用于确定流体的温度、液位、及浓度的三模式传感器的制造方法
【专利摘要】本申请公开了一种用于确定流体的温度、液位、和/或浓度的三模式超声波传感器。在一个实施例中，所述传感器包括被置于水平位置的目标物；控制器，以及电力连接到控制器的转换器。控制器被配置成产生超声波信号、接收来自目标物和流体表面的至少其中之一的超声波信号的反射、并基于所述反射产生信号。控制器进一步被配置成接收所述信号，并确定流体表面的液位是否位于下组的其中之一：在目标物的水平位置的上方、在目标物的水平位置的下方、与目标物的水平位置基本相同。
【专利说明】用于确定流体的温度、液位、及浓度的三模式传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声波液位和/或浓度传感器。
【背景技术】
[0002]超声波转换器可以被用来测量距液体表面的距离。在一些情况下，转换器被置于用于液体的箱体的顶部。在许多情况下，感兴趣的箱体是汽车、卡车、或其它交通工具的液箱(例如，燃料箱)。转换器产生超声波信号。测量该信号从位于箱体顶部的转换器传输至液体表面、经液体表面反射、返回到转换器的时间。如果已知与箱体有关的某些信息(诸如其体积或尺寸)，时间测量可以被用在计算中以确定箱体内有多少液体。
【发明内容】
[0003]在一个实施例中，本发明提供了用于测量流体的液位和浓度的超声波传感器，所述超声波传感器被设计成被放置在箱体的底部。超声波传感器包括目标物、转换器和控制器(诸如微处理器或其它基于处理器的控制器)。目标物被置于预定的水平位置。转换器电力连接到控制器。控制器和转换器通常是单一单元的一部分(尽管控制器可以与转换器分离或远离转换器)。转换器被配置成产生超声波信号，接收来自目标物和流体表面的至少其中之一的超声波信号的反射，并基于反射产生信号。控制器被配置成接收来自转换器的信号，并确定流体表面的液位是否在目标物的水平位置的上方、在目标物的水平位置的下方、或与目标物的水平位置基本相同。
[0004]不同于发明人已知的大多数现有技术的超声波传感器，在此描述的超声波传感器使用单个转换器，而非两个或更多转换器。使用单个转换器相比于使用两个或更多转换器可以提供更少的信息。更重要的是，当使用单个转换器时，存在如下情况:由于单个转换器不提供信息或提供的信息不充足，执行某些计算或确定某些状况是不可行的。连接到单个转换器的控制器被配置成对使用单个转换器造成的缺陷进行补偿。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1是被置于液体或流体容器底部的超声波传感器的示意图。
[0006]图2是图1示出的超声波传感器的电路系统的示意图。
[0007]图3是对于不同的DEF浓度的声速相对温度的曲线图。
[0008]图4是示出软件操作的流程图，该软件由超声波传感器的控制器执行。
【具体实施方式】
[0009]在对本发明的任何实施例进行详细说明之前，可以理解的是，本发明在其应用中不被限制到在下文的描述中陈述的或在附图中示出的结构和元器件布局的细节。本发明还可以包括其它实施例，且这些实施例可以以多种方式实行或实施。更特别地，仅仅由于单个元件或特征被描述为特定实施例的一部分或在此说明或陈述的示例的一部分，不应认为其是必需的或必要的。
[0010]图1示出了超声波传感器10。传感器10可以提供关于流体的液位、浓度、或液位和浓度的信息。在该实施例中，示出的传感器10被置于装有流体14(例如柴油机尾气处理液(“DEF”)(例如车用尿素液体(Ad Blue liquid)))的箱体12或相似容器的底部。流体14具有上表面15。上表面15的液位随着流体的消耗(例如，在排气系统中)发生变化。超声波液位和/或浓度传感器10包括外壳16、压电式转换器18、以及参考点或目标物20。目标物位于预定的水平位置(在图1中被标记为“PL”)。在示出的实施例中，传感器10包括具有热敏电阻和其它元器件(包括控制器)的印刷电路板22。(下文将对这些元器件进行详细说明)。来自控制器的信号(可以由驱动电路将该信号进行放大或调理(condition))被提供给转换器18。转换器18产生穿过流体14传播的超声波。声波的一部分(用虚线23表示)穿过流体14传播到目标物20，声波的另一部分(用虚线24表示)穿过流体14传播到表面
