CN1836158A - 用于确定液体中的成分的浓度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种确定容器(24)内的液体(22)内的感兴趣成分的浓度的方法包括确定该液体的介电常数、确定液体的传导率以及基于所确定的介电常数和所确定的传导率之间的直接关系确定感兴趣成分的浓度。一种用于进行这种浓度确定的示例传感器包括电容器部分(26)和控制电子设备(30)，该控制电子设备(30)在第一模式中操作电容器，用于进行介电常数确定，并在第二模式中操作电容器，用于进行传导率确定。示例数据集(32)包括针对具体浓度值描述介电常数、传导率和温度之间的关系的至少一个三维多项式。所公开的例子很好地适用于进行尿素浓度水平确定。

Description

用于确定液体中的成分的浓度的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请要求于2003年6月16日提交的美国临时专利申请No.60/478,755的优先权。

1、发明领域

本发明通常涉及确定液体的性质。更具体地，本发明涉及确定液体中的成分的浓度，其中所述成分具有不恒定的电介质特性。

2、相关领域的描述

存在其中确定液体混合物中的一种或多种成分的浓度水平是有用或必需的多种情况。一个例子是在汽车燃油系统中。例如，出于调整燃油注射系统中的燃料供给参数的目的，确定燃料混合物内的酒精含量是有用的。用于进行这种确定的公知技术在美国专利No.5,367,264中示出。该文献公开了一种基于被暴露于燃料混合物的基于电容器的测量电路的电容和电导来确定燃料混合物的酒精含量的方法。已知多种这类装置。

这类装置的一个局限在于这类装置仅对于具有有限传导率的液体是有用的。具有相对较高的传导率的液体给出了致使大多数基于电容器的浓度测量装置不可靠或无效的特殊挑战。需要用于确定较高传导率液体的含量的可靠技术。

其中这种技术是所期望的一个示例情况是确定被供给催化变换器的液体中的尿素浓度水平，该催化变换器使用公知的选择性的催化反应(SCR)来控制车辆发动机排放。这种装置利用尿素和去离子水的混合物，用于产生氢氧化氨，该氢氧化氨被用于控制废气排放中的氧化氮。典型的装置包括必须由车辆所有者或操作员周期地填充的供应罐。在一个例子中，重型车辆(也就是大卡车)的操作员必须像将燃料存放到燃油罐中那样将尿素存放到供应罐中。

存在车辆操作员疏忽或故意地不将适当数量的尿素放到适当的供应罐中的可能性。如果在混合物内存在不足量的尿素，例如催化变换器将不能够如所期望得那样运行。因此，期望能够提供尿素浓度水平的指示，从而可以警告车辆操作员需要进行调节或校正。也期望能够自动化进入催化变化器中的混合物的供给率，以补偿变化的尿素浓度水平。

还不存在能够提供对于这样的情况有用的可靠的尿素浓度确定的在市场上可得到的装置。尿素具有趋于妨碍进行可靠测量的可能性的性质。例如，显现出尿素并不具有固定的介电常数。尿素的电介质特性随温度变化，并且依赖于尿素内的化学反应，该化学反应包括改变氢氧化氨的量。氢氧化氨的量也随温度和时间变化。当尿素变热、变老或既变热又变老时，氢氧化氨的量增大，这影响传导率，并进一步使得确定尿素的电介质特性的值复杂化。

存在用于确定液体内的成分的浓度水平的技术和装置的需要，该液体内的成分利用依赖介电常数用于确定液体混合物的含量的公知的传感器是不可辨别的。本发明就致力于这种需要。

发明概述

一种示范性公开的确定液体内的成分的浓度的方法包括确定液体的介电常数和液体的传导率。确定所确定的介电常数和所确定的传导率之间的关系提供所述浓度的指示。

该示例方法可供确定具有不恒定的电介质特性的成分的浓度所用。所公开的方法可供确定具有随传导率变化的电介质特性的成分的浓度所用。确定所确定的介电常数和所确定的传导率之间的直接关系提供关于电介质特性的信息，该信息提供成分的浓度的指示。

尿素是具有随传导率和温度变化的电介质特性的感兴趣的一种示例成分。一种示例方法包括确定液体的所确定的介电常数、传导率和温度之间的关系。

在一个例子中，确定针对多个已知浓度的数据集，该数据集针对每个浓度限定至少介电常数和传导率之间的关系。确定所确定的介电常数和所确定的传导率如何对应于该数据集提供了浓度的指示。在一个例子中，数据集包括针对一浓度对应于介电常数、传导率和温度之间的关系的三维多项式。

