本申请要求于2016年11月30日提交的美国临时专利申请No.62/260,928和于2016年4月5日提交的美国临时专利申请No.62/318,620的权益，上述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
实施例涉及感测流体的密度或浓度。
技术实现要素：
流体密度和浓度感测可应用于许多车辆应用中，包括例如感测在选择性催化还原柴油机排放控制系统中使用的柴油机废气流体(DEF)的特性。选择性催化还原(SCR)是一种通过催化反应将氮氧化物(NOx)排放物转化成双原子良性氮气(N2)和水(H2O)的方法。
DEF是纯化水和尿素的混合物。在典型的SCR系统中，DEF存储在车辆的箱体中并喷射到废气中。喷射的尿素将废气中的NOx分解成氮气、水和二氧化碳。当诸如柴油燃料和乙二醇等污染物与DEF混合时，DEF降低废气中NOx的能力会下降。受污染的DEF还可能导致SCR系统损坏。
尽管各种传感器和技术可用于感测或确定DEF的密度、浓度或液位，但是这些传感器和技术并不总是令人满意的。
一个实施例提供了一种用于检测流体特性的系统。在一个示例中，该系统包括管、浮子、传感器和控制器。管被配置为接纳流体。浮子位于管内。传感器被配置为感测浮子的位置。控制器被配置为从传感器接收浮子的位置，并且基于浮子的位置确定流体的特性。该特性是从密度和浓度中选择的至少一个。
另一个实施例提供了一种检测流体特性的方法。在一个示例中，该方法包括：经由传感器感测位于管内的浮子的位置，其中管被配置为接纳流体；以及经由控制器基于浮子的位置确定流体的特性。在一个示例中，特性是从密度和浓度中选择的至少一个。在一些实施例中，浮子传感器可以通过连接将所确定的信息或数据直接或间接传送到外部设备。所述连接可以是模拟或数字的，例如经由通信总线。所述连接可以通过支持脉冲宽度调制(PWM)协议、控制器局域网(CAN)协议、单边缘半字节传输(SENT)协议、本地互联网络(LIN)协议或其他通信协议的方式来实现。
另一个实施例提供了一种流体传感器，其包括保持架、浮子、永磁体和磁性开关。在一个示例中，保持架位于配置为保持流体的箱体内。保持架包括开口，以允许流体进入保持架中，并且减少或消除保持架内的层流和湍流。浮子位于保持架内并具有预定密度的浮子密度。永磁体机械耦合到浮子。永磁体被配置有减小外部磁场效应的影响。磁性开关被配置为确定保持架内的浮子的位置。磁性开关的状态指示流体的流体密度是否小于预定密度。
另一个实施例提供了一种包括磁性开关和感测集成电路的流体传感器。磁性开关被配置为确定浮子的位置。在一个示例中，浮子的位置与流体的密度有关。感测集成电路包括磁性角度传感器、温度传感器和数字输入部。磁性角度传感器被配置为测量磁场的角度。在一个示例中，磁场的角度与流体的流体液位有关。温度传感器被配置为测量流体的温度。数字输入部耦合到磁性开关。在一个示例中，感测集成电路被配置为传输与流体液位、流体温度和流体密度相关的输出信号。
通过参考具体实施方式和附图，其他方面将变得清楚。
附图说明
图1A是示出根据一个实施例的感测系统的透视图。
图1B是示出根据另一个实施例的感测系统的透视图。
图2是示出根据一些实施例的密度相对于温度的曲线图。
图3是示出根据一些实施例的密度相对于温度的曲线图。
图4A至图4C示出了根据一些实施例的感测系统的浮子。
图5A至图5C示出了根据实施例的感测系统。
图6是示出根据一些实施例的感测系统的控制系统的框图。
图7A至图7C示出了根据另一个实施例的感测系统。
图8A至图8D示出了根据又一个实施例的感测系统。
图9A至图9B示出了根据再一个实施例的感测系统。
图10A至图10B示出了根据还一个实施例的感测系统。
图11是示出根据一些实施例的流体密度传感器的横截面剖视图。
图12是示出根据一些实施例的图11的流体密度传感器的示意图。
图13是示出根据另一个实施例的图11的流体密度传感器的示意图。
具体实施方式
