KR20130116282A - 디젤 배기가스 플루이드의 품질 및/또는 깊이를 결정하는 시스템들 및 방법들 - Google Patents

디젤 배기가스 플루이드의 품질 및/또는 깊이를 결정하는 시스템들 및 방법들 Download PDF

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Abstract

탱크 내의 플루이드의 품질 및/또는 깊이를 결정하기 위한 시스템이 개시된다. 시스템은 컨트롤러, 하나 이상의 트랜스듀서들, 및 온도 센서를 포함한다. 고정된 거리 트랜스듀서는 고정된 표면을 향해 사운드 웨이브를 송신한다. 깊이 트랜스듀서는 플루이드의 표면에서 반사되는 사운드 웨이브를 송신한다. 온도 센서는 탱크 내의 플루이드의 온도를 감지하고, 온도의 표시를 컨트롤러에게 제공한다. 컨트롤러는 사운드 웨이브들이 고정된 거리 트랜스듀서와 고정된 표면 사이에서 이동하는 경과 시간, 및 사운드 웨이브들이 깊이 트랜스듀서와 컨테이너 내에 보유된 플루이드의 표면 사이에서 이동하는 경과 시간을 측정한다. 경과 시간들 및 플루이드의 온도를 이용하여, 컨트롤러는 플루이드의 품질 및 깊이를 결정할 수 있다.

Description

디젤 배기가스 플루이드의 품질 및/또는 깊이를 결정하는 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS OF DETERMINING A QUALITY AND/OR DEPTH OF DIESEL EXHAUST FLUID}
관련 출원들
본 출원은 그 전체 내용이 여기에 참고로 포함되어 있고 2010년 11월 11일에 출원된 이전-출원된 동시-계류 중인 미합중국 가특허 출원 제61/412,667호의 이점을 청구한다.
본 발명은 물 기반 플루이드(fluid)의 품질 또는 농도 및/또는 탱크 내의 플루이드의 깊이를 결정하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 탱크 내에 포함된 디젤 배기가스 플루이드(DEF:diesel exhaust fluid)의 품질 및 농도 및/또는 탱크 내의 DEF의 깊이를 결정하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
DEF는 디젤 엔진들의 배기가스(exhaust)에서 질소산화물(nitrous oxide)(NOx) 가스들을 감소시키는데 이용된다. DEF는 정제된 물(purified water)과, 미스트(mist)로서 배기가스에 주입되는 32.5% 자동차 등급(automotive grade) UREA의 혼합물이다. 미스트는 배기가스와 혼합하고 배기가스 내의 NOx를 질소, 물 및 이산화탄소(carbon dioxide)로 분해한다. 디젤 연료, 물, 에틸렌 글리콜 등과 같은 오염물(contaminant)들이 DEF와 혼합하는 경우에, 배기가스 내의 NOx를 줄이는 DEF의 능력이 감소되고/되거나 NOx 환원제 시스템(reductant system)에 역행불가능한 손상이 발생할 수 있다.
DEF는 차량의 탱크 내에 저장되고 연소되고 있는 디젤 연료에 대해 약 1:50의 비율로 배기가스에 주입된다. 부가적인 DEF를 추가할 필요성이 있을 때 표시를 사용자에게 제공하기 위해 탱크의 DEF의 레벨이 결정된다.
본 발명은 잠긴 압전 초음파 트랜스듀서들(immersed piezoelectric ultrasonic transducers)을 이용하여, 탱크 내의 DEF의 레벨을 검출하고(예를 들면, 남아있는 DEF의 양의 표시를 오퍼레이터에게 제공하고) DEF가 오염되었는지를 결정한다(오염물의 타입 및 양을 결정하는 것을 포함함). DEF 용액(DEF solution) 내의 UREA의 농도 레벨이 또한 측정된다. DEF 플루이드의 품질에 대한 표시가 DEF 제어 시스템에 제공될 수 있어, 사용자가 필요한 경우에 개선 조치를 취할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명은 탱크, 컨트롤러, 트랜스듀서, 및 온도 센서를 포함하는 시스템을 제공한다. 온도 센서는 탱크 내의 플루이드의 온도를 감지한다. 컨트롤러는 감지된 온도를 이용하여, 플루이드를 통해 이동하는 초음파 신호에 대한 온도-종속형 사운드의 속도를 도출한다. 컨트롤러는 트랜스듀서에 대한 제1 명령 신호(command signal)를 생성한다. 이에 응답하여, 트랜스듀서는 고정된 표면을 향해 초음파 사운드 웨이브(ultrasonic sound wave)를 생성하고 고정된 표면에서 반사된 초음파 사운드 웨이브의 에코를 수신한다. 컨트롤러는 트랜스듀서에 의한 초음파 사운드 웨이브의 송신과 트랜스듀서에 의한 에코의 수신 사이의 경과 시간(elapsed time)을 결정한다. 컨트롤러는 또한 경과 시간 및 플루이드의 감지된 온도에 기초하여 탱크 내의 플루이드의 임의의 오염물들의 농도 및 존재를 결정한다.
컨트롤러는 또한 송신된 초음파 사운드 웨이브의 진폭을 변조함으로써 수신된 초음파 에코(ultrasonic echo)의 품질을 개선시킨다. 컨트롤러는 트랜스듀서에 인가된 명령 신호의 진폭 및/또는 전압 펄스들의 개수를 변화시킴으로써 초음파 사운드 웨이브를 변조시킨다. 양호하게는, 트랜스듀서는 공진 상태에서 구동되고, 여기에서 일련의 전압 펄스들의 주파수는 트랜스듀서의 온도-종속형 주파수 특성들과 매칭한다. 컨트롤러는 온도 기반 정보를 포함하는 룩업 테이블을 활용하여 명령 신호를 생성할 수 있다.
컨트롤러는 또한 초음파 에코가 유효한지를 결정한다. 초음파 에코는 에코가 미리 결정된 시간 윈도우 내에서 수신되는 경우에 유효한 것으로 결정된다. 에코는 에코를 표현하는 신호의 진폭이 미리 결정된 범위 내에 있는 경우에 유효한 것으로 더 결정된다. 에코는 에코를 나타내는 신호의 지속기간이 미리 결정된 범위 내에 있는 경우에 유효한 것으로 더 결정된다. 컨트롤러는 예상되는 경과 시간 윈도우, 예상되는 에코 진폭 범위, 및 예상되는 에코 지속기간 범위 중 적어도 하나를 생성한다.
컨트롤러는 주어진 초음파 송신의 다중 에코 반사들(multiple echo reflections)을 기록하여, 기록된 시간 측정의 해상도(resolution)를 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 온도 센서로부터의 정보는 컨트롤러에 결합된 통신 모듈을 통해 다른 디바이스들 및 다른 로케이션들에 배포될 수 있다.
또 하나의 실시예에서, 본 발명은 탱크, 컨트롤러, 트랜스듀서, 및 온도 센서를 포함하는 시스템을 제공한다. 온도 센서는 탱크 내의 플루이드의 온도를 감지하고 컨트롤러에게 온도의 표시를 제공한다. 컨트롤러는 감지된 온도를 이용하여, 플루이드를 통해 이동하는 초음파 신호에 대한 온도-종속형 사운드의 속도를 도출한다. 컨트롤러는 트랜스듀서에 대한 제1 명령 신호를 생성하고, 트랜스듀서로부터 제1 에코 신호를 검출하며, 트랜스듀서가 근계 시간(near-field time) 내에 제1 에코 신호를 수신했는지 여부를 결정한다. 제1 에코 신호가 근계 시간 내에 수신되었다면, 컨트롤러는 미리 결정된 범위 내의 크기를 가지는 제2 에코 신호를 검출한다. 제2 에코 신호가 미리 결정된 시간 양 내에 검출되지 않는다면, 컨트롤러는 제1 에코 신호를 무시하고, 제1 명령 신호와 상이한 제2 명령 신호를 생성한다. 컨트롤러는 제2 에코 신호가 검출될 때까지 제2 명령 신호를 변형한다. 컨트롤러는 제1 에코 신호, 또는 제1 에코 신호와 제2 에코 신호 사이의 차이를 타겟까지의 거리를 나타내는 값, 또는 탱크 내의 플루이드의 양의 체적 표현(volumetric representation)으로 변환시킨다. 컨트롤러가 진짜 에코 신호와 부차적인 에코 반사를 구별할 수 있도록 보장하기 위해, 컨트롤러는 트리거 명령을 연속적으로 뒤따르는 트랜스듀서의 출력을 모니터링함으로써 트랜스듀서의 링 시간(ring time)을 측정하도록 프로그래밍된다. 컨트롤러는 출력 신호가 미리 정의된 시간의 기간 동안 하이인 경우에 링 시간을 완전한 것으로 간주한다. 컨트롤러는 링 시간 및 다른 측정된 변수들에 영향을 미칠 수 있는 온도 변경들을 보상하도록 프로그래밍되고, 각 측정을 수행하기 이전에 트랜스듀서의 링 시간을 결정한다. 컨트롤러는 링 시간의 약 2와 1/3 배(two and one-third times)에서 근계 시간을 설정한다.
