專利名稱：用于測量過濾器中的滯留物的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定過濾器上的污染物材料負(fù)載，且更特定來說涉及使用射頻來確定負(fù)載。
背景技術(shù)：
在許多領(lǐng)域中，需要對已由過濾器捕獲的材料的量進(jìn)行準(zhǔn)確感測。實例為需要確定HVAC系統(tǒng)中的空氣過濾器、工業(yè)應(yīng)用中所使用的過濾袋殼體及甚至與液體一起使用的過濾器等等的負(fù)載。又一實例為需要確定微粒過濾器上的煙塵的過濾器負(fù)載。為了確定再生啟動的適當(dāng)條件以及在已實現(xiàn)完整再生時確定的監(jiān)測條件，必須知道微粒過濾器上的負(fù)載量。在此背景下負(fù)載水平是重要的，因為微粒過濾器的再生通常是通過其中煙塵是因游離氧的存在而點燃且燃燒波經(jīng)產(chǎn)生而穿過所述過濾器的未經(jīng)控制燃燒而實現(xiàn)的。在一些條件下，再生可能將產(chǎn)生非常高的溫度，從而導(dǎo)致大的熱應(yīng)力，此可導(dǎo)致過濾器的有限疲勞壽命且最終導(dǎo)致其毀壞。因此，煙塵負(fù)載的水平對于成功的過濾器再生來說頗為重要。微粒過濾器的特定應(yīng)用是柴油微粒過濾器(DPF)。當(dāng)前，使用過濾器壓降測量來估計DPF中所積累的煙塵量。在一些情況下，也可使用預(yù)測模型來估計過濾器煙塵負(fù)載。壓降測量單獨地僅提供微粒過濾器中煙塵積累的間接且不精確的度量，且具有若干個缺點。廢氣組成、溫度及流率全部影響過濾器壓降且必須將其計及以準(zhǔn)確地使壓降與過濾器煙塵負(fù)載有關(guān)。此外，所積累煙灰與煙塵的空間分布也影響壓降測量，且此分布可隨時間改變，特別是在過濾器被加載有煙灰時。在重復(fù)的再生之后，微粒過濾器中也可積累顯著量的煙灰。壓降測量不能在過濾器中的煙塵與煙灰積累之間進(jìn)行區(qū)分，其中后者引入基于壓降的煙塵負(fù)載估計的額外誤差。另外，許多類型的過濾器取決于過濾器的負(fù)載狀態(tài)及歷史而展現(xiàn)非線性壓降響應(yīng)與壓降滯后，此進(jìn)一步使基于壓力的過濾器負(fù)載測量復(fù)雜化。對DPF中煙塵積累的基于壓降的估計的特征還在于大體緩慢的響應(yīng)時間及對煙塵負(fù)載的小改變的低靈敏度。此外，這些系統(tǒng)不能直接監(jiān)測過濾器中的煙灰水平需要周期性地對過濾器進(jìn)行檢查，從而不論實際的過濾器煙灰水平如何均導(dǎo)致車輛或機器停機時間。另外，基于壓降的測量不能檢測過濾器故障中的幾乎最災(zāi)難性的過濾器故障，且在大多數(shù)情況下無法滿足嚴(yán)格的板上診斷要求。
為了解決過濾器壓降測量固有的缺點中的一些缺點，通常結(jié)合這些測量使用各種預(yù)測模型。盡管存在各種類型的模型，但許多模型利用若干個發(fā)動機操作參數(shù)、來自各種發(fā)動機及排氣傳感器的輸入及再生事件之間的時間來預(yù)測DPF中所積累的煙塵量。在許多情況下，將這些模型上載于發(fā)動機控制單元(ECU)中。通常針對特定發(fā)送機及燃料校準(zhǔn)這些模型，從而需要針對每一特定應(yīng)用的重新校準(zhǔn)。此外，當(dāng)與較潔凈的燃燒燃料(與模型最初是針對其校準(zhǔn)的燃料相比)一起使用時，模型往往過預(yù)測過濾器煙塵負(fù)載，從而導(dǎo)致不必要的過濾器再生及燃料經(jīng)濟(jì)懲罰。預(yù)測模型與過濾器壓降測量的組合使用并無助于克服上文所列出的缺陷。這些缺點導(dǎo)致效率低的系統(tǒng)操作、燃料經(jīng)濟(jì)懲罰、增加的過濾器熱循環(huán)及疲勞以及減少的過濾器使用壽命。