在详细解释任何实施例之前，应当了解的是，实施例的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的部件的构造和设置的细节。其他实施例是可能的，并且本文描述的方法和系统能够以各种方式实践或执行。
图1A示出了根据一些实施例的感测系统100。在所示的示例中，感测系统100包括导管105、帽110以及位于导管105内的浮子或浮块115。导管105被配置为接纳并容纳待感测的流体。流体可以是任何流体，例如汽车用流体，例如柴油机废气流体(DEF)、制动流体、机油、燃料、传动流体、清洗流体和制冷剂。
导管105包括顶部120、底部125和垂直轴线130。浮子115基于流体的一个或多个特性(例如密度)，在导管105内沿着垂直轴线130移动。在所示的实施例中，感测系统100还包括位于导管105的底部125附近的传感器135。
传感器135是能够操作成感测浮子115的位置的传感器。例如，在一个实施例中，传感器135可以是模拟传感器，其被配置为连续感测浮子115的位置并实时输出感测的位置。在其他实施例中，传感器135可以是数字传感器，其被配置为检测浮子115何时处于传感器135的预定距离内。在这样的实施例中，一旦浮子已经越过预定距离，传感器135就输出数据。在一些实施例中，传感器135是接近传感器。在一些实施例中，传感器135是磁性传感器(例如霍尔效应传感器)。在这样的实施例中，浮子115可以包括磁性材料或者由磁性材料形成。在其他实施例中，传感器135可以是例如电感传感器、电容传感器、光学传感器、或者是被配置为检测浮子115的存在的其他传感器。
在一些操作实施例中，浮子115基于待感测流体的密度，沿垂直轴线130移动。浮子115可以被设计成使得垂直移动对应于预定的阈值密度。例如，如果管105内的流体的密度大于预定的阈值密度，则浮子115将沿垂直轴线130背离传感器135移动，由此指示管105内的流体高于可接受的密度阈值。如果管105内的流体的密度小于预定的阈值密度，则浮子115将沿垂直轴线130朝向传感器135移动，由此指示管105内的流体低于可接受的密度阈值。如果管105内的流体的密度近似等于预定的阈值密度，则浮子115将在位于管105的顶部120与底部125之间且与顶部120和底部125距离近似相等的位置处，浮在流体内。在一些实施例中，浮在流体内的浮子115指示不可接受的密度。
在其他实施例中，浮子115的垂直移动可以对应于流体的液位。例如，如果管105内的流体的密度大于预定的阈值密度，则浮子115将沿垂直轴线130背离传感器135移动，由此指示管105内的流体高于可接受的液位并高于可接受的密度阈值。
图1B示出了根据一个实施例的感测系统150。感测系统150可以基本类似于感测系统100，并且包括基本类似的组件。例如，感测系统150可以包括导管105、帽110和浮子115。感测系统150还可以包括位于导管105的顶部120附近的传感器155。在其他实施例中，感测系统100、150可以包括位于导管的一侧附近的一个或多个传感器。
在感测系统150的一些操作的实施例中，浮子115基于待感测流体的密度，沿垂直轴线130移动。浮子115可以被设计成使得垂直移动对应于预定的阈值密度。例如，如果管105内的流体的密度大于预定的阈值密度，则浮子115将沿垂直轴线130朝向传感器155移动，由此指示管105内的流体高于可接受的密度。如果管105内的流体的密度小于预定的阈值密度，则浮子115将沿垂直轴线130背离传感器155移动，由此指示管105内的流体低于可接受的密度。
浮子115可以形成为在一定的温度范围内具有近似等于预定阈值密度的密度。浮子115可以由一种或多种材料形成。例如，在一些实施例中，浮子115由铁/磁和塑料(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)材料)的混合物形成。另外，浮子115可以由具有低吸水性的材料形成。
