專利名稱：用于探測過濾器中煙灰和粉塵濃度的方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及用于探測及測量在微粒捕捉器，如陶資柴油機微粒過濾器中的煙灰和粉塵負載的射頻("RF")傳感器、系統和方法。 技術背景為了符合必須嚴格遵守的廢氣排放規則，某些發動機制造商安裝了部 分地包括微粒捕捉器("過濾器")的廢氣后處理系統。這些過濾器收集煙 灰——碳微粒和濃縮有機材料的混合物，以及主要由少量發動機潤滑油燃 燒產生的所有無機孩i粒("粉塵")。持續監測過濾器中收集的煙灰的濃度 以在需要過濾器更新和清潔時向發動機控制者發出信號。為了減少發動機 的廢氣余壓并保護過濾器免受損壞，過濾器的更新是必需的。過濾器的更新策略涉及必須小心處理以避免對過濾器的熱損壞的某 種煙灰氧化處理。特別地，碳微粒包含最高的熱容量，并且，作為結果， 碳孩i粒在更新處理過程中在過濾器內釋方文最高能量。因此，在開始過濾器 更新處理之前必需精確估算過濾器內碳微粒的濃度。到目前為止， 一種估算聚集在過濾器內的煙灰的累積的主要方法是測 量從過濾器一邊到另 一邊的壓降。由于影響發動機廢氣流速的大量發動機 工作參數以及由此從過濾器一邊到另一邊的壓降，壓降和煙灰濃度的任何 相互關系可能不能精確確定孩i粒捕捉器的負載。煙灰對氣流產生的阻力也 是碳微粒與濃縮有機物濃度之比的函數，濃縮有機材料通常被稱作可溶有 機組分("SOF")，這4艮難(如果不是不能的話)由壓降測量確定。同樣地， 某些發動機制造商已經發現通過從過濾器一邊到另 一邊的壓降難于區分 積累在過濾器中的煙灰和粉塵。除此之外，本申請^:露了 一種使用基于射頻的測量方法直接測量過濾器內碳微粒濃度的系統。在過濾器更新之后，該方法還可以用于測量過濾 器內粉塵的增加。對于本領域技術人員來說，射頻信號穿過非磁介質的傳輸受其合成介 電常數的影響是公知的。實部被稱作介電常數，且虛部被稱作損耗因子。介電常數影響RF信號的空間速率，并且損耗因子實質上是將RF能量轉 換為熱量所的阻抗部分。介質的介電常數是其原子結構和密度的函數，并 且可以隨著溫度和RF頻率變化。材料介電常數的差異形成基于RF測量 方法的基石出。由如堇青石或氧化鋁等材料制成的陶瓷過濾器可大量透過RF能量。 也就是說，后述的這些陶資材料具有非常低的損耗因子。相反，碳微粒具 有相當高的損耗因子，從而是RF能量的良好吸收體。碳孩M立的積累有效 改變了陶瓷過濾器的介電常數。Frank Walton的美國專利No.5,497，099 ("，099")公開了可以通過探測陶瓷過濾器介質的有效介電常數的變化監 測沉積在柴油發動機過濾器介質上的煙灰水平。如，099中進一步公開的， 一種包括并行的發射和接收天線的天線系統 與圓柱金屬過濾器腔的中心軸平行地插入，并且在天線和過濾器軸的徑向 感應耦合。這些天線可以插入過濾器的反相端或者位于過濾器的同一端 內。可以容易地證明測量空間被金屬過濾器外殼的金屬壁在軸向方向限定 在天線重疊的區域以及徑向方向。每個天線可以由一個或多個金屬元件構 成。在某些應用中，天線可以增加一個以上的元件以提高天線系統的寬帶 頻率發射和接收特性。 一個調制的RF源發送信號至分流器。分流器將信 號施加在發射天線(20 )和探測器。該探測器產生代M射至發射天線(20 ) 之前的信號功率的參考輸出信號。進一步參照，099，提供第二探測器，該第二探測器電連接至接收天線， 并產生代表透射穿過過濾器介質的功率的輸出信號。第一和第二探測器輸 出信號施加到產生輸出信號的比較器，該輸出信號與發射和接收信號的信 號強度之差成正比。因此，反過來，穿過過濾器的傳輸損耗，代表由過濾 器內煙灰聚積導致的有效損耗因子的變化。