JP5628818B2 - フィルタにおける保留物を計測するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第１１／７４１，８３２号（２００７年４月３０日出願）の一部継続出願であり、この出願は米国仮特許出願第６０／７４６，０８１号（２００６年５月１日出願）の利益を主張し、これらの出願の開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。

本願は、米国仮特許出願第６１／１１０，９６５号（２００８年１１月３日出願）の利益を主張し、この出願の開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。

（発明の分野）
本発明は、フィルタ上の汚染物質目詰まり（ｌｏａｄｉｎｇ）の決定に関し、より具体的には、目詰まりを決定するための無線周波数の使用に関する。

多数の分野において、フィルタによって捕捉された物質の量の正確な検知に対する必要性が存在する。例として、ＨＶＡＣシステムのエアフィルタ、工業用途に使用されるフィルタバッグ筐体、および液体と共に使用されるフィルタ等の目詰まりを決定することが必要である。

また別の例として、微粒子フィルタ上の煤のフィルタ目詰まりを決定することが必要である。微粒子フィルタ上の目詰まりの量は、再生の起動のための適切な条件、ならびに完全な再生がいつ達成されたか否かを決定するための監視条件を決定するために認識されなければならない。微粒子フィルタの再生は、しばしば、煤が自由酸素の存在によって発火させられ、フィルタを通して燃焼波が生成される制御されない焼却を経ることから、この状況においては目詰まりのレベルが重要である。一定の状況下では、再生が非常に高い温度を生じさせることによって、フィルタの疲労寿命が限定され、そして最終的にその破壊をもたらし得る大きい熱応力をもたらす可能性がある。このため、煤目詰まりのレベルは、フィルタ再生の成功にとって重要である。

微粒子フィルタの特定の用途は、ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）である。現在、ＤＰＦに蓄積された煤の量を評価するには、フィルタ圧力低下測定値が使用される。また、いくつかの事例において、フィルタの煤目詰まりを評価するには、予測モデルが使用され得る。圧力低下測定値だけでは、微粒子フィルタの煤蓄積の間接的で不正確な測定値を提供するに過ぎず、いくつかの欠点がある。排気ガス成分、温度、および流速は、全て、フィルタ圧力低下に影響し、圧力低下をフィルタの煤目詰まりに正確に相関させるために考慮されなければならない。さらに、蓄積された灰および煤の空間分布も圧力低下測定値に影響し、この分布は、経時的に、特にフィルタが灰で目詰まりさせられるようになると変化する場合がある。

反復再生後、相当量の灰も微粒子フィルタに蓄積する場合がある。圧力低下測定値は、フィルタの煤蓄積と灰蓄積との間を区別することが不可能で、後者は、圧力低下に基づく煤目詰まりの評価にさらに誤差を導入する。加えて、多種のフィルタは、フィルタの目詰まり状態および履歴に応じて、非線形の圧力低下応答および圧力低下履歴の現象を示し、これは圧力ベースのフィルタ目詰まり測定をさらに困難にする。

ＤＰＦ内の煤蓄積の圧力低下ベースの評価はまた、煤目詰まりのわずかな変化に対する概して遅い応答時間および低い感度によって特徴付けられる。さらに、これらのシステムがフィルタ内の灰レベルを直接監視することが不可能であるために、フィルタが周期的に検査されることが必要になり、フィルタの実際の灰レベルに関わらず、車輌または機械の停止時間をもたらす。加えて、圧力低下ベースの測定値は、最悪のフィルタ障害以外は全て検出することが不可能であり、ほとんどの場合、厳しい搭載診断要件を満たすことができない。

フィルタ圧力低下測定値につきものの欠点のうちのいくつかに対応するために、これらの測定値と共に多様な予測モデルが一般的に使用される。多種多様なモデルが存在するが、多くは、ＤＰＦに蓄積された煤の量を予測するために、いくつかのエンジン動作パラメータ、多様なエンジンおよび排気センサからの入力、および再生イベントの間の時間を利用する。多くの場合、これらのモデルは、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）にアップロードされる。これらのモデルは、概して、特定のエンジンおよび燃料に対して較正され、各特定の用途に対する再較正を要求する。その上、よりクリーンな燃焼の燃料（モデルが最初に較正された燃料に比較して）を用いて使用される場合、モデルは、フィルタの煤目詰まりを過剰に予測する傾向があり、不要なフィルタ再生および燃費の不利益をもたらす。予測モデルおよびフィルタ圧力低下測定値を組み合わせて使用しても、上記に挙げた欠点を克服するにはほとんど効果がない。これらの欠点は、非効率的なシステム動作、燃費の不利益、フィルタの熱循環および疲労の増加、およびフィルタの耐用年数の短縮を導く。

また、微粒子フィルタに入る排気ガスの煤エアロゾルの濃度を直接測定するために、排気ガス煤センサが提案されてきた。これらの測定システムは、排気条件に依存して、いくらかのレベルの受動的再生が発生する場合があるので、微粒子フィルタ上に蓄積された煤の量が、必ずしもフィルタに入る煤の量に等しくないという欠点がある。さらに、排気ガスの煤センサは、ＤＰＦ内の灰蓄積または煤および灰の分布に関する情報を全く提供しない。加えて、これらのセンサの多くは、煤汚染を受けるという欠点があり、過剰な量のエネルギーを消費し、排気温度、排気ガス粘度、および他の因子によって導入される誤差を生じさせやすい。

無線周波数（ＲＦ）ベースの微粒子目詰まり監視システムも提案されてきた。そのようなシステムの１つは、フィルタを通して伝送される低周波数（ＲＦ）信号の大きさに基づいて、フィルタの目詰まりを監視し、フィルタ再生を開始する。このシステムは、キャビティ内での共振を確立するために必要な周波数未満の低周波数に使用を限定することによって、複数のキャビティ共振モードを生成することに必要である高周波数を利用することに対する利点の多くを見逃している。

微粒子トラップ内の煤内容成分を検出するためにマイクロ波を使用することも提案された。そのような１つのシステムは、フィルタ共振周波数における変化を監視することによって、微粒子フィルタ内の煤内容成分を検出する。しかしながら、そのようなシステムは、微粒子フィルタ内の煤内容成分の空間分布を決定することができない。

これまでに知られている全てのＲＦおよびマイクロ波フィルタ目詰まり監視システムは、以下のいくつかの欠点がある。

（ａ）先行技術のシステムは、フィルタ内に蓄積された物質の空間分布を監視することが不可能である。フィルタ内の灰の蓄積は、煤を置換し、その分布を変化させる。さらに、不均一なフロー条件は、また、不均一な物質蓄積となる可能性がある。

（ｂ）全ての周知のフィルタ目詰まり監視システムは、何らかのフィルタ煤目詰まり合計平均に基づいてフィルタ再生を開始する。局所的に高い煤の目詰まりは、フィルタ内の物質分布を測定することが不可能なシステムによっては、検出され得ない。

（ｃ）これまでのマイクロ波およびＲＦベースのフィルタ目詰まりシステムは、全ての排気条件で、フィルタの煤および灰の両方の蓄積を同時に検出することができない。

（ｄ）これらのシステムは、フィルタが必要に応じて動作することを保証するために重要であるフィルタ障害または誤動作を検出しない。

（ｅ）これらのシステムは、フィルタの正しい動作のために要求されてもよい、例えば、センサ等の個別の構成要素の誤動作または障害を検出しない。

（ｆ）マイクロ波およびＲＦベースの測定システムは、排気ガス中、およびフィルタ上に存在する湿度および水蒸気によって影響を受け、これらは、測定の誤差を削減するために考慮されなければならない。

（ｇ）従来のフィルタ目詰まり監視システムは、複合エンジンおよび後処理システムの性能を最適化するためにエンジン動作を修正することに有用であるフィードバック制御機能を提供するために、既存のエンジンおよび排気センサと通信することを達成できていない。

したがって、上記の問題に対応するフィルタ目詰まり測定システムが存在すれば、有益であろう。そのようなシステムは、保守および不要な再生サイクルの量を最小にする一方で、より低い排出限界が達成されるかもしれない点で有利であろう。加えて、複数の共振モードの使用によって、装置に特有な目詰まりのより詳細な評価が可能になるであろう。

