CN101438175B - 用于确定过滤器的负载的微波感测 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于确定过滤器的负载的方法。所述过滤器具有第一介电常数。所述过滤器变为载有具有第二介电常数的污染材料。所述过滤器，例如柴油机微粒过滤器，被包含在形成微波腔的金属围罩内。所述方法包含在所述腔中建立微波能量，以及监视腔微波响应的变化，所述变化与过滤器负载有关。

Description

用于确定过滤器的负载的微波感测
本申请案主张2006年5月1日申请的第60/746,081号临时申请案的优先权，所述临时申请案的内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及过滤器负载的确定，且更明确地说，涉及使用微波感测来确定过滤器负载。
背景技术
在许多领域中，需要准确地感测过滤器已俘获的材料的量。一实例是需要确定柴油机微粒过滤器(diesel particulate filter，DPF)上煤烟的过滤器负载。为了确定再生启动的适当条件以及监视条件以确定何时已实现完整的再生，必须知道柴油机微粒过滤器上的负载量。在此情境中负载水平很重要，因为DPF的再生通常是通过不受控制的燃烧，其中通过游离氧的存在来点燃煤烟，且穿过过滤器而产生燃烧波。在特定条件下，再生有可能将产生非常高的温度，从而导致较大的热应力，较大的热应力可导致过滤器的疲劳寿命有限且最终导致过滤器的毁坏。因此，煤烟负载水平对成功的过滤器再生很重要。
众所周知，存在用于确定过滤器负载的若干方法。最普遍研究的方法是通过测量过滤器上的压力降。此方法可与专家系统组合，所述专家系统通过对穿过引擎的煤烟产量的累计计算来计算已俘获的煤烟的量。
本发明的目的是应用微波技术来确定收集器(trap)或过滤器的负载状态。
发明内容
根据本发明的用于确定过滤器的负载的方法包含在微波腔中建立微波能量，以及监视腔微波响应的变化，所述过滤器具有第一介电常数，且载有具有第二介电常数的污染材料，所述过滤器包含在形成微波腔的金属容器内。第二介电常数有必要不同于排出污染材料的媒介(通常是空气、废气或流体)的介电常数。腔微波响应的变化与过滤器负载有关。在优选实施例中，微波能量包含多个腔模式，从而允许确定污染材料负载的空间分布。
在优选实施例中，微波腔响应包含共振模式的频率的偏移。或者，微波腔响应包含共振模式的质量因数Q的偏移。微波腔响应可包含微波的信号在共振时振幅的偏移。
优选的是，使用至少一个天线来传输/接收微波能量。在优选实施例中，在反射模式下，仅使用一个天线来传输/接收微波能量。在传输模式下，可使用两个天线，其中一个天线传输且另一个天线接收。替代天线，可使用至少一个波导来传输/接收微波能量。在一实施例中，在反射模式下，使用一个波导来传输/接收微波能量。或者，在传输模式下，可使用两个波导，其中一个波导传输且另一个波导接收。
在一重要实施例中，过滤器是用于从柴油引擎(diesel engine)的废气中去除微粒物质的柴油机微粒收集器。所述微粒物质可以是煤烟。
在又一实施例中，金属容器包含位于两个过渡锥体之间的圆柱形部分，所述过渡锥体中的一者连接到排气管。微波能量可在S带中。优选的过滤器材料是堇青石。另一合适的过滤器材料是碳化硅。优选的是，使用低位和高位腔模式两者来监视收集器负载。在此实施例中，优选的是，将操作的频率选择为使得所述模式在过滤器的尺寸减小的入口和出口管处以截止频率(cutoff)操作。
当使用两个天线或波导时，它们可位于过滤器的相对侧或位于过滤器的同一侧。优选的是，所述天线和波导位于过滤器的下游侧以防止污染。
微波能量可由经修改的微波芯片提供，且微波能量可由二极管在放大或不放大的情况下进行监视。腔监视可使用锁定检测或外差法检测。
附图说明
图1是根据本发明实施例的罐装柴油机微粒过滤器的透视图。
图2是本发明另一实施例的横截面图。
图3是用实验方法确定的S21传输依据频率而变化的曲线图(展示S21的量级)。
图4是用实验方法确定的S11(反射)响应依据频率而变化的曲线图。
图5是展示图3的传输模式的展开图的曲线图。
具体实施方式
本发明基于以下认识：微波可用于确定收集器或过滤器的负载的状态。负载可以是煤烟、微粒、灰烬或任何固体/液体。除了确定总负载量之外，本文中将描述的微波系统还可用于确定负载贯穿收集器的分布。本发明中所使用的微波感测可能较便宜，因为在所关注频率范围内的便宜的振荡器和检测器在市场上有售。
在柴油机微粒过滤器的情况下，微粒由煤烟和其它有机化合物(固体和/或液体)以及灰烬组成。出于本发明的目的，碳、有机化合物和灰烬的组合将被称为(为了简单起见)煤烟。所属领域的技术人员将认识到，通过再生来去除煤烟和有机化合物，但灰烬负载将仍然存在。
