对浓度传感器进行校准的方法

文档序号:10722514阅读:1111来源:国知局
对浓度传感器进行校准的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于校准超声传感器的方法,超声传感器包括换能器、与换能器相距一已知距离的反射器,以及存储器。水浴器被加热至大约50摄氏度,并且超声传感器部分地浸没在水浴器中。当被浸没时,超声波被从换能器发射经过水浴器的一部分。所述超声波朝向反射器发射,并且反射回的超声波在换能器处被接收。对超声波的飞行时间进行测量。基于超声波的飞行时间和超声波的期望的飞行时间来确定校准系数。所述校准系数被加载到所述超声传感器的存储器中。
【专利说明】
对浓度传感器进行校准的方法
技术领域
[0001]本发明的实施例涉及对传感器进行校准的方法,该传感器被配置为确定流体的特性。特别地,本发明的实施例涉及对传感器的校准,该传感器用于确定柴油机废气流体 (DEF)的浓度。【背景技术】
[0002]选择性催化还原(SCR)是通过催化还原将柴油机氮氧化物(NOx)排放转变为二原子的无害的氮气(N2)和水(H20)的方法。在清洁的柴油引擎中,SCR系统几乎不释放NOx。
[0003]DEF用于还原柴油引擎的废气中的氮氧化物(NOx)气体。DEF是纯化的水和尿素的混合物。在典型的SCR系统中,DEF储存在车辆的一容器中,并且以与正在燃烧的柴油燃料大约1:50的比例经由一个或多个注射器注入废气中。注入的尿素(以雾的形式)与废气混合, 并且将废气中的NOx分解为氮气、水和二氧化碳。
【发明内容】

[0004]为了确保SCR系统的正确操作,重要的是感测DEF流体的质量和数量。当污染物(例如,柴油燃料、水,及乙二醇)与DEF混合时,DEF还原废气中的NOx的能力会减弱。被污染的 DEF还会引起对NOx还原系统的损害。同样重要的是,对SCR系统来说有足量的DEF可用。在容器附近,一个或多个传感器用于感测DEF的特定特性。传感器可以包括但不限于:用于确定容器中的DEF的数量的水平传感器;用于确定容器中的DEF的质量的浓度传感器;以及温度传感器。
[0005]在一些实施例中,单个传感器测量DEF的水平、DEF的浓度,以及DEF的温度。单个传感器提供对于测量DEF的特性而言成本有效的解决方案。大体上,传感器使用反射的超声波和DEF的温度来确定DEF中的音速。因为DEF的音速与DEF的浓度和温度成比例,所以传感器可以通过测量DEF的音速和温度来确定DEF的浓度。一旦确定了DEF的音速,传感器可以进一步基于音速和反射的超声脉冲的飞行时间来计算储存容器中的DEF的高度。当已知储存容器的尺寸时,DEF的高度被转换为对储存容器中存在的DEF的量(例如,加仑)的度量。
[0006]计算DEF的浓度依赖于由超声传感器的准确的测量。然而,超声传感器中的制造公差导致传感器的构造中的微小差别。在使用中,这些微小的差别可导致超声传感器所测量的值中的变化。例如,第一个超声传感器可能会测量出与第二个超声传感器有微小不同的 DEF的音速值。所测量的音速中的差别会导致所计算的浓度值中的差别。在实践中,所测量的值中的差别可以通过在测试方案中对超声传感器进行校准而被最小化。
[0007]因此,在一个实施例中,本发明提供一种用于校准超声传感器的方法,超声传感器包括换能器、与换能器相距一已知距离的反射器,以及存储器。该方法包括:将水浴器加热至预定的温度,并且将超声传感器至少部分地浸没在水浴器中。当被浸没时,超声波被从换能器发射经过水浴器的一部分。所述超声波朝向反射器发射,并且反射回的超声波在换能器处被接收。对超声波的飞行时间进行测量。基于超声波的飞行时间和超声波的期望的飞行时间来确定校准系数。所述校准系数接着被加载到所述超声传感器的存储器中。
[0008]应当注意到,本发明的实施例可用于多种超声传感器的校准,而不限于在DEF中使用的超声传感器。所述多种超声传感器可以测量多种流体中的音速,包括但不限于,汽油燃料、柴油燃料、机油、液压流体和变速箱流体。因此,在制造过程中对多种传感器的校准带来了音速测量的准确性的提高,以及基于音速测量而确定的浓度测量的准确性的提高。