微粒子フィルタに加えて、同フィルタ目詰まり測定システムは、ファイバフィルタ、ろ過のために使用される多様な多孔質媒体等を含む、広範囲のフィルタに適用され得る。一実施例は、ＨＶＡＣシステム内で使用されるエアフィルタにおいて、フィルタ目詰まり状態の決定は、フィルタを清掃または交換するタイミングを決定する上で重要である。同様に、袋状フィルタは、しばしば、逆流によって清掃され、フィルタ目詰まりの状態に基づいてフィルタを清掃するタイミングを決定することはここでも重要である。

異なる誘電率を有する物質を用いて第１の誘電率を有するフィルタの目詰まりを決定するシステムおよび方法を開示する。フィルタは、マイクロ波キャビティを形成する金属製容器内に含有され、マイクロ波またはＲＦエネルギーがキャビティ内で作成され、キャビティマイクロ波応答の変化が監視される。キャビティマイクロ波応答の変化は、フィルタ目詰まりに関連する。好ましい実施形態において、マイクロ波エネルギーは、複数のキャビティモードを含み、それによって、汚染物質目詰まりの空間分布の決定を可能にする。

一実施形態において、マイクロ波キャビティ応答は、共振モードの周波数のシフトを含む。代替として、マイクロ波キャビティ応答は、共振モードのクオリティファクタ（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）Ｑのシフトを含む。マイクロ波キャビティ応答は、共振時のマイクロ波の信号の振幅またはピーク幅のシフトを含んでもよい。

マイクロ波エネルギーを伝送／受容するように、少なくとも１つのアンテナが使用されてもよい。一実施形態において、マイクロ波エネルギーを伝送／受容するよう、１つのアンテナだけが反射モードで使用される。２つのアンテナが伝送モードで使用されてもよく、一方のアンテナが伝送し、他方のアンテナが受容する。アンテナの代わりに、マイクロ波エネルギーを伝送／受容するよう、少なくとも１つの導波管が使用されてもよい。一実施形態において、マイクロ波エネルギーを伝送／受容するように、１つの導波管が反射モードで使用される。代替として、２つの導波管が伝送モードで使用されてもよく、一方の導波管が伝送し、他方の導波管が受容する。

別の実施形態において、フィルタは、ディーゼルエンジンの排気から粒子状物質を除去するためのディーゼル排気微粒子トラップである。粒子状物質は、煤であってもよい。フィルタは、どのようなフィルタであってもよく、粒子状物質は、フィルタ上で収集されるどのような汚染物質であってもよいことに注意されたい。

また別の実施形態において、金属製容器は、２つの推移円錐の間に円筒部分を含み、そのうちの１つは排気管に接続される。マイクロ波エネルギーは、任意の範囲の周波数が使用されてもよいが、Ｓバンド内にあってもよい。好適な材料として、特に、コーディエライトおよび炭化ケイ素が挙げられる。フィルタ目詰まりを監視するよう、低次および高次両方のキャビティモードが使用されてもよい。この実施形態において、動作の頻度は、モードがフィルタの入口および出口の狭い領域でカットオフ時に動作するように、選択されてもよい。

２つのアンテナまたは導波管が使用される場合、これらは、フィルタの対向する側またはフィルタの同一の側に配置されてもよい。一実施形態において、アンテナおよび導波管は、汚染を防止するよう、フィルタの下流側に配置されてもよい。

マイクロ波エネルギーは、改良マイクロ波チップによって提供されてもよく、マイクロ波エネルギーは、増幅あり、またはなしで、ダイオードによって監視されてもよい。キャビティ監視は、ロックイン検出および／またはホモダイン検出、あるいはヘテロダイン検出を使用してもよい。

図１は、本発明の実施形態による、基本的なディーゼル微粒子フィルタの斜視図である。 図２は、本発明の別の実施形態の断面図である。 図３は、一実施形態による、マイクロ波フィルタ測定システムの図である。 図４は、別の実施形態による、マイクロ波フィルタ測定システムの図である。 図５は、周波数の関数として実験的に決定されたＳ２１（伝送）のグラフである。 図６は、周波数の関数として実験的に決定されたＳ１１（反射）応答のグラフである。 図７は、図５の伝送モードの拡大図を示すグラフである。 図８は、フィルタの煤目詰まりの関数としてセンサ出力を示すグラフである。 図９は、異なる共振モードが、フィルタ内の異なる領域の高い電場強度になる様子を示す図である。 図１０は、不均一な煤分布に対する複数のフィルタ共振モードの応答を示すグラフである。 図１１は、フィルタの煤目詰まりの関数として、異なるフィルタの煤分布に対するセンサ出力を示すグラフである。 図１２は、フィルタ内の灰蓄積に対するマイクロ波信号の応答を示すグラフである。 図１３は、フィルタ障害に対するマイクロ波信号の応答を示すグラフである。

本発明は、マイクロ波がトラップまたはフィルタの目詰まりの状態を決定するために使用され得るという認識に基づいている。目詰まりは、煤、微粒子、灰、またはいずれかの固体／液体であってもよい。目詰まりの合計量を決定することに加えて、本明細書に説明されるマイクロ波システムは、フィルタ全体の目詰まりの分布を決定する際に有用である。本発明において使用されるマイクロ波検知は、対象の周波数範囲内の安価な発振器および検出装置が市販されているので、安価であり得る。

ディーゼル微粒子フィルタの場合、微粒子は、煤および他の有機化合物（固体および／または液体）、ならびに灰から作られる。本開示の目的のために、炭素および有機化合物の複合物は、簡略化のために煤と称される。当業者は、煤および有機化合物が再生を経て除去されるが、灰目詰まりは残存することを認識する。

加えて、本開示はディーゼル微粒子フィルタに言及しているが、フィルタは任意の種類のフィルタでもあり得ることに注意されたい。さらに、フィルタの物質目詰まりは、煤または灰である必要はなく、それが置換する媒体と異なる誘電特性を備える任意の物質であってもよい。

一実施形態において、ディーゼル微粒子フィルタユニットは、Ｓバンド付近の周波数において４よりわずかに高い誘電率を有するコーディエライトから作製される。この物質は、小さい温度依存性を有する。煤の存在（いくつかの事例においては、トラップについて最高１０ｇ／リットルが可能で、トラップのサイズは、５．６６インチのトラップで約２リットル）は、マイクロ波キャビティのマイクロ波特徴を変化させる。このため、このトラップの最大の煤目詰まりは、約２０ｃｍ^３の容積を有して最高２０ｇであり得る。この煤の量は、実質的な容積およびトラップの誘電特徴における対応する大きい変化に対応する。煤の誘電率は、およそ２であることに注意する。

炭化ケイ素もディーゼル微粒子フィルタの製造に好適である。炭化ケイ素のマイクロ波特性もまた、目詰まり検知のためのマイクロ波の使用を好適にする。当業者は、本明細書に開示されるマイクロ波目詰まり検知技術は、例えば、袋筐体内で使用されるようなファイバフィルタ（有機および無機ファイバ）の目詰まりを決定する、および不均一な誘電率を有する物質の相当な質量／容積が収集される他の用途において、使用され得ることを認識する。

加えて、本開示全体で「マイクロ波」という用語が使用されるが、本明細書に開示される方法および装置は、他の周波数帯域にあるエネルギーに等しく適用可能であり得る。例えば、ＲＦ帯域のエネルギーも目詰まりに対する試験に使用されてもよい。

再生を経て除去されない、灰成分は、実質的な灰の量が経時的にトラップ上に蓄積するかどうか、監視され得る。

低次キャビティモードと高次キャビティモードとが、トラップ目詰まりおよび収集される物質の空間分布を監視するために使用され得る。異なるキャビティモードは、容積全体で変動するピークおよびナルを備える異なる電場パターンを有する。所与のキャビティモードに対して、高電場を備える領域内の煤の存在だけが、キャビティ内のマイクロ波に影響を与える。キャビティ内の異なるモードを選択することによって、異なる領域をサンプリングし、したがって、煤分布に関する情報を取得することが可能である。

煤の存在は、いくつかの態様でキャビティ応答に影響を与える。共振周波数は、煤の蓄積と共により低い周波数へとシフトする。加えて、キャビティクオリティＱは、吸収煤の存在によって影響を受ける。さらに、共振時の信号の振幅は、煤の蓄積と共に減少する。これらのパラメータ３つ全ては、煤レベルを決定するために使用され得る。ディーゼル微粒子フィルタの多様な領域における目詰まりを監視するには、いくつかのモードが使用され得る。

本発明は、ここで図面を参照して説明する。図１を参照すると、ディーゼル微粒子フィルタユニット１０は、金属製の円筒部１２と、遷移円錐１４および１６とを含む。円錐１４は、排気管１８に接続する。この実施形態において、１対のロッドアンテナ２０および２２は、フィルタ２４の対向側に配置される。

