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CN105298607B - 一种汽车scr系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测方法 - Google Patents

一种汽车scr系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测方法。所述的监测仪基于磁耦合谐振原理，包括高频信号发生模块、监测模式选择模块、数据采集与处理模块、线圈设计模块、电源模块和车用尿素箱。将测量线圈置于尿素箱底侧并错位放置，与尿素溶液不接触，并采用线圈的自谐振模式及错位阻抗匹配技术，提高线圈自谐振频率及S11参数对尿素溶液高度和浓度变化的敏感性，从而提高检测信号的信噪比。通过高频信号发生模块对线圈设计模块进行高频信号输入,通过数据采集与处理模块对线圈自谐振频率与S11参数信号采集及电压转换，提高系统开发效率。通过检测线圈自谐振频率实现对尿素液位高度的监测；通过检测线圈S11参数实现对尿素浓度的监测。

Description

一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测 方法
技术领域
本发明提供一种汽车在线监测系统，特别是涉及基于磁耦合谐振原理的一种汽车选择性催化还原（选择性催化还原简称SCR）系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测方法。
背景技术
为了满足汽车发动机排放法规的要求，选择性催化还原（SCR）成为了重型柴油机必备的后处理系统。该设备通过在发动机排气管内喷入为32.5%的尿素溶液，将发动机尾气中的NOX还原为N2，从而实现柴油机排放物NOX的减少。
在 OBD 法规中对加装SCR的发动机系统提出了两点要求：1、必须可以实现对尿素水溶液携带量不足的在线监测（高度监测）；2、必须可以实现对尿素水溶液被稀释或被用其他溶液取代的在线监测（成分监测）。
目前市面上可以看到的用于发动机SCR 系统溶液成分监测的传感器主要分为三类：分别利用光学、机械振动和电学的原理。其中WEMA 公司利用光谱特性采用了利用光谱特性辨识尿素溶液成分的传感器；SSI Technologies 公司利用机械振动产生的声波，通过波速和传播时间分别监测尿素溶液的成分和高度；而英飞凌公司则提出了一种将溶液中通入电流，利用监测溶液电导率判断尿素溶液成分的方法。这些方法的一个共性缺陷是，这类传感器必须安装在尿素箱内，且与尿素溶液接触。然而，尿素溶液具有很强的腐蚀、结晶特性，这将大大增加这类传感器的维护成本。
在专利“汽车SCR系统车用尿素溶液浓度在线监测系统及监测方法”一文中（申请号：201510187671.8），提出了一种基于磁耦合谐振原理的非接触式监测方法，该方法主要采用线圈自谐振模式，提高线圈两端电压对尿素溶液浓度变化的敏感性。此种方案，实现对尿素溶液测，但是，未实现OBD法规中要求对尿素溶液携带量不足的监测，即未实现对尿素溶液高度监测，而且所采用线圈自谐振模式提高对尿素浓度变化的敏感性这一方法，会大大增加线圈设计难度。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测方法。
本发明利用线圈自谐振及基于错位调整的阻抗匹配技术，大幅度提高监测系统对尿素溶液高度和浓度变化的敏感度。由于尿素溶液的电导率很低，其电磁感应信号的敏感度差，不利于进行高性能检测。因此，本发明利用阻抗匹配原理，通过主检测线圈与匹配线圈之间错位的调节，使匹配线圈反射到检测电路的阻抗值与电源内阻匹配，结合调节频率达到线圈自谐振，极大地增强了系统的电磁信号强度，从而提高了检测信号的信噪比。通过检测主检测线圈自谐振频率实现对尿素溶液高度的监测，通过检测匹配线圈S11参数实现对尿素浓度的监测。
本发明提供的一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪，其包括高频信号发生模块、监测模式选择模块、数据采集与处理模块、线圈设计模块、电源模块和车用尿素箱；
其中，高频信号发生模块通过SMA接口与监测模式选择模块相连，通过高频信号发生模块产生预设频率范围内等步长扫频信号，实现对主检测线圈及匹配线圈高频信号的发送；
监测模式选择模块实现对尿素溶液高度监测通道和尿素溶液浓度监测通道的选通，且与线圈设计模块相连；
线圈设计模块包括主检测线圈、匹配线圈，线圈设计模块紧贴于车用尿素箱的底部，并且，主检测线圈、匹配线圈平移错位放置；
数据采集与处理模块与线圈设计模块通过SMA接口相连，实现对线圈自谐振频率及S11参数的采集，并且将采集到的线圈自谐振频率及S11参数转化为对应的电压信号，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压信号；