[0009]通过考虑【具体实施方式】和附图,本发明的其他方面将是显而易见的。【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的一个实施例的超声传感器的立体图。
[0011]图2是图1的超声传感器的截面图。
[0012]图3是示出了图1的超声传感器的控制系统的框图。
[0013]图4是用图1的超声传感器执行测量的方法的流程图。
[0014]图5是对图1的超声传感器进行校准的方法的流程图。
[0015]图6A和图6B示出了水的音速关于水温的图以及水的音速对水温的导数的图。【具体实施方式】
[0016]在详细解释本发明的任何实施例之前,要理解的是,本发明并不将其应用限制为下文的描述中所列或者附图中所示的部件的结构和安排的细节。本发明能够有其他实施例并且能够以多种方式实施或执行。
[0017]应当理解的是,多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件可以用于实现本发明。此外,应当理解的是,本发明的实施例可以包括硬件、软件,以及电子部件或模块,出于讨论的目的,所述电子部件或模块可以被示出和描述为,就像大部分部件在硬件中单独实现一样。然而,本领域技术人员基于阅读本详细说明将会意识到,在至少一个实施例中,本发明的基于电子的方面可以在可由一个或多个处理器执行的软件(例如,存储在非易失性计算机可读介质中)中实现。这样,应当注意的是,多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件可以用来实现本发明。例如,说明书中描述的“控制单元”或“控制器”可以包括一个或多个处理器、一个或多个存储器模块(包括非易失性计算机可读介质)、一个或多个输入/输出接口以及连接这些部件的多个连接器(例如,系统总线)。
[0018]本文描述的本发明的实施例是参照对用于DEF(在SCR系统中所使用)的传感器的校准来描述的。然而,在此描述的本发明可以应用于多种流体(例如,汽油燃料、柴油燃料、 机油、液压流体、变速箱流体等)或者与所述多种流体结合使用。
[0019]图1示出了超声传感器100的立体图。在示出的示例中,超声传感器100包括基部 105、水平聚焦管110、反射器115和换能器120(例如压电超声换能器)。超声传感器100被设计为至少部分地浸没在储存容器125内的流体中。换能器依赖于所述流体,以作为发射超声波的工具。因为超声波的发射和接收确定流体的特性,所以超声传感器100仅在流体的高度足以覆盖换能器120和反射器115时确定流体的特性。如果流体没有覆盖换能器120,则超声传感器100输出一信号,该信号表明不足的流体在储存容器125中进行测量(例如,“空的”)。 应当注意,在一些实施例中,反射器115可以是超声传感器外部的独立部件。在这样的实施例中,超声传感器100和反射器115定位为彼此间有一预定的距离。
[0020]图2示出了超声传感器100的截面图。如图所示,该截面沿着超声传感器100的长度截取,从而水平聚焦管110、反射器115和换能器120被一竖直平面切开。超声传感器100包括印刷电路板(PCB)230和多个传感器。在示出的实施例中,所述多个传感器包括浓度传感器 135、水平传感器240和温度传感器245。在其他实施例中,超声传感器100可以包括比示出的实施例更多或更少的传感器。所述多个传感器中的每一个电联接至PCB 2301CB 230包括控制系统(图3),除了别的方面以外,该控制系统向所述多个传感器供电,分析来自所述多个传感器的数据,并且向其他部件(例如,外部计算机)输出分析后的数据。