円錐状の遷移区画１４および１６のために、動作の周波数は、モードがトラップの入口および出口の狭い領域においてカットオフで動作するように選択され得、モードは、主排気管１８におけるカットオフ未満で動作するような周波数である。マイクロ波放射を制限するためにスクリーンを提供することは不要である。

図１の実施形態において、従来のロッドアンテナ２０および２２のうちの一方は、伝送機として機能し、他方は受容機として機能する。ロッドアンテナ２０および２２の両方は、フィルタ２４を挟むのではなく、同一側上に配置され得ることを理解されたい。この場合、ロッド２０および２２の好ましい場所は、伝送機、受容機、または関連構成要素の表面上の煤を最小にするために、フィルタ要素２４の下流であろう。

図２をここで参照すると、ループアンテナ２６の使用を介して、または導波管２８の使用を介して、伝送機を実装することが可能である。導波管２８は、高誘導性物質で充填されてもよい。また、受容アンテナとして機能することによって放射を監視するために、ループアンテナ２６および／または導波管２８を使用することも考慮される。

単一のアンテナ（ロッドまたはループ）および単一の導波管、または２つのアンテナまたは導波管を使用することが可能である。単一のアンテナ／導波管の場合、情報は、反射された信号の中にある。伝送機／受容機のために別個のアンテナ／導波管の場合は、反射または伝送モードの間で選択することが可能である。２つのアンテナ／導波管の場合、煤目詰まりを決定するために使用され得る結合行列には、一方のアンテナ／導波管から他方への伝送、その逆、および各アンテナ／導波管の中の反射の４つの要素がある。

図２に示されるように、伝送機および／または受容機の１つの好適な場所は、フィルタ２４の中央領域内である。この場所は、波がフィルタ２４の外面を貫通し、このために、フィルタ２４の外壁によって、センサが煤沈着から保護され得るので、本明細書に開示されるマイクロ波システムの明確な利点を示す。この配置は、単一または２つのいずれかの導波管、ループアンテナ、またはロッドアンテナに対して実行され得る。

フィルタ２４を通してマイクロ波エネルギーを伝送および受容し、受容された信号を処理するためのシステムの一実施形態が図３に示される。フィルタ２４は、マイクロ波共振キャビティを形成するフィルタ筐体３２内部に含有され、微粒子フィルタユニット１０を成す。筐体３２は、その共振特性を最適化するような態様で設計されてもよい。筐体３２は、フィルタ２４を通してフローを誘導するために、導管３０に接続され得る。１つ以上のプローブ２０および２２は、マイクロ波エネルギーを伝送および受容するように、筐体３２に設置され得る。

メッシュまたはスクリーン（図示せず）が、マイクロ波エネルギーを制限するために、導管３０または筐体３２に付設されても、されなくてもよい。いくつかの用途において、高い周波数の使用が所望されてもよく、マイクロ波エネルギーを制限し、これらの条件で共振キャビティを作成するために、導管３０の制限のメッシュ、スクリーン、または何らかの他の形式の使用を必要とする。

一実施形態において、図３に示される、マイクロ波フィルタ検知システムは、制御装置３４を含んでもよい。制御装置３４は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）等のように、既存の導管ユニットに統合されていても、または、単体の制御ユニットであってもよく、他の制御システムと通信しても、しなくてもよい。１つ以上の制御装置３４が存在してもよい。制御装置は、所与の周波数範囲内のマイクロ波信号を生成するように構成される信号発生装置３６を制御してもよい。一実施例において、信号発生装置３６は、電圧制御発振器であってもよく、制御装置３４は、可変電圧によって、信号発生装置３６を制御するように構成されてもよい。

制御装置３４は、マイクロプロセッサまたはカスタムの半導体デバイス等の処理ユニットであってもよく、一連の命令を実行するように構成される。これらの命令は、デバイスに恒久的にプログラムされ得るか、または、メモリデバイス等の可読記憶要素の中に記憶されてもよい。メモリは、ＲＯＭ等の読み取り専用であってもよく、または、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＲＡＭ、または２つの複合型等の読み取り書き込み可能であってもよい。メモリに加えて、制御装置３４は、多様なセンサ、検出装置、および本明細書に説明される他のデバイスと通信できるように、入力および出力ポートを有してもよい。

信号発生装置３６によって生成されるマイクロ波信号は、スプリッタ３８の中へ、および循環装置４０へフィードされてもよい。循環装置は、キャビティ３２内でマイクロ波信号を伝送および受容するように構成されてもよいプローブ２２に接続されてもよい。循環装置はさらに、検出装置４２に接続されてもよく、検出装置４２は、制御装置３４に接続されてもよい。一実施形態において、検出装置４２は、例えば、プローブ２２によって受容されるマイクロ波信号を検出するように構成されるショットキーバリアダイオード等のダイオード検出装置であってもよい。

制御装置３４は、プローブ２０からのマイクロ波信号を検出するように構成される検出装置４４に接続されてもよい。検出装置４４は、一実施形態において、ショットキーバリアダイオード等のダイオード検出装置であってもよい。他の検出装置も可能である。検出装置４４はさらに、キャビティ４６内に設置されるプローブ５２に接続されてもよい。別のプローブ５４もまた、キャビティ４６内に設置され、スイッチ４８によって、スプリッタ３８に接続されてもよい。スイッチ４８および５０もまた、制御装置３４に接続されてもよい。制御装置３４は、フィルタ２４の目詰まりを監視するようにキャビティ３２にマイクロ波エネルギーを導入するために、信号がスプリッタ３８から循環装置４０に渡ることを可能にするために、スイッチ５０を閉じ、スイッチ４８を開くように構成されてもよい。別の動作モードにおいて、制御装置３４は、スプリッタ３８からプローブ５４へ信号を伝送するために、スイッチ４８を閉じ、スイッチ５０を開いてもよい。キャビティ４６を通してプローブ５４からプローブ５２へ信号を伝送することは、図３に示されるマイクロ波フィルタ検知システムが適切に機能しているかどうかを決定するために、自己診断機能を実施することに有用であり得る。この実施形態において、キャビティ４６は、基準キャビティとして機能し、どのような開口を含有しても、しなくてもよい。

図３に示されるシステムでは、追加の自己診断機能を提供する、キャビティ４６、プローブ５２および５４、またはスイッチ５０および４８は、この機能が所定の用途において必要とされない場合は、必要でなくてもよいことに注意されたい。

マイクロ波フィルタ検知システムは、また、温度センサ５６および湿度センサ５８を含んでもよい。センサ５６および５８は、筐体３２上またはフィルタ２４内の導管３０に沿って任意の場所に付設されてもよい。マイクロ波測定値は、共振キャビティ３２内の温度または湿度の変動によって影響を受ける可能性がある。センサ５６および５８は、制御装置３４が、温度または湿度の補正を実施することによって、マイクロ波信号を変更することを可能にしてもよい。

動作中、マイクロ波エネルギーは、デバイス１０のキャビティ３２内に確立される。トラップ目詰まりを決定するために使用され得る多数のモードが存在する。一実施形態において、信号発生装置３６は、無線周波数信号を生成し、筐体３２内で２つ以上のキャビティ共振モードを生成することに十分な周波数範囲を掃引するように構成されてもよい。別の実施形態において、信号発生装置３６は、所望の共振モードを生成するために必要な周波数範囲を掃引するようにのみ構成されてもよい。必要な周波数範囲は、キャビティ３２のサイズの関数である。一実施例において、キャビティ３２は、５．６６インチの直径および６インチの長さを有し、動作の周波数範囲は、１ＧＨｚから２ＧＨｚであってもよい。しかしながら、どのようなキャビティ３２のサイズおよび周波数範囲が使用されてもよい。周波数は、キャビティ３２のサイズおよび形状に応じて、マイクロ波の範囲内であっても、なくてもよい。

一実施形態において、制御装置３４は、キャビティ３２内で２つ以上の共振モードを生成することに十分なマイクロ波信号を生成するように信号発生装置３６を制御してもよい。スプリッタ３８は、マイクロ波信号を循環装置４０へ方向付けてもよい。スイッチ５０は、使用されても、されなくてもよい。伝送モードにおいて動作するとき、循環装置４０は、マイクロ波信号をプローブ２２へ方向付けてもよい。プローブ２２は、プローブ２０によって受容されるように、フィルタ２４を通してプローブ２２からマイクロ波信号を伝送してもよい。検出装置４４は、プローブ２０によって受容された信号を検出し、信号を制御装置３４に中継してもよい。この方式において、キャビティ３２の共振曲線は、伝送を使用してサンプリングされてもよい。

