JP2013515256A

JP2013515256A - 品質センサ機器

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Inventors: フリヴィク，ビヨルン
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Abstract

尿素溶液の品質を測定する機器（１００）は、機器の少なくとも一部を尿素溶液中に挿入して動作させる。機器（１００）は、尿素溶液のある体積中における力学的特性および電気的特性を測定するセンサ（１８０、１９０、２００）の構成を含み、力学的特性および電気的特性の測定値は、尿素溶液中に存在する成分によって相互に差が生じるように影響される。機器（１００）のデータ処理機構（２３０）は、力学的特性および電気的特性の測定を処理して、尿素溶液の品質を表示する出力データ（１２０）を生成するように動作可能である。機器（１００）は、他の種類の溶液の品質を測定するために適応させることも可能である。

Description

本発明は、車両、例として、路上走行車両および路上外走行車両、ならびに燃焼エンジンを含む工業用装備および船舶用装備のための、車両および装備の排気処理システムへの尿素溶液（例として、AdBlue（登録商標）、「Adblu（商標）」、DEF（商標））の品質を監視するように動作可能である品質センサ機器に関する。また、本発明は、そのような品質センサ機器を動作させる方法に関する。さらには、本発明は、品質センサ機器を含む車両、工業用設備および船舶用設備に関する。

発明の背景
現代の燃焼エンジンは、一つ以上の燃焼室における高い燃焼温度で発生する燃焼で有益に動作して、より効率的なエンジン運転を達成している。しかし、高い燃焼温度でのエンジン運転には、煤煙および窒素酸化物排気生成物（ＮＯｘ）、例として、亜酸化窒素の生成が関連してくる。煤煙および窒素酸化物排気生成物は、環境中に放出されると危険物質となる。排気汚染物質の濃度を、法令、例として、排気の排出に関係する現代の欧州の法令で定義される制限内に低減するために、車両メーカーは、従来、自社の車両に選択的触媒還元（ＳＣＲ）および／または排気ガス再循環（ＥＧＲ）を用いている。ＳＣＲが亜酸化窒素を吸収するのに効果的であるのに対して、ＥＧＲは、排気ガス中に存在する窒素酸化物のより完全な酸化を確実にする。

ＳＣＲの動作は、車両、船舶用設備および工業用設備上で輸送および／または貯蔵される化学薬品を使用することによって向上する。例として、「AdBlue（登録商標）」および「DEF（商標）」は、３２．５％の尿素水溶液に実質的に対応する化学薬品の商品名である。この溶液は、エンジンの排気ガスを処理する燃焼後プロセス中に現在のディーゼルエンジンの排気ガスに注入され、ガス中に存在する有害な亜酸化窒素（ＮＯｘ）の割合を低減する。AdBlue（登録商標）、DEF（商標）、「Adblu（商標）」は、ＳＣＲと併せてのみ使用される。また、ＳＣＲを具備する車両は、燃料タンクに加えて、AdBlue（登録商標）、DEF（商標）または「Adblu（商標）」用の貯蔵タンクを搭載する。運転時に、AdBlue（登録商標）、DEF（商標）または「Adblu（商標）」は、貯蔵タンクから移送され、圧力をかけて排気ガスに注入され、下記の表１に概説するような一連の化学反応が発生する。

図１において、燃焼エンジン１５の排気システムを１０で概略表示する。システム１０は、エンジン１５から燃焼ガスを受け入れる取込口２０、酸化触媒３０、AdBlue（登録商標）注入領域４０、加水分解触媒５０、ＳＣＲ触媒６０、酸化触媒７０および最後に排出口８０を順に含む。

本質的に、排気システム１０内で発生するプロセスでは、AdBlue（登録商標）の混合物を関与させ、AdBlue（登録商標）の混合物は、ＳＣＲ触媒６０の過熱多孔性セラミックヘッドに渡され、そこでは純水が蒸発し、注入されたAdBlue（登録商標）の残存尿素が亜酸化窒素成分（ＮＯｘ）をほぼ窒素と水に分解するように動作可能な反応物として渡される。AdBlue（登録商標）中に存在する混入物質は、ＳＣＲ触媒６０に集まり、最終的にＳＣＲ触媒６０を詰まらせ、機能不能にさせる。それゆえに、AdBlue（登録商標）が生産、貯蔵および投入のすべての段階を通じて不純物を含まない状態に保たれることが必須である。

AdBlue（登録商標）、DEF（商標）または「Adblu（商標）」中の含有物の検知がきわめて望ましいが；そのような含有物の検知は、品質の測定であって、単に尿素濃度の測定（品質の測定とは異なる）ではないことが理解されよう。農業用グレードの尿素は、農業、例として、土壌品質の向上のために使用することが指定されているのに対して、工業用グレードの尿素、例として、AdBlue（登録商標）やDEF（商標）は、路上車両、例として、トラックやバスでの使用のために適応されている。農業用の尿素は、工業用のAdBlue（登録商標）と比較して混入物質がより多いことから安価であるため、ユーザにとっては法規制に違反して農業用のAdBlue（登録商標）をトラックやバスの路上使用中の排気ガス処理のために用いたいという誘惑があるが；農業用グレードの尿素中の不純物は、潜在的に排気システム内で触媒の作用を阻害する可能性があると共に、例として、重金属を含む大気汚染をもたらす危険性がある。また、農業用尿素または工業用のAdBlue（登録商標）やDEF（商標）は、例として、他の物質、例として、殺虫剤を貯蔵するために以前用いられていた洗浄されていないタンクでの貯蔵状況から、外来物質に汚染される潜在的な危険性もある。