컨트롤러는 또한 송신된 초음파 사운드 웨이브의 진폭을 변조하여 수신된 초음파 에코의 품질을 최적화시키는 복수의 구동 펄스들을 구비하는 명령 신호를 생성한다. 양호하게는, 트랜스듀서는, 펄스들의 주파수가 트랜스듀서의 온도-종속형 주파수 특성과 매칭하도록, 일련의 펄스들과 공진 상태로 구동된다. 컨트롤러는 온도 기반 데이터를 가지는 룩-업 테이블을 활용하여 명령 신호를 생성할 수 있다.
컨트롤러는 또한 초음파 에코가 유효한지를 결정한다. 초음파 에코는 에코가 미리 결정된 시간 윈도우 이내에 수신되는 경우, 에코를 표현하는 신호의 진폭이 미리 결정된 범위 이내에 있는 경우, 및 에코를 표현하는 신호의 지속기간이 미리 결정된 범위 내에 있는 경우에 유효한 것으로 결정된다. 컨트롤러는 예상되는 경과 시간 윈도우, 예상되는 에코 진폭 범위, 및 예상되는 에코 지속기간 범위 중 적어도 하나를 생성한다.
컨트롤러는 또한 (예를 들면, 탱크를 채운 동안에) 탱크에 유입되었던 오염물의 타당성(plausibility)을 결정한다. 컨트롤러는 제1 에코 신호의 경과 시간 및 제1 에코 신호와 제2 에코 신호 간 차이의 경과 시간 중 하나를, 타겟까지의 거리를 나타내는 값, 또는 탱크 내의 플루이드의 양의 체적 표현으로 변환한다. 컨트롤러는 계산된 거리 또는 탱크 내의 플루이드의 양의 체적이 탱크의 용량(capacity)을 초과할 때 오류 출력(fault output)을 생성한다.
하나의 실시예에서, 본 발명은 탱크, 컨트롤러, 2개의 트랜스듀서들, 및 온도 센서를 포함하는 시스템을 제공한다. 온도 센서는 탱크 내의 플루이드의 온도를 감지하고, 컨트롤러는 감지된 온도를 이용하여 탱크 내에서 플루이드를 통해 이동하는 초음파 신호에 대한 온도-종속형 사운드의 속도를 도출한다. 컨트롤러는 제1 트랜스듀서에 대한 제1 명령 신호를 생성하여, 제1 트랜스듀서가 탱크 내에 잠기는 고정된 타겟을 향해 초음파 사운드 웨이브를 생성하도록 한다. 컨트롤러는 웨이브가 고정된 타겟에서 반사하여 트랜스듀서로 되돌아옴에 따라 초음파 사운드 웨이브의 일련의 에코들을 수신한다. 사운드 웨이브는 타겟과 트랜스듀서 사이에서 앞뒤로 복수회 바운싱한다. 컨트롤러는 제1 트랜스듀서에 의한 초음파 사운드 웨이브의 송신과 제1 트랜스듀서에 의해 수신된 각 반사된 에코의 수신 사이의 경과 시간을 결정한다. 컨트롤러는 또한 반사된 에코들 중 적어도 하나의 수신에 요구되는 경과 시간 및 플루이드의 감지된 온도를 이용하여 플루이드를 통해 이동하는 초음파(ultrasonic wave)에 대한 사운드의 속도를 계산한다. 사운드의 계산된 속도 및 플루이드의 감지된 온도에 기초하여, 컨트롤러는 플루이드의 농도, 및 탱크의 플루이드 내의 임의의 오염물들의 존재를 결정한다.
컨트롤러는 제2 트랜스듀서에 대한 제2 명령 신호를 생성하고, 제2 트랜스듀서가 근계 시간 내에 에코 신호를 수신하는지 여부를 결정한다. 에코 신호가 근계 시간 내에 수신되는 경우에, 컨트롤러는 제2 트랜스듀서로부터 미리 결정된 크기의 제2 에코 신호를 검출한다. 제2 에코 신호가 미리 결정된 양의 시간 이내에 검출되지 않는다면, 컨트롤러는 제1 에코 신호를 무시하고 제1 명령 신호와 상이한 제2 명령 신호를 생성한다. 컨트롤러는 제2 에코 신호가 검출될 때까지 제2 명령 신호를 변형한다. 컨트롤러는 제1 에코 신호를 수신하는데 필요한 시간 또는 제1 에코 신호와 제2 에코 신호 사이의 시간차 중 어느 하나를 이용하여, 타겟까지의 거리를 표현하는 값 또는 탱크 내의 플루이드의 양의 체적 표현을 계산한다. 컨트롤러가 진짜 에코 신호와 부차적인 에코 반사를 구별할 수 있는 것을 보증하기 위해, 컨트롤러는 트리거 명령을 연속적으로 뒤따르는 트랜스듀서의 출력을 모니터링함으로써 트랜스듀서의 링 시간(ring time)을 측정하도록 프로그래밍된다. 컨트롤러는, 일단 트랜스듀서로부터의 검출 신호가 미리 정의된 시간의 기간 동안 하이라면, 링 시간을 완전한 것으로 간주한다. 온도 센서는 컨트롤러에 결합되고, 컨트롤러는 링 시간 및 다른 측정된 변수들에 영향을 미칠 수 있는 온도 변경들을 보상하도록 프로그래밍된다. 컨트롤러에 결합된 통신 모듈은 온도 센서로부터 다른 디바이스들 및 다른 로케이션들에게 정보를 배포한다. 컨트롤러는 각 측정을 수행하기 이전에 트랜스듀서의 링 시간을 결정하여, 근계 시간이 측정된 링 시간의 약 2배에서 설정되도록 설정한다.
명령 신호는 제1 및 제2 트랜스듀서들 모두의 송신된 초음파 사운드 웨이브의 진폭을 변조하는 복수의 구동 펄스들을 포함한다. 컨트롤러는 명령 신호를 변형하여 각 트랜스듀서로부터의 수신된 초음파 에코들의 품질을 최적화한다. 양호하게는, 트랜스듀서들은 공진 상태에서 구동되고, 일련의 펄스들의 주파수는 트랜스듀서의 온도-종속형 주파수 특성들과 매칭한다. 컨트롤러는 온도 기반 데이터를 가지는 룩-업 테이블을 활용하여 명령 신호의 특성들을 결정할 수 있다.
컨트롤러는 또한 제1 및 제2 트랜스듀서들로부터 수신된 초음파 에코들이 유효한지를 결정한다. 초음파 에코가 미리 결정된 시간 윈도우 내에 수신되는 경우에, 초음파 에코가 유효한 것으로 결정된다. 에코는 수신된 에코 반사들의 개수가 미리 결정된 범위 내에 있는 경우에 유효한 것으로 더 결정된다. 컨트롤러는 예상되는 경과 시간 윈도우, 및 의도된 타겟으로부터 수신된 에코 반사들의 예상되는 개수 중 적어도 하나를 생성한다.
컨트롤러는 또한 탱크에 유입되었던 오염물의 타당성을 결정하고, 계산된 플루이드 레벨이 탱크 내의 DEF 플루이드에 대해 가능한 최대 용량을 초과한다면 오류 출력을 생성한다.
시스템은 온도 센서 오류의 경우에 정확한 레벨 측정을 생성할 수 있다. 컨트롤러는 사운드 웨이브가 제1 트랜스듀서로부터 고정된 반사기로 이동하고 되돌아오는 제1 경과 시간을 결정한다. 컨트롤러는 또한 사운드 웨이브가 제2 트랜스듀서로부터 탱크 내의 플루이드의 표면까지 이동하여 되돌아오는 제2 경과 시간을 결정한다. 컨트롤러는 제1 경과 시간(품질)에 대한 제2 경과 시간(레벨)의 비율에 기초하여 탱크 내의 플루이드의 깊이를 계산한다.
