专利名称：液体状态检测传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液体状态检测传感器，用于检测装在液体容器中的液体的温度和特定成分的浓度。
背景技术：
近年来，已经开始将氮氧化物(NOx)选择性催化还原(SCR)应用在废气排放控制装置中，所述装置将譬如从柴油机动车排放的氮氧化物(NOx)转变成无害的气体。为此目的尿素水溶液被用作还原剂。已经公知，使用具有32.5wt％尿素浓度的尿素水溶液适于执行有效的化学还原。然而，装在安装于汽车的尿素溶液槽中的尿素水溶液在严酷环境条件下被储存，而且其尿素浓度可能譬如随着时间而改变。此外，其他类型的液体(譬如，轻油)或水可能错误地灌入尿素溶液槽中。由此，为了控制尿素水溶液的尿素浓度，通过将尿素浓度传感器连接于尿素溶液槽从而检测尿素的浓度。
顺便提及，尿素水溶液的热导率取决于它的尿素浓度，因此，可以将浓度传感器(其中使用温度检测元件来测量由于电流流经于其而产生热量的加热体的温度)配置为从加热体到温度检测元件的热传导受到周围液体的影响。对于这种浓度传感器，所测量的加热体温度反映液体的浓度。由此，可以按照尿素浓度与加热体温度变化之间的关系来检测尿素水溶液的尿素浓度。这一过程通过给加热体通电规定的时间并使用温度检测元件在通电前后测量加热体的温度而完成(例如，参见JP2005-84026A)。尿素浓度与加热体温度变化之间的关系还取决于(初始的)液体温度。由此，在JP2005-84026A中，使用与用于测量加热体温度变化的检测元件不同的温度检测元件，来测量尿素水溶液的温度从而检测尿素水溶液的尿素浓度。JP2005-84026A提出，如果尿素水溶液的温度被检测为低至其凝固点，则基于独立的温度检测元件的输出信息发出警报。
但是，JP2005-84026A的浓度传感器，它的浓度传感部分设置有独立于附加于加热体的温度检测元件的温度检测元件，其缺点在于该浓度传感器较大并且用于浓度检测的电路具有复杂的结构。
另外，装在尿素溶液槽中的尿素水溶液在较冷的气候可能凝固。在此情况下，尿素水溶液不能够被喷射至催化剂，由此必需等到它融化。如上所述，尽管JP2005-84026A中使用独立于附加于加热体的温度检测元件的温度检测元件来发出告知尿素水溶液凝固的警报，但它并没有提及当尿素水溶液凝固时对加热体执行任何处理。当尿素水溶液凝固时，如果通过给加热体通电规定的时间而检测尿素浓度的步骤被重复执行，上述浓度传感部分可能被损坏。更具体地，如果加热体在尿素水溶液凝固的状态下通电规定的时间，所述浓度传感部分周围的尿素水溶液部分由于所产生的热而融化。然而，如果大多数尿素水溶液保持凝固，该融化的尿素水溶液部分将再次凝固，并且所述浓度传感部分可能由于凝固膨胀引起的压力而被毁坏。
发明内容
本发明试图解决现有技术的上述问题，由此本发明的目的是提供一种液体状态检测传感器，它能够使用具有加热电阻的单个装置来检测液体温度和浓度，并当液体凝固时防止所述装置发生毁坏。
为获得上述目的，按照本发明第一方面的液体状态检测传感器是用于检测装在液体容器中液体的状态的液体状态检测传感器，包括液体状态检测元件，该元件将被布置在所述液体容器中并具有当电流流经于其时产生热量的加热电阻；通电单元，该单元用于给所述加热电阻通电规定的检测周期；第一对应值获取单元，该单元用于在所述检测周期里获得与所述加热电阻的第一电阻值相对应的第一对应值；温度信息获取单元，该单元基于所述第一对应值确定液体的温度；第二对应值获取单元，该单元用于在所述检测周期之后获得与所述加热电阻的第二电阻值相对应的第二对应值；差值计算单元，该单元用于确定所述第二对应值与第一对应值之间的差值；以及浓度获取单元，该单元基于所述第二对应值与第一对应值之间的差值来确定液体中特定成分的浓度，而在另外一个优选实施例中是基于所述差值和液体的温度来确定液体中特定成分的浓度。
在按照本发明这一方面的液体状态检测传感器中，所述液体状态检测元件包括加热电阻，该加热电阻具有随着其温度增加而变化的电阻。在加热电阻通电之前，加热电阻的温度近似等同于它周围液体部分的温度。也即是说，在开始给加热电阻通电后不久，加热电阻的电阻与所述周围液体部分的温度密切相关。这是因为它的电阻上发热的影响仍然很小。基于此，在本发明的这一方面，基于第一对应值来检测周围液体部分的温度，所述第一对应值在仅开始对加热电阻通电短时间之后获得且对应于第一电阻值。
液体的热导率取决于液体中特定成分的浓度。因此，当通过加热电阻对不同浓度的加热电阻周围液体部分加热规定时间时，不同液体被期望呈现不同的温度上升率。基于此，在本发明的这一方面，通过给加热电阻通电规定的时间并基于第一对应值(即，仅开始通电短时间之后所获得的加热电阻的第一电阻值)与第二对应值(即，在加热电阻已经被通电检测周期之后所获得的加热电阻的第二电阻值)之间的差值来检测加热电阻的温度上升率，从而检测液体中特定成分的浓度。
顺便提及，即使液体中特定成分的浓度保持不变，加热电阻的温度上升率(即，上述第二对应值与第一对应值之间的差值)随着液体的(初始)温度而改变。也即是说，加热电阻的温度上升率取决于液体的温度。考虑到上述情况，在本发明的这一方面，在以上述方式检测液体中特定成分浓度的过程中，优选通过将基于所述第一对应值确定的液体温度纳入考虑，来校正上述第二与第一对应值之间的差值，所述第一对应值在仅开始给加热电阻通电短时间之后获得。这一措施使得可以独立于其温度准确地检测液体中特定成分的浓度。作为选择，例如可以通过对具有规定浓度的基准液体预先确定所述第二、第一对应值的差值与液体温度之间的关系，并将基于上述关系产生的表格(映射图)或计算公式储存在所述浓度获取单元中，从而将液体温度纳入考虑来校正所述差值。
另外，在本发明的这一方面，可以使用具有加热电阻的单个液体状态检测元件(也称之为直热式液体状态检测元件)对液体执行温度和浓度检测，所述加热电阻既用作加热液体的加热体又用作液体检测元件。这样使液体状态检测传感器小型化，并可以简化其结构和检测线路。
为获得上述目的，按照本发明第二方面的液体状态检测传感器进一步包括凝固判断单元，该单元用于在所述检测周期里，基于由所述温度信息获取单元确定的温度来判断液体是否凝固；以及通电中止单元，如果所述凝固判断单元判定液体是凝固的，该单元用于中止所述通电单元对所述加热电阻的通电。
在本发明的这一方面，由于使用具有上述结构的液体状态检测元件来执行温度和浓度检测，当最初给加热电阻通电时可以通过获取液体的温度来检测液体是否凝固。在温度检测之后，接着通过给加热电阻通电规定的检测周期而执行浓度检测。如果液体是凝固的，仅有液体状态检测元件周围的液体部分由于加热电阻产生的热量而融化。然而，如果大多数液体保持凝固，该融化的液体部分将再次凝固。液体状态检测元件可能由于凝固膨胀产生的压力而毁坏。