通常，柴油机微粒过滤器单元由堇青石材料制成，所述堇青石材料在S带周围的频率下具有稍高于4的介电常数，其温度依赖性较弱。堇青石过滤器(其大部分是空的，具有小部分堇青石)的有效介电常数在1.5到1.7左右，且由于收集器的取向依赖性的缘故而稍许各向异性。煤烟(其可多达10克/收集器升，对于5.66英寸的收集器来说，收集器的大小约为两升)的存在改变了微波腔的微波特性，因为煤烟与排出煤烟的气体(空气或废气)具有不同的介电常数。因此，此收集器的最大煤烟负载可高达20克，体积约为20立方厘米。此煤烟量对应于相当大的体积和收集器的介电特性的对应较大变化。注意，一些类型的煤烟的介电常数近似为2。
碳化硅也适于制造柴油机微粒过滤器。碳化硅的微波性质也使其适于使用微波进行负载感测。所属领域的技术人员将认识到，可使用本文所揭示的微波负载感测技术(例如)来确定纤维过滤器(有机和无机纤维)(例如袋式收尘器(bag-house)中所使用的纤维过滤器)的负载，且可在收集具有非单一介电常数的相当大质量/体积的材料的其它应用中使用。
如果相当大的灰烬量随着时间而累积在收集器上，那么可监视未通过再生来去除的灰烬含量。
可使用低位腔模式以及高位模式来监视收集器负载。不同的腔模式具有不同的电场图案，峰值和空值在整个体积上变化。由于对于给定腔模式来说，只有那些具有高电场的区域中存在煤烟才会影响腔中的微波响应。通过选择腔中的不同模式，有可能对不同区域进行取样，且因此获得关于煤烟分布的信息。
现将简要论述本发明所基于的理论。煤烟的存在以若干方式影响腔响应。共振频率随着煤烟累积而偏移到较低频率。另外，腔质量Q受吸收的煤烟的存在影响。此外，共振时信号的振幅随着煤烟累积而减小。所有这三个参数都可用于确定煤烟水平。可使用若干模式来监视柴油机微粒过滤器的各个区域中的负载。
现将结合图式描述本发明。首先参看图1，柴油机微粒过滤器单元10包含金属圆柱体(称为罐)部分12以及过渡锥体14和16。锥体14连接到排气管18。在此实施例中，一对杆状天线20和22位于过滤器24的相对侧上。
由于圆锥形过渡部分14和16的缘故，可将操作的频率选择为使得模式在收集器的小入口和出口管处低于截止频率而操作，所述操作频率使得所述模式在主排气管18上低于截止频率而操作。没有必要提供屏蔽来限制微波辐射。在图1的实施例中，常规杆状天线20和22中的一者充当传输器，且另一者充当接收器。应理解，杆状天线20和22两者可位于过滤器24的同一侧上而不是其两侧。在此情况下，杆状天线20和22的优选位置将是在过滤器元件24的下游，以使传输器、接收器或相关联组件的表面上的煤烟减到最少。
现参看图2，有可能通过使用环形天线26或通过使用波导28来实施传输器。波导28将可能填充有高介电材料。还预期使用环形天线26和/或波导28来通过充当接收天线而监视辐射。
有可能使用单个天线(杆状或环形)以及单个波导，或使用两个天线或波导。在单个天线/波导的情况下，信息存在于所反射的信号中。在单独的天线/波导用作传输器/接收器的情况下，有可能在反射或传输模式之间进行选择。在两个天线/波导的情况下，耦合矩阵中存在四个元素可用于确定煤烟负载：从一个天线/波导到另一个天线/波导的传输、相反方向的传输，以及每一天线/波导中的反射。
如图2所示，传输器和/或接收器的一个合适位置是在过滤器的中心区域中。此位置说明本文所揭示的微波系统的明显优点，因为波穿透过滤器的外表面，且因此可通过过滤器的外壁来保护传感器免遭煤烟沉积。可针对单或双波导、环形天线或杆状天线进行此配置。
在操作中，在装置10的腔内建立微波能量。存在大量可用于确定收集器负载的模式。图3展示传输元素S21依据频率而变化，且图4展示来自单个发射器/接收器系统的反射。在图3中，杆状天线在如图1所示的收集器的相对侧上。图4中的曲线图是以单个天线形成的，且信息存在于所反射的信号中。图5是来自图3的传输模式的展开图，且展示1.7GHz附近模式周围的细节。可以容易地看到曲线图如何从无煤烟改变到有煤烟。正是这个差异允许确定待确定的收集器负载。
本文所揭示的微波感测系统可使用便宜的组件，其中微波源是经修改的微波芯片(例如手机中所使用的微波芯片)，且接收器可以是简单的二极管(放大或不放大)。检测系统可使用例如锁定检测、外差法检测等先进检测系统。
尽管已假定负载是(如来自柴油引擎的)煤烟的负载，但可测量大量累积在过滤器表面上的任何物质，只要所述物质与背景过滤器材料(在空气/引擎废气的情况下的背景过滤器材料)具有不同的介电常数即可。
所述系统可用于监视收集器的运作状态。当系统中存在实质裂缝时，煤烟分布改变，且变得不均匀。
另外，有可能使用堇青石的温度依赖性来监视收集器内外的温度。
尽管描述内容涉及在罐中使用单个DPF，但所述方法也适用于单个罐中多个过滤器的情况。
过滤监视系统可以是原始设备，也可作为改型(refrofit)使用。
应认识到，所属领域的技术人员将想到本发明的修改和变化，且希望所有此类修改和变化都包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (30)

