液體狀態檢測傳感器的制作方法

專利名稱：液體狀態檢測傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液體狀態檢測傳感器，用于檢測裝在液體容器中的液體的溫度和特定成分的濃度。
背景技術：
近年來，已經開始將氮氧化物(NOx)選擇性催化還原(SCR)應用在廢氣排放控制裝置中，所述裝置將譬如從柴油機動車排放的氮氧化物(NOx)轉變成無害的氣體。為此目的尿素水溶液被用作還原劑。已經公知，使用具有32.5wt％尿素濃度的尿素水溶液適于執行有效的化學還原。然而，裝在安裝于汽車的尿素溶液槽中的尿素水溶液在嚴酷環境條件下被儲存，而且其尿素濃度可能譬如隨著時間而改變。此外，其他類型的液體(譬如，輕油)或水可能錯誤地灌入尿素溶液槽中。由此，為了控制尿素水溶液的尿素濃度，通過將尿素濃度傳感器連接于尿素溶液槽從而檢測尿素的濃度。
順便提及，尿素水溶液的熱導率取決于它的尿素濃度，因此，可以將濃度傳感器(其中使用溫度檢測元件來測量由于電流流經于其而產生熱量的加熱體的溫度)配置為從加熱體到溫度檢測元件的熱傳導受到周圍液體的影響。對于這種濃度傳感器，所測量的加熱體溫度反映液體的濃度。由此，可以按照尿素濃度與加熱體溫度變化之間的關系來檢測尿素水溶液的尿素濃度。這一過程通過給加熱體通電規定的時間并使用溫度檢測元件在通電前后測量加熱體的溫度而完成(例如，參見JP2005-84026A)。尿素濃度與加熱體溫度變化之間的關系還取決于(初始的)液體溫度。由此，在JP2005-84026A中，使用與用于測量加熱體溫度變化的檢測元件不同的溫度檢測元件，來測量尿素水溶液的溫度從而檢測尿素水溶液的尿素濃度。JP2005-84026A提出，如果尿素水溶液的溫度被檢測為低至其凝固點，則基于獨立的溫度檢測元件的輸出信息發出警報。
但是，JP2005-84026A的濃度傳感器，它的濃度傳感部分設置有獨立于附加于加熱體的溫度檢測元件的溫度檢測元件，其缺點在于該濃度傳感器較大并且用于濃度檢測的電路具有復雜的結構。
另外，裝在尿素溶液槽中的尿素水溶液在較冷的氣候可能凝固。在此情況下，尿素水溶液不能夠被噴射至催化劑，由此必需等到它融化。如上所述，盡管JP2005-84026A中使用獨立于附加于加熱體的溫度檢測元件的溫度檢測元件來發出告知尿素水溶液凝固的警報，但它并沒有提及當尿素水溶液凝固時對加熱體執行任何處理。當尿素水溶液凝固時，如果通過給加熱體通電規定的時間而檢測尿素濃度的步驟被重復執行，上述濃度傳感部分可能被損壞。更具體地，如果加熱體在尿素水溶液凝固的狀態下通電規定的時間，所述濃度傳感部分周圍的尿素水溶液部分由于所產生的熱而融化。然而，如果大多數尿素水溶液保持凝固，該融化的尿素水溶液部分將再次凝固，并且所述濃度傳感部分可能由于凝固膨脹引起的壓力而被毀壞。

發明內容
本發明試圖解決現有技術的上述問題，由此本發明的目的是提供一種液體狀態檢測傳感器，它能夠使用具有加熱電阻的單個裝置來檢測液體溫度和濃度，并當液體凝固時防止所述裝置發生毀壞。
為獲得上述目的，按照本發明第一方面的液體狀態檢測傳感器是用于檢測裝在液體容器中液體的狀態的液體狀態檢測傳感器，包括液體狀態檢測元件，該元件將被布置在所述液體容器中并具有當電流流經于其時產生熱量的加熱電阻；通電單元，該單元用于給所述加熱電阻通電規定的檢測周期；第一對應值獲取單元，該單元用于在所述檢測周期里獲得與所述加熱電阻的第一電阻值相對應的第一對應值；溫度信息獲取單元，該單元基于所述第一對應值確定液體的溫度；第二對應值獲取單元，該單元用于在所述檢測周期之后獲得與所述加熱電阻的第二電阻值相對應的第二對應值；差值計算單元，該單元用于確定所述第二對應值與第一對應值之間的差值；以及濃度獲取單元，該單元基于所述第二對應值與第一對應值之間的差值來確定液體中特定成分的濃度，而在另外一個優選實施例中是基于所述差值和液體的溫度來確定液體中特定成分的濃度。
在按照本發明這一方面的液體狀態檢測傳感器中，所述液體狀態檢測元件包括加熱電阻，該加熱電阻具有隨著其溫度增加而變化的電阻。在加熱電阻通電之前，加熱電阻的溫度近似等同于它周圍液體部分的溫度。也即是說，在開始給加熱電阻通電后不久，加熱電阻的電阻與所述周圍液體部分的溫度密切相關。這是因為它的電阻上發熱的影響仍然很小。基于此，在本發明的這一方面，基于第一對應值來檢測周圍液體部分的溫度，所述第一對應值在僅開始對加熱電阻通電短時間之后獲得且對應于第一電阻值。
液體的熱導率取決于液體中特定成分的濃度。因此，當通過加熱電阻對不同濃度的加熱電阻周圍液體部分加熱規定時間時，不同液體被期望呈現不同的溫度上升率。基于此，在本發明的這一方面，通過給加熱電阻通電規定的時間并基于第一對應值(即，僅開始通電短時間之后所獲得的加熱電阻的第一電阻值)與第二對應值(即，在加熱電阻已經被通電檢測周期之后所獲得的加熱電阻的第二電阻值)之間的差值來檢測加熱電阻的溫度上升率，從而檢測液體中特定成分的濃度。
順便提及，即使液體中特定成分的濃度保持不變，加熱電阻的溫度上升率(即，上述第二對應值與第一對應值之間的差值)隨著液體的(初始)溫度而改變。也即是說，加熱電阻的溫度上升率取決于液體的溫度。考慮到上述情況，在本發明的這一方面，在以上述方式檢測液體中特定成分濃度的過程中，優選通過將基于所述第一對應值確定的液體溫度納入考慮，來校正上述第二與第一對應值之間的差值，所述第一對應值在僅開始給加熱電阻通電短時間之后獲得。這一措施使得可以獨立于其溫度準確地檢測液體中特定成分的濃度。作為選擇，例如可以通過對具有規定濃度的基準液體預先確定所述第二、第一對應值的差值與液體溫度之間的關系，并將基于上述關系產生的表格(映射圖)或計算公式儲存在所述濃度獲取單元中，從而將液體溫度納入考慮來校正所述差值。
另外，在本發明的這一方面，可以使用具有加熱電阻的單個液體狀態檢測元件(也稱之為直熱式液體狀態檢測元件)對液體執行溫度和濃度檢測，所述加熱電阻既用作加熱液體的加熱體又用作液體檢測元件。這樣使液體狀態檢測傳感器小型化，并可以簡化其結構和檢測線路。
為獲得上述目的，按照本發明第二方面的液體狀態檢測傳感器進一步包括凝固判斷單元，該單元用于在所述檢測周期里，基于由所述溫度信息獲取單元確定的溫度來判斷液體是否凝固；以及通電中止單元，如果所述凝固判斷單元判定液體是凝固的，該單元用于中止所述通電單元對所述加熱電阻的通電。