考虑到上述情况，在本发明的这一方面，在仅开始对加热电阻通电短时间之后并在对加热电阻通电规定的检测周期之前，基于通过所述温度信息获取单元获得的温度而判断液体是否凝固。如果判定液体是凝固的，通过通电单元对加热电阻的进一步通电被强制禁止。即使液体是凝固的，上述措施防止了液体状态检测元件由于再次凝固膨胀产生的压力而损坏。由此可以提供高可靠性的液体状态检测传感器。
本发明这一方面的所述第一对应值可以是任何对应于加热电阻第一电阻值的数值。该第一对应值的具体例子是电压值、电流值以及转换后的温度值。类似地，本发明这一方面的所述第二对应值可以是任何对应于加热电阻第二电阻值的数值。但是，由于需要确定第二对应值与第一对应值之间的差值，如果第一对应值譬如是电压值，则第二对应值也应该是电压值。此外，在如下所述获得第三对应值的情况，需要确定第三对应值与第一对应值之间的差值。如果第一对应值譬如是电压值，则第三对应值也应该是电压值。
另外，在本发明的这一方面，通过所述第一对应值获取单元获得第一对应值的时限可以是仅开始给加热电阻通电短时间之后，也即是说，在加热电阻自身的温度近似等同于周围液体部分温度的期间。更具体地说，在开始对加热电阻通电的100ms之内获得第一对应值是令人满意的。在开始给加热电阻通电的一定时间内，流经加热电阻的电流倾向于是不稳定的。由此，优选从开始对加热电阻通电经过2ms到100ms(更优选的是到50ms)时获取第一对应值。
按照本发明第二方面的液体状态检测传感器可以是这样的，如果所确定的温度低于或等于液体的凝固点，所述凝固判断单元判定液体是凝固的。
在按照本发明这一方面的液体状态检测传感器中，通过判断由所述温度信息获取单元确定的温度是否低于或等于液体的凝固点来检测液体的凝固状态。这样使得可以快速地判断液体是否凝固，并当判定液体是凝固时快速中止对加热电阻的通电。这样反过来即使液体再次凝固，防止了液体状态检测元件由于再次凝固膨胀产生的压力的损坏。
按照本发明第二方面的液体状态检测传感器可以进一步包括第三对应值获取单元，该单元用于在所述检测周期里并在获得所述第一对应值之后，获得与加热电阻的第三电阻值相对应的第三对应值。如果检测到的温度低于或等于预设的临界温度，并且所述第三对应值、第一对应值之间的中间差值与凝固判断临界值呈规定的数量关系，所述凝固判断单元则判定液体是凝固的。
顺便提及，如果液体浓度改变，液体的凝固温度相应发生改变。例如，在液体是尿素水溶液的情况下，凝固温度随着尿素浓度的降低而增高。因此，当液体中特定成分的浓度已经改变时，仅仅将液体温度与预设的凝固温度相比较可能不足于准确地判断液体是否凝固。
考虑到上述情况，在本发明的这一方面，在将由所述温度信息获取单元检测到的温度与预设的临界温度相比较的同时，将作为所述第三对应值与第一对应值之间差值的中间差值与所述凝固判断临界值相比较。如果检测到的温度低于或等于预设的临界温度，并且所述中间差值与所述凝固判断临界值处于规定的数量关系，则判定液体是凝固的。上述规定数量关系的例子是(1)中间差值＜凝固判断临界值以及(2)中间差值≤凝固判断临界值。
如上所述，通过两个步骤来判断液体是否凝固，即将检测到的温度与所述临界温度相比较以及将所述中间差值与所述凝固判断临界值相比较，这样使得可以准确地判断液体是否凝固，即使液体中特定成分的浓度已经发生改变。
在上述液体状态检测传感器中，优选从中止对加热电阻的通电经过待机时间后，所述通电单元重新开始对加热电阻通电；并且液体状态检测传感器进一步包括待机时间选择单元，该单元用于如果所述通电单元已经对加热电阻通电所述检测周期则选择第一待机时间作为待机时间，以及如果所述通电中止单元已经中止对加热电阻的通电则选择短于第一待机时间的第二待机时间作为待机时间。
在按照本发明这一方面的液体状态检测传感器中，设置待机时间并等待直至加热电阻的温度近似等同于周围液体部分的温度，这样使得可以对液体重复执行校正温度检测和特定成分浓度检测。如果判定液体是凝固的，如上所述对加热电阻的通电被强制中止。但是，由于仅对加热电阻进行了非常短时间的通电，该加热电阻被暴露于其温度近似等同于周围液体部分温度的环境。因此，在本发明的这一方面，如果加热电阻的通电由于液体被判断为凝固而被中止，至下次对加热电阻通电的待机时间被设置为较短。这一措施使得可以快捷地重复对液体温度的再次检测，并由此快捷地判断液体是否已经融化。在液体已经融化之后，可以快捷地检测它的浓度。
对于上述的液体状态检测传感器，优选液体状态检测传感器进一步包括异常判断单元，该单元使用由所述差值计算单元确定的差值来判断在液体容器中是否发生异常；而且仅当异常判断单元通过所确定的差值判定并未发生异常时，所述浓度获取单元确定液体中特定成分的浓度。
如上所述，如果在检测液体中特定成分浓度的过程中所获得的差值超出了正常范围，则判定发生了异常。举例来说，这样使得可以发出警报来通知异常，例如液体容器中的液体是其他类型的液体譬如轻油，或液体容器是空的；或可以限制使用该液体的装置的操作。此外，由于基于正常范围内的差值来确定液体中特定成分的浓度，可以增加浓度检测的准确性。
在上述液体状态检测传感器中，优选所述通电单元产生恒定电流来流经加热电阻；并且所述第一和第二对应值获取单元分别获得电压值作为第一和第二对应值。
由于通电单元被设置成产生恒定电流来流经加热电阻，在简化电路结构的同时，可以确定第一与第二对应值之间精确的差值。这样使得可以提供廉价的液体状态检测传感器。
在上述液体状态检测传感器中，所述液体状态检测元件优选是陶瓷加热器，其中加热电阻被埋置于陶瓷基底中。由于液体状态检测元件包括在耐久性和耐腐蚀性方面优越的陶瓷加热器，可以在较长工作寿命内稳定地检测液体的温度和特定成分的浓度。
在上述液体状态检测传感器中，液体优选是尿素水溶液且特定成分是尿素。这样使得可以检测尿素水溶液的温度和尿素浓度。
图1是液体状态检测传感器100的部分剖面纵向侧视图。
图2是陶瓷加热器110的加热图案115的示意图。
图3是液体状态检测传感器100的电气结构的方框图。
图4是尿素水溶液液面附近部分的放大剖面图，该尿素水溶液充满外部圆柱电极10与内部电极20之间的间隔。
图5是显示与加热电阻114的电阻相对应的电压的曲线图，该电压随着恒定电流开始流经加热电阻114的时间而增大。加热电阻114的温度也相应增加。图5的曲线用于具有32.5wt％尿素浓度且温度为25℃的示例性尿素水溶液。