[0021]浓度传感器1 3 5测量储存容器1 2 5中的流体的浓度,进而测量流体的质量 (quality)。流体的质量可以基于流体的所需的浓度水平(例如,32.5%的尿素和67.5%的去离子水)来确定。流体的浓度还可以表明流体的密度。因此,通过确定流体的浓度和流体的温度,可以通过已知的关系确定密度。此外,流体中的杂质可以通过处于预定的范围之外的流体浓度测量值而被检测到。浓度传感器135包括反射器115和换能器120。换能器120充当超声波的发射器和接收器。在操作中,换能器120朝向反射器115发射经过流体的超声波。 超声波经反射器115反射并且朝向换能器120传播回来。浓度传感器135测量超声波的飞行时间。超声波传感器100使用下文描述控制系统来确定储存容器125中的流体的特性。[〇〇22]水平传感器240确定储存容器125中的流体的水平(level),进而测量流体的数量 (quantity)。在示出的实施例中,水平传感器240包括水平感测换能器(例如,压电超声换能器)250和水平聚焦管110。换能器250充当发射器和接收器。水平传感器240的一些实施例还包括浮子255。在示出的特定实施例中,水平传感器240包括位于水平聚焦管110中的浮子 255。尽管示出为球体,然而浮子255可以是另一形状,包括例如圆柱形。当流体的水平在水平聚焦管110的顶部以下时,浮子255浮在容纳于水平聚焦管110中的流体的表面260上。换能器250产生超声波,该超声波经过容纳于水平聚焦管110中的流体传播。超声波朝向流体的表面260(在浮子255的位置处)传播。超声波经浮子255反射并且朝向换能器250传播回来。[〇〇23] 在另一实施例中,水平传感器240不包括浮子255。换能器250产生超声波,该超声波朝向流体的表面260,经过容纳于水平聚焦管110中的流体传播。超声波经流体的表面260 反射,并且朝向换能器250传播回来。在这两个实施例中(有或者没有浮子255),换能器250 发送一信号,该信号表明超声波在换能器250处被接收的时间。基于超声波被发送和被接收之间的时间差计算超声波的飞行时间。[〇〇24] 温度传感器245确定储存容器125中的流体的温度。在一个实施例中,温度传感器 245是热电偶。在另一实施例中,温度传感器245是热敏电阻器。在又一实施例中,温度传感器245是电阻式温度传感器。在又一实施例中,温度传感器245是红外温度传感器。温度传感器245输出表明感测的温度的信号。在一些实施例中,水平传感器240和温度传感器245组合为能够感测水平和温度的组合传感器。在其他实施例中,水平传感器240、温度传感器245和浓度传感器135组合为能够感测全部三个参数的组合传感器。
[0025]图3示出了控制系统300的框图,该控制系统被配置为测量流体的特性且对超声传感器100进行校准。在一些实施例中,除了传感器外,控制系统300安装在超声传感器100的 PCB 230上。在一些实施例中,控制系统300包括多个电气和电子部件,所述多个电气和电子部件向控制系统300和/或超声传感器100中的部件和模块提供电力、操作控制,以及保护。例如,控制系统300包括(除了别的以外)控制器(例如,可编程微处理器、微控制器或类似器件)310、供电模块315和输入/输出模块320。控制器310包括(除了别的以外)处理器325和存储器330。处理器325电连接至存储器330,并且执行能够被存储在存储器330上的指令。控制器310被配置为,除了别的方面以外,从存储器330检索指令并且执行指令,所述指令与本文描述的控制过程和方法相关。在其他实施例中,控制系统300包括附加的、更少的或不同的部件。
[0026]供电模块315向控制系统300或超声传感器100的其他部件供应标称电压。在一个实施例中,供电模块315提供标称直流电压。供电模块315由具有一标称电压的电源供电,并且被配置为供应较低的电压,以操作控制系统300或超声传感器100中的电路和部件。[〇〇27]输入/输出模块320从控制系统300向外部控制器340发射数据。输入/输出模块320 还从外部控制器340接收数据。当超声传感器100处于正常操作时,其操作在测量模式下,其中,其向外部控制器340发射数据,该数据表明所测量的和所确定的流体特性。外部控制器 340可以是,例如,位于柴油动力的车辆上的电子控制单元(ECU)。外部控制器340可以经过车辆的通信总线(例如,CAN总线)上的通信模块而被链接。