一种尿素喷射品质传感器的制作方法

本发明属于尿素溶液检测，尤其涉及一种尿素喷射品质传感器。

背景技术：

1、尿素液位传感器是选择性催化还原（scr，selective catalytic reduction）系统中的一个关键组件，主要用于监测和控制尿素水溶液（通常称为柴油车用尿素或def，diesel exhaust fluid）的存量。这种传感器确保了scr系统能够持续有效地运行，从而减少柴油发动机排放的氮氧化物（nox）。

2、尿素液位传感器通常安装在尿素储罐中，能够实时监控液位高度，从而帮助车辆管理系统判断何时需要补充尿素溶液。传感器的工作原理基于干簧管、电容、超声波或光学等技术，可以精确测量储罐内的液位高度。当尿素液位低于设定阈值时，传感器会向车辆的控制系统发送信号，提示驾驶员或维护人员进行补充，以确保scr系统的正常运作。此外，尿素液位传感器还能帮助检测系统中可能存在的问题，如尿素结晶或传感器本身的故障，确保系统的高效运行和排放控制的符合性。这对于遵守严格的环保法规和减少环境污染具有重要意义。

3、基于干簧管的尿素液位传感器应用得最为广泛。干簧管是一种磁致开关管，在使用干簧管的尿素液位传感器中，有浮子随液位上下移动。浮子中含有磁子，当磁子距离干簧管距离小于作用距离时，干簧管闭合。通过检测干簧管闭合时导致的电阻变化以及干簧管的位置可以检测尿素液位。

4、然而干簧管是一种开关管，只能提供离散液位数据，为了增加液位感测精度，需要增加干簧管数量，而过多的干簧管不但造成布置困难，也增加了失效风险。霍尔磁敏器件也可以与磁子一起使用测量尿素液位，而且霍尔磁敏器件可以不是开关器件，而通过其产生的信号来测量磁子与器件的距离。然而霍尔磁敏器件产生的信号本身受到其他因素的影响也会产生变化导致测量失准，这限制了霍尔磁敏器件在尿素液位传感器中的应用。

5、在scr系统中，尿素会经过热解和水解分解成氨，而后与氮氧化物在催化剂中发生反应。尿素的热解和水解总的反应是吸热的，也就是说尿素的分解需要吸收尾气的能量。当尾气传递给尿素溶液的能量不足以分解尿素时，未分解的尿素会在scr系统中形成结晶。影响尾气能量传输的因素包括对尿素溶液的不当处理和环境条件变化。当尿素喷射系统无法有效雾化溶液时（比如尿素喷射角度或雾化程度与混合器不匹配，导致尿素溶液不能均匀分布，或由于喷嘴堵塞或喷射压力不稳定等原因导致尿素溶液不能充分雾化），尿素溶液液滴大小和分布会发生变化，导致传热效果发生改变；当scr分解管内的温度分布不均匀，某些区域温度过低，或者当环境温度过低时，会导致热量不足以支持尿素的热解和水解；另外，或当溶液浓度或纯度有问题（比如浓度过高或含有杂质过高）时，也会导致尿素热解和水解所需的能量发生变化。所有这些因素都可能形成尿素结晶，而尿素的结晶通常在喷嘴、排气管路或催化剂表面形成，其形态多为硬质的晶体沉积。尿素结晶的存在会阻碍溶液的正常喷射，影响催化剂的接触面积和活性，从而降低scr系统的效率，增加系统的维护需求，并可能导致无法满足严格的环保排放标准。

6、通过感知造成尿素结晶的条件，在scr控制中，也可以通过结晶模型计算结晶量，并根据结晶量控制尿素喷射量或触发dpf（diesel particulate filter，颗粒捕捉器）再生（升温尾气）来降低或消除尿素结晶。然而结晶模型的准确度依赖于尿素喷射的控制精度，同时尿素结晶模型需对尿素喷射率进行积累以计算结晶数量，尿素喷射的精度影响还存在积累效应。另外，根据scr系统的状态和尿素喷射历史，也可以估测scr载体中的氨存储量，但同样，这个估测也非常依赖于尿素喷射的控制精度。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种尿素喷射品质传感器。

2、为了解决上述技术问题，第一方面，公开了一种尿素喷射品质传感器，包括浮子、内柱、霍尔磁敏器件、品质感测模块和信号处理单元，所述浮子中安装有磁子，并能够沿所述内柱上下移动；所述内柱中设置有霍尔磁敏器件与所述信号处理单元连接；所述霍尔磁敏器件能够与所述磁子相互作用，产生液位感测信号，所述液位感测信号被所述信号处理单元接收并处理；当所述浮子上下移动时，所述液位感测信号发生变化，形成脉冲序列，所述脉冲序列中至少存在一个脉冲，其幅度模拟地与所述磁子位置相关；信号处理单元根据所述脉冲序列和所述霍尔磁敏器件的位置能够获得由所述霍尔磁敏器件精度决定的连续尿素液位；所述品质感测模块与所述信号处理单元连接，所述品质感测模块产生尿素品质感测信号；所述尿素喷射品质传感器根据所述尿素品质感测信号检测尿素品质，并根据所述尿素品质感测信号和所述连续尿素液位检测尿素喷嘴故障。