もう一つの危険性は、車両上で利用可能な異なるタンクを作業員が意図せず混同し、偶発的にディーゼル燃料、フロントガラス洗浄液およびそれらの同種がAdBlue（登録商標）やDEF（商標）のタンクに充填されてしまうことにある。もう一つの危険性は、作業員が費用を節約するために、AdBlue（登録商標）やDEF（商標）に代わって、他の物質、例として、食塩溶液を車両のAdBlue（登録商標）やDEF（商標）タンクに入れようとすることにある。多くの農業従事者は、厳しい経済的圧力に直面しており、その結果、実現可能な限り節約を試みる可能性がある。

AdBlue（登録商標）やDEF（商標）への望ましくない異物混入（コンタミネーション）は、他の帰結を有し、例として、その結果、重大な事象、例えば、ＳＣＲの完全な機能不能を生じる可能性がある。欠陥のあるＳＣＲで車両を運転する試みは、犯罪に相当する可能性がある。AdBlue（登録商標）やDEF（商標）は、異物および不適切な物質の選択の両方による異物混入を非常に受けやすい。主要な影響は、接触する物質からイオンを引き出す溶液の純水要素に関するものであり；これによって、AdBlue（登録商標）やDEF（商標）の化学組成が変化し、塩を形成させ、その塩がＳＣＲ触媒６０のセラミックヘッドを詰まらせる。ＳＣＲ触媒６０が早期に機能不能になる原因で最もよくあるのは、通常、損傷したポンプ部品の侵入が偶発的にAdBlue（登録商標）のタンクに移送された結果か、不適切な物質の選択の結果のいずれかである。したがって、AdBlue（登録商標）を扱う際には常に不活性材料を使用すべきである。

したがって、不良な品質のAdBlue（登録商標）は、車両による汚染の増大およびエンジンの排気ガスシステムの損傷も引き起こす可能性がある。車両の運転手が自車両で利用されているAdBlue（登録商標）やDEF（商標）の入手源を確実に把握していることが常に可能とは限らず、結果的に、例として、AdBlue（登録商標）やDEF（商標）中に存在する混入物質による危険な汚染を意図せずに引き起こす可能性がある。しかし、尿素溶液の濃度を計測する装置、例として、米国特許出願公開第２００５／００１１１８３Ａ１号（Ripperら）に記載される装置が公知である。この装置は、酵素を含まない尿素溶液の一つ以上の物理状態変数を監視するセンサユニットを含む。センサユニットは、ｐＨ、尿素溶液の誘電率および／または酵素を含まない尿素溶液の導電性を検知するように設計される。センサユニットの電極は、例として、相互に噛み合った櫛状構造として具現化される。また、センサユニットは、尿素溶液の力学的特性を試験するための振動生成器を含み、振動生成器は、水晶発振器および／または圧電結晶を含む。米国特許出願公開第２００５／００１１１８３Ａ１号（Ripperら）に記載される装置は、本質的に尿素溶液濃度測定装置であり、これは尿素溶液品質測定機器とは非常に異なることが理解されよう。

しかし、そのような尿素溶液濃度を計測する公知の装置は、車両使用のための尿素溶液の様々な品質を区別する、例として、農業用グレードの尿素を輸送用グレードの尿素と区別するには感度および／または精度が十分でない。これは、尿素溶液濃度に知覚可能な変化をほとんど引き起こさない微量金属塩が存在するためである。車両の尿素タンク内では尿素溶液の品質が空間的にばらついているが、公知のセンサは、タンク内の尿素溶液の全体の品質を表示する見込みはなく、所与の空間的局所で測定する；したがって、米国特許出願公開第２００５／００１１１８３Ａ１号（Ripperら）に記載される上述の装置は、尿素品質監視機器を構築するには適さないであろう。

発明の概要
本発明は、尿素タンク内の尿素溶液の様々な品質をより正確に区別するように動作可能な品質センサ機器の提供を図る。

本発明の第一の態様によれば、別添の請求項１に主張される機器が提供され：動作時に機器の少なくとも一部分が挿入される尿素溶液の品質を測定する機器が提供され、この機器は、
尿素溶液のある体積中の力学的特性および電気的特性を測定するセンサの構成であって、尿素溶液の力学的特性および電気的特性の測定値が尿素溶液中に存在する成分によって相互に差が生じるように影響される、センサの構成と、
力学的特性および電気的特性の測定を処理して、尿素溶液の品質を表示する出力データを生成するデータ処理機構と、
を含むことを特徴とする。

本発明は、尿素溶液の品質がより高い精度および信頼性で測定され得る点で有利である。

任意には、この機器において、センサの構成は、力学的特性および電気的特性をそれぞれ測定する音響センサおよび導電率センサを含み、センサは、空間的に間隔をおいて機器内に配備される。

任意には、この機器において、センサは、尿素溶液の温度（Ｔ）を測定し、尿素溶液の品質を演算する際に使用される温度（Ｔ）に対応するデータをデータ処理機構に提供するための温度計を含む。

任意には、この機器において、センサの構成は、尿素溶液の電気導電率を測定するための電気導電率センサを含み、導電率センサは、尿素溶液を受け入れる流体トンネル内に配設された電極の構成を含み、流体トンネルは、空間的にトンネルの外にある外部の影響から電極の構成を電気的に遮蔽するように動作可能である。さらに任意には、この機器において、電極の構成は、流体トンネルに沿って直線状配置で配設された電極を含む。さらに任意には、この機器において、流体トンネルの端近くにある外側の電極セット（Ｐ_１）は、励起されてトンネル内に検出電界を生成するように動作可能であり、流体トンネルの中央領域近くにある内側の電極セット（Ｐ_２）は、データ処理機構に伝達するための受信信号を生成するように動作可能である。任意には、この機器において、電極（Ｐ_１、Ｐ_２）の構成は、ステンレス鋼電極、炭素電極、銀電極：の少なくとも一つを含む。任意には、この機器において、データ処理機構は、尿素溶液の品質を判定する際に使用される尿素溶液の静的導電率および複素導電率の少なくとも一つを判定するための動作時に、交流（a.c.）信号および静的（d.c.）信号の少なくとも一つを電極の構成に印加するように動作可能である。