在本發明的這一方面，由于使用具有上述結構的液體狀態檢測元件來執行溫度和濃度檢測，當最初給加熱電阻通電時可以通過獲取液體的溫度來檢測液體是否凝固。在溫度檢測之后，接著通過給加熱電阻通電規定的檢測周期而執行濃度檢測。如果液體是凝固的，僅有液體狀態檢測元件周圍的液體部分由于加熱電阻產生的熱量而融化。然而，如果大多數液體保持凝固，該融化的液體部分將再次凝固。液體狀態檢測元件可能由于凝固膨脹產生的壓力而毀壞。
考慮到上述情況，在本發明的這一方面，在僅開始對加熱電阻通電短時間之后并在對加熱電阻通電規定的檢測周期之前，基于通過所述溫度信息獲取單元獲得的溫度而判斷液體是否凝固。如果判定液體是凝固的，通過通電單元對加熱電阻的進一步通電被強制禁止。即使液體是凝固的，上述措施防止了液體狀態檢測元件由于再次凝固膨脹產生的壓力而損壞。由此可以提供高可靠性的液體狀態檢測傳感器。
本發明這一方面的所述第一對應值可以是任何對應于加熱電阻第一電阻值的數值。該第一對應值的具體例子是電壓值、電流值以及轉換后的溫度值。類似地，本發明這一方面的所述第二對應值可以是任何對應于加熱電阻第二電阻值的數值。但是，由于需要確定第二對應值與第一對應值之間的差值，如果第一對應值譬如是電壓值，則第二對應值也應該是電壓值。此外，在如下所述獲得第三對應值的情況，需要確定第三對應值與第一對應值之間的差值。如果第一對應值譬如是電壓值，則第三對應值也應該是電壓值。
另外，在本發明的這一方面，通過所述第一對應值獲取單元獲得第一對應值的時限可以是僅開始給加熱電阻通電短時間之后，也即是說，在加熱電阻自身的溫度近似等同于周圍液體部分溫度的期間。更具體地說，在開始對加熱電阻通電的100ms之內獲得第一對應值是令人滿意的。在開始給加熱電阻通電的一定時間內，流經加熱電阻的電流傾向于是不穩定的。由此，優選從開始對加熱電阻通電經過2ms到100ms(更優選的是到50ms)時獲取第一對應值。
按照本發明第二方面的液體狀態檢測傳感器可以是這樣的，如果所確定的溫度低于或等于液體的凝固點，所述凝固判斷單元判定液體是凝固的。
在按照本發明這一方面的液體狀態檢測傳感器中，通過判斷由所述溫度信息獲取單元確定的溫度是否低于或等于液體的凝固點來檢測液體的凝固狀態。這樣使得可以快速地判斷液體是否凝固，并當判定液體是凝固時快速中止對加熱電阻的通電。這樣反過來即使液體再次凝固，防止了液體狀態檢測元件由于再次凝固膨脹產生的壓力的損壞。
按照本發明第二方面的液體狀態檢測傳感器可以進一步包括第三對應值獲取單元，該單元用于在所述檢測周期里并在獲得所述第一對應值之后，獲得與加熱電阻的第三電阻值相對應的第三對應值。如果檢測到的溫度低于或等于預設的臨界溫度，并且所述第三對應值、第一對應值之間的中間差值與凝固判斷臨界值呈規定的數量關系，所述凝固判斷單元則判定液體是凝固的。
順便提及，如果液體濃度改變，液體的凝固溫度相應發生改變。例如，在液體是尿素水溶液的情況下，凝固溫度隨著尿素濃度的降低而增高。因此，當液體中特定成分的濃度已經改變時，僅僅將液體溫度與預設的凝固溫度相比較可能不足于準確地判斷液體是否凝固。
考慮到上述情況，在本發明的這一方面，在將由所述溫度信息獲取單元檢測到的溫度與預設的臨界溫度相比較的同時，將作為所述第三對應值與第一對應值之間差值的中間差值與所述凝固判斷臨界值相比較。如果檢測到的溫度低于或等于預設的臨界溫度，并且所述中間差值與所述凝固判斷臨界值處于規定的數量關系，則判定液體是凝固的。上述規定數量關系的例子是(1)中間差值＜凝固判斷臨界值以及(2)中間差值≤凝固判斷臨界值。
如上所述，通過兩個步驟來判斷液體是否凝固，即將檢測到的溫度與所述臨界溫度相比較以及將所述中間差值與所述凝固判斷臨界值相比較，這樣使得可以準確地判斷液體是否凝固，即使液體中特定成分的濃度已經發生改變。
在上述液體狀態檢測傳感器中，優選從中止對加熱電阻的通電經過待機時間后，所述通電單元重新開始對加熱電阻通電；并且液體狀態檢測傳感器進一步包括待機時間選擇單元，該單元用于如果所述通電單元已經對加熱電阻通電所述檢測周期則選擇第一待機時間作為待機時間，以及如果所述通電中止單元已經中止對加熱電阻的通電則選擇短于第一待機時間的第二待機時間作為待機時間。
在按照本發明這一方面的液體狀態檢測傳感器中，設置待機時間并等待直至加熱電阻的溫度近似等同于周圍液體部分的溫度，這樣使得可以對液體重復執行校正溫度檢測和特定成分濃度檢測。如果判定液體是凝固的，如上所述對加熱電阻的通電被強制中止。但是，由于僅對加熱電阻進行了非常短時間的通電，該加熱電阻被暴露于其溫度近似等同于周圍液體部分溫度的環境。因此，在本發明的這一方面，如果加熱電阻的通電由于液體被判斷為凝固而被中止，至下次對加熱電阻通電的待機時間被設置為較短。這一措施使得可以快捷地重復對液體溫度的再次檢測，并由此快捷地判斷液體是否已經融化。在液體已經融化之后，可以快捷地檢測它的濃度。
對于上述的液體狀態檢測傳感器，優選液體狀態檢測傳感器進一步包括異常判斷單元，該單元使用由所述差值計算單元確定的差值來判斷在液體容器中是否發生異常；而且僅當異常判斷單元通過所確定的差值判定并未發生異常時，所述濃度獲取單元確定液體中特定成分的濃度。
如上所述，如果在檢測液體中特定成分濃度的過程中所獲得的差值超出了正常范圍，則判定發生了異常。舉例來說，這樣使得可以發出警報來通知異常，例如液體容器中的液體是其他類型的液體譬如輕油，或液體容器是空的；或可以限制使用該液體的裝置的操作。此外，由于基于正常范圍內的差值來確定液體中特定成分的濃度，可以增加濃度檢測的準確性。
在上述液體狀態檢測傳感器中，優選所述通電單元產生恒定電流來流經加熱電阻；并且所述第一和第二對應值獲取單元分別獲得電壓值作為第一和第二對應值。
由于通電單元被設置成產生恒定電流來流經加熱電阻，在簡化電路結構的同時，可以確定第一與第二對應值之間精確的差值。這樣使得可以提供廉價的液體狀態檢測傳感器。
在上述液體狀態檢測傳感器中，所述液體狀態檢測元件優選是陶瓷加熱器，其中加熱電阻被埋置于陶瓷基底中。由于液體狀態檢測元件包括在耐久性和耐腐蝕性方面優越的陶瓷加熱器，可以在較長工作壽命內穩定地檢測液體的溫度和特定成分的濃度。
在上述液體狀態檢測傳感器中，液體優選是尿素水溶液且特定成分是尿素。這樣使得可以檢測尿素水溶液的溫度和尿素濃度。


圖1是液體狀態檢測傳感器100的部分剖面縱向側視圖。
圖2是陶瓷加熱器110的加熱圖案115的示意圖。
圖3是液體狀態檢測傳感器100的電氣結構的方框圖。
圖4是尿素水溶液液面附近部分的放大剖面圖，該尿素水溶液充滿外部圓柱電極10與內部電極20之間的間隔。
圖5是顯示與加熱電阻114的電阻相對應的電壓的曲線圖，該電壓隨著恒定電流開始流經加熱電阻114的時間而增大。加熱電阻114的溫度也相應增加。圖5的曲線用于具有32.5wt％尿素濃度且溫度為25℃的示例性尿素水溶液。