电源模块与高频信号发生模块、数据采集与处理模块均连接并进行供电；
车用尿素箱装入尿素溶液。
本发明提供的一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪的监测方法，其步骤和条件如下：
一、在线尿素溶液高度监测：
（1）通过监测模式选择模块将监测系统选通到尿素溶液高度监测通道一侧，此时，接入电路中的线圈为主检测线圈；
（2）分别对在不同溶液高度的尿素溶液对应的线圈自谐振频率进行数据采样，记录采样结果并且建立数据库；
a.在车用尿素箱中加入尿素溶液，其质量浓度根据需要设定，采样溶液高度从20mm开始，每次加入采样溶液高度为1mm尿素水溶液, 至采样溶液高度为100mm，共为81个采样溶液高度；
b.分别对每一次采样溶液高度的尿素溶液进行多组不同信号频率下的线圈自谐振频率采样，即对每一采样溶液高度的尿素溶液，逐次改变高频信号发生模块输出信号的频率，从145MHz递增到170MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集匹配线圈的自谐振频率，并将采集的线圈自谐振频率转换成对应的电压值，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压信号，将线圈自谐振时的谐振频率与当前溶液高度作为一组数据，按此方法，以组为单位，得到第1组至第81组采样数据，建立采样数据库；
c.待测尿素溶液高度监测：将待测尿素溶液放入尿素箱中，使尿素箱中尿素浓度保持在与采样时的尿素浓度一致；逐次高频信号发生模块输出信号的频率，从145MHz递增到170MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集匹配线圈在不同频率下的线圈自谐振频率，利用查表方法，将得到的数据与步骤b建立的数据库中的数据比较，即可判断待测尿素溶液的溶液高度；
二、在线尿素浓度监测监测：
（1）通过监测模式选择模块将监测系统选通到尿素浓度监测通道一侧，此时，接入电路中的线圈为匹配线圈和主检测线圈；
（2）利用错位调整的阻抗匹配原理对主检测线圈与匹配线圈进行阻抗匹配，阻抗匹配结束后，保持匹配线圈和主检测线圈的水平距离不变，依次改变尿素溶液的浓度；
（3）分别对在不同尿素浓度溶液对应的S11参数进行数据采样，记录采样结果并且建立数据库；
a.在车用尿素箱中加入质量浓度为0%的尿素水溶液，每次增加加入采样质量浓度为0.5%的尿素水溶液, 至采样液采样质量浓度为32.5%的尿素水溶液，共为66组采样溶液高度；
b.分别对第1组至第66组的尿素水溶液的采样质量浓度，通过高频信号发生模块逐次改变匹配线圈输出信号的频率，从30MHz递增到90MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集不同频率下的S11参数，并将采集到的S11参数转换成对应的电压值，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压信号。将S11参数与当前溶液浓度作为一组数据，以组为单位进行记录，得到第1组至第66组采样数据，建立采样数据库；
c.待测尿素溶液浓度监测：将待测尿素溶液放入尿素箱中，使尿素箱中尿素高度保持在与一采样时的尿素高度一致。通过高频信号发生模块逐次改变匹配线圈输出信号的频率，从30MHz递增到90MHz，步长为100KHz，之后通过数据采集与处理模块采集不同频率下的S11参数,利用查表方法，将得到的数据与步骤b建立的数据库中的数据比较，即可判断待测尿素溶液的浓度。
有益效果：本发明提供一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪及监测方法。所述的线监测仪基于磁耦合谐振原理设计，并提出非接触式检测方法。将所述的线监测仪的测量线圈置于尿素箱底侧及错位放置，避免测量线圈与尿素溶液接触，并采用线圈的自谐振模式及错位阻抗匹配技术，提高线圈自谐振频率及S11参数对尿素溶液高度和浓度变化的敏感性。
利用阻抗匹配原理，通过主检测线圈与匹配线圈之间错位的调节，使匹配线圈反射到检测电路的阻抗值与电源内阻匹配，结合调节频率达到线圈自谐振，极大地增强了系统的电磁信号强度，从而提高了检测信号的信噪比。
通过高频信号发生模块对线圈设计模块进行高频信号输入,通过数据采集与处理模块对线圈自谐振频率与S11参数信号采集及电压转换，提高系统开发效率。
本发明采用主检测线圈及匹配线圈可同时实现尿素溶液高度和浓度的检测，通过监测模式选择模块实现对尿素溶液高度监测通道及浓度监测通道的选通，通过检测主检测线圈自谐振频率实现对尿素溶液高度的监测，通过检测匹配线圈S11参数实现对尿素浓度的监测。