또 하나의 실시예에서, 본 발명은 탱크 내의 플루이드의 품질 및/또는 양을 결정하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 제1 트랜스듀서, 제2 트랜스듀서, 온도 센서 및 컨트롤러를 포함한다. 제1 트랜스듀서는 제1 사운드 웨이브를 생성하고 제1 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된다. 제2 트랜스듀서는 제2 사운드 웨이브를 생성하고 제2 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성되고, 제2 사운드 웨이브는 제2 트랜스듀서로부터 주지된 거리에 있는 고정된 구조물에서 에코 반사된다(echoing off). 온도 센서는 플루이드의 온도를 검출하도록 구성된다. 컨트롤러는 제1 트랜스듀서, 제2 트랜스듀서, 및 온도 센서에 결합되고, 플루이드를 통한 사운드의 속도가 부정확하게 계산된 것에 기초하여 에러 조건을 검출하고 검출된 에러 조건을 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 온-보드 진단법들(on-board diagnostics)을 가지고 있다.
본 발명의 다른 양태들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 고려하면 명백하게 될 것이다.
도 1은 DEF 탱크 내의 플루이드의 품질을 감지하기 위한 시스템의 다이어그램이다.
도 2는 DEF 탱크 내의 플루이드의 레벨을 감지하기 위한 시스템의 다이어그램이다.
도 3은 탱크의 DEF의 품질 및 깊이를 감지하기 위한 시스템의 다이어그램이다.
도 4는 도 1 및 2의 시스템들의 블록도이다.
도 5는 도 3의 시스템의 블록도이다.
도 6은 다양한 DEF 농도들에 대한 사운드의 속도 대 온도의 차트이다.
본 발명의 임의의 실시예들이 상세하게 설명되기에 앞서서, 본 발명은 그 응용에서 DEF 또는 UREA 기반 플루이드들로 제한되지 않는다는 것을 이해하고, 본 발명은 그 응용들에서 이하의 설명에 제시되거나 이하의 도면들에서 예시된 컴포넌트들의 구성 및 배열의 세부사항들로 제한되지 않는 것을 이해하도록 한다. 본 발명은 다른 실시예들로 가능하고 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다.
탱크 내의 DEF의 레벨은 저항성 플로트 트랜스듀서들(resistive float transducers), 초음파 트랜스듀서들(무선-결합됨(air-coupled)), 등을 포함하는 종래의 방법들에 의해 모니터링될 수 있다. 초음파 트랜스듀서들은 표면에서 반사되는 사운드 웨이브를 방출한다. 트랜스듀서는 표면으로부터의 사운드 웨이브의 에코를 수신하는 수신기로서 작용한다. 사운드 웨이브의 표면까지의 이동 및 되돌아오는 시간에 기초하여, 컨트롤러는, 사운드의 속도를 이용하여, 표면까지의 거리를 결정한다. 사운드의 속도는 공기 중에서 일정하므로(공기의 온도에 기초하여 일부 약간의 변경이 있음), 무선-결합된 트랜스듀서에서 필요한 계산들을 수행하는 것이 용이하다.
다르게는, 플루이드-결합된 초음파 트랜스듀서는 탱크 내의 DEF의 품질 및/또는 레벨을 모니터링하는데 이용될 수 있다. 플루이드-결합된 트랜스듀서에 있어서, 트랜스듀서는 플루이드 내에 잠기고 탱크의 기저부(bottom)에 배치된다. DEF의 품질을 결정하기 위해, 초음파 사운드 웨이브는 플루이드에 잠긴 고정된 타겟을 향해 지향되고 그로부터 반사된다. 트랜스듀서에 의해 생성된 사운드 웨이브들은 트랜스듀서로부터 주지된 거리에 로케이팅된 고정된 타겟(즉, 반사기)에서 에코 반사되어 트랜스듀서에 의해 검출된다. DEF의 레벨을 결정하기 위해, 트랜스듀서로부터의 초음파 사운드 웨이브들은 플루이드의 표면을 향해 위로 지향된다. 트랜스듀서에 의해 생성된 사운드 웨이브들은 플루이드의 표면에서 에코 반사되고 트랜스듀서에 의해 검출된다. 이것은 하나의 캐비아트(caveat)를 가지는 무선-결합된 트랜스듀서와 유사하고, 사운드의 속도는 플루이드의 타입, 및 더 적은 정도로는, 플루이드의 온도에 따라 크게 가변된다.
도 1은 탱크(110) 내의 DEF(105)의 품질을 결정하기 위한 품질 감지 시스템(100)을 도시하고 있다. 품질 감지 시스템(100)은 압전 초음파 트랜스듀서(115), 및 온도 센서(125, 예를 들면, 서미스터) 및 다른 컴포넌트들(도시되지 않음)을 구비하는 인쇄 회로 기판(120)을 포함한다. 트랜스듀서(115) 및 인쇄 회로 기판(120)은 탱크(110)의 기저부에 배치된다. 온도 센서(125)는, 온도 센서(125)가 탱크(110) 내의 DEF(105)의 온도를 검출하도록 배치된다. 트랜스듀서(115)는 송신기 및 수신기 모두로서 작용한다. 트랜스듀서(115)에 의해 생성된 초음파 사운드 웨이브들(130)은 플루이드(105)를 통해 전파되고, 반사기(135)로부터 반사되어 트랜스듀서(115)를 향해 되돌아간다. 반사된 초음파 사운드 웨이브(130)는 트랜스듀서(115)에 의해 검출되고, 트랜스듀서(115)에서 반사되어 반사기(135)를 향해 되돌아간다. 초음파 사운드 웨이브(130)는 반사기(135)와 트랜스듀서(115) 사이에서 복수회 앞뒤로 이동한다. 품질 감지 시스템(100)은 탱크(110) 내에 통합될 수 있거나, 탱크(110) 내에 마운팅된 분리된 어셈블리일 수 있다.
도 2는 탱크(110) 내의 DEF(105)의 표면(205)의 레벨을 감지함으로써 탱크(110) 내의 DEF(105)의 양을 결정하기 위한 레벨 감지 시스템(200)을 도시하고 있다. 레벨 감지 시스템(200)은, 트랜스듀서(210)에 의해 생성된 초음파 사운드 웨이브들(215)이 고정된 반사기 대신에 DEF(105)의 표면(205)에 반사되도록 압전 초음파 트랜스듀서(210)가 탱크(110)의 기저부에 배치되어 있다는 점을 제외하고는, 품질 감지 시스템(100)과 동일한 컴포넌트들을 포함한다.
도 3은 탱크(110) 내의 DEF(105)의 품질 및 양 모두를 결정하기 위한 조합 감지 시스템(300)을 도시하고 있다. 조합 감지 시스템(300)은 2개의 압전 초음파 트랜스듀서들(115 및 210)을 포함한다. 품질 트랜스듀서(115)는 초음파 사운드 웨이브들(130)을 반사기(135)에서 반사하도록 배치되고, 양(또는 레벨) 트랜스듀서(210)는 초음파 사운드 웨이브들(215)을 DEF(105)의 표면(205)에서 반사하도록 배치된다.
도 4는 품질 감지 시스템(100) 및 양 감지 시스템(200)의 블록도를 도시하고 있다. 트랜스듀서(115/210) 및 온도 센서(125)뿐만 아니라, 시스템(100/200)은 컨트롤러(400), 신호 컨디셔닝 회로(405), 드라이버(410), 전력 컨디셔닝 회로(415), 및 출력 드라이버(420)를 포함한다. 컨트롤러(400)는 프로세서(예를 들면, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC, DSP, 등) 및 메모리(예를 들면, 플래시, ROM, RAM, EEPROM, 등)를 포함하고, 이들은 컨트롤러(400)의 내부에 있거나, 컨트롤러(400)의 외부에 있거나 그 조합일 수 있다. 신호 컨디셔닝 회로(405), 드라이버(410), 온도 센서(125), 및 출력 드라이버(420) 중 하나 이상은 컨트롤러(400)에 포함될 수 있다. 트랜스듀서(115/210)는 2가지 모드들, 압전 송신기 및 압전 수신기로서 동작한다. 트랜스듀서(115/210)가 트랜스듀서(115/210)의 압전 결정(piezoelectric crystal)들의 공진 주파수에서 전압에 의해 자극되는 경우에, 트랜스듀서(115/210)는 초음파 사운드 웨이브(130/215)를 방출한다. 트랜스듀서(115/210)가 트랜스듀서(115/210)의 공진 주파수에서 초음파 사운드 웨이브(130/215)(예를 들면, 에코)에 의해 자극되는 경우에, 트랜스듀서(115/210)는 사운드 웨이브를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 신호 컨디셔닝 회로(405)는 수신된 초음파 사운드 웨이브(130/215)에 의해 자극되는 것에 응답하여 압전 트랜스듀서(115/210)로부터 수신된 로우 레벨 신호를 증폭하고 필터링하도록 기능한다.