反射モードにおいて動作するとき、循環装置４０は、プローブ２２が、マイクロ波信号を伝送および受容することを可能にしてもよい。このため、プローブ２２によって伝送および受容される信号は、検出装置４２へ方向付けられてもよい。検出装置４２は、検出された信号を制御装置３４へ中継してもよく、このため、キャビティ３２の共振曲線が反射を使用してサンプリングされることを可能にする。

検出装置４２または４４によって受容された信号は、制御装置３４に伝送される前に、フィルタリングまたは増幅されても、されなくてもよい。

制御装置３４は、検出装置４４および４２から信号を取得し、アナログ手段を使用して、あるいは、制御装置３４内に含有されるか、または制御装置３４によってアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上に含有される一連の命令に従うコンピュータプログラムを使用して、信号を処理してもよい。信号の処理は、温度、湿度、または蓄積物質の成分等の補正率または補償のフィルタリング、平滑化、適用、および多様な信号パラメータおよび統計データの計算を含む。制御装置は、温度センサ５６または湿度センサ５８を監視し、参照テーブルから等の基準値、あるいは数式または一連の数式等の補正関数を適用することによって、温度または湿度補償を実行してもよい。湿度または温度補償が不要な用途においては、プローブ５６または５８は使用されなくてもよい。

対象の信号パラメータは、１つ以上のキャビティ３２の共振モードの振幅、周波数、ピーク幅、またはクオリティファクタであってもよい。制御装置３４は、上記の信号パラメータを決定するために共振曲線全体を、または対象の共振モードに必要な周波数範囲だけをサンプリングしてもよい。一実施形態において、上記の信号パラメータは、制御装置３４内に含有されるか、または制御装置３４によってアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上に含有される一連の命令に従うコンピュータプログラムを使用して、共振曲線から決定されてもよい。２つ以上の測定値の平均値、中央値、最頻値、および標準偏差等のパラメータの統計データもまた、同様の方式で計算されてもよい。上記のパラメータは、フィルタ２４内に蓄積された物質の量、種類、および分布に関連してもよい。

制御装置３４は、受容された信号パラメータを基準と比較してもよい。この基準は、使用されるキャビティの形状に基づく一連の記憶された値であってもよい。別の実施形態において、基準は、以前に受容された信号である。この方法において、制御装置は、経時的にパラメータの変化を監視してもよい。

信号クオリティファクタを決定する１つの手段は、信号発生装置３６の動作を変更するために制御装置３４を利用してもよい。信号発生装置３６が電圧制御発信器（ＶＣＯ）である場合、ＶＣＯの駆動電圧は、ＤＣ信号上に重畳されるＡＣ信号を有する。ＤＣ信号は、検出装置４４または４２からの信号応答が最大を示すまで、制御装置３４によって変動させられる。次いで、ＡＣ信号振幅は、検出装置４４または４２によって測定される応答の振幅が必要なピーク対値の比率を示すまで制御装置３４によって変動させられ、これらは測定条件に応じて調整され得る。２分の１の係数が比率として選択される場合、出力は、ピークからバレイまで３ｄｂだけ低下する。

ＡＣ信号の振幅が、Ｑの値を決定する。その関係は、ほぼ反比例である。このため、ＡＣ信号の振幅は、共振曲線の幅にほぼ比例する。測定値は、いくつかの共振モードの煤蓄積がピーク幅に対して一次比例であり、このため、ＡＣ信号の振幅が煤レベルにほぼ比例することを示した。

ピーク対値を測定するために、ロックイン技法（位相敏感検波）を含む多数の方法が使用され得る。また、ＡＣ信号の周波数は、可変または一定であり得る。０．１Ｈｚから１００Ｈｚまでの周波数が使用され得る。

フィードバックを有する回路等の、共振周波数においてロックする回路が使用され得る。信号の正しい増幅（および位相）を提供し、それをＶＣＯにフィードすることによって、共振周波数を決定するために、アナログ回路が使用され得る。

発信源の周波数を変更することに加えて、Ｑを決定する代替方法は、一定周波数の発信源とともに、キャビティ３２の共振周波数を変更することに依存する。キャビティ３２の共振周波数の変化は、サイズまたは形状の変化、あるいは誘電率の変化、あるいはこの２つの組み合わせに起因し得る。共振モードが、狭い、固定された周波数の発振器にわたって掃引され、応答が計測される。影響因子（サイズ、形状、または誘電率）を周波数において得られる変化に、従って、デバイスのＱに較正することが可能であろう。キャビティ３２の特性を変更する影響因子は、キャビティ３２の壁においてスライディングショートを用いて可能であるような形状の実際の変化、または低電界から高電界へ移動する（変位、回転、または他の手段を介して）誘電性または伝導性の物質の置換であり得る。必要な変化の量は、信号のＱ、および信号発生装置の安定性に関連する。このため、信号発生装置が、量Δｆ_{ｇｅｎｅｒａｔｏｒ}の周波数安定性を有する場合、影響因子は、キャビティ３２の共振周波数をΔｆ_{ｇｅｎｅｒａｔｏｒ}の係数によって変化させることが必要である。同様に、測定されるべき目詰まりの量がΔｆ_{ｌｏａｄｉｎｇ}の共振周波数の変化になる場合、キャビティ３２の共振周波数の変化は、Δｆ_{ｌｏａｄｉｎｇ}よりも大きいことが必要である。影響因子に起因する共振周波数の変化は、Δｆ_{ｇｅｎｅｒａｔｏｒ}、Δｆ_{ｌｏａｄｉｎｇ}、および目詰まりに起因するＱの変化、ｆ＊ΔＱよりも大きくなければならない。

代替として、Ｑを決定することに十分な広い周波数範囲による応答の測定値を用いて、キャビティ３２を駆動するために、広帯域信号を使用することが可能であろう。

また別の実施形態において、Ｑは、ハードウェアフィルタを使用して評価され得る。煤のないクリーンなフィルタ２４の場合、Ｑは高く、共振モードの幅は非常に狭い。信号（共振時のピーク）をフィルタリングするために、好適なフィルタ設計が使用され得る。フィルタ２４の煤の目詰まりが高まると、Ｑは減少し、ピーク幅が増加し、ほとんどの信号がフィルタを通過して、センサ出力電圧を増加させる。フィルタは、電圧出力の増加が何らかの閾値を超えるＱに対応するように設計され得る。

また、クオリティファクタは、信号発生装置３６が突然停止された後に、マイクロ波キャビティ３２内の信号の減衰を測定することによって決定されてもよい。

制御装置３４は、また、フィルタ２４に蓄積した物質の量、種類、または分布に基づいて動作を開始するように構成されてもよい。一実施例において、制御装置３４は、フィルタ２４の煤目詰まりがある閾値を超えると、フィルタ２４の再生を開始するか、または、アラームを起動してもよい。フィルタ２４の再生は、フィルタ２４の煤蓄積の合計量またはある閾値を超える局所的な煤目詰まりに基づいて起動されてもよい。別の実施例において、制御装置３４は、フィルタ２４を清掃または交換をするように操作者に警告するために、フィルタ２４の灰目詰まりがある閾値を超えると、アラームを起動してもよい。別の実施例において、制御装置３４は、フィルタ２４の障害または誤操作の検出、あるいは図３に表される個別のセンサおよび構成要素での誤操作の検出に応答して、アラームを起動してもよい。

制御装置３４は、また、例えば、コンピュータプログラムまたはアルゴリズム等、コンピュータ可読記憶媒体上に含有される一連の命令を実行してもよい。コンピュータプログラムは、排気またはエンジン動作状態、およびフィルタ２４の履歴に基づいて、フィルタ２４に蓄積された物質の成分を評価するために使用されてもよい。物質成分の推算は、一実施例においては、溶解性有機物質、炭素、および硫酸塩、ならびに灰等の煤構成成分を含む。別の実施例においては、コンピュータプログラムは、フィルタ２４に蓄積された物質の量を評価し、計算されたフィルタ２４の目詰まり値を、圧力測定値等、マイクロ波検知または何らかの他の手段を使用して測定されたフィルタ２４の目詰まり値に比較するために使用されてもよい。