图6是曲线图，显示加热电阻114的电压改变ΔV与尿素水溶液尿素浓度之间的关系呈线性关系并与温度相关。
图7是曲线图，显示进一步将尿素水溶液的温度纳入考虑、通过校正加热电阻114的电压改变ΔV与尿素水溶液尿素浓度之间的关系而获得的校正后(转换后)浓度，以大致符合实际的尿素浓度。
图8是按照本发明一个实施例的状态检测程序的流程图。
图9是显示临界值Q和R的曲线图，该临界值分别用于判断加热是否在空槽中执行以及用于判断槽中装的是否为其他类型的液体。
图10是按照修改方案的状态检测程序的流程图。
附图标记说明附图中用来表示各种结构特征的附图标记包括如下。
98尿素水溶液100液体状态检测传感器110陶瓷加热器114加热电阻220微型计算机230差动放大器电路部分240恒定电流输出部分221中央处理器(CPU)具体实施方式
以下将参照附图来描述按照本发明一个实施例的液体状态检测传感器。但是，本发明不应当被认为局限于此。
首先，将参照图1和图2来描述示范性的液体状态检测传感器100的构造。图1是液体状态检测传感器100的部分剖面纵向侧视图。图2是陶瓷加热器110的加热图案115的示意图。在液体状态检测传感器100中，液面检测部分70(即，由外部圆柱电极10和内部电极20组成的电容器)的纵向方向作为轴线O的方向，设置有液体状态检测部分30的一侧作为顶端侧，而设置有固定(装配)部分40的一侧作为后端侧。
按照本实施例的液体状态检测传感器100是用于检测尿素水溶液的状态，也即尿素水溶液的液面(液位)、它的温度以及作为其特定成分的尿素的浓度的传感器，所述尿素水溶液用于减少柴油机动车排放废气中所包含的氮氧化物(NOx)。如图1中所示，液体状态检测传感器100包括液面检测部分70，该部分由具有圆柱外形的外部圆柱电极10以及提供在外部圆柱电极10内部以沿着外部圆柱电极10的轴线O延伸的圆柱形内部电极20而组成；提供在内部电极20顶端侧的液体状态检测部分30；以及固定部分40，该固定部分40用于将液体状态检测传感器100连接于尿素溶液槽98(参见图3)。
外部圆柱电极10由金属材料制成并具有沿着轴线O延伸的长且窄的圆柱外形。在外部圆柱电极10上形成有多个窄缝15，它们总体呈现沿着三个母线(generatrix)的每一个而延伸的直线，所述母线以等距间隔布置在外部圆柱电极10的圆周方向上。为避免界入在外部圆柱电极10与内部电极20之间的橡胶衬套80(以下描述)的损耗，在沿其形成缝15的相应母线上于外部圆柱电极10的顶端部分11处形成有孔16。在邻近外部圆柱电极10后端侧的近侧部分12并偏离沿其形成缝15的母线的位置上，一个通气孔19形成在外部圆柱电极10上。外部圆柱电极10的顶端部分11沿着轴线O的方向延伸至孔16的顶端侧所处的位置，并由此从径向外侧包围液体状态检测部分30的陶瓷加热器110(以下描述)以及覆盖并保护陶瓷加热器110的保护装置130。外部圆柱电极10的最顶端(图1的最底部)是开着的，由此可以通过该开口看到液体状态检测部分30的保护装置130。
外部圆柱电极10的近侧部分12焊接于金属固定部分40的电极支架41的外圆周表面以便与后者相接合。固定部分40起着将液体状态检测传感器100固定于尿素溶液槽98的支座作用，并且经由其插入固定螺栓的固定孔(未显示)形成在固定部分40的边缘42处。固定部分40提供在边缘42与电极支架41相对的一侧，具有用于容纳元件的容纳部分43，所述元件包括装配有用于检测尿素水溶液的液面、温度、尿素浓度等的电路(以下描述)的电路板60，用于电连接外电路(譬如汽车的电机控制单元(ECU)，图中未显示)的输入/输出电路以及其他电路。外部圆柱电极10经由固定部分40接地。
电路板60安装在从容纳部分43的四个内表面连线凸出的板安装部分(未显示)上。容纳部分43被安装在边缘42上的罩45所覆盖和保护。连接器62安装在罩45的侧壁上，并且连接器62的接线端子(未显示)经由电缆61连接至电路板60的图案(输入/输出电路部分290，以下描述)。电路板60和ECU经由连接器62彼此连接。
在固定部分40的电极支架41处形成有通孔46以与容纳部分43中的空间相连通，并且内部电极20的近侧部分22通过孔46插入。本实施例的内部电极20由金属材料制成，具有长且窄的圆柱外形，且沿着轴线O延伸。在内部电极20的外圆周表面上形成有绝缘涂层23，该涂层由譬如聚四氟乙烯(PTFE)、全氟代烷基醚(PFA)或乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)的含氟树脂，环氧树脂，聚酰亚胺树脂等制成。通过浸渍或静电粉末涂装将上述树脂施加至内部电极20的外圆周表面上然后热处理，绝缘涂层23作为树脂涂层而形成。液面检测部分70由内部电极20和外部圆柱电极10组成，该电极形成其电容按照尿素水溶液的液面而改变的电容器。
用于将内部电极20固定于固定部分40的导管装置55和内壳50连接或啮合于内部电极20后端侧的近侧部分22。导管装置55是环形的导向元件，它与内部电极20的近侧部分22的末端相连接。内壳50是具有边缘的类圆柱形树脂元件，用来定位和支承内部电极20以使内部电极20与外部电极10安全地相绝缘。内壳50的顶端侧部分与固定部分40的电极支架41相啮合。内壳50具有在径向方向上向外凸出的边缘51。为了将内壳50与电极支架41相啮合，内壳50从容纳部分43的一侧插入电极支架41的孔46中。边缘51达到与容纳部分43的底面相接触，由此防止内壳50穿过孔46。内部电极20从容纳部分43的一侧插入内壳50中。导管装置55达到与边缘51的接触并由此防止内部电极20从内壳50上脱离。
此外，内壳50的外圆周表面和内圆周表面分别提供有O型环53和54。O型环53将内壳50的外圆周表面与固定部分40的电极支架41的内圆周表面之间的间隙密封，而O型环54将内壳50的内圆周表面与内部电极20的近侧部分22的外圆周表面之间的间隙密封。通过这一措施，当液体状态检测传感器100连接于尿素溶液槽98时(参见图3)，尿素溶液槽98保持水密和气密，也即是说，防止了尿素溶液槽98的外侧和外侧经由容纳部分43而彼此连通。板状的密封元件(未显示)连接于固定部分40的边缘42的顶端侧表面，由此当液体状态检测传感器100连接于尿素溶液槽98时，在边缘42与尿素溶液槽98之间确保充分的水密性和气密性。