도 5는 조합 감지 시스템(300)의 블록도를 도시하고 있다. 시스템(300)은 품질 트랜스듀서(115), 레벨 트랜스듀서(210) 및 온도 센서(125)를 포함한다. 시스템(300)은 또한 컨트롤러(400), 제1 신호 컨디셔닝 회로(405), 제2 신호 컨디셔닝 회로(405'), 제1 드라이버(410), 제2 드라이버(410'), 전력 컨디셔닝 회로(415), 및 출력 드라이버(420)를 포함한다. 컨트롤러(400)는 프로세서(예를 들면, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC, DSP, 등), 및 메모리(예를 들면, 플래시, ROM, RAM, EEPROM, 등)를 포함하고, 이들은 컨트롤러(400)의 내부에 존재하거나 컨트롤러(400)의 외부에 존재하거나 그 조합일 수 있다. 신호 컨디셔닝 회로들(405 및 405'), 드라이버들(410 및 410'), 온도 센서(125) 및 출력 드라이버(420) 중 하나 이상은 컨트롤러(400)에 포함될 수 있다. 트랜스듀서들(115 및 210)은 2가지 모드들, 압전 송신기 및 압전 수신기로서 동작한다. 트랜스듀서들(115 및 210)이 트랜스듀서들(115 및 210)의 압전 결정들의 공진 주파수에서 전압에 의해 자극되는 경우에, 트랜스듀서들(115 및 210)은 초음파 사운드 웨이브들(130 및 215)을 각각 방출한다. 트랜스듀서들(115 및 210)이, 트랜스듀서(115 및 210)의 공진 주파수에서, 초음파 사운드 웨이브들(130 및 215)(예를 들면, 에코)에 의해 각각 자극되는 경우에, 트랜스듀서들(115 및 210)은 수신된 사운드 웨이브를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 제1 신호 컨디셔닝 회로(405)는 초음파 사운드 웨이브(130)로부터 수신된 에코에 의해 자극되는 것에 응답하여 품질 압전 트랜스듀서(115)로부터 수신된 로우 레벨 신호를 증폭하고 필터링하도록 기능한다. 제2 신호 컨디셔닝 회로(405')는 초음파 사운드 웨이브(215)로부터 수신된 에코에 의해 자극되는 것에 응답하여 레벨 압전 트랜스듀서(210)로부터 수신된 로우 레벨 신호를 증폭하고 필터링하도록 기능한다.
동작 시에, 컨트롤러(400)는 일련의 로우 레벨 구동 펄스들 및 구동 펄스 진폭 명령 신호를 드라이버(410)에게 전송한다. 구동 펄스들은 트랜스듀서(115/210)의 공진 주파수로 되어 있다. 드라이버(410)는 로우 레벨 신호를 증폭하고, 일련의 하이 전압 펄스들을 트랜스듀서(115/210)에게 인가하여, 트랜스듀서(115/210)가 트랜스듀서(115/210)에 인가되는 공진 구동 펄스들의 개수에 비례하는 진폭에서 초음파 사운드 웨이브(130/215)를 방출하도록 한다. 초음파 사운드 웨이브(130/215)는 플루이드를 통해 전파되고, 반사기(135) 또는 표면(205)에 반사되어 트랜스듀서(115/210)를 향해 되돌아간다. 리턴되는 초음파 에코는 트랜스듀서(115/210)가 공진하도록 하여, 신호 컨디셔닝 회로(405)에 의해 증폭, 필터링 및 세이핑되어 컨트롤러(400)에 의해 검출되는 로우 레벨 전압 신호를 생성한다. 초음파 사운드 웨이브(130/215)가 트랜스듀서(115/210)로부터 반사기(135)/표면(205)까지 DEF(105)를 통해 전파하는데 필요한 시간은 컨트롤러(400)의 메모리에 제1 에코 반사로서 저장된다. 충분한 진폭이 주어지는 경우에, 초음파 사운드 웨이브(130/215)는 트랜스듀서(115/210)와 반사기(135)/표면(205) 사이에서 앞뒤로 전파되어, 일련의 에코 반사들을 생성한다. 통상적으로, 4개 또는 5개의 반사들이 주어진 송신에 대해 수신된다. 반사들은 측정되어 처리를 위해 컨트롤러(400)의 메모리에 저장된다.
시스템에 의해 이용되는 에코 반사들의 개수는 DEF 농도 레벨들을 구별하는데 요구되는 해상도에 종속된다. 예를 들면, 하나의 에코 반사가 트랜스듀서(115/210)로부터 플루이드를 통해 전파되고, 반사기(135) 또는 표면(205)에 반사되어 리턴하는데 제1 시간을 필요로 한다면, 제2 에코 반사는 전파하는데 제1 시간의 두 배를 요구할 것이고, 제3 에코 반사는 제1 시간의 3배를 요구하는 등이 될 것이다. 이것이 주어지면, 2개의 반사들은 하나의 반사의 해상도의 2배를 제공하고, 3개의 반사들은 해상도의 3배를 제공하는 등이 된다. 전형적인 응용에서, 4개 내지 5개의 반사들은 요구되는 해상도와, DEF 탱크에 용이하게 조립될 수 있는 센서 시스템의 실제 치수들 사이에서 양호한 밸런스를 제공한다.
드라이버(410)에 의해 여기되는 경우에, 트랜스듀서(210)는 구동 전압이 제거된 이후 유한한 시간 양 동안에, 계속해서 공진하거나 링 아웃(ring out)한다. 이러한 시간의 기간 동안에, 트랜스듀서(210)는 플루이드(105)의 표면(205)에서 반사된 에코를 검출하는 수신기로서 이용될 수 없으므로, 용량 감지 시스템(200)에 의해 해상(resolve)될 수 있는 최소 플루이드 레벨을 제한한다. 주의깊은 설계는 링 시간을 감소시킬 수는 있지만, 완전하게 제거될 수는 없다. 탱크가 비어있거나 거의 비어있는 경우에 탱크 내의 플루이드의 레벨을 측정하기 위한 대안 접근법은, 트랜스듀서(210)가 링잉을 중지한 이후에도 초음파 사운드 웨이브(215)가 앞뒤로 계속해서 반사하도록 플루이드(105)의 표면(205)과 트랜스듀서(210) 사이에서 초음파 사운드 웨이브(215)의 다중 반사들(multiple reflections)을 생성하기에 충분히 큰 진폭으로 레벨 감지 트랜스듀서(210)를 구동하는 것이다. 사운드 웨이브(215)가 트랜스듀서와 플루이드(105)의 표면(205) 사이에서 앞뒤로 이동하는 시간은 차이 방법을 이용하여, 예를 들면 2개의 연속적인 에코 반사들 사이의 시간차를 취함으로써 계산될 수 있다.
컨트롤러(400)는 에코 반사들의 원하는 개수를 달성하기 위해 초음파 사운드 웨이브(130/215)의 진폭을 제어하고 변조하는 명령 신호를 생성한다. 컨트롤러(400)는 온도-종속형 트랜스듀서에 인가되는 공진 전압 펄스들의 개수 및/또는 진폭을 증가시키거나 감소시킴으로써 이러한 기능을 수행한다. 트랜스듀서에 인가되는 공진 펄스들의 개수는 통상적으로 낮게는 1개 펄스에서 높게는 16개 이상의 펄스들의 범위이지만, 다른 펄스 개수들도 적용될 수 있다. 스위칭되는 커패시터 전하 펌프는 양호하게는 컨트롤러(400)의 제어 하에서 드라이버(410)에 인가되는 트랜스듀서 구동 전압의 진폭을 증가시키거나 감소시키는데 이용된다. 구동 전압은 통상적으로 낮게는 2볼트에서 높게는 30볼트까지 가변된다. 구동 펄스들의 개수 및 진폭은 수신되는 에코 반사들의 개수에 기초하여 선택된다. 에코 반사들의 개수가 미리설정된 양(구별되는 상대 거리에 기초하여 계산됨) 아래로 떨어진다면, 컨트롤러(400)는 구동 펄스들의 진폭 및/또는 개수를 증가시킨다. 역으로, 에코 반사들의 개수가 미리설정된 양보다 더 큰 경우에, 컨트롤러(400)는 트랜스듀서(115/210)에 인가되는 구동 펄스들의 진폭 및/또는 개수를 감소시킨다(원하지 않는 왜곡 및 노이즈를 감소시킴). 그러므로, 초음파 사운드 웨이브(130/215) 에코 반사들의 송신 및 검출에 대해 폐루프 이득 제어가 생성된다.
