专利名称：使用emf波的传播的燃料成分传感系统和方法
技术领域：
0002本发明总体上涉及用于感测通过管路或者存储在燃料箱 和其它容器中的液体的类型的系统和方法。更具体地，本发明涉及通 过将电磁波传播到液体容器或燃料管道中而感测多用燃料车辆 (Flexible Fuel Vehicle )中的燃料成分。本发明的特定实施例检测多 用燃料车辆的燃料管道中的燃料成分和醇含量。
背景技术：
[0003多用燃料车辆(FFVs )是与用作车辆燃料的重要成分的醇 兼容的机动车辆。醇基燃料是可替代类型的、由生物材料制成的可再 生运输燃料，潜在地减少对石油基燃料的依赖。因为醇基燃料通常具 有高于优质汽油的辛烷值，所以驾驶员可以有利地得到增加的马力以 用于更好的发动机特性。醇基燃料包括"E85"，对于发动机燃料来 说该术语是混合了 85%的乙醇和15%的汽油。E85是由美国能源部门 定义的可替代燃料且意在用于FFVs。乙醇和其它醇都比汽油燃烧更 清洁并且是可再生的民用环保型燃料。FFVs通常可以加任何混合的乙醇和汽油的燃料，从0%乙醇与100%汽油直到85%乙醇与15%汽 油(E85)。
[0004对于FFV的发动机管理系统(EMS)重要的是具有与燃 料成分有关的信息，以便使EMS可以调节某些车辆参数以优化车辆 特性，特别是燃料消耗、排放控制以及发动机功率。
[0005机动车辆操作员通常依靠确定FFV的燃料箱中的醇的量 的间接方法。确定机动车辆中剩余燃料的醇含量的最普通方法是使用 在车辆的本体控制器模块或者EMS中执行的软件算法。燃料箱的每 次填充时如果那里不要求持续使用E85燃料或者传统的汽油，则通过 驾驶员可以改变燃料的醇含量。基于算法的系统对燃料成分中的改变 反应较慢，并且通常仅精确到醇含量的加或减百分之十。此外，当这 些系统用在具有鞍状燃料箱或类似的燃料存储布置的机动车辆中时这 些系统甚至还无效，在该处燃料会不均匀地混合或者燃料混合物可能 随着车辆驱动而随时间变化。
[00061存在直接测量系统，但是要求机构在燃料管道内部安装或 者与管路成直线安装。这种内部或成直线的燃料成分测量机构的修理、 替换、或者调节都是有问题的。
[00071现有技术未能提供使用可以安装在燃料管道、燃料箱或类 似物的外部的、测量机动车辆中的燃料成分的、可靠、便宜和精确的 系统和方法。
发明内容
0008本发明涉及借助非插入的燃料成分传感器精确地测量机 动车辆中的燃料成分的系统和方法，并且更具体地是机动车辆中的燃 料的醇含量，尤其是乙醇。
0009尤其，本发明的实施例可以用在FFVs中以检测燃料中的 乙醇含量的百分比。信息可以恒定地报告给FFV的EMS或本体控制 模块，允许EMS相应地进行响应，由此促进特性、效率和/或类似物。 本发明在没有与燃料直接接触的情况下有利地提供即时精确的乙醇含量信息，使排放、燃料泄漏的风险、主要的汽车损坏故障的风险和/ 或类似物最小化。
[0010根据本发明的多种实施例，多用燃料传感器(flex fuel sensor)可以与燃料传输管道一起配置(例如，绕塑料燃料管道布置) 在燃料箱的底部或侧面，或者布置成接近燃料。
[0011根据本发明的方法，谐振电路以谐振频率进行谐振，谐振 电路的感应器定位成接近空间中的液体并且谐振电路的电容器定位成 接近空间中的液体。测量与谐振电路有关联的、由液体的至少一个特 性的变化所导致的电参数中的改变。
[00121因此，本发明的多用燃料传感器可以包括谐振电路，谐振 电路的电容器包括布置成与燃料空间相邻的板和布置成与该燃料空间 相邻的感应器，由此燃料用作与燃料成分成比例方式的电容器中的电 介质。
00131该空间可以是液体传输管道、存储箱或类似物，如上所述。 在液体传输管道的情况下，谐振电路的电容器可以包括布置在液体传 输管道的任一侧上的多个板，或者绕液体传输管道布置的间隔开的半 圆柱形传导板。
0014将谐振电路的感应器定位成紧密地接近空间则导致电磁 辐射传播到空间中的液体中，由此液体用作与液体的成分成比例方式 的谐振电路的电力负荷。