圖6是曲線圖，顯示加熱電阻114的電壓改變ΔV與尿素水溶液尿素濃度之間的關系呈線性關系并與溫度相關。
圖7是曲線圖，顯示進一步將尿素水溶液的溫度納入考慮、通過校正加熱電阻114的電壓改變ΔV與尿素水溶液尿素濃度之間的關系而獲得的校正后(轉換后)濃度，以大致符合實際的尿素濃度。
圖8是按照本發明一個實施例的狀態檢測程序的流程圖。
圖9是顯示臨界值Q和R的曲線圖，該臨界值分別用于判斷加熱是否在空槽中執行以及用于判斷槽中裝的是否為其他類型的液體。
圖10是按照修改方案的狀態檢測程序的流程圖。
附圖標記說明附圖中用來表示各種結構特征的附圖標記包括如下。
98尿素水溶液100液體狀態檢測傳感器110陶瓷加熱器114加熱電阻220微型計算機230差動放大器電路部分240恒定電流輸出部分221中央處理器(CPU)具體實施方式
以下將參照附圖來描述按照本發明一個實施例的液體狀態檢測傳感器。但是，本發明不應當被認為局限于此。
首先，將參照圖1和圖2來描述示范性的液體狀態檢測傳感器100的構造。圖1是液體狀態檢測傳感器100的部分剖面縱向側視圖。圖2是陶瓷加熱器110的加熱圖案115的示意圖。在液體狀態檢測傳感器100中，液面檢測部分70(即，由外部圓柱電極10和內部電極20組成的電容器)的縱向方向作為軸線O的方向，設置有液體狀態檢測部分30的一側作為頂端側，而設置有固定(裝配)部分40的一側作為后端側。
按照本實施例的液體狀態檢測傳感器100是用于檢測尿素水溶液的狀態，也即尿素水溶液的液面(液位)、它的溫度以及作為其特定成分的尿素的濃度的傳感器，所述尿素水溶液用于減少柴油機動車排放廢氣中所包含的氮氧化物(NOx)。如圖1中所示，液體狀態檢測傳感器100包括液面檢測部分70，該部分由具有圓柱外形的外部圓柱電極10以及提供在外部圓柱電極10內部以沿著外部圓柱電極10的軸線O延伸的圓柱形內部電極20而組成；提供在內部電極20頂端側的液體狀態檢測部分30；以及固定部分40，該固定部分40用于將液體狀態檢測傳感器100連接于尿素溶液槽98(參見圖3)。
外部圓柱電極10由金屬材料制成并具有沿著軸線O延伸的長且窄的圓柱外形。在外部圓柱電極10上形成有多個窄縫15，它們總體呈現沿著三個母線(generatrix)的每一個而延伸的直線，所述母線以等距間隔布置在外部圓柱電極10的圓周方向上。為避免界入在外部圓柱電極10與內部電極20之間的橡膠襯套80(以下描述)的損耗，在沿其形成縫15的相應母線上于外部圓柱電極10的頂端部分11處形成有孔16。在鄰近外部圓柱電極10后端側的近側部分12并偏離沿其形成縫15的母線的位置上，一個通氣孔19形成在外部圓柱電極10上。外部圓柱電極10的頂端部分11沿著軸線O的方向延伸至孔16的頂端側所處的位置，并由此從徑向外側包圍液體狀態檢測部分30的陶瓷加熱器110(以下描述)以及覆蓋并保護陶瓷加熱器110的保護裝置130。外部圓柱電極10的最頂端(圖1的最底部)是開著的，由此可以通過該開口看到液體狀態檢測部分30的保護裝置130。
外部圓柱電極10的近側部分12焊接于金屬固定部分40的電極支架41的外圓周表面以便與后者相接合。固定部分40起著將液體狀態檢測傳感器100固定于尿素溶液槽98的支座作用，并且經由其插入固定螺栓的固定孔(未顯示)形成在固定部分40的邊緣42處。固定部分40提供在邊緣42與電極支架41相對的一側，具有用于容納元件的容納部分43，所述元件包括裝配有用于檢測尿素水溶液的液面、溫度、尿素濃度等的電路(以下描述)的電路板60，用于電連接外電路(譬如汽車的電機控制單元(ECU)，圖中未顯示)的輸入/輸出電路以及其他電路。外部圓柱電極10經由固定部分40接地。
電路板60安裝在從容納部分43的四個內表面連線凸出的板安裝部分(未顯示)上。容納部分43被安裝在邊緣42上的罩45所覆蓋和保護。連接器62安裝在罩45的側壁上，并且連接器62的接線端子(未顯示)經由電纜61連接至電路板60的圖案(輸入/輸出電路部分290，以下描述)。電路板60和ECU經由連接器62彼此連接。
在固定部分40的電極支架41處形成有通孔46以與容納部分43中的空間相連通，并且內部電極20的近側部分22通過孔46插入。本實施例的內部電極20由金屬材料制成，具有長且窄的圓柱外形，且沿著軸線O延伸。在內部電極20的外圓周表面上形成有絕緣涂層23，該涂層由譬如聚四氟乙烯(PTFE)、全氟代烷基醚(PFA)或乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)的含氟樹脂，環氧樹脂，聚酰亞胺樹脂等制成。通過浸漬或靜電粉末涂裝將上述樹脂施加至內部電極20的外圓周表面上然后熱處理，絕緣涂層23作為樹脂涂層而形成。液面檢測部分70由內部電極20和外部圓柱電極10組成，該電極形成其電容按照尿素水溶液的液面而改變的電容器。
用于將內部電極20固定于固定部分40的導管裝置55和內殼50連接或嚙合于內部電極20后端側的近側部分22。導管裝置55是環形的導向元件，它與內部電極20的近側部分22的末端相連接。內殼50是具有邊緣的類圓柱形樹脂元件，用來定位和支承內部電極20以使內部電極20與外部電極10安全地相絕緣。內殼50的頂端側部分與固定部分40的電極支架41相嚙合。內殼50具有在徑向方向上向外凸出的邊緣51。為了將內殼50與電極支架41相嚙合，內殼50從容納部分43的一側插入電極支架41的孔46中。邊緣51達到與容納部分43的底面相接觸，由此防止內殼50穿過孔46。內部電極20從容納部分43的一側插入內殼50中。導管裝置55達到與邊緣51的接觸并由此防止內部電極20從內殼50上脫離。
此外，內殼50的外圓周表面和內圓周表面分別提供有O型環53和54。O型環53將內殼50的外圓周表面與固定部分40的電極支架41的內圓周表面之間的間隙密封，而O型環54將內殼50的內圓周表面與內部電極20的近側部分22的外圓周表面之間的間隙密封。通過這一措施，當液體狀態檢測傳感器100連接于尿素溶液槽98時(參見圖3)，尿素溶液槽98保持水密和氣密，也即是說，防止了尿素溶液槽98的外側和外側經由容納部分43而彼此連通。板狀的密封元件(未顯示)連接于固定部分40的邊緣42的頂端側表面，由此當液體狀態檢測傳感器100連接于尿素溶液槽98時，在邊緣42與尿素溶液槽98之間確保充分的水密性和氣密性。