任意には、この機器において、センサの構成は、対応する音響リフレクタから間隔をおいた方式で配設された音響トランスデューサ機構を含む音響センサを含み、トランスデューサ機構は、一つ以上の音響パルスを生成するように動作可能であり、音響パルスは、尿素溶液を通って伝搬し、リフレクタから反射され、続いてトランスデューサ機構で受けられて、データ処理機構が尿素溶液密度を判定するために処理する受信信号を生成する。

任意には、機器は、さらに、機器を尿素溶液タンクに取り付けるための取り付け用フランジ、尿素溶液を加熱するための加熱器機構および機器に対する尿素溶液の表面の高さを検知するための尿素溶液液面検知機構を含む。

本発明の第二の態様によれば、機器を使用することにより尿素溶液の品質を測定する方法が提供され、この方法は：
（ａ）動作時に機器の少なくとも一部分が尿素溶液中に挿入されるようにする工程と；
（ｂ）尿素溶液の力学的特性および電気的特性の測定値が尿素溶液中に存在する成分によって相互に差が生じるように影響され、機器のセンサの構成を使用して、尿素溶液のある体積中における力学的特性および電気的特性を測定する工程と；
（ｃ）データ処理機構を使用して、力学的特性および電気的特性の測定を処理して、尿素溶液の品質を表示する出力データを生成する工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明の第三の態様によれば、機械可読媒体に記録されたソフトウェア製品が提供され、このソフトウェア製品は、本発明の第二の態様による方法を実施するために演算ハードウェア上で実行可能である。

本発明の第四の態様によれば、動作時に機器の少なくとも一部分が挿入される溶液の品質を測定する機器が提供され、この機器は、
溶液のある体積中における力学的特性および電気的特性を測定するセンサの構成であって、溶液の力学的特性および電気的特性の測定値が溶液中に存在する成分によって相互に差が生じるように影響される、センサの構成と、
力学的特性および電気的特性の測定を処理して、溶液の品質を表示する出力データを生成するデータ処理機構と、
を含むことを特徴とする。

本発明の第五の態様によれば、機器を使用することにより溶液の品質を測定する方法が提供され、この方法は：
（ａ）動作時に機器の少なくとも一部分が溶液中に挿入されるようにする工程と；
（ｂ）溶液の力学的特性および電気的特性の測定値が溶液中に存在する成分によって相互に差が生じるように影響され、機器のセンサの構成を使用して、溶液のある体積中における力学的特性および電気的特性を測定する工程と；
（ｃ）データ処理機構を使用して、力学的特性および電気的特性の測定を処理して、溶液の品質を表示する出力データを生成する工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明の特徴は、発明の範囲を逸することなく、様々な組み合わせで組み合わせられ得ることが理解される。

次に、以下の図面を参照して単なる例として本発明の実施態様を説明する。

排気システムを通る排気ガス中のＮＯｘ濃度を低減するためにAdBlue（「Adblu」）、すなわち尿素溶液を用いるように動作可能な車両の排気システムの模式図である。本発明による品質センサ機器の各実施態様の模式図である。本発明による品質センサ機器の各実施態様の模式図である。本発明による品質センサ機器の各実施態様の模式図である。尿素溶液の密度特性の模式図である。尿素溶液の導電率測定の模式図である。図２の機器の音響センサの模式図である。図２Ａ〜２Ｃの機器の導電率センサの模式図である。図６の導電率センサに使用する回路構成である。

添付の図面では、アイテム上に位置する下線を付した番号またはアイテムに近接する下線を付した番号が、それらアイテムを表示するように用いられる。下線が付されない番号は、その下線が付されない番号とアイテムとを連結する線で識別されるそのアイテムに関連するものである。番号に下線が付されずに関連する矢印を付随する場合には、その下線が付されない番号は、矢印が指し示す大まかなアイテムを識別するために使用される。

発明の実施態様の説明
本発明は、機器アセンブリに組み込まれ空間的に分散したセンサの組み合わせを使用することにより、溶液、例として、貯蔵タンク内に存在する尿素溶液の代表的な空間領域で溶液品質を測定する品質センサ機器を提供することに関し；機器は、広範な体積の溶液中で溶液特性を測定するように動作可能である。そのような機器は、動作時に尿素溶液を含有するタンク内の特定の空間点で測定を実施することによって尿素溶液濃度特性を測定する、公知の装置とは対別される。有益には、尿素溶液品質の測定は、広範な空間体積の溶液中で伝搬する音響放射の速度を判定することによって達成され、最も有利には、反射された音響放射を利用して有効伝搬路長を増大することにより達成される。また、有益には、尿素溶液の電気導電率の測定は、溶液の有意な空間領域を通じて高められた測定精度を提供する、広範な空間構成にある電極の構成を使用して具現化される。任意には、交流電流（a.c.）測定が尿素溶液の品質表示特性の評価を支援する。さらに任意には、溶液中に存在するイオンの双極子モーメントに対応する周波数でそのようなa.c.測定を行い、それによりイオンの特質の判定を可能にし、ひいては溶液中に存在する不純物の種類の表示を可能にする。任意には、直流電流（d.c.）の測定が尿素溶液の品質表示特性の評価を支援する。任意には、a.c.及びd.c.の測定の組み合わせが溶液の品質の測定に使用される。尿素溶液の密度および電気導電率の両方が尿素溶液温度の関数であり、尿素溶液温度もまた品質センサ機器で監視される。尿素溶液の密度および電気導電率の測定値が、任意には温度の関数として、その出力パラメータが尿素溶液の品質を表示するマッピング関数への入力パラメータとして採用されるが；そのような品質の表示は、もう一つの課題である濃度の測定と混同すべきでない。マッピング関数は、有益には、機械可読媒体に保存された一つ以上のソフトウェア製品を使用して具現化され、製品は、マッピング関数を提供するために機器の演算ハードウェア上で実行可能である。また、マッピング関数は、任意で、ルックアップテーブル、補間多項式表現および／または機器で利用される測定プロセスに相当する数式を具体化した数学的モデルとして具現化される。任意には、マッピング関数は、ソフトウェアで具現化されたニューラルネットワーク型の関数として具現化される。