[0015根据本发明的某些实施例，恒定频率的信号可以横过谐振 电路产生，所述谐振电路包括感应器和PCB跟踪电容器、电容器板或 类似物。电磁辐射可以传播到例如燃料传输管中通过的燃料中。燃料 的传导性和介电特性可以影响电磁场，并且可以改变电容器、跟踪电 容器、电容器板或其它包括谐振电路的这种电容装置或多个装置的电 容。这些改变可以与燃料成分成比例并且例如可以表示燃料中的醇/ 乙醇含量。这种改变可以通过微控制器或者类似物检测到，并且可以 传达到第二微控制器，传到EMS，传到多用燃料传感器的外部装置， 和/或类似物。这种传达对于外部装置可以是非对称的或对称的，并且可以由来自外部装置和/或类似物的信号触发。本发明提供无创的、节 省成本的解决方案，不但较好地适合用于原配的设备应用，而且较好
地适合用于改进(up-fit) i殳备应用或改型(retro-fit)的设备应用或 类似物。本发明的系统和方法向EMS或类似装置较高地作出响应并 提供即时的信息，允许进行快速且精确的调节，该调节可以帮助车辆 特性的改进和/或维护。
0016根据本发明的实施例，恒定频率的基本正弦曲线的RF信 号可以产生并联接到谐振LRC (电感-电容-电阻)电路。或者或另 外，可以采用平行的谐振电路。诸如谐振电路的线圏的感应器可以布 置成接近燃料管道、燃料箱或类似物，导致电磁辐射传播到燃料空间 中。或者或另外，谐振电路的电容器可以布置成围绕燃料管道、燃料 箱或类似物，与燃料管道、燃料箱或类似物相邻或另外布置成接近燃 料管道、燃料箱或类似物，导致电磁辐射传播到燃料空间中。因此， 管道或箱内的液体燃料用作与燃料成分成比例方式的谐振电路的电力 负荷。燃料的装载效应可以引起谐振电路的谐振频率的变化和/或谐振 电路的Q(品质因数)中的改变。燃料的装载效应通过监测与激励的 谐振电路相关联的一个或多个电参数中的改变而确定。例如，可以监 测谐振电路中横过电阻器的电压。该电压中的改变由系统控制器检测 和分析，其结果用于输出指示燃料成分的信号。或者或另外，当由谐 振电路和/或电磁场上的燃料的装载效应影响时，测量结果可以从包括 谐振电路的电容器/多个电容器和/或感应器/多个感应器得到。这种影 响例如可以通过测量谐振电路的频率信号中的振幅改变、谐振电路的
谐振频率中的改变和/或类似物而检测到。不管怎样，测量可以采用数 字和/或模拟、电、和/或磁信号的形式。
[0017本发明的系统和方法可以感测和测量其它传输管道和/或 容器中的液体成分而不受该说明中所使用的示例限制。该系统可以用 在科学、消费、工业以及医学环境的广泛多种领域中，以及在此所述 的车辆中。
[0018本系统和方法可以采用使本发明的多用燃料传感器能够
8确定最优系统操作频率的自动校准硬件和软件。在本发明的一个实施
例中，最优系统操作频率选择为谐振LCR电路的谐振频率上方和下 方的频率。选择在谐振频率之上的该操作频率可以允许用于当由液体 成分中的改变影响时电压降中较大的改变。优选地，这些实施例的系 统变成以下限值和上限值之间的频率操作。
[0019在本发明的某些实施例中，提供自动补偿以帮助确保测量 到的电参数提供燃料管道、燃料箱、燃料容器或类似物中的液体成分 的精确指示，而独立于操作条件中的变化，例如周围环境、湿度、压 力和/或类似物。
0020通过测量管道中的燃料成分，本发明的系统和方法可以给 EMS或其它发动机控制装置提供动态、精确的燃料成分信息，不管釆 用的燃料存储系统和鞍状箱或类似的存储布置中的燃料进行混合。
0021本发明的实施例可以包括物理的或无线的数据接口以帮 助原始数据测量结果、编码测量结果、补偿测量结果和/或类似物从多 用燃料传感器外部传达或传输到车辆中的中央控制器。可以通过以下 方式传达这种信息周期地；响应于改变；通过来自中央控制器的请 求；通过来自诸如诊断装置的外部装置的请求；和/或以其它方式。
0022以上略述而非概括了本发明的特征和技术优点，以便可以 更好地理解本发明以下的详细说明。在下文中说明了本发明附加的特 征和优点，其形成本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应当 理解，可以将公开的概念或者特定实施例容易地用作修改或设计其它 用于实现与本发明相同目的的结构的基础。本领域的技术人员还可以 认识到，这种等价的机构不脱离如所附权利要求所述的本发明的精神 和范围。新颖的特征相对于其组织和操作方法来说被认为是本发明的 特性，当连同附图考虑时，其与进一步的目的和优点一起从下面的描 述中被更好地理解。然而，应当清楚地理解，每个附图仅是为了说明 和描述的目的而提供的，而不是为了定义本发明的界限。