在一些实施例中,输入/输出模块 320通过协议进行通信,例如J1939或者直接与外部控制器340通信的CAN总线。在其他实施例中,取决于具体应用的需要,输入/输出模块320在其他合适的协议(包括模拟或数字信号)下进行通信。在一些实施例中,输入/输出模块320通过脉宽调制信号进行通信。[〇〇28]图4示出的是测量方法400的一个实施例,通过该测量方法,超声传感器100确定 DEF的特性(例如,浓度)。在正常操作过程中(例如,当浸没在DEF中时),由超声传感器100执行测量方法400。换能器120发射指向反射器115的超声波(步骤405)。换能器120从反射器 115接收反射的超声波(步骤410)。控制器310从换能器120接收信号,该信号表明超声波何时在换能器120处被接收。基于该信号,控制器310基于超声波何时产生与超声波何时被接收之间的时间差来计算超声波的飞行时间(步骤415)。控制器310用浓度校准系数对计算出的飞行时间进行调节,正如图5所示的校准方法所确定的(步骤420)。控制器310基于所调节的飞行时间确定DEF的音速(步骤425)。控制器310输入来自温度传感器245的温度信号,该温度信号表明DEF的温度(步骤430)。基于DEF的温度以及已调节的音速,控制器310确定DEF 的浓度(步骤435)。在一些实施例中,DEF的浓度可以从存储于存储器330中的查找表确定。 可替换地,控制器310可以利用算法,基于DEF的温度和音速来计算DEF的浓度。最后,控制器 310经由输入/输出模块320向外部控制器340 (例如,车辆的控制系统)输出数据信号,该数据信号表明所确定的DEF的浓度(步骤440)。这里针对测量方法400描述的多个步骤能够同时地、并行地,或者以不同于所示的串行方式的顺序被执行。测量方法400还能够使用比所示的实施例中示出的方法更少的步骤执行。
[0029]在超声传感器100的制造过程中,超声传感器100可以被校准。在校准过程中,超声传感器100连接至外部控制器340。在一些实施例中,用于校准的外部传感器340不同于用于超声传感器100的正常操作的外部传感器340。外部传感器340可以包括配备有软件的计算机,以与超声传感器100联接。外部控制器340可以经由连接电缆连接至输入/输出模块320, 所述连接电缆插入位于超声传感器100上的多管适配器。外部控制器340可以被配置为启动和终止校准模式。外部控制器340还可以从超声传感器100接收数据,该数据表明由浓度传感器135、水平传感器240和温度传感器245所作的测量。[0〇3〇]图5示出了校准方法500的一个实施例。水浴器(water bath)被加热至预定的温度 (例如,30 °C、40 °C、50 °C、60 °C、70 °C、80 °C、90 °C、100 °C等)。在示出的实施例中,该水浴器被加热至大约50°C的预定温度(步骤505)。超声传感器100经由通信电缆或其他通信链路连接至外部控制器340,并且超声传感器100至少部分地浸没在水浴器中(步骤510)。外部控制器 340向超声传感器100发送启动消息(S卩,校准开始命令)以开始校准(步骤515)。控制器310 向换能器(即,换能器120或换能器250)发送信号,且换能器120、250响应于该信号而产生超声波(步骤520)。超声波被反射并且在换能器120、250处被接收。在一个实施例中,超声波经反射器115反射。在另一实施例中,超声波经与超声传感器100分开的外部反射器反射。在这样的实施例中,外部传感器可以是临时的,例如仅在校准过程中使用。在任一实施例中,反射器115和外部反射器中的每一个与换能器120、250相距已知的距离。