一実施形態において、制御装置３４は、多様な構成要素およびサブシステムが正常に機能しているかどうかを確認するために、自己診断機能を実施してもよい。一実施例において、制御装置３４は、基準信号を生成するために、信号発生装置３６を制御してもよい。スプリッタ３８は、マイクロ波信号をスイッチ４８へ方向付けてもよい。制御装置３４は、基準信号がスプリッタ３８から基準キャビティ４６を通して検出装置４４へと通過することを可能にするスイッチ４８を操作してもよい。制御装置３４は、検出装置４４からの基準信号を周知の基準値と比較してもよい。検出された信号および基準が、許容可能な量よりもさらに逸脱する場合、制御装置３４は、アラームを起動または障害をログに記録して、エラーまたは誤動作を示してもよい。類似の様式において、基準のキャビティおよびスイッチはまた、診断システムの一部として、スプリッタ３８と検出装置４２との間で利用されてもよい。

別の実施形態において、制御装置３４は、信号発生装置３６に、プローブ２２によって、フィルタ２４を通して伝送される基準信号を生成するように命令してもよい。基準信号は、プローブ２０および検出装置４４（伝送）またはプローブ２２および検出装置４２（反射）によって受容され、制御装置３４に戻されてもよい。基準信号は、マイクロ波範囲であってもなくてもよく、筐体３２内で１つ以上の共振モードの生成になってもならなくてもよい。制御装置３４は、検出装置４４または４２からの該基準信号を周知の基準値に比較してもよく、また、この様式において、自己診断機能を実施してもよい。

キャビティ３２からサンプリングされる共振曲線は、フィルタ２４に収集される物質の量、種類、および分布を監視するために使用されてもよい。一実施例において、フィルタ２４に収集される物質は、煤または灰であってもよい。共振曲線の特徴は、さらに、例えば、亀裂またはフィルタ２４が溶解した領域を検出する等、フィルタ２４の状態または健全性を決定するために使用されてもよい。

キャビティ３２は、フィルタ２４の所与の質量の目詰まり時に、測定感度を強化、測定範囲を拡大、またはキャビティ３２の共振特徴を変更するように最適化されてもよい。

一実施例において、スクリーンまたはメッシュ等の外部要素は、フィルタ２４の上流または下流に設置されるか、筐体３２または排気管３０に接続されて、入口および出口区画のカットオフを上回る高い周波数の使用を可能にしてもよい。メッシュの代替として、排気管３０の改良を提供することにより、排気管３０の局所狭窄、メッシュ、またはスクリーン、あるいは、マフラーまたはエンジン等の他の排気要素の場所であっても、管３０の出力低下の伝送を防止することが可能であろう。より短い波長を備えるより高い周波数の使用は、キャビティ３２の共振モードの数を増加させ、局所的な物質の蓄積または分布を測定するためのセンサの空間分解能を改善することができる。

メッシュは伝導性であり、キャビティ３２の側壁または他の伝導性要素に接続、またはそれから切断され得る。スクリーンは、メッシュの変形であり、他の方向に伝導要素のない伝導体が所与のパターンで配列される。このように、電場は、伝導体に並行であるような分極を備えるモードに影響を与えるが、他のモードには影響しないことが可能である。スクリーンは必ずしも相互に並行である必要はないが、いくつかのモードが優先的に影響を受け、他は受けないように、異方性を有することが必要である。スクリーンは、並行伝導要素、放射状伝導要素、極方向要素、または他のパターンを有することができる。スクリーンおよびメッシュの好ましい配置は、平面形態にあるが、他の配置を排除することを意味しない。

加えて、フィルタ２４そのものは、より大型の筐体またはアセンブリ内の小型筐体内に設置されてもよい。この「二重壁」筐体構造は、フィルタ２４を含有するキャビティ３２の中心だけに煤を集中させる一方で、マイクロ波キャビティ３２のサイズを増加させる。さらに、共振キャビティ３２のサイズは、フィルタ２４がキャビティ３２の小さい部分だけを占有するように、フィルタ２４に対して増加されてもよく、それによってシステムの動作範囲を拡張する。

図４は、さらに、測定値の信号対ノイズ比を改善するために使用されてもよいホモダイン検出を使用するシステムを示す。制御装置３４は、ＲＦ信号をスプリッタ３８にフィードする信号発生装置３６を制御する。スプリッタ３８は、信号を循環装置４０または位相シフト装置６０にフィードしてもよい。位相シフト装置６０は、混合器６２に接続される。

循環装置４０は、プローブ２２に接続され、ＲＦ信号が、キャビティ３２を通してプローブ２２によって伝送および受容されることを可能にしてもよい。代替として、プローブ２２は、フィルタ２４を通してＲＦ信号をプローブ２０へ伝送してもよい。キャビティ３２は、フィルタ２４を収容し、導管３０に接続されて、特定のフィルタユニット１０を成してもよい。また、キャビティ３２は、混合器６２に接続されるプローブ２０を含有してもよい。混合器６２は、制御装置３４にも接続される検出装置４４に接続されてもよい。温度センサ５６および湿度センサ５８も、フィルタ２４の上流または下流いずれかの導管３０に接続されてもよい。

検出装置４２および４４によって受容される信号は、制御装置３４に伝送される前に、フィルタリングまたは増幅されても、されなくてもよい。

システム動作は、混合器６２と共に位相シフト装置６０を利用する。位相シフト装置６０は、信号発生装置３６によって生成され、スプリッタ３８から受容された信号の位相を変更する。位相シフト装置６０に向かう、スプリッタ３８からの信号（Ｖ１）およびキャビティ３２に収容されたフィルタ２４を通して伝送された信号（Ｖ２）は、混合器６２の中で組み合わされる。

混合器６２からの信号は、ＤＣバイアス、およびＶ１^＊Ｖ２^＊ｓｉｎ（Φ）＋ＤＣバイアスとして変動する成分を有し、Φは、位相シフト装置６０からの位相に、安定状態の位相成分を加えたものである。ＤＣバイアスは、Φに依存しない。位相を変更することによって、Φは変動し、成分Ｖ１^＊Ｖ２は、信号から抽出され得る。より大きいＶ１を使用することによって、キャビティからの小さい信号Ｖ２を検出することが可能である。成分Ｖ１^＊Ｖ２^＊ｓｉｎ（Φ）は、混合器６２の出力または制御装置３４による信号処理を電気的にフィルタリングすることを介して決定され得る。

図５は、周波数の関数として伝送要素Ｓ２１を示しており、図６は、単一の発射機／受容機システムからの反射を示す。図５において、ロッドアンテナが、図１に示されるように、トラップの対向する側に設置されていた。図６のグラフは、単一のアンテナを用いて作成されたもので、情報は、反射信号の中にある。図５および図６は共に、１ＧＨｚから２ＧＨｚまでの周波数範囲を掃引するように電圧制御発振器、およびコーディエライト微粒子フィルタを含有する５．６６インチの直径のキャビティの中で伝送信号を検出するためにショットキーバリアダイオードを使用して生成された複数の共振モードを示す。クリーンなフィルタ２４に対して、煤の蓄積は、共振ピークの振幅の減少、共振ピークの周波数のシフト、ピーク幅の増加、およびクオリティファクタＱの減少を発生させる。これらのパラメータの全ては、フィルタ２４の目詰まりを監視するために使用されてもよく、信号特徴の変化は、図７にグラフで示される。

具体的には、図５は、煤の存在が、各モードにおける共振周波数を減少させ、さらにクオリティファクタＱも減少させる。加えて、各ピークの振幅も、煤が存在しない場合に生成される波形に比較すると減衰させられる。同様に、図６は、各共振周波数における振幅の劇的な減少、ならびに周波数のシフトおよびＱの減少を示す。

図７は、図５の伝送モードの拡大図であり、１．７ＧＨｚ近傍のモード付近の詳細を示す。上記のように、煤の存在は、受容された波形の特徴を変化させる。この図では、振幅は、煤が存在する場合に減少する。同様に、ピーク幅は増加し、そのクオリティファクタＱを減少させる。最後に、共振の周波数は、煤の存在に起因してシフトさせられる。トラップ目詰まりの決定が下されることを可能にするのはこれらの差異である。