在一些操作实施例中，可以使用下面所述的等式。在这些等式中，Wfm是浮子115的重量，Bfmm是浮子115的浮力，Fmfm是浮子115上的机械约束力，Mfm是浮子115的质量，ρfm是浮子115的密度，Vfm是浮子115的体积，ρfluid是流体的密度。
如果那么
浮子115被配置为在流体内自由移动，而没有机械约束，因此Fmfm＝0。在一些实施例中，密度ρfm可以被选择为近似等于预定的密度阈值。在其他实施例中，例如在图1A所示的实施例中，浮子密度ρfm可以被选择为略大于预定密度阈值。在这样的实施例中，当流体密度ρfluid近似等于预定密度阈值时，浮子115将沿垂直轴线130朝向管105的底部125移动。在其他实施例中，例如在图1B所示的实施例中，浮子密度ρfm可以被选择为略小于预定的密度阈值。在这样的实施例中，当流体密度ρfluid近似等于预定的密度阈值时，除非ρfluid低于阈值，否则浮子115将沿垂直轴线130停留在管105的顶部120处。当ρfluid低于阈值的情况发生时，浮子115将移动到底部125。
流体密度ρfluid对应于流体的浓度。因此，流体浓度的变化也导致浮子115的移动。例如，如果流体的浓度增加并且高于阈值，则浮子115将朝向导管105的顶部120移动。相反，如果流体的浓度降低并降至阈值以下，则浮子115将朝向导管105的底部125移动。
浮子115可以形成为使得在一定温度范围内浮子密度ρfm基本等于流体密度ρfluid。这样的浮子115将具有密度温度系数，近似等于流体密度温度系数，如下面的等式3所示。
在上面的等式3中，αfm是浮子密度温度系数，αfluid是流体密度温度系数。
在一些实施例中，浮子115由单一材料形成。在这样的实施例中，浮子密度温度系数αfm和流体密度温度系数αfluid应当在预定温度范围内近似相等。这导致流体和浮子的热膨胀系数(CTE)在工作温度范围内保持基本相等。
图2是示出根据一些实施例的密度相对于温度的曲线图200。曲线图200包括第一线205、第二线210和第三线215。在所示的实施例中，第一线205对应于DEF，第二线210对应于根据一个实施例的由单一材料形成的浮子115，以及第三线215对应于水。如图所示，在预定温度范围内，浮子密度ρfm(由第二线210示出)略小于流体密度ρfluid(由第一线205示出)。浮子密度ρfm被选择为流体密度ρfluid的分数。如果浮子115的浮子密度温度系数αfm近似等于密度温度系数αfluid，则可得到宽温度范围内保持的密度比。这样的浮子115可以在宽温度范围内基本减少误报。在其他实施例中，浮子密度ρfm可以高于流体密度ρfm，以检测过密度状况。
在一些实施例中，浮子115由两种不同材料例如第一材料fm1和第二材料fm2形成。在这样的实施例中，可以根据下面提及的等式确定第一材料fm1和第二材料fm2的相应体积和密度。在一些实施例中，第一材料fm1可以是被配置为浮在流体中的材料，第二材料fm2可以是被配置为由传感器135、155感测的材料。
Mfm＝Mfm1+Mfm2 (等式4)
Vfm＝Vfm1+Vfm2 (等式5)
其中:ρfm1≤ρfluid＜ρfm2&Vfm2＜Vfm1 (等式9)
在以上等式中，Mfm是浮子115的总质量，Mfm1是第一材料fm1的质量，Mfm2是第二材料fm2的质量，Vfm是浮子的总体积，Vfm1是第一材料fm1的体积，Vfm2是第二材料fm2的体积，ρfm是浮子115的总密度，ρfm1是第一材料fm1的密度，ρfm2是第二材料fm2的密度。
图3是示出密度相对于温度的曲线图300。曲线图300包括第一线305、第二线310、第三线315和第四线320。在所示的实施例中，第一线305对应于DEF，第二线310对应于根据一个实施例的由第一材料fm1和第二材料fm2形成的浮子115，第三线315对应于预定的密度阈值，第四线320对应于水。
图4A至图4C示出了根据一些实施例的浮子400。浮子400可以包括浮子材料405、目标材料410和多个通道415。在所示的实施例中，浮子400具有流体动力学形状以促进沿导管105的稳定移动以及与传感器135的对准。多个通道415进一步促进浮子400的稳定移动和对准。