在将内部电极20连接于固定部分40的过程中，导管装置55通过两个压板56和57压在内壳50的边缘51上。在用界入于压板56自身与导管装置55之间的压板57压住导管装置55的同时，绝缘的压板56通过螺栓58安装在固定部分40上。其结果是，与导管装置55相连接的内部电极20安装在电极支架41上。压板56和57在其中央具有孔59。电部电极20的电极导线52以及包含两根(图1中仅显示了一根)用于电连接陶瓷加热器110(以下描述)的导线90的双芯电缆91，通过孔59插入并电连接于电路板60上的相应图案。电路板60的接地侧电极连接于固定部分40，由此焊接至固定部分40的外部圆柱电极10电连接于该接地侧。
在本实施例中，布置为邻近内部电极20的顶端部分21的液体状态检测部分30由以下组成作为检测尿素水溶液的温度和尿素浓度的液体状态检测元件的陶瓷加热器110、由绝缘树脂制成且连接于内部电极20的顶端部分21的支持架120，以及覆盖并保护陶瓷加热器110暴露于支持架120的部分的保护装置130。
如图2中所示，陶瓷加热器110是这样的，主要由铂制成的加热图案115在由绝缘陶瓷制成的板状陶瓷基底111上形成，并覆盖有反向的陶瓷基底(未显示)，也即是说，加热器图案115被埋置。用作加热电阻114的图案剖面设置为小于用作施加电压的两个电极的导线部分112和113的图案剖面，由此在通电时热量主要由加热电阻114产生。与形成在陶瓷基底111表面上的电极极板相连接的通路导体(未显示)分别连接于导线部分112和113的端，并且所述电极极板分别电连接于两个导体119(图1中仅显示了1个)以中续两根导线90。陶瓷加热器110即相当于本发明的“液体状态检测元件”。
如图1中所示，支承陶瓷加热器110的支持架120是具有阶梯的双圆柱形。陶瓷加热器110通过安装元件125和126(粘合剂)安装在支持架120的小直径顶端部分，它的加热电阻114埋置部分(参看图2)是暴露的。保持架120的大直径后端部连接于内部电极20的顶端部分21。密封环140插入在内部电极20的外圆周表面与保持架120的内圆周表面之间，由此保持内部电极20的水密性及气密性。
顺便提及，在连接保持架120之前，电缆91的两根导线90的芯线通过压接或焊接连接于陶瓷加热器110的相应导体119。此外，导体119和导线90的连接部分以及导体119和导线90的邻近部分被绝缘保护装置95所覆盖和保护。两根导线90穿过圆柱形内部电极20并与电路板60相连。
保护装置130是类似封闭端圆柱外形的金属保护元件。保护装置130的开口侧部分与保持架120的小直径部分相匹配。液体连通孔(未显示)形成为贯穿保护装置130的圆周壁，由此尿素水溶液进出保护装置130的内部。
具有上述结构的液体状态检测部分30通过保持架120连接于内部电极20的顶端部分，并被外部圆柱电极10中的橡胶衬套80弹性支承。橡胶衬套80具有圆柱外形，形成在橡胶衬套80外圆周表面上的凸出物87与外部圆柱电极10的相应孔16相啮合并由此固定在外部圆柱电极10上。橡胶衬套80的外圆周表面和内圆周表面都形成有多个平行于轴线O延伸的槽(未显示)。当液体状态检测传感器100与尿素溶液槽98相连接时，处于橡胶衬套80的顶端侧和后端侧的尿素水溶液通过这些槽发生交换。这些槽也用于排出泡沫。
接下来，将参照图3来描述液体状态检测传感器100的电气结构。图3是显示液体状态检测传感器100电气结构的方框图。
如图3中所示，液体状态检测传感器100与作为液体容器的尿素溶液槽98相连。具有一对电极(外部圆柱电极10和内部电极20)的液面检测部分70以及具有陶瓷加热器110的液体状态检测部分30浸入作为液体状态检测对象并装在尿素溶液槽98中的尿素水溶液中，所述陶瓷加热器110中埋置有加热电阻114。对于液体状态检测传感器100，微型计算机220、用于控制液面检测部分70的液面检测电路部分250、用于控制液体状态检测部分30的液体状态检测电路部分280，以及用于同ECU通讯的输入/输出电路部分290装配在电路板60上。液面检测电路部分250、液体状态检测电路部分280以及输入/输出电路部分290与微型计算机220相连接。
微型计算机220装配有公知的CPU221、ROM222和RAM223。CPU221对整个液体状态检测传感器100进行控制。ROM222提供有各种存储区域(未显示)，并且在ROM222的指定存储区域储存有状态检测程序(以下描述)、公式(1)-(5)(以下描述)、各种变量的初始值、临界值等。RAM223同样也提供有各种存储区域，并且当状态检测程序正在运行时，在RAM223的指定存储区域临时储存状态检测程序的一部分、各种变量的值、计时器计数等。
输入/输出电路部分290执行在液体状态检测传感器100与ECU之间信号输入/输出的通信协议控制。液面检测电路部分250是按照来自微型计算机220的指令进行操作，以在液面检测部分70的外部圆柱电极10与内部电极20之间施加AC电压的电路部分，它将流经液面检测部分70(电容器)的电流转换成电压信号，并将该电压信号输出至微型计算机220。
液体状态检测电路部分280是按照来自微型计算机220的指令进行操作以产生恒定电路流经液体状态检测部分30的陶瓷加热器110，并将产生在加热电阻114上的测定电压输出给微型计算机220的电路部分。液体状态检测电路部分280由差动放大器电路部分230、恒定电路输出部分240以及开关260组成。
恒定电路输出部分240产生恒定电路来流经加热电阻114。布置在通往加热电阻114的电路传导通路上的开关260，通过微型计算机220的控制而转换开关。差动放大器电路部分230将呈现在加热电阻114两端的电位输入功率(Pin)与输出功率(Pout)之间的差值作为测定的电压输出给微型计算机220。
接下来，将描述按照本实施例的液体状态检测传感器100检测尿素水溶液的液面、温度及尿素浓度的原理。首先，将参照图4描述液面检测部分70检测尿素水溶液液面的原理。图4是尿素水溶液液面附近部分的放大剖面图，该尿素水溶液充满外部圆柱电极10与内部电极20之间的间隔。
在外部圆柱电极10和内部电极20的顶端与尿素溶液槽98的底壁相对的情况下，液体状态检测传感器100(参看图1)与装有尿素水溶液的尿素溶液槽98相连接(参看图3)。也即是说，液体状态检测传感器100连接于尿素溶液槽98，使得轴线O设置为当尿素溶液槽98中的体积改变时与尿素水溶液的液面改变方向相平行，以及使得外部圆柱电极10和内部电极20的顶端处于较低液面一侧。通过测量外部圆柱电极10与内部电极20之间的电容，可以检测存在于外部圆柱电极10与内部电极20之间的尿素水溶液在轴线O方向上的水平面。众所周知地，这基于下列事实，即电容随着具有不同电位的两个同轴圆柱面之间的径向距离减小而增大。