컨트롤러(400)는 식별된 제1 에코 반사가 트랜스듀서(210)에 대한 평균 링 시간의 2배와 동일하거나 약간 큰 시간의 기간 동안에 발생하는 경우에 발생하는 것으로서 근계 동작 모드(near field operational mode)를 정의한다. 컨트롤러(400)는 제1 에코 반사가 근계 동작 모드에 의해 정의된 기간의 외부에서 발생하는 경우, 또는 제1 에코 반사가 트랜스듀서(210)에 대한 평균 링 시간의 2배보다 큰 시간 간격으로 수신되는 경우에 발생하는 것으로서 원계 동작 모드(far field operational mode)를 정의한다. 근계 모드에서, 컨트롤러(400)는 트랜스듀서(210)로의 전력을 변조하여, 링 주기의 종료에 뒤따라서 적어도 2개의 검증된 에코 반사들이 수신되는 것을 보장한다. 원계 모드에서, 컨트롤러(400)는 트랜스듀서(210)로의 전력을 변조하여, 링 주기의 종료에 뒤따라서 적어도 하나의 유효 에코 반사가 수신되는 것을 보장한다.
트랜스듀서(115/210)와 같은 압전 결정의 공진 주파수는 온도에 따라 변경된다. 초음파(130/215)의 진폭을 변조하고 제어하는 능력은 트랜스듀서(115/210)를 그 공진 주파수에서 구동하는 것에 종속된다. 컨트롤러(400)는 온도 센서(125)에 의해 감지된 온도에 기초하여 트랜스듀서(115/210)에 인가된 펄스들의 주파수를 변경함으로써 이러한 기능을 수행한다. 트랜스듀서(115/210)의 압전 공진 주파수와 온도 사이의 관계는 압전 재료의 선택된 타입, 크기, 형태 및 기계적 설계에 특정된다. 온도-종속형 관계는 설계에 대해 경험적으로 측정되고, 그리고나서 컨트롤러(400) 내의 룩-업 테이블의 형태로 제시된다. 측정된 온도에 대한 룩-업 테이블에 지정된 주파수를 이용하여, 컨트롤러(400)는 트랜스듀서(115/210) 구동 주파수를 선택하고 제어한다.
초음파(130/215)는 탱크(110) 전체에 걸쳐 전파되어, 탱크(110)의 벽들 및 플루이드에 잠긴 다른 컴포넌트들에서 반사들을 생성한다. 이들 반사들은 반사기(135) 및/또는 표면(205)으로부터의 에코 반사들과 간섭될 수 있다. 이것은 기록된 에코 반사들의 스트링에 추가되거나 스트링 내의 원하는 에코 반사를 제거하는 오류 에코 반사들을 생성할 수 있다. 뿐만 아니라, 플루이드의 이동, 온도 구배들, 공기 버블들, 및 다른 오염물들은 초음파 사운드 웨이브들과 간섭될 수 있으므로, 시간상 시프트들을 생성하거나 수신된 에코들의 스트링 내에 노이즈를 생성할 수 있다. 수신된 에코들이 오염되지 않는 것을 보장하기 위해, 컨트롤러(400)는 하나의 측정으로부터 다음까지 발생할 수 있는 변경에 대한 미리 결정된 허용치(allowance)와 함께, 주지된 표준 시간에 대해 각 리턴된 에코에 대한 시간을 체크하는 윈도우 필터를 적용함으로써, 리턴된 에코들의 스트링을 검증한다. 방법의 원리는, 플루이드 특성들은 측정들이 수행되고 있는 레이트와 비교할 때 비교적 늦게 변경된다는 사실에 기초하고 있다. 예를 들면, DEF 시스템의 동작 동안에, 탱크(110)가 채워져 있는 경우를 제외하고는, 탱크(110) 내의 플루이드(105)의 레벨은 매우 느리게(예를 들면, 수 분에 걸쳐) 변경된다. 실제적인 구현에서, 측정은 초당 20회 수행되는데 반해, 탱크 채움 또는 오염물의 유입 이후에 플루이드의 속성들이 변경되는데 수십 초가 소요된다. 그러므로, 예상되거나 허용가능한 시간 윈도우에 대한 파라미터들이 설계되어 각 리턴된 에코 시간에 적용될 수 있다. 리턴된 에코 시간은 정의된 시간 윈도우 내에 든다면 유효한 것으로 간주된다. 역으로, 리턴된 에코 시간은 정의된 시간 윈도우 외부에 들어간다면 무효한 것으로 간주된다. 무효한 에코 시간들은 컨트롤러(400)에 의해 폐기되는데 대해, 유효한 에코들은 탱크(110) 내에 존재하는 DEF(105)의 농도를 계산하는데 이용된다.
도 6은 자동차 등급 UREA 및 정제된 물의 복수 혼합물(즉, DEF)에 대한 사운드의 속도 대 온도의 그래프를 도시하고 있다. 물 대 UREA의 양, 및 혼합물의 온도에 기초하여, 플루이드를 통한 사운드의 속도는 초당 약 1400미터(m/sec) 내지 약 1680m/sec에서 변화될 수 있다. 품질 감지 시스템(100) (및 조합된 감지 시스템(300))에서, 트랜스듀서(115)와 반사기(135) 사이의 물리적 거리는 고정되어 있다. 그러므로, 주어진 온도에서 플루이드를 통한 사운드의 속도는 이하의 관계에 의해 표현될 수 있다.
사운드의 속도(T) = D x N x 2/T, 여기에서,
D는 트랜스듀서와 반사기 사이의 거리이고,
T는 다중 에코 반사(multiple echo reflection)에 대한 시간 측정이며,
N은 반사들의 개수이다.
이러한 공식에 기초하여, 컨트롤러(400)는 DEF 플루이드를 통해 이동하는 초음파에 대한 온도-종속형 사운드의 속도를 계산하고, 그리고나서, 계산된 사운드의 속도 및 측정된 온도를 도 6에 도시된 것과 같은 룩-업 테이블에 적용함으로써 UREA 용액(UREA solution)의 농도를 결정한다. 알 수 있는 바와 같이, 다중 반사들을 이용하는 것은 이용되는 반사들의 개수에 등가인 인자만큼 측정의 해상도를 개선시킨다. 대안적으로, 도 6으로부터의 데이터 및 센서 시스템(100)의 주지된 물리적 파라미터들을 이용하여 룩-업 테이블을 생성할 수 있고, 따라서 컨트롤러(400)가 주어진 개수의 반사들에 대해, 측정된 온도 및 검증된 에코 반사 시간에 기초하여 테이블로부터 플루이드 농도를 직접 보간(interpolate)할 수 있게 한다. 룩-업 테이블의 이용은 컨트롤러(400)에 의해 필요로 되는 메모리를 감소시키고, 컨트롤러(400)의 처리 속도를 개선시킨다.
플루이드(105)의 농도의 디지털 또는 아날로그 표현은 컨트롤러(400)로부터 출력 드라이버(420)에 통신되고, 이는 측정들을, 차량의 DEF 시스템의 기능을 관리하고 제어하기 위한 외부 컨트롤러에 운반한다. 출력 드라이버(420)는 차량의 데이터 버스에 직접 통신하기 위한 J1939 또는 CAN 버스와 같은 디지털 드라이버의 형태로 되어 있거나, 출력 드라이버(420)는 특정 응용의 요구들에 따라 또 하나의 적합한 아날로그 또는 디지털 신호를 생성할 수 있다.
오염물들이 탱크에 유입되게 될 수 있다(예를 들면, 탱크를 채울 때). 표 1은 DEF 시스템을 채울 때 지정된 32.5% UREA 용액보다는 유입될 수 있는 다수의 잠재적인 오염물들에 대한 사운드의 근사 속도(approximate speed)를 도시하고 있다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상적인 자동차 액체들(automotive liquids)에 대한 사운드의 속도는 DEF 용액과 크게 상이하다. 탱크(110)로의 오염물의 유입은 액체(105) 내의 사운드의 속도를 변경시키고, 이는 희석된 UREA와 같이 작은 편차들에 대한 UREA 농도 레벨에서의 시프트 또는 디젤 연료에 적용되는 것과 같은 큰 편차들에 대한 범위 외(out of range) 측정 중 어느 하나로서 용이하게 검출된다.