浮子材料405被配置为促进浮子400的浮动。在一些实施例中，浮子材料405由塑料材料例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)形成。浮子材料405可以具有约800kg/m3至约900kg/m3(例如约850kg/m3)的密度。
目标材料410被配置为通过传感器135、155感测。在一些实施例中，目标材料410由磁体例如陶瓷磁体形成。目标材料410可以具有约4800kg/m3至约4900kg/m3(例如，约4850kg/m3)的密度。在所示的实施例中，目标材料410被集成到浮子400的底部420中。
图5A至图5C示出了根据一些实施例的导管500。如图所示，导管500被配置为接纳浮子400。导管500和浮子400包括提供基本无摩擦或低摩擦接触的表面(例如管表面505)。在一些实施例中，表面是被配置为防止形成气泡的亲水表面。导管500还包括止动件510和多个开口515。止动件510限制浮子400的向上移动。多个开口515允许流体流入导管500以及从导管500流出。
图6是感测系统100的控制系统600的框图。控制系统600还可以结合其他实施例使用并且利用本文讨论的一个或多个方法或操作来执行。控制系统600包括控制器605、输入/输出模块610和传感器135、155。控制器605包括电子处理器或处理单元615和存储器620。存储器620存储可由处理单元615执行的指令。在一些情况下，控制器605包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等中的一个或多个。在一些实施例中，控制器605还包括输入/输出模块610。
输入/输出模块610在控制系统600与外部设备之间提供有线和/或无线通信。在一些实施例中，外部设备是机动车辆的计算机和/或控制系统。在这样的实施例中，输入/输出模块610可以包括数字端口，例如符合J1939或控制器局域网(CAN)标准的端口。输入/输出模块610提供用于与车辆的数据总线进行通信的机制。在其他实施例中，取决于特定应用的需要，输入/输出模块610可以使用合适的模拟或数字信号与外部设备通信。在一些实施例中，感测系统135,155可以经由模拟线路或经由数字线路——例如根据脉宽调制(PWM)协议、控制器区域网络(CAN)协议、单边缘半字节传输(SENT)协议、本地互联网络(LIN)协议或另一协议实现的通信总线——直接输出信息信号。
图7A至图7C示出了根据另一个实施例的感测系统700的横截面。在一些实施例中，感测系统700位于容纳流体的罐或容器内。感测系统700包括导管705、浮子710和传感器715。在所示的实施例中，导管705包括基座720以及从基座720延伸的第一臂725a和第二臂725b。另外，在所示的实施例中，浮子710包括顶部730和基部735。浮子710还可以包括位于基部735内的目标或目标材料740。在所示的实施例中，传感器715位于导管705的基部720内或接近导管705的基部720，并且被配置为感测浮子710的目标740。传感器715可以类似于上面讨论的传感器135。
在操作中，待感测的流体被接纳在感测区域745内。浮子710相对于流体的密度在感测区域745内移动。第一臂725a和第二臂725b在感测区域745内经由顶部730引导和/或容纳浮子710，同时传感器715感测浮子710的目标740的位置。
感测系统700被配置为在以各种角度移位的同时精确感测该感测区域745内的流体。例如，感测系统700可以在处于约0°至约15°的范围内的角度时，精确地感测流体。
图7A示出了感测系统700以第一角度感测具有比预定密度阈值高的密度的流体。如图所示，相对于水平参考线(或水平线)750所成的第一角度为约0°。因此，如图所示，浮子710沿箭头755所示的第一方向背离传感器715移动。图7B示出了感测系统700以第一角度感测具有比预定密度阈值低的密度的流体。因此，如图所示，浮子710沿箭头760所示的第二方向朝向传感器715移动。