3、进一步地，所述浮子被限制不围绕所述内柱旋转，所述信号处理单元包括标志电阻，所述脉冲序列中有至少一个是标志脉冲信号，其脉冲电压与所述标志电阻的阻值有关。

4、进一步地，所述内柱中设置有至少两个紧挨布置的所述霍尔磁敏器件。

5、进一步地，根据所述脉冲序列和所述霍尔磁敏器件的位置能够获得由所述霍尔磁敏器件精度决定的连续尿素液位包括：

6、步骤1-1，通过检查脉冲电压寻找所述标志电阻产生的所述标志脉冲信号，标记其为初始脉冲；

7、步骤1-2，通过检查所述初始脉冲以后的脉冲电压寻找所述霍尔磁敏器件产生的脉冲，并测量其脉冲电压；

8、步骤1-3，根据测量得到的相邻另个紧挨布置的霍尔磁敏器件产生的脉冲电压计算尿素液位高度。

9、在一种实现方式中，步骤1-3包括：当磁子从下向上移动时，两个霍尔磁敏器件产生电压信号，记位于下部的霍尔磁敏器件产生的电压为v301，位于上部的霍尔磁敏器件产生的电压为v302，v303是v301与v302的差：

10、v303 = v301 - v302    （f2）

11、通过测量得到的电压v301、v302和v303，计算尿素液位高度h：

12、当v303>0&v302=vo&v301>vo时，dh=tbl1(v301), h=h0-dh;

13、当v303>0&v302>vo&v301>vo时，dh=tbl2(v302), h=h1-dh;

14、当v303<0&v302>v2时，dh=tbl3(v301), h=h0+dh;

15、当v303<0&v302<v2时，dh=tbl4(v302), h=h1+dh;

16、当v303>0&v301<vo&v302<vo时，dh=tbl5(v301), h=h2+dh;

17、当v303>0&v301=vo&v302<vo时，dh=tbl6(v302), h=h3+dh  (f3)

18、其中v2是标定阈值，vo是磁子离霍尔磁敏器件远时该霍尔磁敏器件产生的电压，v2和vo通过实验标定；tbl1()、tbl2()、bl3()、tbl4()、tbl5()和tbl6()为查表计算，表值通过实验标定；dh是相对高度，h0和h1分别是浮子中的磁子北磁极距离下部霍尔磁敏器件和上部霍尔磁敏器件最近时的液位高度，而h2和h3分别是磁子的南磁极距离下部霍尔磁敏器件和上部霍尔磁敏器件最近时的液位高度。

19、进一步地，所述内柱中设置有至少三个等距布置的所述霍尔磁敏器件。

20、进一步地，根据所述脉冲序列和所述霍尔磁敏器件的位置能够获得由所述霍尔磁敏器件精度决定的连续尿素液位包括：

21、步骤1-1，通过检查脉冲电压寻找所述标志电阻产生的所述标志脉冲信号，标记其为初始脉冲；

22、步骤1-2，通过检查所述初始脉冲以后的脉冲电压寻找所述霍尔磁敏器件产生的脉冲，并测量其脉冲电压；

23、步骤1-3，根据测量得到的相邻两个等距布置的霍尔磁敏器件产生的脉冲电压计算尿素液位高度。

24、在一种实现方式中，步骤1-3包括：对于多个霍尔磁敏器件中的第n个器件，n ≥2，计算尿素液位高度h：

25、当v(n-1)<vo&v(n)>vo时，dh=tbl7(v(n)), h=h(k)-dh;

26、当(v(n)>vo or v(n)<vo)&v(n+1)=vo时，dh=tbl8(v(n)), h=h(k)+dh   (f5)

27、其中，v(n-1)、v(n)、v(n+1)分别是第n-1个、第n个和第n+1个霍尔磁敏器件所产生的电压信号，vo是磁子离霍尔磁敏器件远时该霍尔磁敏器件产生的电压；tbl7()和tbl8()是查表计算，其表值通过实验标定；dh是相对高度，h(k)是磁子的北极距离第n个霍尔磁敏器件距离最近时的液位。

28、进一步地，所述检测尿素喷嘴故障包括：

29、步骤2-1-1，通过浮子液位变化计算得到测量尿素体积变化duv：

30、duv = tbl_lv(l0)-tbl_lv(l0-dl)（f6）

31、其中l0是计算起始液位，dl是液位的降低量，l0和dl均通过步骤1-3计算获得，tbl_lv()是查表计算，用于计算液位所对应的尿素体积，查表计算中的表值在实验中针对所用的尿素箱进行标定；