附图说明
图1是本发明的一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪的结构框图。
图2是监测模式选择模块及线圈设计模块连接示意图。
具体实施方式
实施例1 如图1所示，本发明提供的一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪，包括高频信号发生模块、监测模式选择模块、数据采集与处理模块、线圈设计模块、电源模块和车用尿素箱；
其中，高频信号发生模块通过SMA接口与监测模式选择模块相连，通过高频信号发生模块产生预设频率范围内等步长扫频信号，实现对主检测线圈及匹配线圈高频信号的发送；
监测模式选择模块实现对尿素溶液高度监测通道和尿素溶液浓度监测通道的选通，且与线圈设计模块相连；
线圈设计模块包括主检测线圈、匹配线圈，线圈设计模块紧贴于车用尿素箱的底部，并且，主检测线圈、匹配线圈平移错位放置；
数据采集与处理模块与线圈设计模块通过SMA接口相连，实现对线圈自谐振频率及S11参数的采集，并且将采集到的线圈自谐振频率及S11参数转化为对应的电压信号，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压信号；
电源模块与高频信号发生模块、数据采集与处理模块均连接并进行供电；
车用尿素箱装入尿素溶液。
如图2所示，本发明提供的一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪的监测方法，其步骤和条件如下：
一、在线尿素溶液高度监测：
（1）通过监测模式选择模块将监测系统选通到尿素溶液高度监测通道1一侧，此时，接入电路中的线圈为主检测线圈2；
（2）分别对在不同溶液高度的尿素溶液对应的线圈自谐振频率进行数据采样，记录采样结果并且建立数据库；
a.在尿素箱3中加入尿素溶液4，其质量浓度根据需要设定，采样溶液高度从20mm开始，每次加入采样溶液高度为1mm尿素水溶液, 至采样溶液高度为100mm，共为81个采样溶液高度；
b.分别对每一次采样溶液高度的尿素溶液进行多组不同信号频率下的线圈自谐振频率采样，即对每一采样溶液高度的尿素溶液，逐次改变高频信号发生模块输出信号的频率，从145MHz递增到170MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集匹配线圈5的自谐振频率，并将采集的线圈自谐振频率转换成对应的电压值，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压信号，将线圈自谐振时的谐振频率与当前溶液高度作为一组数据，按此方法，以组为单位，得到第1组至第81组采样数据，建立采样数据库；
c.待测尿素溶液高度监测：将待测尿素溶液放入尿素箱3中，使尿素箱3中尿素浓度保持在与采样时的尿素浓度一致；逐次高频信号发生模块输出信号的频率，从145MHz递增到170MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集匹配线圈5在不同频率下的线圈自谐振频率，利用查表方法，将得到的数据与步骤b建立的数据库中的数据比较，即可判断待测尿素溶液的溶液高度；
二、在线尿素浓度监测监测：
（1）通过监测模式选择模块将监测系统选通到尿素浓度监测通道6一侧，此时，接入电路中的线圈为匹配线圈5和主检测线圈2；
（2）利用平移错位7调整的阻抗匹配原理对主检测线圈2与匹配线圈5进行阻抗匹配，阻抗匹配结束后，保持匹配线圈5和主检测线圈2的水平距离不变，依次改变尿素溶液的浓度；
（3）分别对在不同尿素浓度溶液对应的S11参数进行数据采样，记录采样结果并且建立数据库；
a.在车用尿素箱3中加入质量浓度为0%的尿素水溶液，每次增加加入采样质量浓度为0.5%的尿素水溶液, 至采样液采样质量浓度为32.5%的尿素水溶液，共为66组采样溶液高度；
b.分别对第1组至第66组的尿素水溶液的采样质量浓度，通过高频信号发生模块逐次改变匹配线圈5输出信号的频率，从30MHz递增到90MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集不同频率下的S11参数，并将采集到的S11参数转换成对应的电压值，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压信号。将S11参数与当前溶液浓度作为一组数据，以组为单位进行记录，得到第1组至第66组采样数据，建立采样数据库；
c.待测尿素溶液浓度监测：将待测尿素溶液放入尿素箱3中，使尿素箱3中尿素高度保持在与一采样时的尿素高度一致。通过高频信号发生模块逐次改变匹配线圈5输出信号的频率，从30MHz递增到90MHz，步长为100KHz，之后通过数据采集与处理模块采集不同频率下的S11参数,利用查表方法，将得到的数据与步骤b建立的数据库中的数据比较，即可判断待测尿素溶液的浓度。