[0023合并在说明书中且形成说明书的一部分的
了本 发明的实施例，并且与说明一起用于解释本发明的原理，其中相同的 附图标记表示相同的部件。在附图中
[00241图l是与燃料管道一起配置的本发明的多用燃料传感器的 实施例的透视[0025图2是图1的多用燃料传感器的分解透视[0026图3是图1的多用燃料传感器的电容器板和PCB的后侧 透视图(相对于图1和2的透视图)；以及
[0027图4是本发明的多用燃料传感器的另一实施例的分解透视 图，示出PCB和半圆柱形的电容器。
具体实施例方式
[0028图1和2是本发明的多用燃料传感器100的实施例，该多 用燃料传感器100例如将多用燃料传感器外壳115安装到基板117、 包围燃料管道102而与燃料管道102 —起配置。可替代实施例要求将 本发明的多用燃料传感器安装到燃料箱的侧面或底部。通常，燃料管 道102或者上述燃料箱由诸如塑料的非传导材料构成。
[0029图3示出多用燃料传感器100的PCB105和电容器板110 和112。多用燃料传感器100的实施例在外壳115中容纳PCB105。 PCB105可以安装和/或限定控制器，该控制器包括RF发生器和模数 转换器(ADC) 。 PCB105也可以包括联接到RF发生器的具有输 出端和输入端的天线驱动器；以及联接到天线驱动器的谐振电路，所 述谐振电路具有定位成接近在容器或燃料传输管道102中的液体的感 应器。
0030本发明的多用燃料传感器可以包括谐振电路，该谐振电路 的电容器包括布置成与燃料空间相邻的板和布置成与该燃料空间相邻 的感应器，由此燃料用作与燃料成分成比例方式的电容器中的电介质。
[0031在图1至3的实施例中，LCR电路的电容器采用多个电容 器板(110、 112)的形式。通过将谐振电路的感应器布置成紧密地接近燃料管道，电磁辐射可以传播到限定在该管道内的燃料空间中。由 此，管道中的燃料用作与管道中的燃料成分成比例方式的谐振电路的
电力负荷。燃料的传导性和介电特性改变了跟踪电容器/电容器板110 和/或112的电容。
[0032在图4的所示实施例中，LCR电路的电容器采用多个多用 燃料传感器100的半圆柱形的电容器410、 420和430的形式。本发明 的该实施例可以采用给出电容效应的两个半圆柱形电容器，或者可以 具有诸如所示的额外的电容器，以便增加谐振电路中的电容。这些半 圆柱形的电容器可以配合到模制的外壳440中并且可以使用密封材料 绕燃料管道固定，例如热塑性的弹性体密封件或者其它合适的密封材 料以充分地防止多用燃料传感器100与燃料管道102之间有污染物和/ 或空气。
0033本发明测量诸如发动机燃料的液体的特性。这些特性优选 地是电特性，并且液体的电参数中测量到的改变是液体的电特性中的 变化的函数。当液体是燃料时，电特性中的变化可以是燃料成分的函 数。电特性的测量可以包括测量谐振电路处的电压的改变和/或测量谐 振电路的谐振频率中的改变。
[0034因此根据本发明的方法，谐振电路是以谐振频率进行谐 振，谐振电路的感应器定位成接近空间中的液体，并且谐振电路的电 容器定位成接近该空间中的液体。测量与谐振电路有关联的、由液体 的至少一个特性中的变化所导致的电参数中的改变。
0035本发明的可变实施例中，上RF发生器产生谐振电路的操 作频率处的RF信号，并且天线电路电联接到RF发生器。谐振电路 优选地具有绕谐振频率居中的频率响应特性曲线。控制器可以操作地 连接到RF发生器和连接到天线电路，并且可以是引起待接近谐振电 路的谐振频率的RF发生器的操作频率的函数，并且测量与谐振电路 有关联电参数，如可容易由例如通过燃料管道102或存储在燃料箱或 燃料容器中的液体中的醇浓度中的变化影响。
[0036在本发明的实施例中，可以由燃料成分中的改变所导致的燃料特性中的改变，例如燃料的介电特性中的改变、燃料的传导性、 和/或类似物，都可以表示为谐振电路的谐振频率和/或特性中的改变。 通过在第一频率与第二频率之间扫频以检测谐振电路的新谐振频率而 可以检测到这种改变。或者或另外，燃料特性中的改变可以表示为谐 振电路的谐振频率信号的振幅的改变。