Figure pct00001
DEF 용액(105)에 유입된 오염물들은 디젤 배기가스의 NOx를 질소, 물 및 이산화탄소로 변환하는 DEF 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, DEF에 오염물이 있는지, 및 어떤 오염물들이 있는지를 결정하는 것이 바람직하다. 컨트롤러(400)는 주어진 온도에 대한 사운드의 측정된 속도가 UREA 농도 룩-업 테이블 내에 정의되었던 것을 초과하거나 그 아래에 들 때마다 출력 드라이버(420)에서, 진단 출력 또는 범위 외 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 컨트롤러(400)는 디젤 연료와 같은 특정 오염물들을 선택적으로 식별하고, 디지털 메시지의 형태로 정보를 출력하거나 장래 질문을 위해 진단 이벤트로서 발생을 저장하는데 이용될 수 있다. 어느 경우든, 범위 외 출력은 DEF 시스템이 조치를 취할 수 있게 하고, 예를 들면 DEF 시스템을 셧다운시키거나 일부 경우들에서 차량을 불능화시켜, DEF 시스템 컴포넌트들에 대한 역행불가능한 손상을 방지한다. DEF 시스템은 또한 UREA의 품질이 디젤 배기가스에서 NOx를 충분하게 분해할 수 없는 경우에 사용자에게 통지할 수 있다(예를 들면, 차량의 대시보드 상의 텔테일 라이트(tell tale light)를 점등함). 명세서 및 청구항들에 이용되는 바와 같이, "오염물" 및 "오염"은 UREA로의 오염물의 유입, 및 또한 UREA의 희석(예를 들면, 물의 유입)을 지칭한다.
레벨 감지 시스템(200)(및 조합된 감지 시스템(300))에서, 트랜스듀서(210)와 플루이드(105)의 표면(205) 사이의 물리적 거리는 이하의 관계에 의해 표현되는 바와 같이, 액체에 대한 사운드의 주지된 속도, 및 트랜스듀서(210)와 탱크(110)의 기저부 사이에 존재할 수 있는 임의의 기계적 오프셋에 기초하여 계산될 수 있다.
레벨 = 오프셋 + 사운드의 속도(t) x T/2
여기에서, 오프셋은 탱크(110)의 기저부와 트랜스듀서(210) 사이의 기계적 오프셋이고,
사운드의 속도(t)는 플루이드에 대한 온도-종속형 사운드의 속도이며,
T는 검증된 에코 반사에 대한 시간 측정치이다.
DEF 탱크 내의 물 대 UREA의 양, 및 혼합물의 온도에 기초하여, 플루이드를 통한 사운드의 속도는 실온에서 대략 초당 1530미터(m/sec) 내지 약 1680m/sec에서 변화될 수 있다(도 5 및 표 1 참조). 정상 동작 시에, DEF 시스템은 32.5%의 UREA 농도 레벨로 동작하고 있고, 결과적으로 실온에서 1630m/sec의 사운드의 속도로 나타난다.
컨트롤러(400)는 주지된 기계적 오프셋, 에코 반사에 대한 측정된 시간 T, 및 DEF 플루이드(105)를 통해 이동하는 초음파(215)에 대한 온도-종속형 사운드의 속도에 기초하여 플루이드 레벨을 계산한다. 룩-업 테이블은 양호하게는 측정된 온도에 기초하여 온도-종속형 사운드의 속도를 계산하는데 이용된다. 다르게는, 센서 시스템(200)의 주지된 물리적 파라미터, 및 플루이드(105)에 대한 온도-종속형 사운드의 속도 데이터를 이용하여 룩-업 테이블을 생성할 수 있으므로, 컨트롤러(400)가 측정된 온도 및 검증된 에코 반사 시간 T에 기초하여 테이블로부터 플루이드 레벨을 직접 보간할 수 있게 한다. 그러한 테이블의 이용은 메모리 공간 요구조건들을 감소시키고 컨트롤러(400)의 처리 속도를 개선시킨다.
레벨의 디지털 또는 아날로그 표현은 컨트롤러(400)로부터 출력 드라이버(420)에 통신되어, 측정치들을 차량의 DEF 시스템의 기능을 관리하고 제어하기 위한 외부 컨트롤러에 운반한다. 출력 드라이버(420)는 차량의 데이터 버스에 직접적으로 통신하기 위한 J1939 또는 CAN 버스와 같은 디지털 드라이버의 형태로 되어 있을 수 있거나, 출력 드라이버(420)는 특정 응용의 요구들에 따라 또 하나의 적합한 아날로그 또는 디지털 신호를 생성할 수 있다.
오염물들이 DEF(105)와 조합되게 된 경우에, 조합된 플루이드를 통한 사운드의 속도는 급격하게 변경할 수 있다. 오염물들이 탱크(110)에 유입되기 이전에 DEF(105)와 혼합될 수 있거나, 오염물들은 탱크(110)에 직접 유입되어 DEF(105)와 혼합될 수 있다. 표 1의 다수의 잠재적 오염물들은 32.5% UREA로 구성된 DEF 용액에 대한 것보다 더 느린 사운드의 속도들을 가지고 있다. 특히, 디젤 연료, 브레이크 플루이드, 파워 스티어링 플루이드, 와셔 플루이드, 및 물은 모두 32.5% UREA 용액과 연관된 사운드의 속도 1630m/sec보다 더 느린 사운드의 속도들을 가지고 있다. 더 느린 사운드의 속도는 결과적으로 지정된 DEF 용액에 대해 발생하게 될 것을 넘어 반사된 에코에 대한 증가된 측정 회수들로 나타난다. 그러므로, 탱크를 채울 때 오염물이 유입되었다면, 레벨 센서 시스템(200)은 탱크(110)의 용량을 넘는 레벨 측정을 생성할 것이다. 이것을 안 상태에서, 컨트롤러(400)는, 계산된 레벨을 탱크(110)에 대한 절대 물리적 용량과 비교함으로써 오염물이 탱크(110)에 유입되었는지를 결정하는 타당성 체크를 수행하도록 프로그래밍될 수 있다.
컨트롤러(400)는 측정된 레벨이 UREA 탱크의 용량을 초과할 때마다 진단 출력 또는 범위 외 출력 신호(out of range output signal)를 생성한다. 이러한 범위 외 출력은 DEF 시스템 컨트롤러가 조치를 취할 수 있게 하고, 즉 DEF 시스템을 셧다운시키거나 일부 경우들에서는 차량을 불능화시킴으로써, DEF 시스템 컴포넌트들에 대한 역행불가능한 손상을 방지한다. DEF 시스템은 또한 UREA의 품질이 디젤 배기가스에서 NOx를 충분하게 분해할 수 없는 경우에 사용자에게 통지할 수 있다(예를 들면, 차량의 대시보드 상에 텔테일 라이트를 조명함).
DEF 플루이드보다 더 밀집된 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및 다른 것들과 같은 오염물들의 유입은 DEF 탱크(110) 내에서 계층화되어, 센서 시스템(300)을 덮는 더 짙은 오염물을 가지는 층들, 및 그 위로 형성하는 더 옅은 DEF 층을 형성한다. 그러한 경우에, 품질(농도) 측정은 오염물의 속성들을 반영할 것이고, 센서 시스템(300)은 이전에 기재된 바와 같이 적절한 출력을 생성할 것이다. 품질 센서 시스템(100)은 또한 밀집된 오염물을 검출할 것이다.
DEF 플루이드보다 덜 밀집된 디젤 연료, 브레이크 플루이드, 가솔린 및 다른 것들과 같은 오염물들의 유입은 DEF 탱크(110) 내에서 계층화되어, 센서 시스템(300)을 덮는 더 짙은 DEF 플루이드 층을 가지는 층들, 및 그 위에 형성되는 더 옅은 오염물 층을 형성할 수 있다. 그러한 경우에, 품질 감지 트랜스듀서(115)에 의해 생성된 농도 측정은 정상으로 보일 것이지만, 반면에 레벨 감지 트랜스듀서(210)로부터의 레벨 측정은 덜 밀집된 오염물 층을 통해 통과하는 사운드 웨이브에 대한 더 긴 이동 시간으로 인해, DEF(105)의 훨씬 더 높은 레벨을 암시할 것이다. 더 느린 사운드의 속도는 결과적으로 지정된 DEF 용액에 대해 발생했을 것을 넘어 반사된 에코에 대한 증가된 측정 시간들로 나타난다. 그러므로, 탱크를 채울 때 오염물이 유입되었다면, 레벨 감지 기능은 탱크(110)의 용량을 넘는 레벨 측정을 생성할 것이다. 컨트롤러(400)는 결정된 레벨이 탱크(110)의 최대 레벨을 초과하는지를 결정하는 타당성 체크를 수행하도록 프로그래밍된다. 컨트롤러(400)는 측정된 레벨이 탱크(110)의 용량을 초과할 때마다, 품질 센서 출력 및/또는 레벨 센서 출력에 대해 출력 드라이버(420)를 통해 진단 메시지 또는 범위 외 출력 신호를 생성한다.