更具体地，如图4中所示，对于未充有尿素水溶液的间隔部分，产生电压差部分的长度等于距离X，该距离X是距离Y和Z之和，所述距离Y等于外部圆柱电极10的内圆周表面与绝缘涂层23之间的空气层的厚度，而所述距离Z等于绝缘涂层23的厚度。另一方面，对于充有尿素水溶液的间隔部分，产生电压差的部分的长度为等于绝缘涂层23厚度的距离Z，因为尿素水溶液是导电的由此外部圆柱电极10和尿素水溶液的电位大致相同。
换言之，未充有尿素水溶液的间隔部分的电容等于下列电容器串联的总电容即空气作为电介质(绝缘体)界入在具有距离Y的电极之间的电容器，以及绝缘涂层23作为电介质界入在具有距离Z的电极之间的电容器。充有尿素水溶液的间隔部分的电容等于下列电容器的电容即绝缘涂层23作为电介质界入在具有距离Z的电极之间的电容器。上述两个电容器并联的总电容被测量作为整个液面检测部分70的电容。
由于距离Y比距离Z要大得多，空气作为电介质界入在电极之间的电容器较之绝缘涂层23作为电介质界入在电极之间的电容器每单位面积的电容要小。由此，充有尿素水溶液的间隔部分的电容比未充有尿素水溶液的间隔部分的电容改变得要多，并且由外部圆柱电极10和内部电极20组成的整个电容器的电容与尿素水溶液的液面成比例。
尿素水溶液的上述液面测量由微型计算机220经由液面检测电路部分250来执行，并且作为结果的液面信息信号经由输入/输出电路部分290输出给ECU(未显示)。
下面，将描述通过液体状态检测部分30的陶瓷加热器110，来检测尿素水溶液的温度及作为特定成分的尿素的浓度的原理。图5是曲线图，显示与加热电阻114的电阻相对应的电压是如何随着产生恒定电流流经加热电阻114的操作开始而增大。对于示范性的、尿素浓度为32.5wt％且温度为25℃的尿素水溶液，加热电阻114的温度也相应增加。图6是曲线图，显示加热电阻114的电压改变ΔV与尿素水溶液的尿素浓度之间呈线性关系并与温度相关。图7是曲线图，显示进一步将尿素水溶液的温度纳入考虑、通过校正加热电阻114的电压改变ΔV与尿素水溶液尿素浓度之间的关系而获得的校正后(转换后)浓度，以大致符合实际的尿素浓度。
在通电后不久，加热电阻114的温度近似等同于加热电阻114周围液体的温度。这是因为至今为止所产生的热量还很小。这在图5中得以显示。在产生恒定电路流经加热电阻114的操作开始之后(在通电开始后，大约花10ms以使电流值变得稳定)，加热电阻114的温度持续增加。
由此，如果预先获得当通电开始过去10ms后对应于加热电阻114电阻的电压与加热电阻114周围尿素水溶液部分的温度之间的关系，可以测得尿素水溶液的温度。加热电阻114仅开始通电短时间之后所展现的电阻与加热电阻114周围尿素水溶液部分的温度之间的关系可以下列公式给出RT＝R0(1+α0T)(1)变量RT是加热电阻114处于T℃时的电阻，并且当开始给加热电阻114通电时加热电阻114周围液体的温度也是T℃。参数R0是加热电阻114处于0℃时的电阻(Ω)。系数α0是在0℃时确定的温度系数且取决于加热电阻114的材料。由此从公式(1)可以看出，加热电阻114的电阻是环境温度的线性函数。
通过欧姆定律(Ohm’s law)，关系式
RT＝VT/I (2)成立。由于产生恒定电路来流经加热电阻114，电流I(A)是不变的。由此可以推导出，加在加热电阻114上的电压(在本实施例中，即差动放大器电路部分230的输出电压V)与电阻RT(Ω)成比例(参见公式2)并且是环境温度的线性函数(参看公式1)。
当加热电阻114的通电继续时，加热电阻114产生的热量被它周围的液体所吸收且液体热量吸收量取决于它的热导率。也即是说，加热电阻114的温度上升率取决于它周围液体的热导率。此外，众所周知液体的热导率取决于包含其中的特定成分的浓度。因此，当加热电阻114浸入液体中并对该液体加热规定时间时，只要知道加热电阻114的电阻变化率，就可以确定环境液体热导率的改变并获得该液体中特定成分的浓度。
这在图6中得以显示。例如，当浸入到25℃的尿素水溶液中的加热电阻114通电700ms时，对于尿素水溶液的尿素浓度分别为0wt％、16.25wt％和32.5wt％的情况，与加热电阻114电阻改变相对应的电压改变分别是1220mV、1262Mv和1298mV。也即是说，随着尿素水溶液的尿素浓度增大及其热导率相应降低，加热电阻114产生的热量较不易于吸收且由此温度上升率增大。其结果是，加热电阻114的电阻改变增大且对应的电压改变(图6中的ΔV)增大。
如上所述地，尿素水溶液的尿素浓度与加热电阻114的电阻改变(即，电压改变)具有如图6所示的线性关系。加热电阻114周围的尿素水溶液部分的尿素浓度与对应于加热电阻114电阻改变的电压改变之间的关系可以下列公式给出ΔV＝aTC+bT(3)变量ΔV(mV)是与加热电阻114仅开始通电短时间所展现的电阻相对应的电压和与加热电阻114开始通电后经过规定周期(譬如700ms)的时点所展现的电阻相对应的电压之间的差值。变量C是尿素水溶液的尿素浓度(wt％)。系数aT是尿素水溶液的温度为T℃的情况下ΔV-C直线的斜率。常量bT是尿素水溶液的温度为T℃的情况下ΔV-C直线的截距。
另一方面，即使尿素水溶液的尿素浓度相同，如果尿素水溶液处于不同温度，加热电阻114的温度上升率(即，电压改变ΔV)也发生改变。也即是说，加热电阻114的温度上升率也取决于尿素水溶液的温度。
这同样在图6的曲线得以显示。例如，如果尿素浓度为32.5wt％且温度为25℃的尿素水溶液通过对加热电阻114通电被加热700ms，与加热电阻114电阻改变相对应的电压改变ΔV为1298mV。另一方面，如果尿素浓度相同而温度为80℃的尿素水溶液通过对加热电阻114通电被加热700ms，该电压改变为1440mV。也即是说，在尿素水溶液的尿素浓度不变的情况下，加热电阻114的电阻改变以及相应的电压改变ΔV在尿素水溶液的初始温度较低时减小。
如上所示，计算出的尿素浓度与加热电阻114的电阻改变(电压改变ΔV)之间的关系取决于尿素水溶液的初始温度。因此，通过校正(校准)公式(3)可以计算出校正后的尿素浓度，以将通过公式(1)和(2)确定的尿素水溶液的温度纳入考虑。对尿素水溶液温度的校正可以按照下列公式来执行aT＝a25+x(T-25) (4)bT＝b25+y(T-25) (5)参数a25是尿素水溶液的温度为25℃时ΔV-C直线的斜率，且x是该斜率的温度校正系数。类似地，b25是尿素水溶液的温度为25℃时ΔV-C直线的截距，且y是该截距的温度校正系数。
可以用过试验等来确定适用于公式(3)、(4)和(5)中校正参数的值，譬如a25＝2.3，b25＝1.223，x＝0.015以及y＝2.45。图7显示了使用上述值来执行校正所获得的尿素水溶液的浓度(转换后浓度)，该浓度大致符合于实际的尿素浓度。