次に、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃを参照して、機器の具現化について記載する。図２Ａでは、機器が１００で全体が表示され、機器は、機器１００から電力を受け機器１００への／からの入力信号および出力信号をそれぞれ提供するための電気コネクタ１２０を含むフランジ１１０を包含する。また、機器１００は、尿素溶液を加熱するための加熱水用のホースを受けるパイプ接続１３０を含み、動作時に機器１００の加熱コイルまたは加熱ループ１４０が少なくとも部分的に尿素溶液中に浸漬される。フランジ１１０は、機器１００を尿素溶液タンク（図示せず）に提供される穴に取り付けることを可能にするように適応される。任意には、タンクは、路上車両に取り付けられ、動作時に車両の燃焼エンジンで生成されるＮＯＸ燃焼生成物を処理するために車両の排気システムに注入される尿素溶液を貯蔵するように動作可能である。フランジ１１０には、さらに、尿素溶液を追加、除去および／または再循環させるため、ならびに通気を提供するために、フランジ１１０を貫通する、２４０で表示される一つ以上の管接続およびそれに関連する管を備える。

機器１００は、さらに、関連するフロート１６０が備えられたセンサ管１５０を含む尿素溶液液面計を包含する。フロート１６０は、ある体積の尿素溶液の上部表面上に浮くように動作可能である。また、フロート１６０は、一つ以上の永久磁石を含み、センサ管１５０は、管１５０に沿って配設された磁気リードリレーの空間的な列を含み、リードリレーは、動作時にフロート１６０が矢印１７０で表すようにセンサ管１５０に沿って移動するのに応答して選択的に作動される。加えて、機器１００は、一つ以上の温度センサ１８０Ａ、１８０Ｂを含み、これらは例として、熱電対および／またはサーミスタとして具現化される。温度センサ１８０Ａは、有益には、機器１１０のセンサ１９０、２００の空間的近傍にあり、温度センサ１８０Ｂは、有益には、センサ管１５０に取り付けられる。

加熱コイルまたは加熱ループ１４０の下部端には、尿素溶液密度を測定するための音響センサ１９０および電気導電率センサ２００が取り付けられる。図２Ｂでは、センサ１９０、２００は、伸張「Ｌ」字加熱ループ１４０の先端に位置付けられる。音響センサ１９０と導電率センサ２００とは空間的に別個にあり、任意で近接して突合せられた構成で配設され、尿素溶液タンクの体積の有意な部分内で測定することにより尿素溶液の特性評価をするように動作可能であり、これは空間点の局所のみで測定を行う従来の尿素溶液測定装置とは対別される。センサ１８０Ａ、１８０Ｂ、１９０、２００からの出力信号は、信号ケーブル２１０、２２０を介してデータ処理ユニット２３０に伝達され、データ処理ユニット２３０は、演算ハードウェア、例として、マイクロコントローラを含み、機械可読媒体、例として、固体読み出し／書き込みデータメモリ上に保存された一つ以上のソフトウェア製品を実行するように動作可能であり、演算ハードウェアがケーブル２１０、２２０を介して伝達された出力信号を処理して、電気コネクタ１２０で利用可能な測定出力を生成することを可能にする。図２Ｃでは、加熱ループ１４０は、一巻き以上を含むらせん構造として具現化され；らせんは、より小型にすることができ、より大きい加熱表面面積を提供し、それにより、より迅速な尿素溶液の加熱を提供する。これに対し、図２Ｂの伸張Ｌ字ループとして具現化されたものは、より大きな空間体積での加熱を提供する。

簡単に前述したように、尿素溶液の密度ρおよび電気導電率Ｓは、数式１および数式２（式１および式２）からの一般項による記述が可能である：

ここで
Ｔ＝温度；
Ｋ＝タンク内の溶液の尿素濃度；
ｑ＝タンク内に存在する不純物の濃度；
Ｆ_１＝出力として密度を提供する第一の関数；
Ｆ_２＝出力として電気導電率を提供する第二の関数。

図３を参照して、左から右に増す温度を表す横軸３２０と下から上に増す密度を表す縦軸３１０とを含む、３００で全体が表示されるグラフで、尿素溶液の異なる尿素濃度Ｋおよび温度Ｔの関数としての密度ρの変動を定性的な態様で示す。転移温度Ｔ_Ｆ未満では、尿素が溶液で凝固し、凍結した溶液の体積が膨張する。転移温度Ｔ_Ｆを超えると、尿素溶液は、単純な水により類似した特性を呈する。濃度Ｋ_１は、濃度Ｋ_２と比較して水内のより大きい尿素濃度に対応し；同様に、濃度Ｋ_２は、濃度Ｋ_３と比較して水内のより大きい尿素濃度に対応する。密度ρは、機器１００内で、タンク内の尿素溶液を通る超音波放射のパルスバーストの伝搬遅延を測定することによって検知され；タンク内の尿素溶液中の所与の伝搬路長Ｌに対し、伝搬遅延Δｔは、音響パルスの音響速度ｖに反比例し、すなわち数式３（式３）で定義される：