一种用于确定液体中的成分的浓度的示例装置包括适于被暴露于液体的电容器，从而所述液体形成电容器的阴极和阳极之间的电介质。基于在第一模式中工作的电容器，控制器确定所述液体的介电常数。该控制器也基于在第二模式中工作的电容器确定传导率。所述控制器然后利用所确定的介电常数和所确定的传导率来确定该成分的浓度。在一个例子中，成分的电介质特性也随温度变化，并且所述控制器要么在已知的温度处进行确定，要么当确定介电常数和传导率时确定所选范围内的温度。

根据下面对目前优选的实施例的详细说明，本发明的各种特征和优点将对本领域的熟练技术人员变得显而易见。如下简要地描述伴随详细说明的附图。

附图简述

图1示意性描述了依据本发明的示例实施例所设计的传感器装置。

图2图示描述了用于图1的实施例的示例数据集。

图3稍微更详细地示意性描述了图1的实施例的所选择的控制电子设备。

图4示意性描述了用于图1的实施例的示例控制电子设备的进一步的细节。

图5图示描述了用于图1的实施例的输出信号技术。

图6图示描述了用于图1的实施例的可替代的输出发信号技术。

优选实施例详述

图1示意性示出了用于确定容器24中的液体22内的感兴趣成分的浓度的传感器装置20。该示例传感器装置20包括适于被暴露于液体22的电容器部分26。温度传感器部分28提供关于液体22的温度的信息。控制电子设备30引起电容器部分26和温度传感器部分28的选择性操作，以进行关于感兴趣成分的浓度的确定。

使用传感器装置20的一个例子是用于确定具有不恒定的电介质特性的液体成分的浓度。多种物质或材料具有介电常数。然而其它的物质或材料具有不恒定的电介质特性或性质。一个例子是尿素。尿素的电介质特性如上面提及地变化。因此，在其中感兴趣的物质具有可变的电介质特性的情况中，不可能使用依赖具有介电常数的感兴趣的物质的公知的传感器或技术。

一种示例装置具有电容器部分26，该电容器部分26具有阴极和阳极之间的有效表面比，该有效表面比足以补偿高传导率，一方面也留出进行介电测量的足够的分辨率。如果给出了该说明，则本领域的熟练技术人员将能够选择适当的比率，以满足它们的具体情况的需要。

利用图1的例子，电容器部分26选择性地工作在第一模式中，以提供液体22的介电常数的测量结果。电容器部分26也工作在第二模式中，以提供液体22的传导率的测量结果。控制电子设备30确定介电常数和传导率之间的关系，以进行关于感兴趣成分的浓度的确定。

在其中液体22的温度会变化的情况中，温度传感器部分28提供温度的指示，从而即使当感兴趣的物质具有随温度变化的电介质特性时也可以进行浓度确定。在一个例子中，假定液体22的温度为特定值或在给定的温度范围内，并且控制电子设备30利用介电常数和传导率确定来确定浓度水平。在另一实例中，控制电子设备30与所确定的介电常数和传导率一起利用来自温度传感器部分28的指示，用于进行浓度确定。

该例子中的控制电子设备30包括存储器部分，该存储器部分具有表示对应于多个浓度值的介电常数和传导率之间的关系的数据集。图2图示说明了一个示例数据集32。在该例子中，针对具体的浓度水平，三维多项式对应于传导率、介电常数和温度之间的关系。所描述的例子示出了34和36处的尿素浓度的示例数据多项式。在该例子中，曲线34表示30％的尿素浓度水平，而曲线36表示20％的尿素浓度水平。

在一个例子中，在不同的温度和不同的传导率水平处采样已知的浓度水平，以获得针对具体浓度指示介电常数和传导率之间的关系的数据。通过预先确定这些关系，并以适当的数据集格式存储这些关系，控制电子设备30可以利用所测量的或所确定的介电常数和传导率，以接着进行关于感兴趣成分的浓度的确定。

在一个例子中，假定液体的温度保持恒定或在所选的范围内，并且数据集包括限定介电常数和传导率之间的关系的两维多项式。可以定制针对各种浓度水平限定介电常数和传导率之间的关系的数据集的具体格式，以适合具体情况的需要。得益于所述说明的本领域的熟练技术人员将能够配置数据集，以满足它们的具体需要。

返回到图1，该例子中的控制电子设备30包括诸如微处理器的控制器40，所述控制器40包括具有数据集32的存储器。在一个例子中，控制器40包括在市场上可得到的、名称为MC681HC908AZ60A的Motorola芯片。