在將內部電極20連接于固定部分40的過程中，導管裝置55通過兩個壓板56和57壓在內殼50的邊緣51上。在用界入于壓板56自身與導管裝置55之間的壓板57壓住導管裝置55的同時，絕緣的壓板56通過螺栓58安裝在固定部分40上。其結果是，與導管裝置55相連接的內部電極20安裝在電極支架41上。壓板56和57在其中央具有孔59。電部電極20的電極導線52以及包含兩根(圖1中僅顯示了一根)用于電連接陶瓷加熱器110(以下描述)的導線90的雙芯電纜91，通過孔59插入并電連接于電路板60上的相應圖案。電路板60的接地側電極連接于固定部分40，由此焊接至固定部分40的外部圓柱電極10電連接于該接地側。
在本實施例中，布置為鄰近內部電極20的頂端部分21的液體狀態檢測部分30由以下組成作為檢測尿素水溶液的溫度和尿素濃度的液體狀態檢測元件的陶瓷加熱器110、由絕緣樹脂制成且連接于內部電極20的頂端部分21的支持架120，以及覆蓋并保護陶瓷加熱器110暴露于支持架120的部分的保護裝置130。
如圖2中所示，陶瓷加熱器110是這樣的，主要由鉑制成的加熱圖案115在由絕緣陶瓷制成的板狀陶瓷基底111上形成，并覆蓋有反向的陶瓷基底(未顯示)，也即是說，加熱器圖案115被埋置。用作加熱電阻114的圖案剖面設置為小于用作施加電壓的兩個電極的導線部分112和113的圖案剖面，由此在通電時熱量主要由加熱電阻114產生。與形成在陶瓷基底111表面上的電極極板相連接的通路導體(未顯示)分別連接于導線部分112和113的端，并且所述電極極板分別電連接于兩個導體119(圖1中僅顯示了1個)以中續兩根導線90。陶瓷加熱器110即相當于本發明的“液體狀態檢測元件”。
如圖1中所示，支承陶瓷加熱器110的支持架120是具有階梯的雙圓柱形。陶瓷加熱器110通過安裝元件125和126(粘合劑)安裝在支持架120的小直徑頂端部分，它的加熱電阻114埋置部分(參看圖2)是暴露的。保持架120的大直徑后端部連接于內部電極20的頂端部分21。密封環140插入在內部電極20的外圓周表面與保持架120的內圓周表面之間，由此保持內部電極20的水密性及氣密性。
順便提及，在連接保持架120之前，電纜91的兩根導線90的芯線通過壓接或焊接連接于陶瓷加熱器110的相應導體119。此外，導體119和導線90的連接部分以及導體119和導線90的鄰近部分被絕緣保護裝置95所覆蓋和保護。兩根導線90穿過圓柱形內部電極20并與電路板60相連。
保護裝置130是類似封閉端圓柱外形的金屬保護元件。保護裝置130的開口側部分與保持架120的小直徑部分相匹配。液體連通孔(未顯示)形成為貫穿保護裝置130的圓周壁，由此尿素水溶液進出保護裝置130的內部。
具有上述結構的液體狀態檢測部分30通過保持架120連接于內部電極20的頂端部分，并被外部圓柱電極10中的橡膠襯套80彈性支承。橡膠襯套80具有圓柱外形，形成在橡膠襯套80外圓周表面上的凸出物87與外部圓柱電極10的相應孔16相嚙合并由此固定在外部圓柱電極10上。橡膠襯套80的外圓周表面和內圓周表面都形成有多個平行于軸線O延伸的槽(未顯示)。當液體狀態檢測傳感器100與尿素溶液槽98相連接時，處于橡膠襯套80的頂端側和后端側的尿素水溶液通過這些槽發生交換。這些槽也用于排出泡沫。
接下來，將參照圖3來描述液體狀態檢測傳感器100的電氣結構。圖3是顯示液體狀態檢測傳感器100電氣結構的方框圖。
如圖3中所示，液體狀態檢測傳感器100與作為液體容器的尿素溶液槽98相連。具有一對電極(外部圓柱電極10和內部電極20)的液面檢測部分70以及具有陶瓷加熱器110的液體狀態檢測部分30浸入作為液體狀態檢測對象并裝在尿素溶液槽98中的尿素水溶液中，所述陶瓷加熱器110中埋置有加熱電阻114。對于液體狀態檢測傳感器100，微型計算機220、用于控制液面檢測部分70的液面檢測電路部分250、用于控制液體狀態檢測部分30的液體狀態檢測電路部分280，以及用于同ECU通訊的輸入/輸出電路部分290裝配在電路板60上。液面檢測電路部分250、液體狀態檢測電路部分280以及輸入/輸出電路部分290與微型計算機220相連接。
微型計算機220裝配有公知的CPU221、ROM222和RAM223。CPU221對整個液體狀態檢測傳感器100進行控制。ROM222提供有各種存儲區域(未顯示)，并且在ROM222的指定存儲區域儲存有狀態檢測程序(以下描述)、公式(1)-(5)(以下描述)、各種變量的初始值、臨界值等。RAM223同樣也提供有各種存儲區域，并且當狀態檢測程序正在運行時，在RAM223的指定存儲區域臨時儲存狀態檢測程序的一部分、各種變量的值、計時器計數等。
輸入/輸出電路部分290執行在液體狀態檢測傳感器100與ECU之間信號輸入/輸出的通信協議控制。液面檢測電路部分250是按照來自微型計算機220的指令進行操作，以在液面檢測部分70的外部圓柱電極10與內部電極20之間施加AC電壓的電路部分，它將流經液面檢測部分70(電容器)的電流轉換成電壓信號，并將該電壓信號輸出至微型計算機220。
液體狀態檢測電路部分280是按照來自微型計算機220的指令進行操作以產生恒定電路流經液體狀態檢測部分30的陶瓷加熱器110，并將產生在加熱電阻114上的測定電壓輸出給微型計算機220的電路部分。液體狀態檢測電路部分280由差動放大器電路部分230、恒定電路輸出部分240以及開關260組成。
恒定電路輸出部分240產生恒定電路來流經加熱電阻114。布置在通往加熱電阻114的電路傳導通路上的開關260，通過微型計算機220的控制而轉換開關。差動放大器電路部分230將呈現在加熱電阻114兩端的電位輸入功率(Pin)與輸出功率(Pout)之間的差值作為測定的電壓輸出給微型計算機220。
接下來，將描述按照本實施例的液體狀態檢測傳感器100檢測尿素水溶液的液面、溫度及尿素濃度的原理。首先，將參照圖4描述液面檢測部分70檢測尿素水溶液液面的原理。圖4是尿素水溶液液面附近部分的放大剖面圖，該尿素水溶液充滿外部圓柱電極10與內部電極20之間的間隔。
在外部圓柱電極10和內部電極20的頂端與尿素溶液槽98的底壁相對的情況下，液體狀態檢測傳感器100(參看圖1)與裝有尿素水溶液的尿素溶液槽98相連接(參看圖3)。也即是說，液體狀態檢測傳感器100連接于尿素溶液槽98，使得軸線O設置為當尿素溶液槽98中的體積改變時與尿素水溶液的液面改變方向相平行，以及使得外部圓柱電極10和內部電極20的頂端處于較低液面一側。通過測量外部圓柱電極10與內部電極20之間的電容，可以檢測存在于外部圓柱電極10與內部電極20之間的尿素水溶液在軸線O方向上的水平面。眾所周知地，這基于下列事實，即電容隨著具有不同電位的兩個同軸圓柱面之間的徑向距離減小而增大。