Claims (2)

1.一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪，SCR是选择性催化还原的简称，其特征在于，其包括高频信号发生模块、监测模式选择模块、数据采集与处理模块、线圈设计模块、电源模块和车用尿素箱；
其中，高频信号发生模块通过SMA接口与监测模式选择模块相连，通过高频信号发生模块产生预设频率范围内等步长扫频信号，实现对主检测线圈及匹配线圈进行高频信号的发送；
监测模式选择模块实现对尿素溶液高度监测通道和尿素溶液浓度监测通道的选通，且与线圈设计模块相连；
线圈设计模块包括主检测线圈、匹配线圈，线圈设计模块紧贴于车用尿素箱的底部，且主检测线圈、匹配线圈平移错位放置；
数据采集与处理模块与线圈设计模块通过SMA接口相连，实现对线圈自谐振频率及S11参数的采集，并且将采集到的线圈自谐振频率及S11参数转化为对应的电压信号，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压值；
电源模块与高频信号发生模块、数据采集与处理模块均连接并进行供电；
车用尿素箱装入尿素溶液。
2.如权利要求1所述的一种汽车SCR系统尿素溶液浓度与高度在线监测仪，其特征在于，其监测方法的步骤和条件如下：
一、在线尿素溶液高度监测：
（1）通过监测模式选择模块将监测系统选通到尿素溶液高度监测通道一侧，此时，接入电路中的线圈为主检测线圈；
（2）分别对在不同溶液高度的尿素溶液对应的线圈自谐振频率进行数据采样，记录采样结果并且建立数据库；
a.在车用尿素箱中加入尿素溶液，其质量浓度根据需要设定，采样溶液高度从20mm开始，每次加入采样溶液高度为1mm尿素水溶液, 至采样溶液高度为100mm，共为81个采样溶液高度；
b.分别对每一次采样溶液高度的尿素溶液进行多组不同信号频率下的线圈自谐振频率采样，即对每一采样溶液高度的尿素溶液，逐次改变高频信号发生模块输出信号的频率，从145MHz递增到170MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集对应的线圈自谐振频率，并将采集的线圈自谐振频率转换成对应的电压值，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压值，将线圈自谐振时的谐振频率与当前溶液高度作为一组数据，按此方法，以组为单位，得到第1组至第81组采样数据，建立采样数据库；
c.待测尿素溶液高度监测：将待测尿素溶液放入尿素箱中，使尿素箱中尿素浓度保持在与采样时的尿素浓度一致；逐次高频信号发生模块输出信号的频率，从145MHz递增到170MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集匹配线圈在不同频率下的线圈自谐振频率，利用查表方法，将得到的数据与步骤b建立的数据库中的数据比较，即可判断待测尿素溶液的溶液高度；
二、在线尿素浓度监测监测：
（1）通过监测模式选择模块将监测系统选通到尿素浓度监测通道一侧，此时，接入电路中的线圈为匹配线圈和主检测线圈；
（2）利用错位调整的阻抗匹配原理对主检测线圈与匹配线圈进行阻抗匹配，阻抗匹配结束后，保持匹配线圈和主检测线圈的水平距离不变，依次改变尿素溶液的浓度；
（3）分别对在不同尿素浓度溶液对应的S11参数进行数据采样，记录采样结果并且建立数据库；
a.在车用尿素箱中加入质量浓度为0%的尿素水溶液，每次增加加入采样质量浓度为0.5%的尿素水溶液, 至采样液采样质量浓度为32.5%的尿素水溶液，共为66组采样溶液高度；
b.分别对第1组至第66组的尿素水溶液的采样质量浓度，通过高频信号发生模块逐次改变匹配线圈输出信号的频率，从30MHz递增到90MHz，步长为100KHz，通过数据采集与处理模块采集不同频率下的S11参数，并将采集到的S11参数转换成对应的电压值，再通过微控制器的A/D转换模块采集该电压值，将S11参数与当前溶液浓度作为一组数据，以组为单位进行记录，得到第1组至第66组采样数据，建立采样数据库；
c.待测尿素溶液浓度监测：将待测尿素溶液放入尿素箱中，使尿素箱中尿素高度保持在与一采样时的尿素高度一致，通过高频信号发生模块逐次改变匹配线圈输出信号的频率，从30MHz递增到90MHz，步长为100KHz，之后通过数据采集与处理模块采集不同频率下的S11参数,利用查表方法，将得到的数据与步骤b建立的数据库中的数据比较，即可判断待测尿素溶液的浓度。
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