控制器40控制开关42，用于选择性地操作电容器部分26和温度传感器部分28。该示例实施例的一个优点是，可以利用电容器部分26和控制电子设备30之间的单个连接(也就是开关42)，同时仍以第一模式操作电容器部分26，以进行介电常数确定，并以第二模式操作电容器部分26，以进行传导率确定。

一旦控制器40进行了浓度确定，来自输入/输出端口56的输出信号提供浓度水平信息，该浓度水平信息将依据具体情况的需要被使用。

电源部分58包括电压调节器，例如用于给控制器40和控制电子设备30的其它部分供电，用于例如适当地操作电容器部分26和温度传感器部分28。图3示出一个具体实施例中的控制电子设备30的部分。

在这个例子中，电容器部分26具有均至少部分浸没于液体22中的阴极44和阳极48。阴极44和阳极48之间的液体有效地完成它们之间的电路，并可供进行液体22的介电常数和传导率测量所用。

在所描述的实例中，提供多个振荡器50，用于进行用于确定感兴趣的浓度水平的测量。电容器26工作在第一模式中以进行介电常数确定。通过模拟开关42选择性地开关第一振荡器60，以为进行介电常数确定而以第一频率激励电容器部分26。

通过要与电容器部分26耦合的开关42开关第二振荡器62，以为进行传导率确定而以第二、较低频率操作该电容器。第三振荡器64选择性地被用于操作温度传感器部分28。在一个例子中，温度传感器部分28包括热敏电阻或已知的NTC装置。在输出信号被提供给控制器40之前，通过多路复用器52和计数器54处理作为将振荡器耦合到电容器部分26或温度传感器28的结果的输出信号。

在这个例子中，参考振荡器66提供具有零传导率的参考点的测量结果。另一参考振荡器68提供用于补偿振荡器部件上的温度漂移和老化影响的参考信号。由于参考振荡器68被暴露于与其它振荡器相同的温度并经历与其它振荡器相同的老化，所以来自参考振荡器68的输出能够补偿与温度和部件的老化相关的振荡器性能方面的变化。

所述的例子中包括第三参考振荡器70。参考振荡器70为温度测量提供参考值。在该例子中，参考振荡器70提供25C处的测量值，用于校准振荡器64。

控制器40利用由各种振荡器50的操作所提供的值，以基于所确定的介电常数和所确定的传导率之间的关系而自动进行浓度水平确定。在一个例子中，控制器40利用关于介电常数和传导率的原始测量数据，使原始测量数据与基于操作参考振荡器的信息相互关联，并且补偿振荡器上的老化漂移和温度影响。

图4示意性示出振荡器50的一个示例实施例。在该例子中，为后备用途或为可能期望的附加参考而包括一些冗余的振荡器72和74。

所描述的实施例包括与第一振荡器60相关联的上拉电阻76和上拉电容器78，用于进行介电常数确定。在该例子中，上拉电阻76和电容器78提供对于电容和电阻之间的比率所需要的范围，以即使当液体22的传导率相对低时也获得测量值。一个示例实施例包括利用LVC工艺以及电阻器76和电容器78的上拉值提供允许利用LVC工艺的快速时间常量。测量期间、特别是介电常数的测量期间所使用的相对高的频率使LVC工艺成为对所描述的实施例的有用方法。

图4中示出的实施例的另一特征是与用于传导率测量的第二振荡器62相关联的低通滤波器80。低通滤波器80有效地滤出电容器操作的任何高频分量，以提供传导率测量。

可以选择各个振荡器以其工作的频率，以满足具体情况的需要。在一个例子中，用于确定介电常数的第一振荡器60以10MHz工作，用于确定传导率的第二振荡器62以20KHz工作，并且用于确定温度的第三振荡器64在500Hz至1MHz的范围内工作。在一个例子中，参考振荡器66以10MHz工作，并且温度参考振荡器70以20KHz工作。得益于该说明的本领域的熟练技术人员将能够为图4中示意性示出的各种部件选择适当的振荡器频率和值，以满足它们的具体情况的需要。

再次参照图1，示例传感器装置20包括提供关于容器24内的液体22的水位的水位测量的能力。在该例子中，水位探测部分90包括被暴露于液体以用于进行水位测量的至少一个电极。控制电子设备30包括操作水位探测部分90以进行水位确定的水位传感驱动器部分92。在一个例子中，水位探测部分90的电阻值提供容器24内的液体22的水位的指示。一个例子依据在已公开的申请No.WO 0227280中所描述的原理来工作。通过参考将该文献的教导结合到本说明书中。在一个例子中，水位探测部分90包括两个电极。在另一个例子中，提供一个电极，而该电容器部分26的阴极44作为另一个电极工作。