也就是當過濾器中存在4艮少或沒有煙灰聚積時，信號強度僅有很小的傳輸損耗。隨著煙灰聚積的增加， 發射和接收之間的信號強度之差增加。比較器可以被設計為提供可變輸 出，該可變輸出為過濾器介質內煙灰聚積的函數，或者指示已達到某預定 煙灰水平，或者二者皆是。，099還公開了設置電源以在一定頻率范圍內發射RF能量，該頻率范 圍優選為高至倍頻的頻段，即2比1頻率范圍內。該信號在優選帶寬內求 平均。但是，，099沒有區分碳微粒和SOF的相對濃度。高水平的SOF影響 RF傳感器系統精確估算過濾器內碳微粒濃度的能力。，099中公開的系統 沒有提供足夠的RF測量參數以區分碳微粒和SOF的可變濃度。，099中公 開的系統也沒有提供估算過濾器介質內粉塵聚積的方法。本發明所公開的系統測量一定離散頻率范圍內的透射和反射RF功 率。結果，可以示出RF頻譜響應以唯一地表現煙灰的量和組分特征，該 組分即為碳孩W立與SOF之比。該附加RF頻鐠信息可以用于建立相關性。除了能夠確定過濾器內的煙灰聚積之外，這里公開的系統還提供了 一 種確定過濾器內粉塵聚積的方法。對粉塵的復介電常數的測量表明在煙灰 被從柴油機廢氣中過濾掉的溫度條件下損耗因子非常低。也就是說，其不 影響探測煙灰聚積的能力。但是，在發生煙灰氧化的溫度或更高溫度時， 隨著溫度的升高損耗因子增加。因此，在通過氧化去除煙灰之后并且過濾 器保持在更新溫度時，過濾器的有效介電常氣l映了熱增強的粉塵介電常 數。因此，能夠通過建立相關性來確定過濾器內粉塵聚積。與煙灰的確定 一樣，可以用一定頻率范圍內的反射和透射功率測量來建立后面所說的這 些相關性。發明概述讀者可以理解，上述概括性的描述和下面詳細的說明都是示例性的， 并且僅僅是說明性的，不是對本發明的限制。在一個實施例中，提供了 一種探測過濾器內負載的煙灰和/或粉塵的方法。在該實施例中，該方法包括下述步驟，發射穿過過濾器的源RF信號， 測量反射的RF信號，測量透射的RF信號，通過比較源RF信號和反射的 RF信號計算反射功率，通過比較透射的RF信號和源RF信號計算衰減功 率，以及根據反射功率和透射功率確定煙灰負載。在該特定實施例中，該方法的特征還在于，在一定頻率范圍內發射源 RF信號。例如，該頻率范圍可以從約200MHz至約400MHz。但是，讀 者應當理解，可以用任何頻率范圍。該實施例還包括確定碳微粒與濃縮有機材料之比的步驟，和/或還包括 確定碳微粒負載的步驟。此外，該實施例還可以包括確定粉塵負載的步驟。在另一個實施例中，提供了一種用于測量過濾器內煙灰負載的系統。 該系統包括設置為發射穿過過濾器的一定范圍射頻頻率的發射天線，設置 為接收穿過過濾器的一定范圍的射頻頻率的接收天線，設置為接收和發送 參考信號的第一探測器，設置為接收和發送反射的信號的第二探測器，設 置為接收和發送透射信號的第三探測器，設置為比較參考信號和反射的信 號的第 一比較器，和設置為比較參考信號和透射信號的第二比較器。在該實施例的系統中，該系統的特征在于發射天線基本上與接收天線 平行。此外，發射天線和/或接收天線可以埋入過濾器中。此外，發射天線 可以設置為發射200 - 400 MHz頻率范圍內的射頻。在一個特定實施例中， 發射天線和/或接收天線可以基本上平行于過濾器的軸。在該實施例的系統中，該系統可以包括一個外殼，該外殼可以設置為 為接收天線和發射天線屏蔽RF噪聲，或者也可以不屏蔽。該系統還包括 設置為根據第一和第二比較器的輸出計算過濾器內的碳微粒負載的信號 處理器，此外，可以設置系統控制器以根據第一比較器和第二比較器的輸 出計算碳微粒與濃縮有機材料之比，并且，同樣地，計算粉塵聚積。在又一個實施例中，提供了一種控制整個過濾器更新的方法。該方法 包括以下步驟，發射穿過過濾器的射頻頻率，測量反射的信號，測量衰減 的信號，以及才艮據反射的和透射的功率信號產生過濾器更新的信號。在該特定實施例中，所述射頻可以在一個頻率范圍內變化。此外，該頻率可以在約200-400MHz內變化。該方法還包括確定碳孩t粒與濃縮的 有機材料之比的步驟。此外，或者作為另一種選擇，該方法還包括確定碳 微粒負栽和/或粉塵負載的步驟。附圖的簡要說明結合在本說明書中并構成本說明書的一部分的附圖示出本發明的一 些實施例，并且，與說明書一起用于解釋本發明的原理。在附圖中