有益には、機器１００が比較的小型であることを考慮して、フーリエ領域内で厳密にパルスを定義する十分な発振を含むようにするためには、パルスバーストは、好ましくは、３００kHz〜１０MHzの範囲、より好ましくは７００kHz〜３MHzの範囲、最も好ましくは実質的に１MHzの周波数を有する少数個の周期の音響放射を含む。単一のパルスを利用する事象では、有益にはそれゆえに、そのパルス長が持続時間において１μsecのオーダーである。温度Ｔおよび伝搬遅延Δｔが分かれば、密度ρが数式４（式４）から演算ができる：

数式３、４および１の組み合わせを使用して、尿素濃度Ｋおよび不純物ｑの値とを総合した寄与を判定することができる。これらの関数は、様々な既知の較正尿素溶液による実験結果からの理論的分析から導出され、または、数値的に、例えば補間を持つルックアップテーブルや多項式表現により判定することができる。

非気体媒体中の音速は、体積変形およびせん断変形の両方について非ゼロの剛性を考慮する。したがって、どちらの変形モードを利用するかに応じて、異なる速度の音波を生成することが実現可能である。体積変形、すなわち圧縮、およびせん断変形を生成する音波は、それぞれ、縦波およびせん断波と呼ばれる。地震においては、対応する地震波をそれぞれＰ波およびＳ波と呼ぶ。これら２種類の波の音速を数式５および数式６（式５および式６）で提供する：

ここで
Ｋ_ＢおよびＧは、それぞれ、尿素溶液のバルク弾性率およびせん断弾性率である；
ｃ_ｐ＝体積波の速度；
ｃ_ｓ＝せん断波の速度；
Ｅ＝ヤング率；
ｖ＝ポアソン比。
尿素溶液密度がそれ自体では、他の混入物質、例として、金属塩も存在する場合には、尿素溶液の品質の特性評価をするに充分ではないことが理解される。そのような金属塩は、車両の排気システムから放出されると汚染の危険要因に相当する可能性があり、結果として車両の排気システム内の触媒の作用を阻害させる可能性がある。そのような触媒は、交換に費用がかかる貴金属を含むことがある。それゆえに、車両排気処理システムの触媒成分の作用を阻害することによって損害の危険の可能性がある、グレードの劣ったAdBlue（登録商標）やDEF（商標）が用いられている場合を識別することが重要である。

音響センサ１９０は、音速の測定を介して尿素溶液密度ρを判定するために使用され得るが、そのような測定はそれ自体では、尿素溶液中に同様に存在することができる他の微量混入物質、例として、種々の金属塩の存在を判定するのに充分でない。それら他の微量混入物質についてのさらなる情報を得るために、導電率センサ２００が機器１００で用いられる。溶液の導電率Ｓは、図４に例示するように温度Ｔが増大すると尿素溶液中でイオン間の解離がより多く引き起こされるため、一般的には温度Ｔと共に増大する；図４には、左から右に増す温度Ｔを表す横軸４２０と下から上に増す導電率Ｓを表す縦軸４１０とを含み、４００で全体が表示されるグラフが示される。また、尿素溶液の電気導電率Ｓも、溶液中の尿素濃度ならびに不純物、例えば、溶液中に存在する金属塩により判定される。所与の温度における尿素溶液の所与の濃度は、対応する密度ρおよび対応する電気導電率Ｓを有するべきであり；温度Ｔの関数であるそのような密度ρおよび導電率Ｓが予想から逸脱する場合、そのような逸脱は異物混入ｑの存在を示す。

導電率Ｓは、例として、交流信号（a.c.）を用いて、例えば静電結合を介して測定され得る。任意には、直流電流（d.c.）信号を単独または印加されるa.c.信号と組み合わせて用いることができる。尿素溶液と接触させるために使用される電極の特質に応じて、尿素溶液に対するオーム接触または電極電位（接合）接触をする。例として、炭素電極および銀電極は溶液にオーム接触することが可能であるのに対して、金属、例えば、ステンレス鋼は、溶液と電極電位接触することが観察される。オーム接触は、尿素溶液の導電率を測定する試験電極間の電位差の関数である一定の抵抗を生じさせるのに対して、電極電位接触は、電極間に印加される電位差の関数である変動抵抗を生じさせる。電位差の関数であるこの変動抵抗は、尿素溶液中に存在する微量金属塩混入物質に影響され、尿素溶液中に存在する微量塩の濃度を判定するため、すなわち、尿素溶液の品質の表示を導出するために任意で使用することができる。a.c.信号を用いて尿素溶液の導電率を測定し、電極電位（接合）接触を大きく超える比較的高い電極電位を使用する場合、そのような電極電位（接合）の影響はそれほど有意ではなくなる。

交流信号（a.c.）を使用した尿素溶液の導電率は、周波数の関数として変動する複素インピーダンスに関連する。任意には、この機器において、１００Hz〜１０kHzの範囲、有益には、低電力の電子回路が処理するのに利便である実質的に５kHzの周波数で導電率のa.c.測定を行う。例として、５．１kHzのa.c.周波数が利便に用いられる。交流信号の周波数が１００kHz〜１０MHzの領域である場合は、尿素溶液中のイオン双極子モーメントが有意になり、測定される複素インピーダンスで温度の関数として明確に検知可能になる。そのような複素インピーダンスについては、Council of Scientific and Industrial Research（CSIR）、Department of Science and Technology（DST）、インド政府およびIndian National Science Academyにより援助された研究と関連して、学術論文「Frequency dependence of ionic conductivity of electrolyte solutions」（Chandra & Bagchi）に報告されている。この文献は、パブリックドメインにあり、その内容を参照により本明細書に組み入れる。尿素溶液の複素インピーダンスは、溶液中に存在する混入物質、例えば、金属塩によっても影響される。