已提出廢氣煙塵傳感器來直接測量進(jìn)入微粒過濾器的廢氣中煙塵氣溶膠的濃度。 這些測量系統(tǒng)具有以下缺陷微粒過濾器上所積累的煙塵量未必等效于進(jìn)入過濾器的煙塵量，因為可發(fā)生某種水平的被動再生，此取決于排氣條件。此外，廢氣煙塵傳感器不提供關(guān)于DPF中的煙灰積累或煙塵與煙灰分布的信息。另外，這些傳感器中的許多傳感器具有煙塵積垢的問題、消耗過量的能量且經(jīng)受由排氣溫度、廢氣速度及其它因子引入的誤差。還已提出基于射頻(RF)的微粒負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)。一個此種系統(tǒng)監(jiān)測過濾器負(fù)載且基于通過過濾器發(fā)射的低頻(RF)信號的量值起始過濾器再生。因限制對低于在腔中建立諧振所需的那些頻率的低頻率的使用，此系統(tǒng)忽略利用產(chǎn)生多種腔諧振模式所需的較高頻率的優(yōu)點中的許多優(yōu)點。還提出使用微波來檢測微粒補集器中的煙塵含量。一個此種系統(tǒng)通過監(jiān)測過濾器諧振頻率的改變來檢測微粒過濾器中的煙塵含量。然而，此類系統(tǒng)無法確定微粒過濾器內(nèi)煙塵含量的空間分布。迄今為止已知的所有RF及微波過濾器負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)具有若干個缺點(a)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)不能監(jiān)測過濾器中所積累的材料的空間分布。過濾器中的煙灰積累使煙塵發(fā)生位移且更改其分布。此外，不均勻流動條件也可導(dǎo)致不均勻材料積累。(b)所有已知的過濾器負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)基于某一平均總過濾器煙塵負(fù)載起始過濾器再生。局部高的煙塵負(fù)載無法通過不能夠測量過濾器中的材料分布的系統(tǒng)來檢測。(c)先前基于微波及基于RF的過濾器負(fù)載系統(tǒng)無法在所有排氣條件下同時檢測過濾器中的煙塵及煙灰積累兩者。(d)這些系統(tǒng)不檢測過濾器故障或失靈，而此對于確保過濾器如所需的那樣操作來說是重要的。(e)這些系統(tǒng)不檢測過濾器的正確操作可需要的個別組件(例如，傳感器)的失靈或故障。(f)基于微波及基于RF的測量系統(tǒng)受存在于廢氣中及過濾器上的濕氣含量及水蒸氣的影響，必須計及所述影響以減小測量中的誤差。(g)先前過濾器負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)不能與現(xiàn)有發(fā)動機及排氣傳感器通信以提供對修改發(fā)動機操作從而優(yōu)化組合的發(fā)動機與處理后系統(tǒng)性能的反饋控制能力。因此，如果存在解決上文所描述問題的過濾器負(fù)載測量系統(tǒng)，那么其將為有益的。 此系統(tǒng)將為有利的，在于可實現(xiàn)較低放射限制，同時最小化維護(hù)與不必要再生循環(huán)的量。另外，使用多種諧振模式將允許裝置內(nèi)的特殊負(fù)載的更詳細(xì)估計。