更具體地，如圖4中所示，對于未充有尿素水溶液的間隔部分，產生電壓差部分的長度等于距離X，該距離X是距離Y和Z之和，所述距離Y等于外部圓柱電極10的內圓周表面與絕緣涂層23之間的空氣層的厚度，而所述距離Z等于絕緣涂層23的厚度。另一方面，對于充有尿素水溶液的間隔部分，產生電壓差的部分的長度為等于絕緣涂層23厚度的距離Z，因為尿素水溶液是導電的由此外部圓柱電極10和尿素水溶液的電位大致相同。
換言之，未充有尿素水溶液的間隔部分的電容等于下列電容器串聯的總電容即空氣作為電介質(絕緣體)界入在具有距離Y的電極之間的電容器，以及絕緣涂層23作為電介質界入在具有距離Z的電極之間的電容器。充有尿素水溶液的間隔部分的電容等于下列電容器的電容即絕緣涂層23作為電介質界入在具有距離Z的電極之間的電容器。上述兩個電容器并聯的總電容被測量作為整個液面檢測部分70的電容。
由于距離Y比距離Z要大得多，空氣作為電介質界入在電極之間的電容器較之絕緣涂層23作為電介質界入在電極之間的電容器每單位面積的電容要小。由此，充有尿素水溶液的間隔部分的電容比未充有尿素水溶液的間隔部分的電容改變得要多，并且由外部圓柱電極10和內部電極20組成的整個電容器的電容與尿素水溶液的液面成比例。
尿素水溶液的上述液面測量由微型計算機220經由液面檢測電路部分250來執行，并且作為結果的液面信息信號經由輸入/輸出電路部分290輸出給ECU(未顯示)。
下面，將描述通過液體狀態檢測部分30的陶瓷加熱器110，來檢測尿素水溶液的溫度及作為特定成分的尿素的濃度的原理。圖5是曲線圖，顯示與加熱電阻114的電阻相對應的電壓是如何隨著產生恒定電流流經加熱電阻114的操作開始而增大。對于示范性的、尿素濃度為32.5wt％且溫度為25℃的尿素水溶液，加熱電阻114的溫度也相應增加。圖6是曲線圖，顯示加熱電阻114的電壓改變ΔV與尿素水溶液的尿素濃度之間呈線性關系并與溫度相關。圖7是曲線圖，顯示進一步將尿素水溶液的溫度納入考慮、通過校正加熱電阻114的電壓改變ΔV與尿素水溶液尿素濃度之間的關系而獲得的校正后(轉換后)濃度，以大致符合實際的尿素濃度。
在通電后不久，加熱電阻114的溫度近似等同于加熱電阻114周圍液體的溫度。這是因為至今為止所產生的熱量還很小。這在圖5中得以顯示。在產生恒定電路流經加熱電阻114的操作開始之后(在通電開始后，大約花10ms以使電流值變得穩定)，加熱電阻114的溫度持續增加。
由此，如果預先獲得當通電開始過去10ms后對應于加熱電阻114電阻的電壓與加熱電阻114周圍尿素水溶液部分的溫度之間的關系，可以測得尿素水溶液的溫度。加熱電阻114僅開始通電短時間之后所展現的電阻與加熱電阻114周圍尿素水溶液部分的溫度之間的關系可以下列公式給出RT＝R0(1+α0T)(1)變量RT是加熱電阻114處于T℃時的電阻，并且當開始給加熱電阻114通電時加熱電阻114周圍液體的溫度也是T℃。參數R0是加熱電阻114處于0℃時的電阻(Ω)。系數α0是在0℃時確定的溫度系數且取決于加熱電阻114的材料。由此從公式(1)可以看出，加熱電阻114的電阻是環境溫度的線性函數。
通過歐姆定律(Ohm’s law)，關系式
RT＝VT/I (2)成立。由于產生恒定電路來流經加熱電阻114，電流I(A)是不變的。由此可以推導出，加在加熱電阻114上的電壓(在本實施例中，即差動放大器電路部分230的輸出電壓V)與電阻RT(Ω)成比例(參見公式2)并且是環境溫度的線性函數(參看公式1)。
當加熱電阻114的通電繼續時，加熱電阻114產生的熱量被它周圍的液體所吸收且液體熱量吸收量取決于它的熱導率。也即是說，加熱電阻114的溫度上升率取決于它周圍液體的熱導率。此外，眾所周知液體的熱導率取決于包含其中的特定成分的濃度。因此，當加熱電阻114浸入液體中并對該液體加熱規定時間時，只要知道加熱電阻114的電阻變化率，就可以確定環境液體熱導率的改變并獲得該液體中特定成分的濃度。
這在圖6中得以顯示。例如，當浸入到25℃的尿素水溶液中的加熱電阻114通電700ms時，對于尿素水溶液的尿素濃度分別為0wt％、16.25wt％和32.5wt％的情況，與加熱電阻114電阻改變相對應的電壓改變分別是1220mV、1262Mv和1298mV。也即是說，隨著尿素水溶液的尿素濃度增大及其熱導率相應降低，加熱電阻114產生的熱量較不易于吸收且由此溫度上升率增大。其結果是，加熱電阻114的電阻改變增大且對應的電壓改變(圖6中的ΔV)增大。
如上所述地，尿素水溶液的尿素濃度與加熱電阻114的電阻改變(即，電壓改變)具有如圖6所示的線性關系。加熱電阻114周圍的尿素水溶液部分的尿素濃度與對應于加熱電阻114電阻改變的電壓改變之間的關系可以下列公式給出ΔV＝aTC+bT(3)變量ΔV(mV)是與加熱電阻114僅開始通電短時間所展現的電阻相對應的電壓和與加熱電阻114開始通電后經過規定周期(譬如700ms)的時點所展現的電阻相對應的電壓之間的差值。變量C是尿素水溶液的尿素濃度(wt％)。系數aT是尿素水溶液的溫度為T℃的情況下ΔV-C直線的斜率。常量bT是尿素水溶液的溫度為T℃的情況下ΔV-C直線的截距。
另一方面，即使尿素水溶液的尿素濃度相同，如果尿素水溶液處于不同溫度，加熱電阻114的溫度上升率(即，電壓改變ΔV)也發生改變。也即是說，加熱電阻114的溫度上升率也取決于尿素水溶液的溫度。
這同樣在圖6的曲線得以顯示。例如，如果尿素濃度為32.5wt％且溫度為25℃的尿素水溶液通過對加熱電阻114通電被加熱700ms，與加熱電阻114電阻改變相對應的電壓改變ΔV為1298mV。另一方面，如果尿素濃度相同而溫度為80℃的尿素水溶液通過對加熱電阻114通電被加熱700ms，該電壓改變為1440mV。也即是說，在尿素水溶液的尿素濃度不變的情況下，加熱電阻114的電阻改變以及相應的電壓改變ΔV在尿素水溶液的初始溫度較低時減小。
如上所示，計算出的尿素濃度與加熱電阻114的電阻改變(電壓改變ΔV)之間的關系取決于尿素水溶液的初始溫度。因此，通過校正(校準)公式(3)可以計算出校正后的尿素濃度，以將通過公式(1)和(2)確定的尿素水溶液的溫度納入考慮。對尿素水溶液溫度的校正可以按照下列公式來執行aT＝a25+x(T-25) (4)bT＝b25+y(T-25) (5)參數a25是尿素水溶液的溫度為25℃時ΔV-C直線的斜率，且x是該斜率的溫度校正系數。類似地，b25是尿素水溶液的溫度為25℃時ΔV-C直線的截距，且y是該截距的溫度校正系數。