圖1為用于測量微粒捕捉量的系統的一個實施例的方塊圖；圖2為示出對于負載有煙灰的過濾器和沒有煙灰的過濾器的一定頻率 范圍內的反射信號強度和透射信號強度的圖表；圖3為示出對于有碳孩M立的負載有煙灰的過濾器和沒有煙灰的過濾器 的一定頻率范圍內的反射信號強度和透射信號強度的圖表。詳細說明圖1公開了設置為測量發動機廢氣系統的過濾器16內的煙灰和/或粉 塵負載的系統l。系統l包括具有入口部分12和出口部分14的過濾器外 殼10，入口部分和出口部分能夠以本領域公知的方式連接至發動機廢氣 管。外殼10包^i殳置為容納具有適當結構的過濾元件16的腔室15。發射 天線20發射RF信號，且接收天線22接收RF信號。在該實施例中，天 線20和22都i殳置在外殼10內，并且天線20和天線22都埋入過濾器元件 16中。盡管圖1示出天線20和天線22埋入過濾器元件16中，讀者應當 理解天線20和22中的一個或者兩個可以位于過濾器元件16之外，并且， 在某些情況下，位于外殼10之外。此外，術語天線通常用于描述那些射頻發射和/或接收器件。此外，本 領域技術人員應當理解，任何天線，包括可插入式諧振器，可用作天線20 和22。外殼10可以由侵發射天線20和接收天線22與干擾系統1工作的RF噪聲隔絕的材料構成。在至少一個實施例中，發射天線20和接收天線22與圓柱金屬過濾器 外殼10的中心軸平行地插入，并且在天線20和22及過濾器16的軸的徑 向方向感應耦合。這些天線20和22可以插入過濾器16的任一端或者都位 于過濾器16的同一端。可以容易地證明，測量空間^L過濾器16的外殼10 的金屬壁在軸向方向限定在天線20和22的重疊的區域以及限定在徑向方 向。此外，每個天線20和22可以由一個或多個金屬元件構成。在某些實 際應用中，希望為天線20和22增加一個以上的元件以提高系統1的寬帶 頻率發射和接收特性。系統l的形狀被設計為嚴格與過濾器16的形狀耦合。 也，尤是i兌，調整天線的形狀以優化在系統1的特定過濾器16形狀內所選頻 率范圍的發射和接收。寬頻帶源26產生源信號52，并將該源信號施加到分流器28。分流器 28將源信號52施加到循環器35和第一探測器30。第一探測器30產生代 表發射之前的源信號52功率的參考輸出信號48。如上所述，寬頻帶源26將源信號52提供至分流器28，該分流器將源 信號52的參考樣品信號48發送至第一探測器30。剩余的源信號52通過 循環器35至發射天線20,在該示例性實施例中，該發射天線20插入陶瓷 過濾器16中。依賴于天線的設計、源信號52的頻率和過濾器及煙灰的綜 合電介特性，信號52的一些RF功率^L^射回循環器35。在該實施例中， 循環器35是一個定向耦合器，并且，被反射的功率信號46被引導至第二 探測器36。然后，引導至探測器36的^L^射的功率信號裙度送至第一比 較器34。第一比較器34比較被反射的功率信號和從探測器30發送至比較 器34的參考源功率信號48。被>^射的功率信號46和參考源信號48之比 提供了對過濾器16和聚積在過濾器中的煙灰的綜合電介特性(即，有效電 介常數)所反射的功率的一個相對量度。類似地，通過天線20發射并穿過過濾器16和聚積在那里的煙灰的來 自源信號52的RF功率由接收天線22和信號探測器32測量。