したがって、機器１００は、導電率センサ２００を介して、前述の数式２（式２）で表されるように温度Ｔの関数としてタンク内の尿素溶液のd.c.導電率および／またはa.c.導電率を測定するように動作可能である：

ここで
Ｋ＝尿素溶液の濃度；
Ｔ＝尿素溶液の温度；および
ｑ＝タンク内に存在する不純物の濃度。

上述のように、数式１および数式２は、導電率Ｓおよび密度ρに寄与する、二つの未知の因数である濃度Ｋおよび不純物ｑを持つ二つの連立方程式に相当し、それによりそれら未知の因数を演算することが可能になる。a.c周波数での導電率の測定および／または電極電位測定値を誘起する電極による導電率の判定は、さらなる連立方程式の設立を可能にし、因数Ｋおよびｑをより正確に判定することを可能にする。不純物ｑと濃度Ｋの両方は、タンク内の尿素溶液の総合的な品質および使用の適性を監視することを可能にする。連立方程式は、有益には、ルックアップテーブル、多項式表現の少なくとも一つによって解かれる。

次に、音響センサ１９０および導電率センサ２００について、図５および図６をそれぞれ参照してより詳細に記載する。図５では、音響センサ１９０は、音響リフレクタ５１０を実質的にパネル５００の第一の端で担持する長形の支持パネル５００を含む。第一の端から遠いパネル５００の第二の端には、例示するようにリフレクタ５１０から離れた方向に向けられた開口部を有する筐体５２０を包含するトランスデューサ機構が含まれる。トランスデューサ機構は、さらに、セラミック材料ディスク、水晶材料ディスクおよび／または有機ポリマ材料ディスクとして具現化された圧電要素５３０を含む。要素５３０は、動作時、筐体５２０を介して尿素溶液に接触される。任意には、筐体５２０は、金属、堅牢なポリマ材料、例として、ポリウレタン、ＰＴＦＥもしくはそれらの同種、またはセラミック材料から製造される。また、要素５３０は、例として、適切なグレードのエポキシ樹脂または他のポリマ材料として具現化された、化学的に不活性な音響エネルギー吸収材料５５０の領域によって筐体５２０内に封止および保護される。動作時には、パルス信号が一つ以上の電極Ｓ_Ｄを介して要素５３０に印加されて、外へ向かう音響パルス列６００を生成し、パルス列は、パネル５００の長形軸に沿って伝搬してリフレクタ５１０に衝突し、その後続いてリフレクタ５１０から反射されて反射音響パルス列６１０となり、それが伝搬してトランスデューサ機構に戻り、一つ以上の電極Ｓ_Ｄでエコー信号を生成する。任意には、要素５３０は、少なくとも一対の電極を備え；その電極の対の間に印加される電位差が要素５３０内に電界を起こし、それにより応力を引き起こし、その結果、要素５３０の歪変形とそれに関連する音響放射の生成が生じ；要素５３０に印加される応力は、電極の対にわたる電位差として検知可能な電界を要素５３０内に生成することも可能である。さらに任意には、要素５３０は、駆動信号の受信のため及び受信したエコー信号の出力のための別個の電極を備える。データ処理ユニット２３０は、一つ以上の電極Ｓ_Ｄの駆動信号を生成し、反射された信号を処理のために受信するように動作可能である。音響センサ１９０は、腐食性であることができる尿素溶液と接触した状態で信頼できる働きを多年にわたって提供することが要求される。したがって、音響センサ１９０は、設計が容易なアセンブリではなく、その構築に使用される材料は、多年の使用にわたり信頼できる性能を達成するために大きな注意および配慮をもって選択されていることが理解されよう。例として、音響センサ１９０内では応力が低減されるが、低減しない場合には結果として要素５３０に亀裂を生じさせる可能性があるが；そのような応力の低減は、例として、要素５３０に密着するように横方向に摺動可能な表面を用いることにより実現可能である。

より詳細に図６に示される導電率センサ２００は、絶縁プラスチック材料で製造された長形のトンネル筐体７００を含み、筐体７００は、第一の流れの方向について矢印で表すように筐体７００を通る尿素溶液の流れを受け入れるための開放端を持ち；筐体７００を通る流れは、動作時には、図に示す方向とは反対の方向にも発生することもあり得る。また、基部７１０も絶縁プラスチック材料から製造され、筐体７００は、基部７１０に取り付けられる。基部７１０に沿って一連の四つの電極７２０が配設され、外側の電極をＰ_１で、内側の電極をＰ_２で表す。任意には、電極７２０は、ステンレス鋼材料を使用して具現化される。

動作時に、導電率Ｓのa.c.測定を行う場合は、データ処理ユニット２３０によって起こされる変調電流源からのa.c.増幅信号電流Ｉ_Ｂが電極Ｐ_１にわたり筐体７００に沿う電界を生成し、この電界が電位差Ｖ_Ａとして電極Ｐ_２によって検知され、電極Ｐ_２が抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２を介してオペレーショナルアンプ８００に接続され、オペレーショナルアンプ８００が差動信号Ｓ_Ｅを生成し、信号Ｓ_Ｅがデータ処理ユニット２３０のアナログサンプリング入力に接続される。筐体７００内の尿素溶液の導電率が変動するにつれ、バイアス電流Ｉ_Ｂの結果としての電極Ｐ_１間を流れる電流が、尿素溶液の導電率の関数として変調される筐体７００内での空間分布に従って流れ、それに応じて差動信号が影響される。したがって、信号Ｓ_Ｅは、尿素溶液中の尿素濃度Ｋを単調に表現する。データ処理ユニット２３０は、信号Ｓ_Ｅを受信し、データに変換し、その後このデータを使用して尿素溶液の導電率ひいてはその品質に関する測定値を判定するように動作可能である。