可以用過試驗等來確定適用于公式(3)、(4)和(5)中校正參數的值，譬如a25＝2.3，b25＝1.223，x＝0.015以及y＝2.45。圖7顯示了使用上述值來執行校正所獲得的尿素水溶液的濃度(轉換后濃度)，該濃度大致符合于實際的尿素濃度。
按照本實施例的液體狀態檢測傳感器100依照上述原理來檢測尿素水溶液的液面、溫度及尿素濃度。尤其是，可以通過運行儲存在微型計算機220的ROM222中的狀態檢測程序來檢測尿素水溶液的溫度和尿素濃度。以下將參照圖3、圖8和圖9來描述該狀態檢測程序。圖8是狀態檢測程序的流程圖。圖9是顯示臨界值Q和R的曲線圖，該臨界值分別用于判斷加熱是否在空的尿素溶液槽98中執行，或尿素溶液槽98中裝的是否為其他類型的液體。
為響應于來自ECU的指令對尿素水溶液的狀態進行檢測，儲存在ROM222中的狀態檢測程序被讀入RAM223的指定存儲區域并被運行。如圖8中所示，當控制信號從微型計算機220發送至開關260(參見圖3)時，在步驟S1開關260閉合且恒定電流輸出部分240對加熱電阻114的通電開始。通過參照獨立運行的計時程序(未顯示)的計數，程序等待直至從通電開始經過10ms(S2否)。如上所述地，10ms設置為初始通電時間以允許電流值達到穩定。這一過程防止步驟3在10ms期間內測量電壓。
在10ms過去之后(S2是)，程序進行到步驟S3，此處差動放大器電路部分230對加熱電阻114的電壓值進行測量并且所測定的電壓值輸入給微型計算機220。在開始通電后由差動放大器電路部分230測量的加熱電阻114的測定電壓值，即為本發明的“第一對應值”；而獲得該測定電壓值的CPU221即為本發明的“第一對應值獲取單元”。
在微型計算機220中，所接收的加在加熱電阻114上的電壓值由VT來表示，并按照公式(1)和(2)來計算加熱電阻114周圍尿素水溶液部分的溫度T。所計算出的溫度T作為溫度信息信號從輸入/輸出電路部分290發送至ECU(S6)。計算尿素水溶液的溫度T的CPU221即為本發明的“溫度信息獲取單元”。
另一方面，在步驟S7，將尿素水溶液的溫度T與它的凝固點(-11℃)相比較，該凝固點預先儲存在ROM222中。如果溫度T低于或等于凝固點(S7是)，則判定尿素水溶液是凝固的。發送控制信號以斷開開關260，并且加熱電阻114的通電被中止(S8)。通過參照獨立運行的計時程序(未顯示)的計數，程序等待直至從中止通電開始經過1s(S9否)。該待機時間設置為足夠大，以允許加熱電阻114的溫度變得等同于已經通電了大約10ms、加熱電阻114周圍尿素水溶液部分的溫度。在1s過去之后(S9是)，程序返回至步驟S1，這時加熱電阻的溫度應當等同于尿素水溶液周圍部分的溫度。在步驟S7判斷尿素水溶液的溫度T是否低于或等于凝固點的CPU221，即為本發明的“凝固判斷單元”；而在步驟S8輸出控制信號給開關260以中止加熱電阻通電的CPU221即為本發明的“通電中止單元”。此外，通過在步驟S7判斷尿素水溶液的溫度T是否低于或等于凝固點，從而在步驟S9和S22中的一個產生等待的CPU221即為本發明的“待機時間選擇單元”，上述步驟S9和S22在待機時間上不同。
當加熱電阻114周圍的尿素水溶液部分的溫度低于或等于凝固點時，尿素水溶液曾經由于加熱電阻114產生的熱量而融化的其他部分可能再次凝固。陶瓷加熱器110可能由于凝固膨脹產生的壓力而損壞。考慮到這點，通過反復執行步驟S1-S9來監控尿素水溶液的溫度。如果尿素水溶液的溫度T變得高于凝固點(S7否)，通過參照計時程序的計數加熱電阻114保持通電直至700ms的時間過去(S10否)。
一旦從開始通電加熱電阻114經過700ms(S10是)，在步驟S11通過差動放大器電路部分230測量的加熱電阻114的測定電壓值，如同步驟S3所執行的那樣輸入給微型計算機220。在完成該電壓測量之后，在步驟S12控制信號從微型計算機220輸出給開關260并且加熱電阻114的通電中止。在步驟S11通過差動放大器電路部分230在從開始通電加熱電阻114經過700ms的時點所測量的加熱電阻114的測定電壓值，即為本發明的“第二對應值”。獲得該電壓值的CPU221即為本發明的“第二對應值獲取單元”。此外，在步驟S1使恒定電流輸出部分240開始對加熱電阻114通電、在步驟S10導致等待700ms，以及在步驟S12輸出信號給開關260以中止通電的CPU221，即為本發明的“通電單元”。
在步驟S13，將在步驟S11中700ms過去的時點所獲得的電壓值減去在步驟S3所獲得的加熱電阻114的電壓值，從而計算出差值ΔV。如果計算出的差值ΔV小于從尿素水溶液合理的尿素濃度范圍中所確定的最大電壓改變值(界限值Q，參看圖9)(S14是)，則判定差值ΔV是處于正常差值范圍內的正常值并且程序進行到步驟S18。在步驟S18，按照公式(3)-(5)來計算尿素水溶液的尿素濃度C。在該計算過程中使用的差值(即，正常差值)ΔV具有譬如E的值，該值要小于臨界值Q(參看圖9)。所計算出的尿素濃度C作為濃度信息信號從輸入/輸出電路部分290發送給ECU。在步驟S13計算差值ΔV的CPU221即為本發明的“差值計算單元”。在步驟S18計算尿素水溶液的尿素濃度C的CPU221即為本發明的“濃度獲取單元”。
接下來，通過參照計時程序的計數，等待直至60s過去(S22否)。該待機時間設置為足夠大，以允許加熱電阻114的溫度變得等同于已經通電了大約700ms、加熱電阻114周圍尿素水溶液部分的溫度。在60s過去之后(S22是)，重新開始檢測尿素水溶液的溫度及尿素濃度的流程。
另一方面，如果判定計算出的差值ΔV大于或等于臨界值Q(S14否)，在步驟S19則判斷該計算出的差值ΔV是否大于最小電壓改變值(臨界值R，參看圖9)，該最小電壓改變值可以在加熱電阻114被空氣包圍時而獲得。如果該計算出的差值ΔV大于所述最小電壓改變值(S19是)，在步驟S20則產生“正在空槽中加熱”的判斷結果，并且該結果的報警信號經由輸入/輸出電路部分290發送給ECU。在此情況下，差值ΔV具有譬如G的值，該值大于臨界值R(參看圖9)。基于步驟S14和S19的判定結果來判斷是否發生異常、并導致步驟S20或S21執行的CPU221即為本發明的“異常判斷單元”。
即使差值ΔV小于或等于臨界值R(S19否)，由于它要大于或等于臨界值Q，加熱電阻114周圍的液體在步驟S21被判斷并不是尿素水溶液(譬如，是輕油)，并且該結果的報警信號經由輸入/輸出電路部分290發送給ECU。在此情況下，差值ΔV具有譬如F的值，該值大于或等于臨界值Q并小于或等于臨界值R。無論發出何種警報，程序進行到等待60s的步驟S22。當60s過去之后(S22是)，重新開始檢測尿素水溶液的溫度及尿素濃度的流程。