图7C示出了感测系统700以第二角度感测具有比预定密度阈值小的密度的流体。如图所示，相对于水平参考线750所成的第二角度大于0°。在一些实施例中，第二角度可以在略高于0°至约15°的范围内。如图所示，感测系统700被配置为以各种操作角度测量流体的特性。
图8A至图8D示出了根据另一个实施例的感测系统800的横截面。在一些实施例中，感测系统800位于容纳流体的罐内。感测系统800包括导管805、浮子810和传感器815。传感器815可以类似于上面讨论的传感器135。在所示的实施例中，导管805包括顶壁820和具有成角度部分830的基部825，成角度部分830的轮廓允许浮子810在浮子810定位在基部825附近时相对于水平参考线835保持定向。另外，在所示的实施例中，浮子810包括具有成角度部分840的顶部837，成角度部分840的轮廓允许浮子810在浮子810定位在顶壁820附近时相对于水平参考线835保持定向。
图8A示出了感测系统800以第一角度感测具有比预定密度阈值低的密度的流体。如图所示，相对于水平参考线835所成的第一角度为约0°。图8B示出了感测系统800在第一角度处感测具有比预定密度阈值高的密度的流体。
图8C示出感测系统800处于第二角度，感测具有比预定密度阈值低的密度的流体。如图所示，相对于水平参考线835所成的第二角度大于0°。在一些实施例中，第二角度可以在略高于0°至约15°的范围内。图8D示出了感测系统800以第二角度感测具有比预定密度阈值高的密度的流体。如图所示，感测系统800被配置为以各种操作角度测量流体的特性。
图9A和图9B示出了根据另一个实施例的感测系统900的横截面。感测系统900包括引导件905、浮子910和传感器915。传感器915可以类似于上面讨论的传感器135。浮子910经由臂920可枢转地连接到引导件905。在所示的实施例中，臂920基本刚性并且在第一端部925处可枢转地附接到浮子910，并且在与第一端925相反的第二端930处，经由附接点927可枢转地附接到引导件905。在一些实施例中，浮子910包括磁体935，该磁体935被配置为通过传感器915感测。
图9A示出了感测具有比预定密度阈值低的密度的流体的感测系统900。图9B示出了感测具有比预定密度阈值高的密度的流体的感测系统900。
图10A和图10B示出了根据另一个实施例的感测系统1000的横截面。感测系统1000包括引导件1005、浮子1010和传感器1015。传感器1015可以类似于上面讨论的传感器135。浮子1010经由臂1020可枢转地连接到引导件1005。在所示的实施例中，臂1020是柔性的，在第一端1025处附接到浮子1010，并且在与第一端1025相反的第二端1030处，经由附接点1027附接到引导件1005。在一些实施例中，臂1020是弹簧。在一些实施例中，浮子1010包括磁体1035，该磁体1035被配置为通过传感器1015感测。
图10A示出了感测具有比预定密度阈值低的密度的流体的感测系统1000。图10B示出了感测具有比预定密度阈值高的密度的流体的感测系统1000。
图11示出了数字流体密度开关1115的横截面剖视图。在所示的示例中，数字流体密度开关1115包括具有开口1125的保持架1705，开口1125允许流体进入保持架1705中。数字流体密度开关1115还包括磁性传感器或磁性开关1710以及具有永磁体1720的浮子1715。磁性传感器1710监测或测量浮子1715在保持架1705内的位置。永磁体1720机械耦合到浮子1715。例如，在一些实施例中，永磁体1720可以位于浮子1715内或者可以附接到浮子1715的外表面。浮子1715具有比DEF标准密度(即DEF具有预定流体密度)低的密度。