测量时间，首先通过下列公式(1)对每个测量时间进行归一化处理：
式(1)中，t′ij表示在某温度下本次测量的时间被归一化后的时间， max(tj)表示在某温度下多个测量时间中的最大值，(tij)表示在某温度下当前次测量时间，min(tij)表示在某温度下多个测量时间中的最小值。
由于即使在某一个温度点，在缓慢升温的过程中测量的传播时间和在缓慢降温的过程中测量的时间也是有差异的，这样也会影响传播时间的测量精度，为了消除该误差，随后通过下列公式(2)计算出每个归一化后的超声波传输时间t′ij在缓慢升温和缓慢降温情况下测量的时间中的出现频率：
式(2)中yij表示归一化后的时间在升温和降温下测量的时间中所占的频率，由于本申请只考虑缓慢升温和缓慢降温两种情况，因此m取值为 1和2。
根据下列公式(3)计算出各个测量时间数据的信息熵Eij：
进一步通过下列公式(4)计算出每个测量时间的权重Wj；
公式(4)中，Wj表示第j个测量时间的权重；
Ej表示第j个测量时间的信息熵，n表示测量时间的总个数；
最终通过下列公式(5)进行加权求和，得到超声波传输的目标传播时间X，该目标传播时间X用于进行计算出传播速度，超声波传播的距离预先可以测得，进而采用传播速度V进行尿素浓度计算。
公式(5)中，
表示第j个测量时间在总测量时间中所占的比例。
本申请的尿素溶液浓度测量方法，在硬件上通过对采集信号进行滤波和放大处理，使得采集的信号更加精确；在数据处理时采用本申请的归一化处理，剔除温度对测量精度的影响，经过多次测试验证，通过本实施例方法计算出来的尿素溶液浓度不受温度影响，且测量精度高。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，包括:
获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V；
获取所述待测尿素溶液当前的温度值T；
根据所述传播速度V和温度值T依据下式计算待测尿素溶液的浓度C；
C＝(A1*V+A2)*T+B1*V+B2
其中，A1＝0.0042，A2＝-5.236,B1＝0.1653，B2＝-233.75。
2.如权利要求1所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述获取超声波在待测尿素溶液中的传播速度V包括：
获取超声波在待测尿素溶液中的多组传播时间；
对所述多组传播时间进行归一化处理得到目标传播时间；
根据传播距离和所述目标传播时间计算出传播速度。
3.如权利要求2所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述对所述多组传播时间进行归一化处理得到目标传播时间包括：
在某一个特定温度下，多次测量超声波在该温度下时在尿素溶液中的传播时间以得到多个测量时间，首先通过下列公式(1)对每个测量时间进行归一化处理：
式(1)中，t′ij表示在某温度下本次测量的时间被归一化后的时间，max(tj)表示在某温度下多个测量时间中的最大值,(tij)表示在某温度下当前次测量时间，min(tij)表示在某温度下多个测量时间中的最小值；
通过下列公式(2)计算出每个归一化后的超声波传输时间t′ij在缓慢升温和缓慢降温情况下测量的时间中的出现频率：
式(2)中yij表示归一化后的时间在升温和降温下测量的时间中所占的频率；
根据下列公式(3)计算出各个测量时间数据的信息熵Eij：
进一步通过下列公式(4)计算出每个测量时间的权重Wj；
公式(4)中，Wj表示第j个测量时间的权重，Ej表示第j个测量时间的信息熵，n表示测量时间的总个数；
最终通过下列公式(5)进行加权求和，得到超声波传输的目标传播时间X；
公式(5)中，
表示第j个测量时间在总测量时间中所占的比例。
4.如权利要求3所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述超声波测量装置包括支撑底座、第一超声波传感器、第二超声波传感器、至少一个反射板；
所述第一超声波传感器和第二超声波传感器设置在所述支撑底座上，所述第一超声波传感器用于发出超声波信号，所述第二超声波传感器用于接收所述第一超声波传感器发出的超声波信号；所述反射板设置在所述超声波信号传输的路径上，用于对所述超声波信号进行反射以改变其传输方向，使得所述第二超声波传感器接收到所述超声波信号。
5.如权利要求4所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述支撑底座设置有用于超声波信号传输的传输通道，所述反射板设置在所述传输通道上，用于对所述超声波信号进行反射以改变其传输方向。
6.如权利要求5所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述传输通道包括六段条形槽，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器分别设置在位于传输通道两端的条形槽内。
7.如权利要求6所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述超声测量装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述支撑底座上，用于测量当前尿素溶液的温度值。
8.如权利要求7所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述超声测量装置还包括选频滤波电路，该选频滤波与所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的输出端连接，用于对所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的采集信号进行滤波处理。
9.如权利要求8所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述超声测量装置还包括放大电路，所述放大电路的输入端与所述选频滤波电路的输出端连接，用于对所述采集信号进行放大处理，使得采集信号被放大至饱和状态。
10.如权利要求9所述的基于超声测量装置的尿素溶液浓度测量方法，其特征在于，所述超声测量装置还包括比较电路，所述比较电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，用于将放大后的采集信号与预设阈值对比从而将采集信号转换成方波信号。
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