自然，可以有上述實施例的各種修改。例如，盡管在按照上述實施例的狀態檢測程序中，在步驟S6按照公式(1)和(2)來計算尿素水溶液的溫度并在步驟S18按照公式(3)-(5)來計算尿素濃度，也可以在步驟S6和S18分別參照表格來確定溫度及尿素濃度，所述表格通過試驗等被預先制定并儲存在指定的存儲區域。
步驟S2、S9、S10和S22的待機時間僅僅是示例，可以通過試驗等來設置最優的待機時間。步驟S9和S22的待機時間可以按照步驟S6所測得的尿素水溶液的溫度來設置。此外，盡管在上述實施例中在步驟S7將計算出的尿素水溶液溫度與尿素水溶液的凝固點相比較，也可以將在從通電開始經過10ms的時點所測量的加熱電阻114的電壓值與通過試驗等預先確定、對應于凝固點(-11℃)的加熱電阻114的電壓值相比較。
電路板60可以作為用于液面檢測部分70和液體狀態檢測部分30的中繼輸出的電路板，并與包括微型計算機220的外電路相連接。液面檢測以及溫度和濃度檢測可以在所述外電路的控制下執行。
在按照上述實施例的液體狀態檢測傳感器100中，提供有外部圓柱電極10和內部電極20并且還檢測尿素水溶液的液面。然而，并不總是需要提供外部圓柱電極10和內部電極20。對于按照上述實施例的液體狀態檢測傳感器100，在液體狀態檢測電路部分280中提供有恒定電流輸出部分240，并通過產生恒定電流流經加熱電阻114來獲得相應于加熱電阻114電阻值的電壓值。然而，例如，可以通過在液體狀態檢測電路部分中提供恒定電流輸出部分，并通過將恒定電流施加于加熱電阻114而獲得相應于流經加熱電阻114的電流的電流值，從而檢測尿素水溶液的溫度和尿素濃度。
順便提及，如果尿素水溶液由于車輛的振動等被劇烈振蕩，加熱電阻114的測定電壓可以暫時具有較大或較小值。在此情況下，所獲得的溫度信息或濃度信息可以暫時具有不正常的值。例如，可以通過儲存多個電壓測量值并基于它們的平均數來獲得溫度信息及濃度信息，從而可以獲得更為準確的溫度信息及濃度信息。下面將參照圖10來描述修改版本的狀態檢測程序，該程序能夠產生更為準確的溫度信息及濃度信息。該修改版本與圖8中所示按照上述實施例的狀態檢測程序不同之處在于判定液體是否凝固的步驟。也即是說，在修改版本中，如下所述地，通過兩組步驟來判斷液體是否凝固。
在如圖10所示的第二狀態檢測程序中，在按照上述實施例的狀態檢測程序的步驟S3與S6之間插入有步驟S4和S5，并同樣在步驟S14與S18之間插入有步驟S15-S17。此外，在第二狀態檢測程序中，以步驟S31-S35來替代按照上述實施例的狀態檢測程序的步驟S7。其他步驟與上述實施例相同，因此它們被給出相同的編號并將以簡化的方式描述或省略其描述。
在第二狀態檢測程序中，對于在步驟S3僅給加熱電阻通電短時間之后所測量的加熱電阻114的測定電壓值以及在步驟S13計算出的差值ΔV，通過公知的存儲器管理方法將5個最近的值儲存在RAM223的指定存儲區域中。用于對步驟S3和S15的執行次數分別進行計數的計數器，儲備在RAM223的指定存儲區域。當開始執行上述第二種狀態檢測程序時，上述各種變量、計數器等儲存在RAM223以在運行第二狀態檢測程序中使用的值設為初始值(譬如，0)。
如圖10中所示，在第二狀態檢測程序中，當從加熱電阻114的通電開始已經過去10ms時，測量加熱電阻114的電壓值并輸入給微型計算機220(S1-S3)。此時，所測定的電壓值儲存在RAM223的指定存儲區域，并且用于檢測步驟S3的執行次數(即，電壓值采樣的次數)的計數器增加1。
在步驟S4，查詢步驟S3的執行次數以確定在上述第二狀態檢測程序開始之后步驟S3的電壓測量是否已經執行了5次或更多。如果電壓測量還沒有執行5次(S4否)，程序進行到步驟S6，在這里以與上述實施例相同的方式將所測得的電壓值轉換成溫度。
另一方面，如果在步驟S4中確認步驟S3已經被執行5次或更多(S4是)，程序進行至步驟S5。由于如上所述最近5次之多的測定電壓值儲存在RAM223中，當第二狀態檢測程序的步驟S3被執行第6次或更大次數時，最早的電壓值被改寫。
在步驟S5，從儲存在RAM223的指定存儲區域中、作為步驟S3重復執行結果的5個最近電壓值中排除最大和最小電壓值，從而計算出所獲得的3個電壓值的平均值。在步驟S6，通過使用所計算出的平均電壓值來計算尿素水溶液的溫度T。
在執行步驟S6之后，程序進行到步驟S31，此處將步驟S6中計算出的尿素水溶液的溫度T與預先儲存在ROM222中的臨界溫度(在本修改例中是0℃)相比較。如果計算出的溫度T小于或等于該臨界溫度(S31是)，則判斷尿素水溶液暴露在冷空氣中并且程序進行到步驟S32。如果計算出的尿素水溶液的溫度T高于該臨界溫度(S31否)，則判斷尿素水溶液并未凝固且程序進行到步驟S10。
如果程序由于步驟S31的肯定判斷結果而進行至步驟S32，通過參照計時程序的計數，加熱電阻114保持通電直至300ms的時間過去(S32否)。一旦從通電加熱電阻114開始已經過去了300ms(S32是)，在步驟S33由差動放大器電路部分230測量的加熱電阻114的測定電壓以與上述步驟S3相同的方式輸入給微型計算機230。在從通電加熱電阻114開始經過300ms的時點所測量的加熱電阻114的測定電壓值，即為本發明的“第三對應值”。確定該測定電壓的CPU221即為本發明的“第三對應值獲取單元”。
接著，程序進行至步驟S34，此處通過將在步驟S33中從通電開始300ms過去的時點所獲得的電壓值減去在步驟S3所獲得的加熱電阻114的電壓值，從而計算出中間差值ΔV1。在步驟S35，判斷步驟S34中計算出的中間差值ΔV1是否大于凝固判斷臨界值TH，該臨界值TH通過試驗等被預先確定并儲存在ROM222中。如果判斷中間差值ΔV1大于凝固判斷臨界值TH(S35是)，程序進行至步驟S10。如果判斷中間差值ΔV1小于或等于凝固判斷臨界值TH(S35否)，則進一步判斷尿素水溶液是凝固的。控制信號發送給開關260以斷開它，由此中止加熱電阻114的通電(S8)。在執行步驟S8之后，程序進行至步驟S9并等待1s。在1s過去之后，程序返回至步驟S1以再次開始檢測加熱電阻114溫度的流程。
另一方面，如果在步驟S31產生否定的判斷結果(S31否)或在步驟S35產生肯定的判斷結果(S35是)，步驟S10-S12以與上述實施例相同的方式執行，然后程序進行至步驟S13。在步驟S13，通過將在步驟S11獲得的電壓值減去在步驟S3所獲得的加熱電阻114的電壓值(即，儲存在RAM223中的最近一次電壓值)，從而計算出差值ΔV。如果計算出的差值ΔV小于所述臨界值Q(S14是)，在步驟S15差值ΔV儲存在RAM223的指定存儲區域，并且用于計數步驟S15執行次數的計數器的計數(即，當電壓采樣是正常值后計算差值ΔV的次數)增加1。