再次参照图3，这个例子中的传感器装置20的输出端口56具有两个可能的输出。第一输出使用已知的CAN通信技术，并且因此，CAN装置94被包括作为控制电子设备30的部分。另一示例输出是从脉宽调制部分96中可得到的脉宽调制输出，该脉宽调制部分96以一般已知的方式工作，以提供长度为对应于来自控制器40的信号输出的电压幅度的信号脉冲。

图5示出了利用脉宽调制部分96的一种示例输出技术。在这个例子中，脉冲串100提供关于多种利用传感器装置20所进行的确定的信息。在这个例子中，脉冲串100包括在来自脉冲串100的测量信息之前的空闲时间102。第一脉冲104以如下方式将信息提供给外部装置，用于同步所述装置，该方式即跟随同步脉冲104的实质信息将被适当地接收和解释。脉冲106提供关于温度确定的信息。随后的脉冲108提供关于浓度水平确定的信息。在这之后，脉冲110提供容器24内的液体22的所确定水位的指示。释放脉冲112发信号通知脉冲串的结束，并在另一空闲时间102之前。

在一个例子中，在所选择的参数内控制脉冲106、108和110的尺寸或持续时间，以便以可预测的方式提供信息。一个示例技术包括提供关于污染物检测的信息，其至少部分基于在所选范围之外的、与预期测量值的偏离。

在一个例子中，脉冲串包括如图5中所描述的四个脉冲周期。在一个例子中，每个脉冲的正部分和负部分是相等的，从而正脉冲、负脉冲或整个脉冲周期可以被用于解释所测量的参数值。在持续时间中，每个正脉冲(以及其中它们是相等的例子中的每个负脉冲)的长度一般为至少0.5毫秒。

在一个例子中，同步脉冲具有十毫秒的长度。温度脉冲在1000和15500毫秒之间。1000毫秒温度脉冲对应于-40℃的温度读数。如果使用每摄氏度100毫秒的比例尺，则15500毫秒的脉冲持续时间对应于105℃的温度读数。

在一个例子中，其中温度读数中存在误差，温度脉冲持续时间是500毫秒。

一个例子中的浓度脉冲具有从2000毫秒至10000毫秒的范围内的持续时间。如果使用每百分比单位200毫秒的比例尺，则2000毫秒的脉冲持续时间对应于0％的浓度确定。10000毫秒的脉冲持续时间对应于40％的浓度确定。

在一个例子中，传感器装置提供关于液体的污染的指示。一个示例实施例包括，当例如所测量的液体不匹配预先编程的针对尿素特性的数据集时，提出指示污染的脉冲。离子水内的尿素浓度的预期范围提供介电常数和传导率之间的预期关系。在这个例子中，当所确定的介电常数和传导率并不具有对应于被存储在数据集中的预期关系之一的值时，该所确定的介电常数和传导率被用作污染的指示。

如果缺少所确定的关系和所预期的关系之间的对应，则传导率测量被用于提供污染的指示。在该例子中，认为传导率测量为污染物传导率的测量。

在一个例子中，当所确定的污染物传导率小于100μS/cm时，所述输出包括取代浓度脉冲的、12000毫秒的固定脉冲持续时间。如果确定污染物传导率在100μS/cm至大约12000μS/cm的范围内，则所述指示污染的输出脉冲持续14000毫秒。在污染物传导率大于12000μS/cm的情况下，所述脉冲具有16000毫秒的固定持续时间。

在存在关于浓度或污染检测的传感器误差的情况下，脉冲长度是500毫秒。

一个例子中的水位脉冲具有从1000毫秒至11000毫秒的范围中的持续时间。使用每百分比100毫秒的比例尺可供1000毫秒脉冲用来指示0％的全水位，并且11000毫秒用来指示100％的全水位。在水位确定显现有误差的情况下，控制器40提供500毫秒的水位脉冲持续时间。

图6示出了另一示例输出技术，其中模拟信号120提供关于由控制器40所进行的关于液体22的各种确定的信息。在该例子中，通过在零伏特和五伏特之间的切换和利用低通滤波器使得所述切换平滑，脉宽调制部分96产生模拟输出。在该例子中，在1000毫秒处设置具有调制周期的脉冲，其允许0.1％的分辨率。

在图6的例子中，信号120的同步部分122具有4.7伏特的幅度。同步部分122校准模拟电平，并减小与参考电压容差相联系的任何误差。在124处示出的信号120的下一部分具有提供温度指示的电压电平。下一部分126具有提供关于所确定的浓度水平的指示的电压电平。在这之后，信号部分128具有指示容器24内的液体22的所确定的水位的电压。下一同步脉冲130再次开始所述序列。