[0037传感器100的控制器或类似的电路元件优选地功能为例如 经由传感器电连接器130的导体125监测和/或传达测量到的电参数中 的改变。尤其，控制器还可以功能为将测量到的电参数中的改变转化 为醇浓度信号并且将该醇浓度信号传达到多用燃料车辆发动机管理系 统EMS、外部接收装置或类似物。
[00381优选地，本发明允许用于校准RF信号的操作频率以补偿 相应燃料管道或容器的物理和/或电特性。该校准可以自动地进行。这 种校准可以包括调节RF信号的操作频率，以便使醇浓度传感窗限定 在接近谐振电路的谐振频率的频率响应特性曲线的基本直线部分上。 谐振电路可以是串联谐振电路，并且控制器可以是校准模块，所述校 准模块操作成导致RF发生器的操作频率将在谐振频率上方的频率响 应特性曲线的基本直线部分上。或者或另外，校准操作频率可以包括 在第一频率和第二频率之间的范围内对RF信号的操作频率进行扫 频；以及随着RF信号的频率被扫频时测量谐振频率的参数。根据这 些实施例，控制器可以包括功能为调节醇浓度信号的补偿模块，用于 周围温度中的改变。
[0039因而，可以测量谐振电路处的电压中的变化和/或谐振电路 的谐振频率中的变化。通过在笫一频率和第二频率之间扫频而可以进 行测量以识别谐振电路的谐振频率。同样，谐振电路的谐振频率可以 补偿限定空间的相应燃料管道或容器的物理和/或电特性。该校准可以 自动地进行。例如，通过在一对频率之间扫频而可以进行校准以便当 由单独的空间影响时识别谐振电路的谐振频率。然后，通过在不同的 或相同的 一 对频率之间扫频而可以进行测量以便当由空间中的液体改 变时识别谐振电路的谐振频率。
12[00401虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解，在 不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进 行不同的改变、替换和变更。此外，本申请的范围不意在限于说明书 中说明的过程、机器、制造、物质成分、设备，方法以及步骤的特定 实施例。正如本领域的技术人员容易从本发明的公开内容理解，根据 本发明可以利用目前现有的或者稍后研制的、与在此说明的相对应实 施例执行实质上相同的功能或实现实质上相同的结果的过程、机器、 制造、物质成分、设备、方法或步骤。因此，所附权利要求意在在其 范围内包括这种过程、机器、制造、物质成分、设备，方法或步骤。
权利要求
1.一种方法，其包括以谐振频率对谐振电路进行谐振；将所述谐振电路的感应器布置成接近空间中的液体；将所述谐振电路的电容器布置成接近所述空间中的所述液体；以及测量由所述液体的至少一个特性的变化所导致的与所述谐振电路相关联的电参数的改变。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中所述空间是液体传输管道。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中所述空间是存储箱。
4. 根据权利要求l所述的方法，其中所述空间是液体传输管道， 并且所述谐振电路的所述电容器包括布置在所述液体传输管道的任一 侧上的多个板。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中所述空间是液体传输管道， 并且所述谐振电路的所述电容器包括绕所述液体传输管道布置的间隔 开的半圆柱形传导板。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中将所述谐振电路的所述感应 器布置成紧密地接近所述空间则导致电磁辐射传播到所述空间中的所 述液体中，由此所述液体以与所述液体的成分成比例方式用作所述谐 振电路的电力负荷。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中所述液体是燃料，并且所述 变化是燃料成分的函数。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述液体是汽油，并且所述 变化是所述汽油中的醇含量的函数。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述测量还包括测量在所述 谐振电路处的电压的改变。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中所述测量包括测量所述谐 振电路的所述谐振频率的变化。