在步驟S16，查詢步驟S15執行次數計數器的計數。如果判斷為正常且作為正常差值儲存在RAM223中的差值ΔV的次數小于5，也即是說，如果步驟S15還未執行5次或更多(S16否)，程序進行到步驟S18，此處計算出的差值ΔV以與上述實施例相同的方式轉換成濃度。
另一方面，如果步驟S15被執行5次或更多而且判斷差值ΔV(僅限于正常值)的采樣已經執行5次或更多(S16是)，程序進行至步驟S17。如果當第二狀態檢測程序繼續時步驟S15被執行6次或更大次數，最早的差值ΔV如同上述電壓的情形(S3)被改寫。其結果是，在RAM223的存儲區域中總是儲存有5個最近的差值ΔV。
在步驟S17，如同步驟S5的情形，通過從儲存在RAM223的指定存儲區域中、作為步驟S13重復執行結果的5個最近電壓值中排除最大和最小電壓值，從而獲得三個差值ΔV的平均值。在步驟S18，所計算出的平均差值ΔV轉換成濃度。
第二狀態檢測程序的其他步驟與按照上述實施例的狀態檢測程序的相應步驟相同。如上所述地，通過基于5個最近檢測結果中的三個的平均值來計算尿素水溶液的溫度及濃度，可以獲得高度精度的溫度信息和濃度信息。然而，采樣的次數并不局限于5次。此外，從測定值(測定的壓電值或差值ΔV)中排除最大值和最小值的過程也可以省略。
如上所述，在第二狀態檢測程序中，以兩組步驟來判斷尿素水溶液是否是凝固的，也即是，將尿素水溶液的溫度T與所述臨界溫度相比較的步驟(S31)以及將在加熱電阻114通電中途獲得的中間差值ΔV與所述凝固判斷臨界值TH相比較的步驟(S35)。由此，即使在尿素水溶液的尿素濃度發生改變(被稀釋)的情況下，該狀態檢測程序可以準確地判斷尿素水溶液是否是凝固的。對于按照本修改方案的液體狀態檢測傳感器，CPU221在步驟S31判斷尿素水溶液的溫度T是否低于或等于所述臨界溫度。如果溫度T低于或等于該臨界溫度，CPU221在步驟S35判定中間差值ΔV是否與所述凝固判斷臨界值TH呈規定的數量關系(在本修改方案中，即中間差值ΔV是否大于凝固判斷臨界值TH)。CPU221和相關的判斷步驟構成了本發明的“凝固判斷單元”。
本發明可運用于能夠使用單個的傳感器來檢測液體溫度及濃度的液體狀態檢測傳感器。
本申請基于2005年7月8日提交的日本專利申請JP2005-200808以及2005年9月26日提交的日本專利申請JP2005-277776，其整體內容在此引入作為參考，等同于詳細的描述。
權利要求
1.一種液體狀態檢測傳感器，用于檢測裝在液體容器中液體的狀態，包括液體狀態檢測元件，該元件將被布置在所述液體容器中并具有當電路流經于其時產生熱量的加熱電阻；通電單元，用于給所述加熱電阻通電規定的檢測周期；第一對應值獲取單元，用于在所述檢測周期里獲得與所述加熱電阻的第一電阻值相對應的第一對應值；溫度信息獲取單元，基于所述第一對應值確定液體的溫度；第二對應值獲取單元，用于在所述檢測周期之后獲得與所述加熱電阻的第二電阻值相對應的第二對應值；差值計算單元，用于確定所述第二對應值與第一對應值之間的差值；以及濃度獲取單元，基于所述第二與第一對應值之間的差值確定液體中特定成分的濃度。
2.如權利要求1所述的液體狀態檢測傳感器，其中所述濃度獲取單元基于所述第二與第一對應值之間的差值以及液體的溫度來確定液體中特定成分的濃度。
3.如權利要求1所述的液體狀態檢測傳感器，進一步包括凝固判斷單元，用于在所述檢測周期里，基于由所述溫度信息獲取單元確定的溫度來判斷液體是否凝固；以及通電中止單元，當所述凝固判斷單元判定液體是凝固時，用于中止所述通電單元對所述加熱電阻的通電。
4.如權利要求3所述的液體狀態檢測傳感器，其中當所確定的溫度低于或等于液體的凝固點時，所述凝固判斷單元判定液體是凝固的。
5.如權利要求3所述的液體狀態檢測傳感器，進一步包括第三對應值獲取單元，用于在所述檢測周期里并在獲得所述第一對應值之后，獲得與所述加熱電阻的第三電阻值相對應的第三對應值，其中當所確定的溫度低于或等于預設的臨界溫度，并且所述第三對應值、第一對應值之間的差值與凝固判斷臨界值呈規定的數量關系時，所述凝固判斷單元判定液體是凝固的。
6.如權利要求3所述的液體狀態檢測傳感器，其中從中止對所述加熱電阻的通電經過待機時間后，所述通電單元重新開始對所述加熱電阻通電；并且所述液體狀態檢測傳感器進一步包括待機時間選擇單元，用于當所述通電單元已經對所述加熱電阻通電檢測周期時選擇第一待機時間作為待機時間，以及當所述通電中止單元已經中止對所述加熱電阻的通電時，選擇短于所述第一待機時間的第二待機時間作為待機時間。
7.如權利要求1所述的液體狀態檢測傳感器，其中所述液體狀態檢測傳感器進一步包括異常判斷單元，使用由所述差值計算單元確定的差值來判定所述液體容器中是否發生異常；以及當所述異常判定單元判定并未發生異常時，所述濃度獲取單元確定液體中特定成分的濃度。
8.如權利要求1所述的液體狀態檢測傳感器，其中所述通電單元產生恒定電路來流經所述加熱電阻；并且所述第一對應值獲取單元獲得電壓值作為所述第一對應值，且所述第二對應值獲取單元獲得電壓值作為所述第二對應值。
9.如權利要求1所述的液體狀態檢測傳感器，其中所述液體狀態檢測元件是陶瓷加熱器，該陶瓷加熱器包括埋置于陶瓷基底中的加熱電阻。
10.如權利要求1所述的液體狀態檢測傳感器，其中所述液體是尿素水溶液且所述特定成分是尿素。
11.如權利要求7所述的液體狀態檢測傳感器，其中僅當所述異常判定單元判定并未發生異常時，所述濃度獲取單元確定液體中特定成分的濃度。
全文摘要
一種液體狀態檢測傳感器，其中基于對加熱電阻開始通電后所獲得的、與加熱電阻的電阻值相對應的電壓值來獲得尿素水溶液的溫度信息(S1－S6)。如果所獲得的溫度低于或等于凝固點，通過中止通電而避免對所述加熱電阻的損壞(S7是和S8)。如果該溫度高于凝固點(S7否)，則在經過700ms后通過前面獲得的電壓值的差值ΔV確定與所述加熱電阻的電阻相對應的電壓值(S10和S11)以及尿素水溶液的尿素濃度。通過利用前面獲得的尿素水溶液的溫度信息作出校正，可以檢測更為準確的尿素濃度(S13－S18)。
文檔編號G01N27/00GK1892208SQ20061010147
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月10日 優先權日2005年7月8日
發明者笹沼威夫, 佐藤美邦, 田村俊介, 熊澤真治, 佐佐木壽 申請人:日本特殊陶業株式會社