該信號44^L發送至第二比較器37，該比較器比較透射的RF功率信號44和來自第 一探測器30的參考功率信號48。如此測量的相對透射功率信號是透射功 率的頻率、天線20和22的設計、過濾器16及聚積在那里的煙灰的電介特 性的特有函數。在任何頻率下，這后一種信號的強度等于源RF信號52的 相對強度減去被反射的RF功率信號46 (有效介電常數的函數)和被吸收 的RF功率量(有效介電損耗因子的函數)的量之和。因此，第一比較器37的輸出信號40表示穿過過濾器介質16的傳輸損 耗，反過來，該傳輸損耗表示由于在過濾器16內聚積煙灰引起的有效介電 常數和損耗因子的變化。因此，可以看到，當過濾器16內有很少或沒有聚 積物時，在源信號52強度中僅有很小的傳輸損失。隨著過濾器16內煙灰 聚積的增加，源信號52和透射信號44之間的信號強度差異發生變化，這 一差異導致了第二比較器37的輸出信號40。第二比較器37可以設計為驅 動變化的輸出顯示或當已達到某預定水平時給出指示，或者二者皆是。功率源被設置為在一定頻率范圍內發射RF能量。可以看出，某些材 料的復介電常數是頻率的函數；因此，后一種信息可以相互關聯地用于區 分過濾器內聚積的各種材料的相對量。其他優點包括能夠在整個頻率范圍 內求平均以減小源信號內任何頻移的影響。在至少一個實施例中，合適的 頻帶為200-400MHz。工業實用性諸如內燃柴油發動機的發動機中的煙灰通常由碳顆粒和濃縮有機材 料的混合物組成。該濃縮有機材料可能來自例如，未燃燒的燃料和/或潤滑 油。在所述混合物中，碳具有比較高的介電損耗因子。由于碳的比較高的 介電損耗因子，碳微粒物質通常是RF能量的非常好的吸收體。另一方面， 濃縮有機材料通常不是RF能量的良好吸收體。與濃縮有機材料類似，通常用作發動機廢氣系統的微粒過濾器的陶瓷 過濾器也不是RF能量的良好吸收體。圖2和圖3描繪了在一定頻率范圍內圖1的祐反射信號46和透射信號 44。在至少一個實施例中，該頻率范圍為約200-400MHz。如果過濾器16沒有碳顆粒和濃縮有機材料，產生透射信號60和反射 信號62。描繪出這些信號60和62用于展示當過濾器16負載煙灰或其他 材料時產生的相對衰減和相移。根據存在的煙灰的量和碳顆粒及濃縮有機材料的相對量，相對透射信 號44和反射信號46中產生獨有的頻率移動。如圖2中描述的，如果聚積 在過濾器16內的材料具有低損耗因子，那么，具有負載的過濾器16的有 效介電常數的增加將導致頻率中的相移。如圖2所示，在負載煙灰的過濾 器16中產生透射信號63和反射信號65。可以看出，信號63和65分別相 對于信號60和62都移至一個較低的頻率范圍。除了經歷一個相移外，透射信號60還經歷衰減，由此導致較弱的信號 強度。如圖3所描繪的，如果具有較高的RF吸收能力的材料聚積在過濾 器中，例如，碳顆粒，那么，透射信號44仍舊被衰減。產生了相移并衰減 的透射信號64和產生了相移的反射信號66可以與在過濾器16中沒有煙灰 時測量的未衰減并未相移的信號60和未相移的反射信號62比較。因此，隨著具有碳顆粒的煙灰的聚集，產生了相移和信號衰減的結合。 在RF反射和透射相對功率譜中的這些變化可以與標度數據相關聯地用來 確定過濾器16內煙灰量和碳孩i粒與濃縮有機材料之比。得知了存在的煙灰 量和碳孩i粒與濃縮有機材料之比，然后可以用于建立過濾器16更新控制策 略。作為溫度和頻率的函數的粉塵的復介電常數的測量已經表明，通常在 煙灰和粉塵都從發動機廢氣中被過濾的條件下，由于存在煙灰，煙灰具有 相對于粉塵的高介電常數，聚積的粉塵量在很大程度上不能被RF測量探 測。但是，在過濾器更新循環的后期，當煙灰已經被氧化并且清潔的過濾 器保持高溫時，較高的溫度增加了粉塵損耗因子，從而，探測存在的粉塵 量的能力大大改善。因此，相移和信號衰減相結合可用于區分高溫、清潔 陶瓷過濾器與包含有聚積的粉塵的高溫陶瓷過濾器。由此，可以與標度數 據相結合來確定相關性，以評估存在于過濾器內的粉塵量。