所公开的例子提供了即使当感兴趣的成分的物质不具有介电常数时也进行关于该感兴趣成分的浓度确定的能力。对于具有可变电介质特性的诸如尿素的物质，所公开的装置利用包含感兴趣成分的液体的所确定的介电常数和传导率之间的关系，以进行浓度水平确定。

先前的说明是示范性的，而不在实质上限制。对所公开的例子的变型和修改可以成为对本领域的熟练技术人员显而易见的，而不必脱离本发明的本质。仅通过研究下面的权利要求确定所给予本发明的合法保护范围。

Claims (20)

1、一种确定液体中的成分的浓度的方法，其包括以下步骤：

确定所述液体的介电常数；

确定所述液体的传导率；以及

基于所确定的介电常数和所确定的传导率之间的直接关系来确定所述成分的浓度。

2、按照权利要求1所述的方法，其包括确定所述液体的温度和基于所确定的温度、所确定的介电常数和所确定的传导率之间的关系来确定所述浓度。

3、按照权利要求2所述的方法，其包括预先确定多个三维多项式，所述多项式中的每个多项式针对浓度值表示介电常数、传导率和温度之间的关系，并且包括确定哪一个预先确定的多项式对应于所确定的介电常数、所确定的传导率和所确定的温度之间的关系。

4、按照权利要求1所述的方法，其包括预先确定多个关系，所述关系中的每个关系针对相应的、预先确定的浓度值表示介电常数和传导率之间的关系，并且包括确定哪一个预先确定的关系对应于所确定的介电常数和所确定的传导率之间的关系。

5、按照权利要求4所述的方法，其包括预先确定多个多项式，所述多项式中的每个多项式表示所述多个关系。

6、按照权利要求1所述的方法，其包括提供单个电容器，将所述电容器设置成使至少一些液体在所述电容器的阴极和阳极之间，并以第一频率操作电容器以确定所述介电常数，以及以第二频率操作电容器以确定所述传导率。

7、按照权利要求1所述的方法，其中，所述成分具有不恒定的电介质特性，并依赖于与所述成分相关的化学反应。

8、按照权利要求7所述的方法，其中，所述成分电介质特性依赖于所述液体的温度。

9、按照权利要求1所述的方法，其中，所述成分是尿素，并且所述液体包括水。

10、按照权利要求1所述的方法，其包括确定所述液体是否包括至少一种污染物。

11、按照权利要求10所述的方法，其包括确定所述直接关系是否对应于至少一个预期关系，并且包括，当所述直接关系并不对应于至少一个预期关系时，确定所述液体包括至少一种污染物。

12、一种用于确定液体内的成分的浓度的传感器装置，其包括：

电容器，其具有适于被暴露于所述液体的两个电极，以使液体充当所述电极之间的电介质；和

控制器，其基于工作在第一模式下的电容器确定所述液体的介电常数，以及基于工作在第二模式下的电容器确定所述液体的传导率，所述控制器确定所确定的介电常数和所确定的传导率之间的直接关系，以获得所述浓度的指示。

13、按照权利要求12所述的传感器装置，其包括多个振荡器，所述控制器选择性地将所述多个振荡器耦合至所述电容器，用于分别在第一模式和第二模式下操作所述电容器。

14、按照权利要求12所述的传感器装置，其包括用于检测所述液体的温度的温度传感器，并且其中所述控制器使用所述液体的所确定的介电常数、所确定的传导率和所检测的温度，以获得所述浓度的指示。

15、按照权利要求12所述的传感器装置，其包括存储器部分，所述存储器部分包括针对多个已知浓度分别限定至少所述介电常数和所述传导率之间的多个关系的数据集。

16、按照权利要求15所述的传感器装置，其中，所述数据集包括针对至少一个已知浓度限定介电常数、传导率和温度之间的至少一个关系的至少一个三维多项式。

17、按照权利要求15所述的传感器装置，其中，所述数据集针对浓度的所选范围指示预期关系的范围，并且其中，当所确定的介电常数和所确定的传导率之间的关系不在预期关系的范围内时，所述控制器确定所述液体污染或不期望的浓度水平中的至少一个。

18、按照权利要求12所述的传感器装置，其中，所述控制器提供指示所述液体的所述浓度和温度的输出。

19、按照权利要求18所述的传感器装置，其中，所述控制器输出包括数字信号，所述数字信号包括具有表示所述温度的持续时间的第一脉冲和具有表示所述浓度的持续时间的第二脉冲。

20、按照权利要求12所述的传感器装置，其中，通过确定所述直接关系是否对应于至少一个预期关系，所述控制器确定所述液体是否包括污染物。

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