任意には、バイアス電流Ｉ_Ｂは任意でa.c.信号成分を含み、および／またはa.c.信号である。また、a.c.信号成分および／またはa.c.信号は、尿素溶液中のイオンの双極子モーメントと相互に作用する交流電界を筐体７００内に誘起する。結果的に、電位差Ｖ_Ａは交流信号となり、その交流信号がアンプ８００で増幅され、その後尿素溶液の複素インピーダンスを判定するためにデータ処理ユニット２３０内で同期復調に供せられる。有益には、そのような同期復調は、電極Ｐ_１に印加される波形と同期されて、電位差Ｖ_Ａから同相信号成分および直交信号成分を生成し、電位差Ｖ_Ａの相対的な大きさが、データ処理ユニット２３０内で、不純物ｑの量をより正確に判定するために使用され得る。そのような尿素溶液の導電率Ｓのa.c.測定は、前述で明らかにしたように尿素溶液中に存在する不純物、例として、金属塩についての洞察を提供する。任意には、センサ１９０、２００を時間的に交互に動作させてそれらの間の信号のクロストークを回避し、それにより機器１００の測定精度を向上させる。

機器１００は、高い測定精度、高い堅牢性および機器の使用がより簡易であることから、以前の尿素溶液特性の測定方式と区別される。より大きな空間体積にわたる測定を提供することから、機器１００は、旧来の手法と比較して尿素溶液品質のより代表的な値を提供するように動作可能である。機器１００は、酵素を含有する尿素溶液ならびに酵素を含まない尿素溶液の両方の品質を測定するために使用されることが可能である。任意には、機器１００は、尿素溶液の品質に加えて、またはその代替として、他の種類の溶液の品質を測定するために適応されることが可能である。

したがって、前述の機器１００を路上車両、路上外走行車両、工業用用途、例えば、据置型発電機セット、航空機および船舶用の用途に関係して尿素溶液の品質を測定することに関係して記載したが、機器１００は、例として、石油業界、化学加工業界、食品加工業界、医薬品業界、水処理業界、養殖業界などにおいて、他の種類の溶液およびそれらの関連する品質特性を測定するために適応され得る。そのような業界で取り組むためには、導電率センサ２００と連携してデータ処理ユニット２３０によって実行される複素インピーダンス測定は、有益である。任意には、機器１００は、より込み入った溶液品質監視作業を引き受けるために、他の種類の化学センサ、例として、データ処理ユニット２３０に結合された、例えば電気化学センサおよび／または光学センサを備える。

データ処理ユニット２３０は、センサ１８０、１９０、２００から受信する信号と、ユニット２３０が提供する、機器１００が少なくとも部分的に挿入される溶液の品質を表示する出力との間のマッピング関数を行うように動作可能である。マッピング関数は、有益には、データ媒体、例として、固体データメモリに記録された一つ以上の実行可能なソフトウェア製品を介してデータ処理ユニット２３０内に実装される。ソフトウェア製品は、下記によってマッピング関数を提供するように動作可能である：
（ａ）ルックアップテーブルとして；
（ｂ）係数がデータメモリに記録された一つ以上の多項式関数として；および／または
（ｃ）ニューラルネットワークによるマッピング関数として。

例として、１００kHz〜１０MHzの周波数範囲にわたりセンサ２００を使用する複素インピーダンス測定では、周波数の関数としてインピーダンス測定の複素シーケンスが生成される。潜在的には、尿素溶液中に存在する金属塩の結果生じる所与の不純物イオンは、周波数範囲内の数個のスポット周波数で複素インピーダンスに影響し得る。複素インピーダンスを解明することは、特に機器１００が設置された車両の動きのためにノイズが存在する際に複雑である場合がある。ニューラルネットワークアルゴリズムへの入力として様々なスポット周波数における複素インピーダンス測定を使用することにより、アルゴリズムを、異なる種類の尿素溶液およびそれらに関連する品質を認識するように適応させることができる。有益には、アルゴリズムは、センサ１８０Ａ、１８０Ｂ、１９０の一つ以上からのデータも備える。上述のマッピングを行うためにデータ処理ユニット２３０で用いられるパラメータは、有益には、データ処理ユニット２３０に送られるデータ命令により動的に可変である。そのような可変機能性により、機器１００をパラメータで動的に更新することが可能になり、それにより機器１００が様々な種類の不純物を最も正確に識別することが可能になる。例として、農業用環境では、費用を節約するために特定種類の不純な低グレードの尿素がAdBlue（登録商標）やDEF（商標）の代わりに使用される事例が多数あるかもしれないが、それにより、排気処理システムを介するエンジンからの排出を通して予期せぬ環境への損害が引き起こされる。機器１００は、有益には、そのような多数の乱用を最も効果的に識別するように適応可能とする必要がある。任意には、機器１００の動作パラメータを、データ処理ユニット２３０に外部データを供給することにより更新することができ、機器１００が異なる種類の溶液に動的に適応することを可能にする。

機器１００が車両のタンクに取り付けられる場合は、運転時の車両の動きがタンク内の液体に影響し、例として、液体をタンク周囲に跳ね飛ばし、それにより、その結果、センサ１９０、２００によって実行される測定を時間的にばらつかせる。結果的に、機器１００は、任意で、ある期間にわたり機器１００が行う測定を平均化するように動作可能である。任意には、平均化が発生する期間は、機器１００のデータ処理ユニット２３０に送られるデータ命令に応答して動的に変動可能である。