上記の信号パラメータ、すなわち、振幅、周波数、ピーク幅、クオリティファクタ等は、縮退モードからの衛星信号を含み、制御装置３４を使用してサンプリングされた共振曲線から計算され得る。いくつかの事例において、これらの信号パラメータは、アナログ手段によって決定されてもよく、他の事例においては、デジタル手段による等のより高度な信号処理、および多様なアルゴリズムの適用が採用されてもよい。アルゴリズムは、制御装置３４の中またはアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上に記憶されてもよい。共振曲線は、２回以上サンプリングされてもよく、信号パラメータは、共振曲線または、１つのサイクルが信号発生装置３６によって生成された全体の周波数範囲である複数のサイクルを平均化した後に計算されてもよい。別の実施例において、共振曲線に対する信号パラメータは、各サイクルに対して計算されてもよい。平均値、中央値、最頻値、および多様なパラメータの標準偏差等の追加の信号統計データがまた計算され、フィルタ２４の目詰まりを決定するために利用されてもよい。

図８は、マイクロ波検知システムのセンサ出力を、１つのキャビティ３２の共振モードに対するフィルタ２４の煤目詰まりの関数として示す。この実施例において、センサ出力は、信号クオリティファクタの逆数である。振幅、周波数、ピーク幅、クオリティファクタ等の上記のパラメータのいずれかは、フィルタ２４の目詰まりを決定するために使用されてもよく、いくつかのパラメータは、特定の用途において他よりもより利点がある。例えば、いくつかの事例において、信号振幅が、フィルタ２４の煤目詰まりの増加とともに非線形に減衰し、一方で、図８に示されるように、信号クオリティファクタの逆数は直線に挙動してもよい。

図８はまた、制御装置３４によってアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上にアップロードされてもよい較正曲線を表す。較正は、例えば、参照テーブル、数式、または他の好適な形であってもよい。測定された共振曲線および計算されたパラメータの比較は、フィルタ２４の目詰まりを決定するために較正値と比較されてもよい。いくつかの事例において、フィルタ２４の目詰まりが何らかの重要な値を超えたか否かを決定することだけが重要であってもよいので、１つの較正値または閾値だけが必要とされてもよい。他の用途においては、図８に示されるようなより詳細な較正関数が必要とされてもよい。

図５および図６に示される多様な共振モードは、キャビティ３２の異なる領域の電場強度の変動に起因する。高い電場強度の領域は、それらの領域の物質蓄積の存在によって、より強く影響を受ける。この影響は、フィルタ２４に蓄積される物質の分布を監視するために利用されてもよい。

図９は、異なる共振モードが、フィルタ２４の高い電場強度の異なる領域においてどのように生じるかを示す図である。図９には、フィルタ２４だけが示され、共振キャビティ３２は示されない。図は、モードＸが、フィルタ２４の中心の高電場の領域において生じ、モードＹが、フィルタ２４の入口および出口区画の高電場の領域において生じることを示す。モードＸおよびＹをサンプリングすることによって、フィルタ２４の物質目詰まりの分布が決定され得る。動作の周波数範囲を拡大すること等によって、フィルタ２４において生成されるモードの数をさらに増加させると、図９のモードＺによって示されるように、フィルタ２４のより多くの領域をサンプリングすることによって、測定値の空間分解能を増やし得る。モードの軸方向分析結果の実施例が図９に示されたが、放射方向におけるモード構造および電場強度の差異も存在し得、フィルタ２４に蓄積された物質の放射方向の分布を決定するために使用され得る。

フィルタ２４における物質蓄積が均一である場合、全ての共振モードは等しく影響を受け得る。物質分布の不均一が存在するとき、いくつかのモードは、他よりもさらに影響を受け得る。図１０は、３つの共振モードを示すデータを示し、明確にＡ，Ｂ、およびＣとして示される。煤のない事例に対応するデータは、クリーンなフィルタ２４である。煤のある事例に対応するデータは、共振モード特徴に対する不均一な煤分布の影響を示す。この事例において、煤は、フィルタ２４の前面の外周近辺にのみ沈着した。明らかに、モードＡおよびＣは、フィルタ２４のこの領域の煤の存在によって影響を受けているが、モードＢは影響を受けていない。

一実施例において、複数の共振モードが、フィルタ２４において生成され、サンプリングされ得る。いくつかの信号パラメータが測定されるか、または共振曲線から計算されてもよい。各測定信号パラメータＰ_ｉ，ｍに対して（下付き文字「ｉ」は、モード番号に対応する）、基準信号パラメータＰ_ｉ，ｒからの測定された信号パラメータの偏差Ｄｅｖ_ｉは、以下の通りである。

Ｄｅｖ_ｉ＝（Ｐ_ｉ，ｍ−Ｐ_ｉ，ｒ）／Ｐ_ｉ，ｒ
各モードｉに対する同じ信号パラメータの偏差Ｄｅｖ_ｉが同様の場合、フィルタ２４の目詰まりは均一である。しかしながら、各モードに対する同じ信号パラメータの偏差が、１つ以上のモードの偏差から有意に異なる場合、煤の目詰まりは不均一であり得る。

この実施例をピーク振幅に対して図１０に適用すると、Ｄｅｖ_Aは−０．２４、Ｄｅｖ_Bは−０．０６、Ｄｅｖ_Cは−０．２６であることを示す。結果は、フィルタ２４の前面の煤蓄積は、主にモードＡおよびＣに影響を与えるが、モードＢは比較的影響を受けないことを示す。一方で、モードＡおよびＣに対するモードＢの信号偏差の大きい変化は、フィルタ２４の前面に物質蓄積が殆どないことを示すであろう。しかしながら、共振モード構造は、キャビティ３２の設計および形状の関数であることに注意されたい。適切な共振モードを生成するためのシステム動作周波数の選択は、キャビティ３２の形状ならびにサンプリングされるフィルタ２４の領域の両方に依存する。上記の方法は、フィルタ２４の異なる領域の物質蓄積に対する関連の特定の共振モードに必要な相関関係を構築するために使用され得る。

図１１はさらに、１つのフィルタ２４共振モードに対するマイクロ波応答に関する、フィルタ２４に蓄積された物質の空間分布の影響を示す。図１１のグラフは、フィルタ２４の目詰まりが比較的低いレベルの場合、フィルタ２４の煤目詰まりの関数として、信号クオリティファクタと逆の変化を示す。線６４に対応するデータは、フィルタ２４の均一な煤蓄積による。線６６では、フィルタ２４の中心は、当初、フィルタ２４の煤目詰まりの最初の０．５ｇ／Ｌの間、妨害され、それによって、フィルタ２４のこの領域に煤が蒸着することを防止する。

フィルタ２４の中心に煤が全く沈着しなかった場合、共振モード信号特徴は変化しなかった。具体的には、図１１、線６６に示されるデータは、０ｇ／Ｌから０．５ｇ／Ｌまでの煤レベルのフィルタ２４に対して、信号クオリティファクタの逆数に変化がないことを示す。妨害物が除去され、煤がフィルタ２４の中心に沈着した時、信号クオリティファクタの逆数は、煤目詰まりと共に増加し、これは、煤レベルが０．５ｇ／Ｌを超えるときの線６６によっても示される。信号パラメータが、図１１に示されるようなクオリティファクタである必要はないが、例えば、１つ以上の共振モードの振幅、ピーク幅、または周波数等の任意の好適なパラメータであり得ることに注意されたい。同様に、上記の信号パラメータのうちの１つの平均値、中央値、最頻値、または標準偏差等の信号の統計値も使用されてもよい。

一実施例において、モード５等の１つの特定のモードの変化を監視することによって、他の共振モードに対して、フィルタ２４の中心に蓄積された物質の量が決定されてもよい。共振モードの全ての同様の変化は、フィルタ２４内、または、少なくとも使用されるモードによってサンプリングされる領域に対して、均一な物質蓄積を示す。他のモードに対する、モード５の信号クオリティファクタの逆数の増加は、フィルタ２４の中心に蓄積した物質の増加を示す。他のモードに対する、モード５の信号クオリティファクタの逆数の減少は、フィルタ２４の中心に蓄積した物質が少ないことを示す。

しかしながら、任意の信号パラメータまたは統計値が使用されてもよいこと、および共振モード構造は、キャビティ３２の設計および形状の関数であることに注意されたい。適切な共振モードを生成するためのシステム動作周波数の選択は、キャビティ３２の形状ならびにサンプリングされるフィルタ２４の領域の両方に依存する。低次および高次の両方の、追加のモードを含めることによって、測定の空間分解能を向上させてもよい。フィルタ２４の多様な領域の物質目詰まりに関する、他の共振モードの特徴の変化に対する同様の相関関係が開発されてもよい。

図１０および図１１に示されるように、共振曲線をサンプリングすること、および複数の共振モードの信号応答の変化を比較することは、このように、フィルタ２４に蓄積された物質の空間分布に関する情報を提供する。