浮子1715的这种密度可以通过(袋内)空气、塑料(其密度比DEF低)以及如图8和图9中示意性所示的浮子1715的感测目标元件(其密度比DEF高，例如磁体)的材料组合来实现。由于浮子1715的密度接近具有足够尿素浓度的DEF的密度的低端，所以当DEF的密度太低时(即当尿素的浓度不足以进行有效的选择性催化还原过程时)，浮子1715下沉到保持架1705的底部。相反，当DEF的密度足够时(即，当尿素的浓度足以进行有效的选择性催化还原过程时)，浮子1715升高到保持架1705的底部的上方(如图11所示)。磁性开关1710用于确定保持架1705内的浮子1715的位置(特别是永磁体1720的位置)。例如，在一些实施例中，磁性开关1710是霍尔开关、簧片开关、或其他磁性开关，该磁性开关的状态取决于磁性开关1710的位置处的磁场。相应地，磁性开关1710的位置处的磁场基于浮子1715内的永磁体1720的位置而改变。应当理解的是，在一些实施例中，可以使用其他感测技术来识别浮子1715的位置。磁性传感器1710可以经由模拟线路或数字线路直接或间接地输出信息信号，例如，信号可以使用脉冲宽度调制(PWM)、控制器区域网络(CAN)、单边缘半字节传输(SENT)、本地互联网络(LIN)或其他通信协议。
图12是在浮子1715中具有第二永磁体1805的数字流体密度开关1115的示意图。如图12所示，在一些实施例中，数字流体密度开关1115包括用于减少或消除外部磁场(或外部产生的磁场)对浮子1715产生的影响。当浮子1715存在外部产生的磁场时，由于永磁体1720和外部产生的磁场之间的相互作用，浮子1715可以在保持架1705内旋转或上下移动。如图12所示，在一些实施例中，浮子1715包括第二永磁体1805，以减少或消除由于外部产生的磁场而引起的浮子1715所经受的净力。如永磁体1720和1805上的箭头所示，永磁体1720和1805具有相反的极性。因此，永磁体1720和1805经受的来自外部产生的磁场的力大部分彼此抵消。因此，浮子1715的位置不受外部产生的磁场的影响。然而，浮子1715的位置仍然可以由磁性开关1710确定，用于检测永磁体1720是否靠近磁性开关1710。应当注意，浮子1715可以包括其他配置的永磁体，以进一步减小或消除外部产生的磁场对浮子1715的影响。例如，多个磁体或多个磁体段可以被磁化，使得由于外部产生的磁场而导致的浮子1715上的净力被减小或消除。多个磁体段可以是相同的形状或者可以是不同的形状。此外，多个磁体段可以在相同的平面中或者可以在不同的平面中。
图13是数字流体密度开关1115的示意图，该数字流体密度开关1115具有靠近保持架1705或位于保持架1705顶部的铁磁材料或第二永磁体1905。保持架1705被机械地设计成减小保持架1705内的流体的层流以及湍流以用于浮子1715的稳定移动。
在一些实施例中，数字流体密度开关1115包括帮助防止浮子1715由于振动或由于流体通过保持架1705的流动而移动的部件。例如，当经历振动或流体流过保持架1705时，即使流体密度足够，浮子1715也可以不停留在保持架1705的顶部附近。如图13所示，在一些实施例中，保持架1705的顶部包括铁磁材料1905以吸引浮子1715的第二永磁体1805。铁磁材料1905和第二永磁体1805之间的吸引应当要弱，以免影响流体密度的测量。例如，当容器1105中的流体的密度太低时，浮子1715将下沉至保持架1705的底部。相反，当容器1105中的流体密度足够时，浮子1715将浮动到保持架1705的顶部。当浮子1715位于保持架1705的顶部时，即使当数字流体密度开关1115经历振动和/或流体流过保持架1705时，永磁体1805对铁磁材料1905的轻微吸引也仍然会使浮子1715保持在保持架1705的顶部。应当理解的是，铁磁材料1905可以用于其他实施例中，使得轻微吸引浮子1715中的除了第二永磁体1805或替代第二永磁体1805的其他磁体。
因此，实施例特别提供了被配置为感测流体特性的感测系统。在所附权利要求中阐述了各种特征和优点。