按照本实施例的液体状态检测传感器100依照上述原理来检测尿素水溶液的液面、温度及尿素浓度。尤其是，可以通过运行储存在微型计算机220的ROM222中的状态检测程序来检测尿素水溶液的温度和尿素浓度。以下将参照图3、图8和图9来描述该状态检测程序。图8是状态检测程序的流程图。图9是显示临界值Q和R的曲线图，该临界值分别用于判断加热是否在空的尿素溶液槽98中执行，或尿素溶液槽98中装的是否为其他类型的液体。
为响应于来自ECU的指令对尿素水溶液的状态进行检测，储存在ROM222中的状态检测程序被读入RAM223的指定存储区域并被运行。如图8中所示，当控制信号从微型计算机220发送至开关260(参见图3)时，在步骤S1开关260闭合且恒定电流输出部分240对加热电阻114的通电开始。通过参照独立运行的计时程序(未显示)的计数，程序等待直至从通电开始经过10ms(S2否)。如上所述地，10ms设置为初始通电时间以允许电流值达到稳定。这一过程防止步骤3在10ms期间内测量电压。
在10ms过去之后(S2是)，程序进行到步骤S3，此处差动放大器电路部分230对加热电阻114的电压值进行测量并且所测定的电压值输入给微型计算机220。在开始通电后由差动放大器电路部分230测量的加热电阻114的测定电压值，即为本发明的“第一对应值”；而获得该测定电压值的CPU221即为本发明的“第一对应值获取单元”。
在微型计算机220中，所接收的加在加热电阻114上的电压值由VT来表示，并按照公式(1)和(2)来计算加热电阻114周围尿素水溶液部分的温度T。所计算出的温度T作为温度信息信号从输入/输出电路部分290发送至ECU(S6)。计算尿素水溶液的温度T的CPU221即为本发明的“温度信息获取单元”。
另一方面，在步骤S7，将尿素水溶液的温度T与它的凝固点(-11℃)相比较，该凝固点预先储存在ROM222中。如果温度T低于或等于凝固点(S7是)，则判定尿素水溶液是凝固的。发送控制信号以断开开关260，并且加热电阻114的通电被中止(S8)。通过参照独立运行的计时程序(未显示)的计数，程序等待直至从中止通电开始经过1s(S9否)。该待机时间设置为足够大，以允许加热电阻114的温度变得等同于已经通电了大约10ms、加热电阻114周围尿素水溶液部分的温度。在1s过去之后(S9是)，程序返回至步骤S1，这时加热电阻的温度应当等同于尿素水溶液周围部分的温度。在步骤S7判断尿素水溶液的温度T是否低于或等于凝固点的CPU221，即为本发明的“凝固判断单元”；而在步骤S8输出控制信号给开关260以中止加热电阻通电的CPU221即为本发明的“通电中止单元”。此外，通过在步骤S7判断尿素水溶液的温度T是否低于或等于凝固点，从而在步骤S9和S22中的一个产生等待的CPU221即为本发明的“待机时间选择单元”，上述步骤S9和S22在待机时间上不同。
当加热电阻114周围的尿素水溶液部分的温度低于或等于凝固点时，尿素水溶液曾经由于加热电阻114产生的热量而融化的其他部分可能再次凝固。陶瓷加热器110可能由于凝固膨胀产生的压力而损坏。考虑到这点，通过反复执行步骤S1-S9来监控尿素水溶液的温度。如果尿素水溶液的温度T变得高于凝固点(S7否)，通过参照计时程序的计数加热电阻114保持通电直至700ms的时间过去(S10否)。
一旦从开始通电加热电阻114经过700ms(S10是)，在步骤S11通过差动放大器电路部分230测量的加热电阻114的测定电压值，如同步骤S3所执行的那样输入给微型计算机220。在完成该电压测量之后，在步骤S12控制信号从微型计算机220输出给开关260并且加热电阻114的通电中止。在步骤S11通过差动放大器电路部分230在从开始通电加热电阻114经过700ms的时点所测量的加热电阻114的测定电压值，即为本发明的“第二对应值”。获得该电压值的CPU221即为本发明的“第二对应值获取单元”。此外，在步骤S1使恒定电流输出部分240开始对加热电阻114通电、在步骤S10导致等待700ms，以及在步骤S12输出信号给开关260以中止通电的CPU221，即为本发明的“通电单元”。
在步骤S13，将在步骤S11中700ms过去的时点所获得的电压值减去在步骤S3所获得的加热电阻114的电压值，从而计算出差值ΔV。如果计算出的差值ΔV小于从尿素水溶液合理的尿素浓度范围中所确定的最大电压改变值(界限值Q，参看图9)(S14是)，则判定差值ΔV是处于正常差值范围内的正常值并且程序进行到步骤S18。在步骤S18，按照公式(3)-(5)来计算尿素水溶液的尿素浓度C。在该计算过程中使用的差值(即，正常差值)ΔV具有譬如E的值，该值要小于临界值Q(参看图9)。所计算出的尿素浓度C作为浓度信息信号从输入/输出电路部分290发送给ECU。在步骤S13计算差值ΔV的CPU221即为本发明的“差值计算单元”。在步骤S18计算尿素水溶液的尿素浓度C的CPU221即为本发明的“浓度获取单元”。
接下来，通过参照计时程序的计数，等待直至60s过去(S22否)。该待机时间设置为足够大，以允许加热电阻114的温度变得等同于已经通电了大约700ms、加热电阻114周围尿素水溶液部分的温度。在60s过去之后(S22是)，重新开始检测尿素水溶液的温度及尿素浓度的流程。
另一方面，如果判定计算出的差值ΔV大于或等于临界值Q(S14否)，在步骤S19则判断该计算出的差值ΔV是否大于最小电压改变值(临界值R，参看图9)，该最小电压改变值可以在加热电阻114被空气包围时而获得。如果该计算出的差值ΔV大于所述最小电压改变值(S19是)，在步骤S20则产生“正在空槽中加热”的判断结果，并且该结果的报警信号经由输入/输出电路部分290发送给ECU。在此情况下，差值ΔV具有譬如G的值，该值大于临界值R(参看图9)。基于步骤S14和S19的判定结果来判断是否发生异常、并导致步骤S20或S21执行的CPU221即为本发明的“异常判断单元”。
即使差值ΔV小于或等于临界值R(S19否)，由于它要大于或等于临界值Q，加热电阻114周围的液体在步骤S21被判断并不是尿素水溶液(譬如，是轻油)，并且该结果的报警信号经由输入/输出电路部分290发送给ECU。在此情况下，差值ΔV具有譬如F的值，该值大于或等于临界值Q并小于或等于临界值R。无论发出何种警报，程序进行到等待60s的步骤S22。当60s过去之后(S22是)，重新开始检测尿素水溶液的温度及尿素浓度的流程。