いくつかの事例において、フィルタ２４の物質の場所は、重要でなくてもよく、フィルタ２４の目詰まりの顕著な不均一性が存在するかどうかを決定することだけが重要であってもよい。これらの用途において、制御装置３４は、１つの共振モードに対応する少なくとも１つの信号パラメータの値が許容範囲の外側にあるときに、動作を開始するように構成されてもよい。例えば、フィルタ２４の再生は、局部のフィルタ２４の煤目詰まりが何らかの閾値を超えるときに開始されてもよく、フィルタ２４の中により高い煤目詰まりが存在することは重要ではなく、目詰まりが、許容可能な範囲の外側である等、十分に不均一であることだけが重要であってもよい。

マイクロ波検知システムはまた、フィルタ２４に蓄積される物質の種類を決定するために利用されてもよい。図１２は、フィルタ２４が灰を含有する場合および含有しない場合の、１つのフィルタ２４の共振モードに対する信号特徴の差を示す。この実施例では、灰の存在は、縮退モード、または、小さいサイドモード、または主要共振モード近辺のピークに強く影響する。フィルタ２４の灰レベルが増加すると、これらの副モードの振幅、ピーク幅、クオリティファクタ、および周波数が影響を受ける。これらのサイドモードまたはピークの特徴の変化を検出するためにマイクロ波信号を監視することは、灰および煤の両方の目詰まりを同時に検出するための１つの手段を提供する。

伝導性微粒子がキャビティ３２内に沈着すると、部分的な伝導層が存在するため、キャビティ３２の誘電特性が変化し得る。これが発生すると、吸収が増加するだけでなく、モード特性も変動する。これは、フィルタ２４の表面上の伝導性媒体の存在下でのモードの挙動に起因する。概して、モードは、表面に対して、異なる配向を有する。アンテナは、異なる極方向配向の同じ電場構造の複数のモードを生成することができるので、少なくとも、同じ周波数において複数のモードが存在する（縮退モード）。表面のうちの１つに主に直交し（および、このため、フィルタは通常四角いチャネルを使用するので）、表面のうちの１つに対して並行な電場を用いるモードは、電場がいずれかの表面に対して４５度であるものとは異なる動作を有することになる。このため、部分的に伝導性の電気経路を用いて、周波数のシフトによって、２つのモードの間を区別することが可能であってもよい。この特性を最適に使用するためには、複数のモードを生成することができるアンテナを有すること（いずれか大型アンテナ）、または複数のアンテナを有することが有用であろう。これらのアンテナは、電気双極子（ロッド）または磁気双極子（電流ループ）であり得る。

別の種類のモード縮退は、デバイスの中央平面に対して対称ではないモードのためである（終端からの中間点の軸に対して垂直な平面）。１つのモードは、デバイスの区画上（デバイスの１つの端であってもよい）に高電場を、他方の上に低電場を有する。対称性のために、そのようなモードは、反対側に高電場を備えた、反対の動作を有する対応するモードを有する。対称性のために、両方のモードは、均一に目詰まりのあるフィルタ２４に対して同じ周波数および同じＱを有するであろう。例えば、灰等の汚染物質が不均一な態様で蓄積する場合、モードのうちの１つは、他とは異なって影響を受けることになり、このため、他とは異なるモードのうちの１つにおいて、周波数のシフトおよびＱの変化が存在する。このため、モード縮退が破壊され、測定に複数のピークが観察される。

２つ以上のアンテナまたは導波管は、ＤＰＦを通して信号を伝送するために使用されてもよい。不均一な物質目詰まり等、不均一性のあるＤＰＦの場合、異なる分極（ＤＰＦに関して）を使用することは、縮退モードを区別することになる。

ピークの出現および消失（統合）は、目詰まりの量および種類、目詰まりの不均一性、ならびにキャビティ３２の他の特性を測定するために使用され得る。また、温度を測定することも可能であってもよく、再生を特徴付けるため、および（蓄積／酸化は、トラップの温度／酸素／目詰まり特徴に依存する）触媒型ＤＰＦの通常動作の間の煤蓄積を決定するために有用である。

加えて、主に多様な金属酸化物から成る灰、硫酸塩、およびリン酸塩もまた、フィルタ２４およびフィルタ２４上で収集される煤とは異なる誘電特性を示し得る。灰および煤の誘電特性もまた、温度の関数および多様な共振モードを生成するために使用される周波数の関数として変動し得る。一実施例において、灰の誘電特性は、上昇した温度において増加したＲＦ信号吸収を生じさせ、１つ以上の共振モードの振幅およびクオリティファクタの減少（ピーク幅の増加）を生じさせ得る。この態様において、上昇した温度において灰が目詰まりしたフィルタ２４の共振モード特徴を、灰を全く含まない同じ温度におけるフィルタ２４の基準信号と比較することによって、灰が容易に検出され、高温フィルタ２４の再生という結果になり得る。さらに、複数の共振モードを生成およびサンプリングすることによって、フィルタ２４内の灰の分布が決定されてもよい。

概して、フィルタ２４の２種類以上の物質の量および分布は、各物質が異なる誘電特性を有する場合、上記の方法を使用して決定されてもよい。さらに、異なる物質の誘電率はまた、異なる温度および周波数依存性を有し得る。これらの差異の全ては、共振モード構造に影響を与えることになり、フィルタ２４内の物質の量および種類の両方を決定するために利用され得る。これらの原理は、無数の物質に適用され得、煤または灰に限定されない。

蓄積物質の成分を決定するための追加のパラメータは、反射（Ｓ１１、Ｓ２２）および伝送（Ｓ１２、Ｓ２１）モードでＲＦフィルタ目詰まり測定システムを操作することによって提供され得、それによって、結合行列の中に追加要素を含む。

任意の所与のモードｍに対して、信号振幅比（Ａ_ｍ）、共振周波数（ｆ_ｍ）およびクオリティファクタ（Ｑ_ｍ）は、フィルタ２４における異なる目詰まりについての関数である。したがって、
Ａ_ｍ＝ｆ_ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）
ｆ_ｍ＝Ｇ_ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）
Ｑ_ｍ＝Ｈ_ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）
であり、式中、（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）は、種１、２、．．．、ｎの目詰まりである。異なる種は、概して、誘電率の実数部および虚数部の異なる値を有し（周波数シフトは大部分が誘電率の実数部に依存し、振幅比およびクオリティファクタは虚数部により依存する）、実数部および虚数部は、また、周波数と共に変動するので、Ａ_ｍ、ｆ_ｍおよびＱ_ｍの異なる量の依存性は、異なる種に対して異なる機能的依存性を有する。エキスパートシステムを使用する等、標準的な手段を介して、異種の内容の近似値を提供することが可能である。外部の較正は、逆アルゴリズムが要求され得る。信号の数が大きくなればなるほど、種の数は小さくなり、評価が改善される。成分の評価を向上するために、この方法と共に他の搭載された診断を使用することが可能である。

逆アルゴリズムは、次の形式である。

α_１＝Ｘ（Ａ_１，Ａ_２．．．，Ａ_ｐ，ｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_ｐ，Ｑ_１，Ｑ_２，．．．，Ｑ_ｐ）
α_２＝Ψ（Ａ_１，Ａ_２．．．，Ａ_ｐ，ｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_ｐ，Ｑ_１，Ｑ_２，．．．，Ｑ_ｐ）
…
α_ｎ＝Ｚ（Ａ_１，Ａ_２．．．，Ａ_ｐ，ｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_ｐ，Ｑ_１，Ｑ_２，．．．，Ｑ_ｐ）
アルゴリズムはまた、予想および実際の目詰まりからの偏差の評価を提供することができる。図８および１１に示されるように、１つ以上の共振モードの振幅、周波数、または幅等の他のパラメータが使用されてもよいが、一実施例において、目詰まりは、Ｑに対して反比例する。このため、式の形式は、代替的に以下であり得る。

α_１＝Ｘ（Ａ_１，Ａ_２．．．，Ａ_ｐ，ｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_ｐ，１／Ｑ_１，１／Ｑ_２，．．．，１／Ｑ_Ｐ）
α_２＝Ψ（Ａ_１，Ａ_２．．．，Ａ_ｐ，ｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_Ｐ，１／Ｑ_１，１／Ｑ_２，．．．，１／Ｑ_Ｐ）
…
α_ｎ＝Ｚ（Ａ_１，Ａ_２．．．，Ａ_ｐ，ｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_Ｐ，１／Ｑ_１，１／Ｑ_２，．．．，１／Ｑ_Ｐ）
さらに、以下の形式の式によって、各モードのキャビティ因子の依存性を決定することが有利である。