15。声波的至少一部分(用虚线25表不)从目标物20被反射回转换器18 (如同回声)。声波的不同的部分(用虚线26表示)从表面15被反射回转换器18 (如同回声)。作为对接收到反射或回声的响应，转换器18产生被提供给电路板22上的控制器的电信号。来自转换器18的信号在控制器中被进行处理，以产生(例如)表示箱体12中流体14的液位的信号。
[0011]图2示出了传感器10的某些电子元器件，包括安装在印刷电路板22上的元器件。在示出的实施例中，热敏电阻30安装在电路板22上。电路板还可以包括电压驱动器32、信号调理电路34、控制器36 (例如微控制器的形式)、输出驱动器38、以及功率调节电路40。控制器包括(或连接到)诸如RAM和ROM的存储器并执行软件，所述软件可以被存储在RAM(尤其在执行时)中、ROM (大体上在永久基础上)中、或诸如其它存储器或磁盘的另一种非易失性计算机可读介质中。如果必要，控制器可以连接到这种存储器或磁盘驱动器，以读取这种软件。还可以使用具有合适的存储器和I/O器件的微处理器或其它可编程器件。
[0012]来自热敏电阻30 (或其它温度传感器)的温度信息被提供给控制器36，并被控制器36用来帮助其对声速的变化进行补偿，声速的变化是由温度的改变引起的。控制器定期(或基于编程)产生被发送到电压驱动器32的转换器控制信号。电压驱动器32对来自控制器36的控制信号进行放大或调理，并将放大的信号提供给转换器18。当被放大的信号激励时，转换器18产生输出声波或(更特别的)超声波。除了产生声波以外，转换器18还通过将接收到的声波转换成电信号(被称为“反射信号”)对声波(诸如反射或回声)做出响应。这种信号由信号调理电路34进行调理并被提供给控制器36。作为对反射信号的响应，控制器36产生表示经过时间的输出信号，所述经过时间是转换器18发出其超声波信号(基于转换器控制信号)的时刻与转换器18接收超声波信号反射(结果是产生反射信号)的时刻之间所经过的时间。(反射使转换器(所述转换器是压电式元件)移动，这种移动被转换成电信号)。这个“飞行时间”(产生超声波或脉冲信号与接收反射或回声之间经历的时间)和箱体中流体14内的声速被用来确定从传感器10到上表面15的距离。换句话说，可以确定箱体中流体14的高度或液位。传输的超声波脉冲和接收的回声之间的时间与声波经过液体的距离成比例，用以下等式表示:距离=声速X飞行时间/2。假如可以获得其它信息并且这些信息被编程进控制器36，则距离测量还可以被用来确定箱体12中流体14的体积。在一些实施例中，控制器36对来自转换器18的输出声波的功率水平进行调制，使得接收回声的最小功率水平被使用。通过对功率水平进行调制，阻止了多个回声对飞行时间的影响。[0013]使用反射点或目标物20对声波的反射，可以确定流体14的声速。流体14的声速与声波已传输的距离和飞行时间成比例。由于目标物20位于距转换器18已知的距离，因此声波传输的距离是已知的。如上文所描述的，可以确定反射的飞行时间。因此，可以通过以下等式确定流体14的声速:声速=(2x距离)/飞行时间。
[0014]通过使用流体14的温度以及计算的声速，控制器36可以确定流体14的浓度。基于由热敏电阻30提供的信息，可以确定流体14的温度。控制器36使用计算的声速和确定的温度进行查表(诸如图3示出的曲线图)。
[0015]取决于相对于目标物20的水平位置的箱体12中流体14的液位，传感器10具有三个独立的操作模式。特别地，由于传感器10的配置，流体14的上表面15可以位于箱体12内三个普通位置或水平位置中的其中一个。第一，流体14的上表面15的液位可以在目标物20上方。第二，流体14的上表面15的液位可以靠近目标物20或位于与目标物20基本相同的水平位置。第三，流体14的上表面15的液位可以在目标物20的液位下方。控制器36在相应于方才描述的三个情况或状况的三种模式下进行操作。