32、步骤2-1-2，通过尿素喷射量计算得到预期尿素体积变化tu：

33、tu = sigma(dc*t)（f7）

34、其中dc是尿素喷射率命令，t是计算周期，sigma()是累加计算；

35、步骤2-1-3，通过比较所述测量尿素体积变化duv与所述预期尿素体积变化tu，并根据所述尿素品质感测信号检测尿素喷嘴故障：

36、计算tu与duv的差值绝对值disjv：

37、disjv = abs(tu-duv)（f8）

38、其中abs()是取绝对值计算，如果disjv大于第一判错阈值thd_erup，则检测尿素喷嘴存在故障；如果disjv不大于第一判错阈值thd_erup，则判断disjv是否小于第二判错阈值thd_erlow，如果disjv小于第二判错阈值thd_erlow，则检测尿素喷嘴无故障；第一计算阈值thd_jmin、第一判错阈值thd_erup、第二判错阈值thd_erlow都是可标定量，通过实验进行标定。

39、进一步地，所述尿素喷射品质传感器进一步检测尿素泵体故障包括：

40、步骤2-2-1，清空尿素泵；

41、步骤2-2-2，记录浮子液位1；

42、步骤2-2-3，充满尿素泵；

43、步骤2-2-4，记录浮子液位2；

44、步骤2-2-5，通过所述浮子液位1与浮子液位2的差值，并根据所述尿素品质感测信号诊断尿素泵体故障。

45、在一种实现方式中，步骤2-2-5包括：

46、将差值与第三判错阈值thd_ldlow进行比较，如果该差值小于第三判错阈值thd_ldlow，则检测尿素泵体存在故障；如果该差值不小于第三判错阈值thd_ldlow，则将该差值与第四判错阈值thd_ldup进行比较，如果该差值大于第四判错阈值thd_ldup，则检测尿素泵体无故障；第三判错阈值thd_ldlow和第四判错阈值thd_ldup都是可标定量，通过实验标定。

47、进一步地，所述尿素喷射品质传感器进一步计算尿素结晶包括：

48、步骤3-1-1，基于尿素喷射率、尾气温度以及尾气质量流量计算第一结晶量dv2a：

49、dv2a = sigma(tbl_crystal(mf*tin, dc)*t)（f11）

50、其中，mf是尾气的质量流量，tin是在尿素喷嘴上游测得的尾气温度，tbl_crystal()是查表计算，其表值通过实验来标定；

51、步骤3-1-2，通过尿素体积变化duv、尾气温度以及尾气质量流量计算第二结晶量dv2b：

52、dv2b = tbl_crystal(sigma(mf*tin, t), duv)（f12）

53、其中，duv是尿素体积变化，通过公式（f6）计算获得；

54、步骤3-1-3，根据所述第一结晶量dv2a和第二结晶量dv2b计算尿素结晶量dv2：

55、计算dv2a与dv2b的差值abs(dv2a-dv2b)，其中abs()是绝对值计算，如果该差值大于第一判断阈值thd_cmax，则dv2 = dv2a，否则dv2 = dv2b，第一判断阈值thd_cmax是可标定量，在实验中标定获得。

56、进一步地，所述尿素喷射品质传感器进一步计算氨存储量包括：

57、步骤3-2-1，根据尾气质量流量mf以及后处理系统出口和入口氮氧浓度差值deltanox计算尿素消耗值dv1：

58、dv1 = sigma(mf*deltanox*c1*t)（f9）

59、deltanox = nox_out - nox_in（f10）

60、其中nox_out是后处理系统出口的氮氧浓度，nox_in是后处理系统入口的氮氧浓度，c1是常数；

61、步骤3-2-2，根据尿素体积变化duv、所述尿素消耗值dv1和所述尿素结晶量dv2计算氨存储量dv3：

62、dv3 = dv - dv1 - dv2（f16）。

63、第二方面，公开了一种尿素喷射品质传感器，包括浮子、内柱、霍尔磁敏器件、品质感测模块和信号处理单元，所述浮子中安装有磁子，并能够沿所述内柱上下移动；所述内柱中设置有霍尔磁敏器件与所述信号处理单元连接；所述霍尔磁敏器件能够与所述磁子相互作用，产生液位感测信号，所述液位感测信号被所述信号处理单元接收并处理；当所述浮子上下移动时，所述液位感测信号发生变化，形成脉冲序列，所述脉冲序列中至少存在一个脉冲，其幅度模拟地与所述磁子位置相关；信号处理单元根据所述脉冲序列和所述霍尔磁敏器件的位置能够获得由所述霍尔磁敏器件精度决定的连续尿素液位；所述品质感测模块与所述信号处理单元连接，所述品质感测模块产生尿素品质感测信号；所述尿素喷射品质传感器根据所述尿素品质感测信号检测尿素品质，并根据所述尿素品质感测信号和所述连续尿素液位计算尿素结晶。

64、有益效果：本发明提出了一种具有高精度液位检测能力的多功能尿素喷射品质传感器，该传感器在检测尿素品质和尿素液位的同时，利用所感测得到的尿素品质和高精度的尿素液位信息以及发动机尾气流量、尾气温度、尿素喷射率和从nox传感器获得的感测值等信息对尿素喷嘴和尿素泵体的故障进行诊断，计算scr系统中的尿素结晶量和氨存储量。在提供多功能的同时，基于高精度液位信息的尿素结晶和氨存储量计算方法也使得对其估算更为可靠。