범위 외 출력은 DEF 시스템 컨트롤러가 조치를 취하고 DEF 시스템 또는 차량을 셧다운시킬 수 있게 하여, DEF 시스템 컴포넌트들로의 역행불가능한 손상을 방지하고, 뿐만 아니라 UREA의 품질이 디젤 배기가스에서 NOx를 충분하게 분해할 수 없을 경우에는 사용자에게 통지할 것이다(예를 들면, 차량의 대시보드 상에 텔테일 라이트를 점등함).
탱크 내에 남아있는 DEF 플루이드(105)의 레벨이 품질 감지 트랜스듀서(115)를 잠기게 하기에 충분하고 탱크(110)에 유입되어 있는 오염물이, 디젤 연료, 브레이크 플루이드, 가솔린 등의 경우에 적용되는 바와 같이 DEF보다 더 옅은 경우에, 컨트롤러(400)는 탱크 채움 동안에 오염물의 유입을 식별할 수도 있다. 그러한 경우에, 결과적인 혼합물은, 더 짙은 DEF가 탱크의 기저부 상에 층을 형성하고 오염시키는 플루이드가 DEF 위에 층을 형성한 상태로 계층화될 것이다. 품질 동작 모드에서 생성된 에코 반사를 위한 시간에 대한 레벨 동작 모드에서 생성된 에코 반사를 위한 시간 사이의 비율에 기초한 레벨 계산은 품질 감지 시간 측정에 이용된 DEF 층과 레벨 감지 시간 측정에 이용된 DEF/오염물 혼합물 사이에 차이나는 사운드의 속도들로 인해 탱크의 용량을 초과할 것이다.
센서 시스템(300)은 시스템(300)의 다양한 컴포넌트들의 오류들을 검출할 수 있게 하는 온-보드 진단 기능들을 포함한다. 예를 들면, 시스템(300)은 UREA의 레벨이 감소되고 있는 것과 동시에 감소하고 있는(즉, 희석되고 있는) UREA의 농도 레벨을 검출하는 경우에 에러가 있다고 결정한다. 이것은 품질 트랜스듀서(115)를 이용하여 결정된 사운드의 속도가 실제 사운드의 속도보다 더 느린 경우에 유발될 수 있다. 시스템(300)이 UREA가 희석되고 있다고 결정하는 경우에, 계산된 사운드의 속도가 증가한다. 사운드의 속도를 결정할 때의 에러로 인해, 탱크(110)는 채워지고 있을 수 있고, 이는 UREA의 희석을 유발하지만, 레벨 결정에 대해서는 UREA의 레벨이 실제로 감소하고 있다고 계산한다. UREA의 레벨이 감소하고 있는 경우에 UREA는 희석될 수 없기 때문에, 시스템(300)은 에러가 존재하는 것으로 결정한다.
뿐만 아니라, 품질 트랜스듀서(115)를 이용하여 결정된 사운드의 속도가 실제로 사운드의 속도보다 더 빠르다면, 시스템(300)은 탱크(110)의 UREA의 레벨이 실제로 있는 것보다 더 높다고 결정한다. 탱크(110)가 채워지고 있을 경우에, 계산된 레벨이 주지된 실제 최대 레벨을 초과하게 될 포인트가 있을 것이다. 그러한 경우에, 시스템(300)은 에러가 존재한다고 결정한다.
온도 센서(125)의 오류에 뒤따라서, 센서 시스템(300)은 감소된 기능으로 계속해서 동작할 수 있다. 온도 센서(125)에 오류가 발생하는 경우에, 컨트롤러(400)는 품질 동작 모드(트랜스듀서(115))에서 생성된 에코 반사에 대한 시간에 대한 레벨 동작 모드(트랜스듀서(210))에서 생성된 에코 반사에 대한 시간의 비율에 기초하여 플루이드 레벨을 계산한다. 품질 기능이 고정된 주지된 거리(예를 들면, 반사기(135)까지)를 횡단한다면, 컨트롤러는 품질 감지 트랜스듀서(115)와 반사기(135) 사이의 거리를 수신된 에코 시간들의 계산된 비율에 의해 승산함으로써, 플루이드의 레벨을 계산할 수 있다.
그러므로, 본 발명은 탱크 내의 액체의 품질 및/또는 깊이를 정확하게 결정하기 위한 시스템들 및 방법을 제공한다.

Claims (32)

  1. 탱크 내의 플루이드(fluid)의 품질 및/또는 양을 결정하기 위한 시스템으로서,
    사운드 웨이브를 생성하고 상기 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된 트랜스듀서 - 상기 트랜스듀서는 상기 사운드 웨이브가 고정된 오브젝트를 향해 이동하도록 상기 탱크의 기저부(bottom) 근처에 배치되고, 상기 고정된 오브젝트는 상기 트랜스듀서로부터 주지된 거리에 이격되어 배치됨 -;
    상기 플루이드의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서; 및
    컨트롤러
    를 포함하고, 상기 컨트롤러는,
    상기 트랜스듀서를 구동하여 상기 사운드 웨이브를 생성하는 신호를 생성하고,
    상기 트랜스듀서로부터 상기 검출된 에코의 표시를 수신하고,
    상기 온도 센서로부터 상기 플루이드의 온도의 표시를 수신하고,
    상기 플루이드의 온도 및 상기 사운드 웨이브가 생성되는 때로부터 상기 에코가 검출되는 때까지의 기간에 기초하여 상기 플루이드 내에 오염물(contaminant)이 존재하는지를 결정하도록 구성되는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 초음파 사운드 웨이브(ultrasonic sound wave)를 생성하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 사운드 웨이브를 변조하여, 상기 트랜스듀서를 구동하는 신호의 진폭을 변화시킴으로써 상기 수신된 에코의 품질을 개선하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 사운드 웨이브를 변조하여, 상기 트랜스듀서를 구동하는 신호의 펄스들의 양을 변화시킴으로써 상기 수신된 에코의 품질을 개선하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 트랜스듀서의 온도-종속형 공진 주파수와 매칭하는 주파수에서 상기 트랜스듀서를 구동하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 컨트롤러는 룩업 테이블을 이용하여 상기 트랜스듀서의 온도-종속형 공진 주파수를 결정하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 검출된 에코가 미리 결정된 제한 시간 내에 상기 트랜스듀서에 의해 수신되는 경우에 상기 에코가 유효한 것으로 결정하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 검출된 에코의 진폭이 미리 결정된 범위 내에 있는 경우에 상기 에코가 유효한 것으로 결정하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 검출된 에코의 지속기간이 미리 결정된 시간 범위 내에 있는 경우에 상기 에코가 유효한 것으로 결정하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 연속적인 에코들 사이의 시간을 측정하고 평균화함으로써, 결정된 에코 시간의 해상도(resolution)를 증가시키는 시스템.
  11. 탱크 내의 플루이드의 품질 및/또는 양을 결정하기 위한 시스템으로서,
    사운드 웨이브를 생성하고 상기 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된 트랜스듀서;
    상기 플루이드의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서; 및
    컨트롤러
    를 포함하고, 상기 컨트롤러는,
    상기 트랜스듀서를 구동하여 제1 사운드 웨이브를 생성하는 제1 신호를 생성하고,
    상기 트랜스듀서로부터 제1 검출된 에코의 표시를 수신하고,
    상기 온도 센서로부터 상기 플루이드의 온도의 표시를 수신하고,
    상기 제1 검출된 에코가 근계 시간(near-field time) 내에 수신되었는지를 결정하도록 구성되는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는 또한, 상기 제1 검출된 에코가 상기 근계 시간 내에 있었던 경우에 제2 에코를 검출하도록 구성되는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 검출된 제2 에코의 크기가 미리 결정된 임계치보다 작은 경우에 상기 트랜스듀서를 구동하여 제2 사운드 웨이브를 생성하는, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 생성하고, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브의 제1 에코가 근계 시간 내에 검출되는지를 결정하고 상기 제2 사운드 웨이브의 상기 제1 에코가 상기 근계 시간 내에 있는 경우에 상기 제2 사운드 웨이브의 제2 에코를 검출하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 임계치보다 큰 진폭을 가지는 제2 에코가 검출될 때까지 추가적인 상이한 신호들을 생성하는 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 플루이드의 온도, 및 상기 제1 에코가 검출되는 때로부터 상기 제2 에코가 검출되는 때까지의 기간에 기초하여, 상기 플루이드 내의 오염물의 존재 및 상기 플루이드의 체적 중 하나를 결정하는 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는 또한, 초음파 트랜스듀서의 링 시간(ring time)을 모니터링하고 상기 링 시간의 종료에 뒤따르는 미리 결정된 시간의 기간 동안에 검출되는 에코들을 무시하도록 구성되는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 링 시간의 배수(a multiple of the ring time)에 기초하여 근계 시간이 계산되는 시스템.