[0016]当传感器10接收到两个不同的回声时，可推测出流体14液位在目标物20的水平位置PL上方。可推测出转换器18接收到的具有较短飞行时间的回声是来自目标物20的反射。将来自目标物20的反射的飞行时间与作为真实性检测的第一参考时窗进行对比。第一参考时窗是接收到的来自目标物20的反射的真实飞行时间的预定范围。如果感测到的飞行时间在该范围之内，则计算流体14内的声速，如上文所论述的。可推测出转换器18接收到的具有较长飞行时间的回声是来自流体14上表面15的反射。将来自上表面15的反射的飞行时间与作为真实性检测的第二参考时窗进行对比。第二参考时窗是接收到的来自上表面15的反射的真实飞行时间的预定范围。如果感测到的飞行时间在第二参考时窗之内，则通过使用计算的声速(来自目标物20的反射)以及来自上表面15的反射的飞行时间可以确定上表面15的液位。使用上文论述的等式可以确定该液位:距离=声速X飞行时间/2。
[0017]当传感器10接收到的一个或两个回声在第一参考时窗之内时,上表面15的液位靠近目标物20的水平位置PL或位于与目标物20基本相同的水平位置PL。因此，可以确定出上表面15的液位等于目标物20距传感器10的距离。
[0018]当接收到的第一回声在第一参考时窗之外，或更特别地，当接收到第一回声的时间小于第一参考时窗的下限时，上表面15的液位在目标物20下方。表不接收到回声的时间小于参考时窗下限的一种速记方式为“回声小于窗”。使用推测的声速而非计算的声速，可以确定上表面15的液位。当在小于第一参考时窗的下限的经过时间内接收到第一回声时，无法确定流体14的浓度。
[0019]图4是示出软件操作的流程图，该软件由控制器36执行。方法100以转换器18输出声波形式的超声波信号(步骤105)为开始。随后，转换器18接收声波的一个或两个回声(步骤110)。控制器36确定转换器28是否接收到两个不同的回声(步骤115)。如果转换器28没有接收到两个不同的回声，则控制器36确定接收到的回声是否在第一参考时窗之内(步骤120)。如果接收的回声没有在第一参考时窗之内，则控制器36基于推测的声速确定上表面15的液位(步骤125)。如果接收到的回声在第一参考时窗之内，则控制器36确定出上表面15的液位等于目标物20的距离(步骤130)。[0020]如果控制器36确定出转换器28接收到两个不同的回声，则控制器确定接收到的第一回声是否在第一参考窗之内(步骤135)。如果接收到的第一回声在第一参考窗之外，则控制器36记录故障(步骤140)。如果接收到的第一回声在第一参考窗之内，则控制器36确定接收到的第二回声是否在第二参考窗之内(步骤145)。如果接收到的第二回声在第二参考窗之外，则控制器36记录故障(步骤150)。如果接收到的第二回声在第二参考窗之内，则控制器35使用第一回声的飞行时间确定流体14内的声速(步骤155)。随后，控制器35使用计算的流体14内的声速以及第二回声的飞行时间确定上表面15的液位(步骤160)。
[0021]控制器35产生数字或模拟的输出信号。输出信号可以表不流体14的浓度(可以被称为“浓度信号”)、温度(可以被称为“温度信号”)、或液位(可以被称为“液位信号”)。输出信号还可以表示或包含关于浓度、温度、和/或液位的结合的信息。例如，浓度在第一组位或字中，液位在第二组位或字中。如上文所述，通过基于示出的信息(例如，在图3中)使用存储在存储器中的查找表可以确定浓度。基于来自热敏电阻的信息可以确定温度(如上文进行说明的)。还可以确定流体14的液位，如上文所描述的。控制器可以被配置成(例如，通过软件)在输出信号包含流体浓度、温度、及液位的其中一个、两个、或三个。输出信号被提供给输出驱动器38，所述输出驱动器38将测量值传递至用于管理并控制交通工具的DEF系统的功能的外部控制器。输出驱动器38可以采用数字驱动器的形式，所述数字驱动器输出与J1939或CAN总线标准兼容的信号。这样配置后，输出驱动器38向交通工具的数据总线提供直接通信。取决于具体应用的需要，输出驱动器38可以产生其它合适的模拟或数字信号。
[0022]因此，本发明提供了(除了其它之外)用于测量柴油机尾气处理液的温度、流体液位、及浓度的传感器。在权利要求中陈述了本发明的各个特征和优点。