Ａ_ｍ＝Ｆ_ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）
ｆ_ｍ＝Ｇ_ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）
１／Ｑ_ｍ＝Ｈ’_ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）
アルゴリズムのこの行列の逆は、Ｈ_ｍを使用する一組の式を逆にするよりもロバストである。

上記のプロセスは、成分分布の決定を含むように一般化され得る。（α_１，α_２，．．．，α_ｎ）はモードαによって最も影響を受けるコンセントレーション（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）であり、（β_１，β_２，．．．，β_ｎ）はモードβによって最も影響を受けるコンセントレーションである等と仮定すると、上記の方法は、異なる種の分布を含むように一般化され得る。「最も影響を受ける」とは、関連モードの電界が高い、フィルタ２４におけるそれら領域を示す。この場合、逆アルゴリズムは、
Ａ_ｍ＝Ｆ^＊ _ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ，β_１，β_２，．．．，β_ｎ，．．．，）
ｆ_ｍ＝Ｇ^＊ _ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ，β_１，β_２，．．．，β_ｎ，．．．，）
１／Ｑ_ｍ＝Ｈ^＊ _ｍ（α_１，α_２，．．．，α_ｎ，β_１，β_２，．．．，β_ｎ，．．．，）
となる。

式よりも多くの変数が存在することが可能であり、したがって、逆を提供するためには、異なる合成物の可能性が高い場所について、想定を行うことが必要な場合がある。最良の方法は、異なる場所における異なる合成物の異なる目詰まりを用いて、データの大規模行列を構築してから、逆アルゴリズム（単数または複数）を導くためのエキスパートシステム（ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ）を使用することであろう。

亀裂および溶解等のフィルタ２４の障害は、セラミック基板の誘電特性に影響を与える。亀裂、破損、または溶解による基板の一部の欠損によって、フィルタ２４の所定の領域に無効空間が生じる。実験データは、図１３に表されるように、様々な欠陥を有するフィルタに対するマイクロ波信号応答における変化を示している。信号応答の変化として、とりわけ、周波数のシフト、振幅の変化、およびフィルタ２４のクオリティファクタの変化が挙げられる。

加えて、フィルタ２４の障害は、フィルタ２４の特定の領域における特異物質の蓄積またはその欠如を監視することによって、検出されてもよい。亀裂、破損、または溶解したフィルタ２４は、煤がフィルタ２４から漏れることを可能にし、障害付近の領域にほとんど煤または灰の蓄積が見られなくなる。加えて、フィルタ２４の障害モードはまた、フィルタ２４を通る排気ガスのフローに影響を与え得る。排気フロー分布の変化はまた、ＤＰＦ内に捕集される物質の沈着特性に影響を与えることになり、これは、複数の共振モードを使用して、蓄積された物質の分布を監視することによって検出され得る。

本明細書において開示されるマイクロ波検知システムは、安価な構成要素を使用することができ、マイクロ波発生源は、携帯電話に使用されるような強化マイクロ波チップであり、受容器は、増幅を有するかまたは有しない単純なダイオードであり得る。マイクロ波チップは、検出装置４４または４２、信号発生装置３６、および制御装置３４を含有してもよい。検出システムは、ロックイン検出、ヘテロダイン検出、ホモダイン検出等の高度な検出システムを使用することができる。

目詰まりは、（エンジン等からの）煤または灰の目詰まりであると想定されたが、背景のフィルタ材料とは異なる誘電率を有する限り（エア／エンジン排気の場合のもの）、フィルタの表面上に相当量で蓄積する任意の物質が測定され得る。

当業者には、本発明の変更および変形が生じることが認識され、そのような変更および変形は、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図される。

したがって、本明細書において説明される多様な実施形態の無線周波数フィルタ目詰まり測定システムおよびシステムの制御の方法は、フィルタ内に蓄積される物質の量、種類、および分布を監視、ならびにフィルタまたはシステムの障害を検出するために使用され得る。システムは、さらに、フィルタの監視された目詰まり状態または状況に基づいて動作を起動してもよい。

上記の説明は、かなりの特異性を含有するが、これは、任意の実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、これらの現在の好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。多様な実施形態の教示内において、多数の他の効果および変形が可能である。例えば、無線周波数目詰まりセンサは、フィルタ内の物質目詰まりの量、種類、および分布の知識が重要である場合の任意の用途の任意の種類のフィルタに適用され得る。

本明細書に説明されるフィルタ目詰まり測定システムの追加の用途の例として、ＨＶＡＣシステム内で使用するためのエアフィルタ、および工業用途で使用されるフィルタバッグ筐体が挙げられる。フィルタは、エンジンに接続される必要はないが、いくつかの目的のために使用されてもよい。さらに、フィルタ検知システムは、気体からの微粒子のろ過に限定されず、液体に等しく適用可能である。

このように、本発明の範囲は、所与の実施例によってではなく、添付の請求項およびそれらの法的相当物によって判断されるべきである。

Claims (14)

1. 共振キャビティを形成する金属製容器内に含有されるフィルタの汚染物質目詰まり及び汚染物質空間分布を決定する方法にして、前記フィルタが第１誘電率を有し、前記汚染物質が前記第１誘電率とは異なる第２誘電率を有する方法であって、
   複数のキャビティ共振モードを含むように該キャビティ内にマイクロ波エネルギーを確立するステップと、
   前記複数のキャビティ共振モードにおいてキャビティマイクロ波応答の変化を監視するステップと、
   前記複数のキャビティ共振モードの各々での前記キャビティマイクロ波応答の変化に基づいて、前記フィルタの前記汚染物質の目詰まりを決定するステップを含み、
   前記フィルタの前記汚染物質の目詰まりを決定するステップが、前記フィルタの前記汚染物質の空間分布を決定することを含む、方法。
2. 前記キャビティマイクロ波応答の変化は、前記複数のキャビティ共振モードのうちの１つのＱの変化を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記キャビティマイクロ波応答の変化は、前記複数のキャビティ共振モードのうちの１つの振幅の変化を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記キャビティマイクロ波応答の変化は、前記複数のキャビティ共振モードのうちの１つの周波数の変化を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記キャビティ共振モードと前記フィルタの前記汚染物質の前記空間分布の相関関係を構築するステップと、
   前記相関関係に基づいて前記汚染物質の蓄積領域を決定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記汚染物質の目詰まりに基づくフィルタ再生の開始のステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記汚染物質が煤である請求項１に記載の方法であって、
   前記複数のキャビティ共振モードの各々での前記キャビティマイクロ波応答の変化に基づいて前記フィルタ内の灰の量を決定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. １つのアンテナが、反射モードで使用されることにより、前記キャビティへマイクロ波エネルギーを伝送し、前記キャビティからマイクロ波エネルギーを受信する、請求項１に記載の方法。
9. ２つのアンテナが伝送モードで使用され、一方のアンテナは、前記キャビティへマイクロ波エネルギーを伝送し、他方のアンテナは、前記キャビティからマイクロ波エネルギーを受信する、請求項１に記載の方法。
10. 前記２つのアンテナの各々が反射モードでも使用される、請求項９に記載の方法であって、
    前記伝送アンテナ、前記受信アンテナ、および使用されるモードに基づく結合行列を作成するステップを更に含む、方法。
11. フィルタの汚染物質目詰まり及び汚染物質空間分布を決定するシステムにして、その汚染物質が前記フィルタの第１誘電率とは異なる誘電率を有する、システムであって、
    フローから前記汚染物質を除去するように適合されるフィルタと、
    共振キャビティを形成する金属製容器であって、前記フィルタを収納する金属製容器と、
    前記キャビティの複数の共振モードを包含するように周波数範囲内で信号を出力する信号発生装置と、
    前記信号発生装置から前記キャビティの中へ前記信号を伝送する少なくとも１つのアンテナと、
    前記キャビティから伝送された前記信号を受信する少なくとも１つのアンテナと、
    前記受信した信号のパラメータを基準と比較し、当該比較に基づいて前記汚染物質の目詰まりを決定するように構成される制御装置を備え、
    前記制御装置が、前記フィルタの前記汚染物質の空間分布も決定する、システム。
12. 前記基準は、以前に受信された信号を含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記基準は、記憶された値を含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記パラメータは、振幅、周波数、およびクオリティファクタから成る群より選択される、請求項１１に記載のシステム。

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