自然，可以有上述实施例的各种修改。例如，尽管在按照上述实施例的状态检测程序中，在步骤S6按照公式(1)和(2)来计算尿素水溶液的温度并在步骤S18按照公式(3)-(5)来计算尿素浓度，也可以在步骤S6和S18分别参照表格来确定温度及尿素浓度，所述表格通过试验等被预先制定并储存在指定的存储区域。
步骤S2、S9、S10和S22的待机时间仅仅是示例，可以通过试验等来设置最优的待机时间。步骤S9和S22的待机时间可以按照步骤S6所测得的尿素水溶液的温度来设置。此外，尽管在上述实施例中在步骤S7将计算出的尿素水溶液温度与尿素水溶液的凝固点相比较，也可以将在从通电开始经过10ms的时点所测量的加热电阻114的电压值与通过试验等预先确定、对应于凝固点(-11℃)的加热电阻114的电压值相比较。
电路板60可以作为用于液面检测部分70和液体状态检测部分30的中继输出的电路板，并与包括微型计算机220的外电路相连接。液面检测以及温度和浓度检测可以在所述外电路的控制下执行。
在按照上述实施例的液体状态检测传感器100中，提供有外部圆柱电极10和内部电极20并且还检测尿素水溶液的液面。然而，并不总是需要提供外部圆柱电极10和内部电极20。对于按照上述实施例的液体状态检测传感器100，在液体状态检测电路部分280中提供有恒定电流输出部分240，并通过产生恒定电流流经加热电阻114来获得相应于加热电阻114电阻值的电压值。然而，例如，可以通过在液体状态检测电路部分中提供恒定电流输出部分，并通过将恒定电流施加于加热电阻114而获得相应于流经加热电阻114的电流的电流值，从而检测尿素水溶液的温度和尿素浓度。
顺便提及，如果尿素水溶液由于车辆的振动等被剧烈振荡，加热电阻114的测定电压可以暂时具有较大或较小值。在此情况下，所获得的温度信息或浓度信息可以暂时具有不正常的值。例如，可以通过储存多个电压测量值并基于它们的平均数来获得温度信息及浓度信息，从而可以获得更为准确的温度信息及浓度信息。下面将参照图10来描述修改版本的状态检测程序，该程序能够产生更为准确的温度信息及浓度信息。该修改版本与图8中所示按照上述实施例的状态检测程序不同之处在于判定液体是否凝固的步骤。也即是说，在修改版本中，如下所述地，通过两组步骤来判断液体是否凝固。
在如图10所示的第二状态检测程序中，在按照上述实施例的状态检测程序的步骤S3与S6之间插入有步骤S4和S5，并同样在步骤S14与S18之间插入有步骤S15-S17。此外，在第二状态检测程序中，以步骤S31-S35来替代按照上述实施例的状态检测程序的步骤S7。其他步骤与上述实施例相同，因此它们被给出相同的编号并将以简化的方式描述或省略其描述。
在第二状态检测程序中，对于在步骤S3仅给加热电阻通电短时间之后所测量的加热电阻114的测定电压值以及在步骤S13计算出的差值ΔV，通过公知的存储器管理方法将5个最近的值储存在RAM223的指定存储区域中。用于对步骤S3和S15的执行次数分别进行计数的计数器，储备在RAM223的指定存储区域。当开始执行上述第二种状态检测程序时，上述各种变量、计数器等储存在RAM223以在运行第二状态检测程序中使用的值设为初始值(譬如，0)。
如图10中所示，在第二状态检测程序中，当从加热电阻114的通电开始已经过去10ms时，测量加热电阻114的电压值并输入给微型计算机220(S1-S3)。此时，所测定的电压值储存在RAM223的指定存储区域，并且用于检测步骤S3的执行次数(即，电压值采样的次数)的计数器增加1。
在步骤S4，查询步骤S3的执行次数以确定在上述第二状态检测程序开始之后步骤S3的电压测量是否已经执行了5次或更多。如果电压测量还没有执行5次(S4否)，程序进行到步骤S6，在这里以与上述实施例相同的方式将所测得的电压值转换成温度。
另一方面，如果在步骤S4中确认步骤S3已经被执行5次或更多(S4是)，程序进行至步骤S5。由于如上所述最近5次之多的测定电压值储存在RAM223中，当第二状态检测程序的步骤S3被执行第6次或更大次数时，最早的电压值被改写。
在步骤S5，从储存在RAM223的指定存储区域中、作为步骤S3重复执行结果的5个最近电压值中排除最大和最小电压值，从而计算出所获得的3个电压值的平均值。在步骤S6，通过使用所计算出的平均电压值来计算尿素水溶液的温度T。
在执行步骤S6之后，程序进行到步骤S31，此处将步骤S6中计算出的尿素水溶液的温度T与预先储存在ROM222中的临界温度(在本修改例中是0℃)相比较。如果计算出的温度T小于或等于该临界温度(S31是)，则判断尿素水溶液暴露在冷空气中并且程序进行到步骤S32。如果计算出的尿素水溶液的温度T高于该临界温度(S31否)，则判断尿素水溶液并未凝固且程序进行到步骤S10。
如果程序由于步骤S31的肯定判断结果而进行至步骤S32，通过参照计时程序的计数，加热电阻114保持通电直至300ms的时间过去(S32否)。一旦从通电加热电阻114开始已经过去了300ms(S32是)，在步骤S33由差动放大器电路部分230测量的加热电阻114的测定电压以与上述步骤S3相同的方式输入给微型计算机230。在从通电加热电阻114开始经过300ms的时点所测量的加热电阻114的测定电压值，即为本发明的“第三对应值”。确定该测定电压的CPU221即为本发明的“第三对应值获取单元”。
接着，程序进行至步骤S34，此处通过将在步骤S33中从通电开始300ms过去的时点所获得的电压值减去在步骤S3所获得的加热电阻114的电压值，从而计算出中间差值ΔV1。在步骤S35，判断步骤S34中计算出的中间差值ΔV1是否大于凝固判断临界值TH，该临界值TH通过试验等被预先确定并储存在ROM222中。如果判断中间差值ΔV1大于凝固判断临界值TH(S35是)，程序进行至步骤S10。如果判断中间差值ΔV1小于或等于凝固判断临界值TH(S35否)，则进一步判断尿素水溶液是凝固的。控制信号发送给开关260以断开它，由此中止加热电阻114的通电(S8)。在执行步骤S8之后，程序进行至步骤S9并等待1s。在1s过去之后，程序返回至步骤S1以再次开始检测加热电阻114温度的流程。
另一方面，如果在步骤S31产生否定的判断结果(S31否)或在步骤S35产生肯定的判断结果(S35是)，步骤S10-S12以与上述实施例相同的方式执行，然后程序进行至步骤S13。在步骤S13，通过将在步骤S11获得的电压值减去在步骤S3所获得的加热电阻114的电压值(即，储存在RAM223中的最近一次电压值)，从而计算出差值ΔV。如果计算出的差值ΔV小于所述临界值Q(S14是)，在步骤S15差值ΔV储存在RAM223的指定存储区域，并且用于计数步骤S15执行次数的计数器的计数(即，当电压采样是正常值后计算差值ΔV的次数)增加1。