權利要求
1.一種用于測量過濾器(16)內煙灰和/或粉塵負載的系統(1)，該系統包括設置為發射穿過該過濾器(16)的一定范圍的射頻頻率的發射天線(20)；設置為接收穿過該過濾器(16)的一定范圍的射頻頻率的接收天線(22)；設置為接收和發送參考信號(48)的第一探測器(30)；設置為接收和發送反射的信號(46)的第二探測器(36)；設置為接收和發送透射信號(44)的第三探測器(32)；設置為比較所述參考信號(48)和所述反射的信號(46)的第一比較器(34)；和設置為比較所述參考信號(48)和所述透射信號(44)的第二比較器(37)。
2. 根據權利要求l的系統(1)，其特征在于，所n射天線(20) 基本上與所述接收天線(22)平行。
3. 根據權利要求l的系統(1)，其特征在于，所M射天線(20) 埋入所述過濾器(16)中。
4. 根據權利要求l的系統(1)，其特征在于，所述接收天線(22) 埋入所述過濾器(16)中。
5. 根據權利要求l的系統(1)，其特征在于，所述發射天線(20) 被設置為發射從約200MHz至約400MHz范圍內的射頻。
6. 根據權利要求l的系統(1)，其特征在于，所述發射天線(20) 基本上平行于所述過濾器(16)的軸。
7. 根據權利要求l的系統(1)，其特征在于，所述接收天線(22) 基本上平行于所述過濾器(16)的軸。
8. 根據權利要求l的系統(1)，包括一個外殼，該外殼設置為為所述接收天線(22 )和所述發射天線(20 )屏蔽RF噪聲。
9. 根據權利要求1的系統(1)，還包括控制器，該控制器設置為根 據第一比較器(34)和第二比較器(37)的輸出計算所述過濾器(16)內 的碳微粒負載。
10. 根據權利要求l的系統(l),還包括控制器，該控制器設置為根 據第一比較器(34)和第二比較器(37)的輸出計算碳微粒與濃縮有機材 料之比。
11. 根據權利要求l的系統(1),還包括控制器，該控制器設置為根 據第一比較器(34)和第二比較器(37)的輸出計算所述過濾器(16)內 的粉塵負載。
12. —種控制過濾器(16)內的更新的方法，包括 發射穿過過濾器(16)的射頻； 測量反射的信號(46 );測量透射穿過所述過濾器(16)的信號；以及根據反射的信號(46)和透射的信號(44)產生過濾器(16)更新的信號。
13. 根據權利要求12的方法，其特征在于，所述射頻是在約200MHz 至約400MHz的范圍內變化的頻率。
14. 根據權利要求12的方法，還包括確定碳微粒與濃縮的有機材料 之比的步驟。
15. 根據權利要求12的方法，還包括確定碳微粒負載的步驟。
16. 根據權利要求12的方法，還包括確定所述過濾器(16)內粉塵 的積累的步驟。
全文摘要
提供一種探測過濾器中煙灰和粉塵聚集的方法及系統(1)。該方法包括下述步驟，穿過過濾器(16)傳輸有源RF信號(52)，測量反射的RF信號(46)，測量透射的RF信號(44)，通過比較有源RF信號(52)和反射的RF信號(46)計算反射功率，通過比較透射的RF信號(44)和有源RF信號(52)計算衰減功率，以及根據反射功率和透射功率確定煙灰負載。該系統(1)和方法還可以用于確定粉塵負載。
文檔編號G01N22/00GK101228436SQ200680027129
公開日2008年7月23日 申請日期2006年5月10日 優先權日2005年7月26日
發明者F·B·瓦爾頓 申請人:卡特彼勒公司