[0031]控制器310从换能器120、250接收响应信号,该响应信号表明反射的超声波被接收的时间(步骤525)。基于向换能器120、250发送信号与接收响应信号(表明了反射的超声波) 之间的时间差,控制器310确定超声波的飞行时间(步骤530)。控制器310从存储器330加载超声波的预计的飞行时间(步骤535)。在一个实施例中,所述预计的飞行时间可以基于标准距离(换能器120和反射器115之间,或者换能器250和外部反射器之间)以及水浴器的预定温度下的音速在校准方法500之前被确定。控制器310将预计的飞行时间与测量的飞行时间进行比较,并且计算差值(步骤540)。控制器310基于计算出的差确定校准系数(例如,浓度校准系数、水平校准系数等)(例如,将校准系数设定为等于计算出的差或者与计算出的差成比例)(步骤545)。控制器310将校准系数加载到超声传感器100的存储器330中(步骤 550)。与测量方法400类似,这里针对校准方法500描述的多个步骤能够同时地、并行地,或者以不同于所示的串行方式的顺序被执行。校准方法500还能够使用比所示的实施例中示出的方法更少的步骤执行。[〇〇32] 应当注意的是,由于换能器120和反射器115之间以及换能器250和外部反射器之间的距离当中的微小差别,测量的飞行时间和预计的飞行时间之间可能会出现差别。距离当中的微小差别是制造过程的自然结果。例如,制造条件(包括加工、模制和组装过程)下的制造公差和制造方差会引起真实距离中的微小变化。为了获得超声传感器100的更准确的测量,并且为了使制造出的各个超声传感器100之间更加一致,校准组分针对距离当中的变化(在制造过程中产生)进行校正。
[0033]在另一实施例中,图5所示的校准过程还包括温度传感器245的校准。在这样的实施例中,控制器310从温度传感器245接收对水浴器感测的温度,并且控制器310确定感测的温度和水浴器的预定的温度(例如50°C)之间的差值。控制器310基于感测的温度和预定的温度(例如50 °C )之间的差确定温度校准组分。控制器310接着将温度校准组分加载到存储器330中。在这样的实施例中,在步骤545中,控制器310可以要么基于感测的温度连同温度校准系数,要么基于水浴器的预定的温度(例如50°C),来确定超声波的预计的飞行时间。在一些实施例中,温度传感器245的校准可以独立于校准方法500来执行。[〇〇34]此外,在这样的实施例中,控制器310可以在测量方法400中使用温度校准系数。例如,在步骤430,在已经感测了 DEF的温度之后,控制器310使用温度校准系数来调节感测的温度。相应地,在步骤435,基于已调节的温度和音速,控制器310通过参照一查找表来确定 DEF的浓度。
[0035]通过在水浴器中保持一致状态,校准过程的一致性提高。应当注意的是,在一些实施例中,校准过程中使用的水是纯化的水(例如,去离子的或反渗透)。为了一致性(针对其物理特性)而使用纯化的水。此外,在水浴器中保持一致的温度确保了经过水浴器的声音的速度保持相对恒定。因此,校准方法500还可以包括在水浴器的温度范围内保持准确的控制。为了获得温度控制,通过使用温度传感器和超声传感器1〇〇外部的温度控制器而激活加热元件,水浴器的温度可以维持在较低的温度阈值和较高的温度阈值之间。
[0036]如图6A所示,水的音速随温度改变。随着水的温度上升,音速改变的量值减小。这一特性由图6B示出的导数曲线所显示。正如在校准方法500中所描述的,水浴器的温度升高到50°C。在50 °C附近及以上,音速在小的温度改变范围内的改变并不明显。因此,通过将水浴器的温度保持在50°C以上,水浴器温度的小的起伏不会有害地影响校准的精确性。使用 50°C的水浴器对校准方法500进行描述是因为50°C对于操作员来说是安全的操作温度。 [〇〇37]然而,校准方法500不限于50°C。校准过程可以在其他温度下执行。为使由温度起伏引起的音速的变化最小,水浴器温度可以选择为在图6A的图中的平坦区域内的任意范围内变化。例如,50 °C至100 °C的范围提供了曲线的相对平坦的部分605,该部分的音速变化可以最小。在这一方面,水浴器温度可以保持在音速相对于温度的导数小于2的温度下。然而, 在温度高于大约60 °C时,其他因素显得比在曲线的平坦部分605处操作的益处更加重要;例如,随着温度的增加,超声传感器100的热压力、对操作员安全的关注,以及更高的能量消费。因此,较低的温度将是理想的。对此,40 °C至60 °C的范围或者30 °C至70 °C的范围可以提供曲线的相对平坦的区域,同时使其他因素最小化。