在步骤S16，查询步骤S15执行次数计数器的计数。如果判断为正常且作为正常差值储存在RAM223中的差值ΔV的次数小于5，也即是说，如果步骤S15还未执行5次或更多(S16否)，程序进行到步骤S18，此处计算出的差值ΔV以与上述实施例相同的方式转换成浓度。
另一方面，如果步骤S15被执行5次或更多而且判断差值ΔV(仅限于正常值)的采样已经执行5次或更多(S16是)，程序进行至步骤S17。如果当第二状态检测程序继续时步骤S15被执行6次或更大次数，最早的差值ΔV如同上述电压的情形(S3)被改写。其结果是，在RAM223的存储区域中总是储存有5个最近的差值ΔV。
在步骤S17，如同步骤S5的情形，通过从储存在RAM223的指定存储区域中、作为步骤S13重复执行结果的5个最近电压值中排除最大和最小电压值，从而获得三个差值ΔV的平均值。在步骤S18，所计算出的平均差值ΔV转换成浓度。
第二状态检测程序的其他步骤与按照上述实施例的状态检测程序的相应步骤相同。如上所述地，通过基于5个最近检测结果中的三个的平均值来计算尿素水溶液的温度及浓度，可以获得高度精度的温度信息和浓度信息。然而，采样的次数并不局限于5次。此外，从测定值(测定的压电值或差值ΔV)中排除最大值和最小值的过程也可以省略。
如上所述，在第二状态检测程序中，以两组步骤来判断尿素水溶液是否是凝固的，也即是，将尿素水溶液的温度T与所述临界温度相比较的步骤(S31)以及将在加热电阻114通电中途获得的中间差值ΔV与所述凝固判断临界值TH相比较的步骤(S35)。由此，即使在尿素水溶液的尿素浓度发生改变(被稀释)的情况下，该状态检测程序可以准确地判断尿素水溶液是否是凝固的。对于按照本修改方案的液体状态检测传感器，CPU221在步骤S31判断尿素水溶液的温度T是否低于或等于所述临界温度。如果温度T低于或等于该临界温度，CPU221在步骤S35判定中间差值ΔV是否与所述凝固判断临界值TH呈规定的数量关系(在本修改方案中，即中间差值ΔV是否大于凝固判断临界值TH)。CPU221和相关的判断步骤构成了本发明的“凝固判断单元”。
本发明可运用于能够使用单个的传感器来检测液体温度及浓度的液体状态检测传感器。
本申请基于2005年7月8日提交的日本专利申请JP2005-200808以及2005年9月26日提交的日本专利申请JP2005-277776，其整体内容在此引入作为参考，等同于详细的描述。
权利要求
1.一种液体状态检测传感器，用于检测装在液体容器中液体的状态，包括液体状态检测元件，该元件将被布置在所述液体容器中并具有当电路流经于其时产生热量的加热电阻；通电单元，用于给所述加热电阻通电规定的检测周期；第一对应值获取单元，用于在所述检测周期里获得与所述加热电阻的第一电阻值相对应的第一对应值；温度信息获取单元，基于所述第一对应值确定液体的温度；第二对应值获取单元，用于在所述检测周期之后获得与所述加热电阻的第二电阻值相对应的第二对应值；差值计算单元，用于确定所述第二对应值与第一对应值之间的差值；以及浓度获取单元，基于所述第二与第一对应值之间的差值确定液体中特定成分的浓度。
2.如权利要求1所述的液体状态检测传感器，其中所述浓度获取单元基于所述第二与第一对应值之间的差值以及液体的温度来确定液体中特定成分的浓度。
3.如权利要求1所述的液体状态检测传感器，进一步包括凝固判断单元，用于在所述检测周期里，基于由所述温度信息获取单元确定的温度来判断液体是否凝固；以及通电中止单元，当所述凝固判断单元判定液体是凝固时，用于中止所述通电单元对所述加热电阻的通电。
4.如权利要求3所述的液体状态检测传感器，其中当所确定的温度低于或等于液体的凝固点时，所述凝固判断单元判定液体是凝固的。
5.如权利要求3所述的液体状态检测传感器，进一步包括第三对应值获取单元，用于在所述检测周期里并在获得所述第一对应值之后，获得与所述加热电阻的第三电阻值相对应的第三对应值，其中当所确定的温度低于或等于预设的临界温度，并且所述第三对应值、第一对应值之间的差值与凝固判断临界值呈规定的数量关系时，所述凝固判断单元判定液体是凝固的。
6.如权利要求3所述的液体状态检测传感器，其中从中止对所述加热电阻的通电经过待机时间后，所述通电单元重新开始对所述加热电阻通电；并且所述液体状态检测传感器进一步包括待机时间选择单元，用于当所述通电单元已经对所述加热电阻通电检测周期时选择第一待机时间作为待机时间，以及当所述通电中止单元已经中止对所述加热电阻的通电时，选择短于所述第一待机时间的第二待机时间作为待机时间。
7.如权利要求1所述的液体状态检测传感器，其中所述液体状态检测传感器进一步包括异常判断单元，使用由所述差值计算单元确定的差值来判定所述液体容器中是否发生异常；以及当所述异常判定单元判定并未发生异常时，所述浓度获取单元确定液体中特定成分的浓度。
8.如权利要求1所述的液体状态检测传感器，其中所述通电单元产生恒定电路来流经所述加热电阻；并且所述第一对应值获取单元获得电压值作为所述第一对应值，且所述第二对应值获取单元获得电压值作为所述第二对应值。
9.如权利要求1所述的液体状态检测传感器，其中所述液体状态检测元件是陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括埋置于陶瓷基底中的加热电阻。
10.如权利要求1所述的液体状态检测传感器，其中所述液体是尿素水溶液且所述特定成分是尿素。
11.如权利要求7所述的液体状态检测传感器，其中仅当所述异常判定单元判定并未发生异常时，所述浓度获取单元确定液体中特定成分的浓度。
全文摘要
一种液体状态检测传感器，其中基于对加热电阻开始通电后所获得的、与加热电阻的电阻值相对应的电压值来获得尿素水溶液的温度信息(S1－S6)。如果所获得的温度低于或等于凝固点，通过中止通电而避免对所述加热电阻的损坏(S7是和S8)。如果该温度高于凝固点(S7否)，则在经过700ms后通过前面获得的电压值的差值ΔV确定与所述加热电阻的电阻相对应的电压值(S10和S11)以及尿素水溶液的尿素浓度。通过利用前面获得的尿素水溶液的温度信息作出校正，可以检测更为准确的尿素浓度(S13－S18)。
文档编号G01N27/00GK1892208SQ20061010147
公开日2007年1月10日 申请日期2006年7月10日 优先权日2005年7月8日
发明者笹沼威夫, 佐藤美邦, 田村俊介, 熊泽真治, 佐佐木寿 申请人:日本特殊陶业株式会社