  18. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 사운드 웨이브를 변조하여, 상기 트랜스듀서를 구동하는 신호의 진폭을 변화시키는 것 및 상기 트랜스듀서를 구동하는 신호의 펄스들의 양을 변화시키는 것 중 적어도 하나에 의해 상기 수신된 에코의 품질을 개선시키는 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 트랜스듀서의 온도-종속형 공진 주파수와 매칭하는 주파수에서 상기 트랜스듀서를 구동하고, 상기 컨트롤러는 룩업 테이블을 이용하여 상기 트랜스듀서의 온도-종속형 공진 주파수를 결정하는 시스템.
  20. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 검출된 에코가 미리 결정된 제한 시간 내에 상기 트랜스듀서에 의해 수신되거나, 미리 결정된 범위 내에 드는 진폭을 가지고 있거나, 미리 결정된 시간 범위 내의 지속기간을 가지고 있거나, 또는 상기의 조건의 조합을 만족하는 경우에, 상기 에코가 유효한 것으로 결정하는 시스템.
  21. 제11항에 있어서, 상기 컨트롤러는 또한, 상기 제1 검출된 에코가 근계 시간 내에 있었던 경우에 제2 에코를 검출하도록 구성되고, 상기 검출된 제2 에코의 크기가 미리 결정된 임계치보다 작은 경우에 상기 트랜스듀서를 구동하여 제2 사운드 웨이브를 생성하는, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 생성하고, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브의 제1 에코가 근계 시간 내에 검출되는지를 결정하고, 상기 제2 사운드 웨이브의 제1 에코가 근계 시간 내에 있는 경우에 상기 제2 사운드 웨이브의 제2 에코를 검출하고, 상기 컨트롤러는 또한, 상기 임계치보다 큰 진폭을 가지는 제2 에코가 검출될 때까지 추가적인 상이한 신호들을 생성하도록 구성되는 시스템.
  22. 탱크 내의 플루이드의 품질 및/또는 양을 결정하기 위한 시스템으로서,
    제1 사운드 웨이브를 생성하고 상기 제1 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된 제1 트랜스듀서;
    제2 사운드 웨이브를 생성하고 상기 제2 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된 제2 트랜스듀서 - 상기 제2 사운드 웨이브는 상기 제2 트랜스듀서로부터 주지된 거리에 있는 고정된 구조물에서 에코 반사됨(echoing off) -;
    상기 플루이드의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서; 및
    컨트롤러
    를 포함하고, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 트랜스듀서를 구동하여 상기 제1 사운드 웨이브를 생성하는 제1 신호를 생성하고,
    상기 제1 트랜스듀서로부터 제1 검출된 에코의 표시를 수신하고,
    상기 온도 센서로부터 상기 플루이드의 온도의 표시를 수신하고,
    상기 제1 검출된 에코가 근계 시간 내에 수신되었는지를 결정하도록 구성되는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 컨트롤러는 또한, 상기 제1 검출된 에코가 근계 시간 내에 있었던 경우에 제2 에코를 검출하도록 구성되고, 상기 검출된 제2 에코의 크기가 미리 결정된 임계치보다 작은 경우에 상기 트랜스듀서를 구동하여 제2 사운드 웨이브를 생성하는, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 생성하고, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브의 제1 에코가 근계 시간 내에 검출되는지를 결정하고 상기 제2 사운드 웨이브의 제1 에코가 근계 시간 내에 있는 경우에 상기 제2 사운드 웨이브의 제2 에코를 검출하고, 상기 컨트롤러는 또한, 상기 임계치보다 큰 진폭을 가지는 제2 에코가 검출될 때까지 추가적인 상이한 신호들을 생성하도록 구성되는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브가 생성되는 때로부터 상기 에코가 검출되는 때까지의 기간에 기초하여 상기 플루이드 내의 오염물의 존재를 결정하고, 상기 제1 사운드 웨이브가 생성되는 때로부터 상기 제1 에코가 검출되는 때까지의 기간 및 상기 제1 에코가 검출되는 때로부터 상기 제2 에코가 검출되는 때까지의 기간 중 하나에 기초하여 상기 탱크내의 플루이드의 체적을 결정하는 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 플루이드의 온도를 이용하여, 상기 플루이드 내의 오염물의 존재 및 상기 탱크 내의 플루이드의 체적을 결정하는 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 사운드 웨이브를 변조하여, 상기 제1 트랜스듀서를 구동하는 신호의 진폭을 변화시키는 것 및 상기 제1 트랜스듀서를 구동하는 신호의 펄스들의 양을 변화시키는 것 중 적어도 하나에 의해 상기 수신된 에코의 품질을 개선시키고, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브를 변조하여, 상기 제2 트랜스듀서를 구동하는 신호의 진폭을 변화시키는 것 및 상기 제2 트랜스듀서를 구동하는 신호의 펄스들의 양을 변화시키는 것 중 적어도 하나에 의해 상기 수신된 에코의 품질을 개선시키는 시스템.
  27. 제22항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 트랜스듀서 및 상기 제2 트랜스듀서의 온도-종속형 공진 주파수와 매칭하는 주파수에서 상기 트랜스듀서들을 구동하고, 상기 컨트롤러는 룩업 테이블을 이용하여 상기 트랜스듀서들의 온도-종속형 공진 주파수를 결정하는 시스템.
  28. 제22항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 사운드 웨이브의 상기 검출된 에코가 미리 결정된 제한 시간 내에 상기 제1 트랜스듀서에 의해 수신되거나, 미리 결정된 범위 내에 드는 진폭을 가지고 있거나, 미리 결정된 시간 범위 내의 지속기간을 가지고 있거나, 또는 상기의 조건의 조합을 만족하는 경우에, 상기 제1 사운드 웨이브의 상기 검출된 에코가 유효한 것으로 결정하고, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브의 상기 검출된 에코가 미리 결정된 제한 시간 내에 상기 제2 트랜스듀서에 의해 수신되거나, 미리 결정된 범위 내에 드는 진폭을 가지고 있거나, 미리 결정된 시간 범위 내의 지속기간을 가지고 있거나, 또는 상기의 조건의 조합을 만족하는 경우에, 상기 제2 사운드 웨이브의 상기 검출된 에코가 유효한 것으로 결정하는 시스템.
  29. 제22항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 사운드 웨이브가 생성되는 때로부터 상기 에코가 검출되는 때까지의 기간과 상기 제1 사운드 웨이브가 생성되는 때로부터 상기 제1 에코가 검출되는 때까지의 기간 및 상기 제1 에코가 검출되는 때로부터 상기 제2 에코가 검출되는 때까지의 기간 중 하나의 비율에 기초하여 상기 탱크 내의 플루이드의 체적을 결정하는 시스템.
  30. 탱크 내의 플루이드의 품질 및/또는 양을 결정하기 위한 시스템으로서,
    제1 사운드 웨이브를 생성하고 상기 제1 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된 제1 트랜스듀서;
    제2 사운드 웨이브를 생성하고 상기 제2 사운드 웨이브의 에코를 검출하도록 구성된 제2 트랜스듀서 - 상기 제2 사운드 웨이브는 상기 제2 트랜스듀서로부터 주지된 거리에 있는 고정된 구조물에서 에코 반사됨 -;
    상기 플루이드의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서; 및
    컨트롤러
    를 포함하고, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 트랜스듀서, 상기 제2 트랜스듀서, 및 상기 온도 센서에 결합되고,
    상기 플루이드를 통한 사운드의 속도가 부정확하게 계산된 것에 기초하여 에러 조건을 검출하고, 검출된 에러 조건을 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 온-보드 진단법(on-board diagnostics)을 가지고 있는 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 상기 계산된 상기 플루이드를 통한 사운드의 속도는 정상에서 벗어나게(erroneously) 낮고, 상기 컨트롤러는 상기 플루이드가 희석(dilution)된 것으로 결정된 것 및 상기 플루이드의 레벨이 감소(drop)된 것으로 결정된 것에 기초하여 상기 에러 조건을 검출하는 시스템.
  32. 제30항에 있어서, 상기 계산된 상기 플루이드를 통한 사운드의 속도는 정상에서 벗어나게 높고, 상기 컨트롤러는 상기 플루이드의 레벨이 최대 한계를 초과하는 것으로 결정된 것에 기초하여 상기 에러 조건을 검출하는 시스템.
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