11. 根据权利要求1所述的方法，还包括校准所述谐振频率以补 偿限定所述空间的相应燃料管道或容器的物理或电特性。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述谐振频率自动地进行 校准。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述测量包括在第一频率 和第二频率之间扫频以识别所述谐振电路的谐振频率。
14. 根据权利要求1所述的方法，还包括通过在一对频率之间扫 频而进行校准，以便当受到所述空间影响时识别所述谐振电路的谐振 频率，并且其中所述测量包括在不同或相同的一对频率之间扫频，以 便当通过所述空间中的所述液体改变时识别所述谐振电路的谐振频 率。
15. —种包括谐振电路的多用燃料传感器，所述谐振电路的电容 器包括布置成与燃料空间相邻的感应器和板，由此所述燃料以与所述 燃料的成分成比例方式用作所述电容器中的电介质。
16. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中所述板包括一 对传导板，每个所述传导板布置在所述燃料空间的任一侧上。
17. 根据权利要求16所述的多用燃料传感器，其中所述燃料空间 是燃料传输管道。
18. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中所述燃料空间 是燃料传输管道，并且所述板包括绕所述燃料传输管道布置并沿其间隔开的多个半圆柱形传导板。
19. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中所述燃料是汽 油，并且电特性中的所述变化是所述汽油中的醇含量的函数。
20. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中测量在所述谐 振电路处的电压的改变以确定所述燃料的成分。
21. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中测量所述谐振 电路的谐振频率的变化以确定所述燃料的成分。
22. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中校准所述谐振 电路的谐振频率以补偿限定所述空间的相应燃料管道或容器的物理或电特性。
23. 根据权利要求22所述的多用燃料传感器，其中所述谐振频率 自动地进行校准。
24. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中通过在第一频 率与第二频率之间扫频而识别所述谐振电路的谐振频率。
25. 根据权利要求15所述的多用燃料传感器，其中所述传感器通 过在一对频率之间扫频而进行校准，以便当单独受到所述空间影响时 识别所述谐振电路的谐振频率，并且通过在相同或不同的一对频率之 间扫频而测量由所述空间中的所述液体所导致的所述谐振频率的改 变。
全文摘要
一种多用燃料传感器与燃料传输管道一起配置(例如，绕塑料燃料管道)或者配置在燃料箱的底部/侧面。恒定频率的RF信号可以横过谐振电路产生，所述谐振电路包括感应器和PCB跟踪电容器、电容器板、半圆柱形电容器板或类似物。电磁辐射传播到传输管中通过的燃料中。燃料的传导性和介电特性改变了跟踪电容器/电容器板的电容。这些改变与燃料的乙醇/醇含量成比例并且优选地通过微控制器或类似物检测，并且然后传输到多用燃料车辆发动机管理系统。
文档编号G01N33/28GK101583785SQ200780050221
公开日2009年11月18日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者A·佩奇, A·麦考尔, I·布达乌德 申请人:施拉德尔电子学有限公司