【权利要求】
1.一种超声波传感器，所述传感器包括: 被置于水平位置的目标物； 控制器，以及 转换器，所述转换器电力连接到所述控制器，并被配置成产生超声波信号、接收来自所述目标物和流体表面的至少其中之一的超声波信号的反射、并基于所述反射产生信号； 其中，所述控制器被配置成 接收所述信号，并 确定流体表面的液位是否位于下组的其中之一:在所述目标物的水平位置的上方、在所述目标物的水平位置的下方、与所述目标物的水平位置基本相同。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器进一步被配置成产生液位信号。
3.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器进一步被配置成产生浓度信号。
4.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器进一步被配置成产生液位信号和浓度信号。
5.如权利要求1所述的传感器，其中，所述控制器进一步被配置成在相应于表面的确定的液位的三种模式的其中一种模式下进行操作。
6.如权利要求1所述的传感器，其中，所述控制器进一步被配置成确定所述转换器何时接收到第一回声和第二回声。
7.如权利要求6所述的传感器，其中，所述控制器进一步被配置成确定所述第一回声和所述第二回声的其中之一或二者是否在第一参考时窗之内被接收。
8.如权利要求7所述的传感器，其中，如果所述第一回声和所述第二回声的其中之一或二者在所述第一参考时窗之内被接收，则所述控制器产生表示表面的液位靠近所述目标物的水平位置或与所述目标物的水平位置基本相同的输出信号。
9.如权利要求7所述的传感器，其中，如果所述第一回声小于所述第一参考时窗，则所述控制器产生表不表面的液位在所述目标物的水平位置下方的输出信号。
10.一种超声波传感器，所述传感器包括: 被置于水平位置的目标物； 控制器，以及 单个转换器，所述单个转换器电力连接到所述控制器，并被配置成产生超声波信号、接收来自所述目标物和流体表面的至少其中之一的超声波信号的反射、并基于所述反射产生信号; 其中，所述控制器被配置成 接收所述信号，并 确定流体表面的液位是否位于下组的其中之一:在所述目标物的水平位置的上方、在所述目标物的水平位置的下方、与所述目标物的水平位置基本相同。
11.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器进一步被配置成产生液位信号。
12.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器进一步被配置成产生浓度信号。
13.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器进一步被配置成产生液位信号和浓度信号。
14.如权利要求1所述的传感器，其中，所述控制器进一步被配置成在相应于表面的确定的液位的三种模式的其中一种模式下进行操作。
15.如权利要求1所述的传感器，其中，所述控制器进一步被配置成确定所述转换器何时接收到第一回声和第二回声。
16.如权利要求15所述的传感器，其中，所述控制器进一步被配置成确定所述第一回声和所述第二回声的其中之一或二者是否在第一参考时窗之内被接收。
17.如权利要求16所述的传感器，其中，如果所述第一回声和所述第二回声的其中之一或二者在所述第一参考时窗之内被接收，则所述控制器产生表示表面的液位靠近所述目标物的水平位置或与所述目标物的水平位置基本相同的输出信号。
18.如权利要求15所述的传感器,其中，如果所述第一回声小于所述第一参考时窗,贝U所述控制器产生表不表面的液位在所述目标物的水平位置下方的输出信号。
【文档编号】G01N29/024GK103925966SQ201310744144
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年1月15日
【发明者】G·P·穆尔斐 申请人:Ssi 技术有限公司