添付の請求項に定義される本発明の範囲を逸することなく、前述に記載した本発明の実施態様の変形が可能である。本発明の記載および主張に使用される語句、例えば、「〜を含む」、「〜を包含する」、「〜を組み入れる」、「〜からなる」、「〜を有する」、「〜である」は、非排他的な方式で解釈すべきものであり、すなわち、明示的には記載されないアイテム、構成要素または要素も存在することができる。単数形での参照は、複数形にも関するものと解釈すべきである。添付の請求項で括弧内に含まれる符番は、請求項の理解を支援するものであり、これらの請求項で主張される要旨を限定するものとは決して解釈すべきでない。

Claims

動作時に機器の少なくとも一部分が挿入される尿素溶液の品質を測定する機器（１００）であって、
センサ（１８０、１９０、２００）の構成であって、前記センサ（１８０、１９０、２００）が空間的に分散した組み合わせで前記機器（１００）に組み込まれ、前記尿素溶液の力学的特性および電気的特性の測定値が、前記尿素溶液中に存在し当該尿素溶液の品質に影響する成分によって相互に差が生じるように影響しあい、前記尿素溶液のある体積中における力学的特性および電気的特性を測定するセンサの構成と、
前記力学的特性および電気的特性の測定を処理して、前記尿素溶液の品質を表示する出力データ（１２０）を生成するデータ処理機構（２３０）と、
を含むことを特徴とする機器。
センサ（１８０、１９０、２００）の構成が力学的特性および電気的特性をそれぞれ測定する音響センサおよび導電率センサ（１９０、２００）を含み、前記センサ（１９０、２００）が空間的に間隔をおいて機器（１００）内に配備される、請求項１記載の機器（１００）。
前記センサ（１８０、１９０、２００）が、尿素溶液の温度（Ｔ）を測定し、前記尿素溶液の品質を演算する際に使用される温度（Ｔ）に対応するデータをデータ処理機構（２３０）に提供するための温度計を含む、請求項１または２記載の機器（１００）。
センサ（１８０、１９０、２００）の構成が尿素溶液の電気導電率を測定するための電気導電率センサを含み、導電率センサが尿素溶液を受け入れる流体トンネル（７００、７１０）内に配設された電極（７２０）の構成を含み、流体トンネル（７００、７１０）が空間的に前記トンネル（７００、７１０）の外にある外部の影響から電極の構成を電気的に遮蔽するように動作可能である、請求項１〜３のいずれか一項記載の機器（１００）。
電極（７２０）の構成が流体トンネル（７００、７１０）に沿って直線状の配列で設けられた電極を含む、請求項４記載の機器（１００）。
流体トンネル（７００、７１０）の端近くにある外側の電極セット（Ｐ_１）が励起されてトンネル（７００、７１０）内に検出電界を生成するように動作可能であり、流体トンネル（７００、７１０）の中央領域近くにある内側の電極セット（Ｐ_２）がデータ処理機構（２３０）に伝達するための受信信号を生成するように動作可能である、請求項５記載の機器（１００）。
電極（Ｐ_１、Ｐ_２）の構成がステンレス鋼電極、炭素電極、銀電極：の少なくとも一つを含む、請求項４、５または６記載の機器（１００）。
データ処理機構（２３０）が、尿素溶液の品質を判定する際に使用される尿素溶液の静的導電率および複素導電率の少なくとも一つを判定するための動作時に、交流（a.c.）信号および静的（d.c.）信号の少なくとも一つを電極（７２０）の構成に印加するように動作可能である、請求項４、５または６記載の機器（１００）。
センサ（１８０、１９０、２００）の構成が、対応する音響リフレクタ（５１０）から間隔をおいた方式で設けられる音響トランスデューサ機構（５３０）を含む音響センサ（１８０）を含み、ここで、音響トランスデューサ機構（５３０）が一つ以上の音響パルスを生成するように動作可能であり、音響パルスが、尿素溶液を通って伝搬し、リフレクタ（５１０）から反射され、続いてトランスデューサ機構（５３０）で受けられて、データ処理機構（２３０）が尿素溶液密度を判定するために処理する受信信号を生成する、請求項１〜８のいずれか一項記載の機器（１００）。
機器（１００）がさらに機器（１００）を尿素溶液タンクに取り付けるための取り付け用フランジ（１１０）、尿素溶液を加熱するための加熱器機構（１３０、１４０）および前記機器（１００）に対する尿素溶液の表面の高さを検知するための尿素溶液液面検知機構（１５０、１６０）を含む、請求項１〜９のいずれか一項記載の機器（１００）。
機器（１００）を使用することにより尿素溶液の品質を測定する方法であって：
（ａ）動作時に機器の少なくとも一部分が尿素溶液中に挿入されるようにする工程と；
（ｂ）前記機器（１００）のセンサ（１８０、１９０、２００）の構成を使用して測定する工程であって、センサ（１８０、１９０、２００）が空間的に分散した組み合わせで前記機器（１００）に組み込まれ、前記尿素溶液の力学的特性および電気的特性の測定値が前記尿素溶液中に存在する成分によって相互に差が生じるように影響され、前記尿素溶液のある体積中における力学的特性および電気的特性を測定する工程と；
（ｃ）データ処理機構（２３０）を使用して、前記力学的特性および電気的特性の測定を処理して、前記尿素溶液の品質を表示する出力データ（１２０）を生成する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
機械可読媒体に記録されたソフトウェア製品であって、請求項１１記載の方法を具現化するために演算ハードウェア上で実行可能である、ソフトウェア製品。