[0038]由此,除了别的方面以外,本发明提供了使用热水浴器校准超声传感器的方法,以获得确定校准系数方面的一致性。本发明的多个特征和优点在下面的权利要求书中列出。
【主权项】
1.一种用于校准超声传感器的方法,所述超声传感器包括换能器和存储器,所述换能 器被配置为输出超声波,所述方法包括:将水浴器加热至预定的温度;至少部分地将所述超声传感器浸没在所述水浴器中;朝向一反射器发射所述超声波经过所述水浴器的一部分,所述反射器与所述超声传感 器相距一已知的距离;接收经所述反射器反射的所述超声波;测量所述超声波的飞行时间;基于所述超声波的飞行时间及一期望的飞行时间确定校准系数;将所述校准系数加载到所述超声传感器的所述存储器中。2.根据权利要求1所述的方法,其中所述水浴器包含纯化的水。3.根据权利要求1所述的方法,其中所述预定的温度在大约30摄氏度到大约70摄氏度 之间。4.根据权利要求1所述的方法,其中所述预定的温度是大约50摄氏度。5.根据权利要求1所述的方法,其中将所述水浴器加热至预定的温度进一步包括:感测所述水浴器的温度;当所述水浴器的温度等于一较低的温度阈值时,激活所述加热元件;以及 当所述水浴器的温度等于一较高的温度阈值时,停用所述加热元件。6.根据权利要求5所述的方法,其中所述较低的温度阈值被设定为大约40摄氏度,而所 述较高的温度阈值被设定为大约60摄氏度。7.根据权利要求1所述的方法,其中所述超声传感器被配置为确定柴油机废气流体的 浓度。8.根据权利要求1所述的方法,其中计算所述校准系数还包括:计算所述超声波的飞行时间与期望的飞行时间之间的时间差;以及 将所述校准系数设定为与所计算的时间差成比例。9.根据权利要求1所述的方法,进一步包括将所述超声传感器电连接至一外部控制器。10.根据权利要求9所述的方法,其中所述超声传感器由所述外部控制器控制。11.根据权利要求9所述的方法,其中计算所述校准系数由所述外部控制器执行。12.根据权利要求9所述的方法,其中所述外部控制器经由输入/输出模块通信联接至 所述超声传感器。13.根据权利要求1所述的方法,进一步包括使用超声传感器的温度传感器感测所述水 浴器的温度。14.根据权利要求13所述的方法,进一步包括确定温度校准系数。15.根据权利要求14所述的方法,其中确定所述温度校准系数包括计算所感测的温度 与预定的温度之间的差。16.根据权利要求1所述的方法,其中所述预定的温度在大约40摄氏度和大约100摄氏 度之间。17.根据权利要求1所述的方法,其中所述预定的温度是大约50摄氏度。18.根据权利要求1所述的方法,其中所述预定的温度是所述水浴器的音速对温度的导数小于2的位置处的温度。19.根据权利要求1所述的方法,其中所述超声传感器包括所述反射器。20.根据权利要求1所述的方法,其中所述超声传感器被配置为,基于所述校准系数来 确定选自由以下内容形成的组中的至少一个:流体的浓度、流体的密度,以及流体的质量。21.根据权利要求1所述的方法,其中所述超声传感器被配置为,基于所述校准系数来 确定经过流体的声音的速度。22.根据权利要求1所述的方法,其中所述超声传感器被配置为,基于所述校准系数来 确定流体的水平和流体的数量中的至少一个。23.根据权利要求1所述的方法,其中所述校准系数是浓度校准系数。24.根据权利要求1所述的方法,其中所述校准系数是水平校准系数。
【文档编号】G01N29/30GK106093192SQ201610248205
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月20日 公开号201610248205.0, CN 106093192 A, CN 106093192A, CN 201610248205, CN-A-106093192, CN106093192 A, CN106093192A, CN201610248205, CN201610248205.0
【发明人】G·P·穆尔斐
【申请人】Ssi技术有限公司
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1