1.一种用于确定过滤器的负载的方法，所述过滤器具有第一介电常数，且载有具有第二介电常数的污染材料，所述第二介电常数不同于排出所述污染材料的媒介的介电常数，所述过滤器包含在形成微波腔的金属容器内，所述方法包括：
在所述腔中建立微波能量；以及
监视微波腔中共振模式的质量因数Q的变化；
基于所监视的所述微波腔中共振模式的质量因数Q的变化，确定所述过滤器的负载。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波能量包含多个腔模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其包含使用至少一个天线来传输/接收微波能量。
4.根据权利要求1所述的方法，其包含在反射模式下使用一个天线来传输/接收所述微波能量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在传输模式下使用两个天线，其中一个天线传输且另一个天线接收。
6.根据权利要求1所述的方法，其包含使用至少一个波导来传输/接收所述微波能量。
7.根据权利要求1所述的方法，其包含在反射模式下使用一个波导来传输/接收所述微波能量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在传输模式下使用两个波导，其中一个波导传输且另一个波导接收。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述过滤器是用于从柴油引擎的废气中去除微粒物质的柴油机微粒收集器。
10.根据权利要求3所述的方法，其中至少一个天线是杆状天线。
11.根据权利要求3所述的方法，其中至少一个天线是环形天线。
12.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个波导包括包含在里面的介电材料。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述微粒物质是煤烟。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属容器包含位于两个过渡锥体之间的圆柱形部分，所述过渡锥体中的一者连接到排气管。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波能量为S带。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述过滤器材料是堇青石。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述过滤器材料是碳化硅。
18.根据权利要求1所述的方法，其中使用低位和高位腔模式两者来监视负载。
19.根据权利要求14所述的方法，其中将操作的频率选择为使得模式在所述过滤器的小入口和出口区域处以截止频率操作。
20.根据权利要求5所述的方法，其中所述两个天线位于所述过滤器的相对侧上。
21.根据权利要求5所述的方法，其中所述两个天线位于所述过滤器的同一侧上。
22.根据权利要求5所述的方法，其中所述天线位于所述过滤器的下游侧上。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波能量由经修改的微波芯片提供。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述微波能量由二极管检测器在放大或不放大的情况下进行监视的。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述监视使用锁定检测或外差法检测。
26.根据权利要求1所述的方法，其中使用微波监视器通过确定反常的煤烟累积来确定所述过滤器的运作状态。
27.根据权利要求1所述的方法，其中当所述过滤器或污染材料的介电常数是温度的函数时，使用微波监视器来确定所述过滤器的温度。
28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述污染材料是煤烟或灰烬。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微波监视用于确定所述过滤器中灰烬的量。
30.一种微波过滤感测系统套件，其具有能够实地组装及安装的组成零件，所述套件包括：
过滤器，其包含在形成微波腔的外壳内；以及
安装在所述外壳上的一个或一个以上天线，其用于监视微波腔响应的变化，所述变化与过滤器负载有关，
微波产生器和检测器，其用以确定所述腔的质量因数Q；以及
处理电路，其用以通过计算信号在共振模式下的质量因数Q以及监视所述质量因数Q的变化来确定所述过滤器负载。
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