除微粒過濾器以外，相同過濾器負(fù)載測量系統(tǒng)可應(yīng)用于各種各樣的過濾器，包含纖維過濾器、用于過濾的各種多孔介質(zhì)等等。一個實例是HVAC系統(tǒng)中所使用的空氣過濾器，其中過濾器負(fù)載的狀態(tài)的確定對于確定何時清潔或替換過濾器來說是重要的。類似地， 袋式過濾器通常通過逆向流來清潔且基于過濾器負(fù)載的狀態(tài)來確定何時清潔過濾器也頗為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示一種用于確定具有第一介電常數(shù)的過濾器中具有不同介電常數(shù)的材料的負(fù)載的系統(tǒng)及方法。所述過濾器含在形成微波腔的金屬容器內(nèi)，且在所述腔內(nèi)形成微波或RF能量并監(jiān)測腔微波響應(yīng)的改變。腔微波響應(yīng)的所述改變與過濾器負(fù)載有關(guān)。在優(yōu)選實施例中，所述微波能量包含多種腔模式，借此允許確定污染物材料負(fù)載的空間分布。在一個實施例中，所述微波腔響應(yīng)包含諧振模式的頻率的移位。或者，所述微波腔響應(yīng)包含諧振模式的質(zhì)量因子Q的移位。所述微波腔響應(yīng)可包含所述微波的信號在諧振下的振幅或峰值寬度的移位?？墒褂弥辽僖粋€天線來發(fā)射/接收微波能量。在一個實施例中，在反射模式中僅使用一個天線來發(fā)射/接收微波能量。可在發(fā)射模式中使用兩個天線，其中一個天線進(jìn)行發(fā)射且另一天線進(jìn)行接收。替代天線，可使用至少一個波導(dǎo)來發(fā)射/接收微波能量。在一實施例中，在反射模式中使用一個波導(dǎo)來發(fā)射/接收微波能量?；蛘撸稍诎l(fā)射模式中使用兩個波導(dǎo)，其中一個波導(dǎo)進(jìn)行發(fā)射且另一波導(dǎo)進(jìn)行接收。在另一實施例中，所述過濾器為用于從柴油發(fā)動機的排氣中移除微粒物質(zhì)的柴油微粒補集器。所述微粒物質(zhì)可為煙塵。應(yīng)注意，所述過濾器可為任何過濾器且所述微粒物質(zhì)可為所述過濾器上所收集的任何污染物材料。在又一實施例中，所述金屬容器包含兩個轉(zhuǎn)變圓錐體之間的圓柱形部分，所述兩個轉(zhuǎn)變圓錐體中的一者連接到排氣管道。所述微波能量可處于S頻帶中，但可使用任何頻率范圍。適合材料包含堇青石及碳化硅以及其它材料。可使用低階及高階腔模式兩者來監(jiān)測過濾器負(fù)載。在此實施例中，操作頻率可經(jīng)選擇使得所述模式在過濾器的小入口及出口區(qū)域處以截止進(jìn)行操作。當(dāng)使用兩個天線或波導(dǎo)時，其可位于過濾器的相對側(cè)上或過濾器的相同側(cè)上。在一個實施例中，所述天線及波導(dǎo)可位于過濾器的下游側(cè)上以防止污染。微波能量可由經(jīng)修改微波芯片提供且微波能量可通過具有或不具有放大的二極管來監(jiān)測。腔監(jiān)測可使用鎖定檢測及/或零差檢測或者外差檢測。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的罐狀柴油微粒過濾器的透視圖。圖2是本發(fā)明的另一實施例的橫截面圖。圖3是根據(jù)一個實施例的微波過濾器測量系統(tǒng)的圖解說明。圖4是根據(jù)另一實施例的微波過濾器測量系統(tǒng)的圖解說明。圖5是隨頻率而變的從實驗確定的S21發(fā)射的曲線圖。圖6是隨頻率而變的從實驗確定的Sll (反射)響應(yīng)的曲線圖。
圖7是展示圖5的發(fā)射模式的展開圖的曲線圖。圖8是展示隨過濾器煙塵負(fù)載而變的傳感器輸出的曲線圖。圖9是展示不同的諧振模式如何在過濾器中產(chǎn)生不同的高電場強度區(qū)域的圖解說明。圖10是展示多種過濾器諧振模式對不平均煙塵分布的響應(yīng)的曲線圖。圖11是展示隨過濾器煙塵負(fù)載而變且針對不同的過濾器煙塵分布的傳感器輸出的曲線圖。圖12是展示微波信號對過濾器中的煙灰積累的響應(yīng)的曲線圖。圖13是展示微波信號對過濾器故障的響應(yīng)的曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明基于可使用微波來確定補集器或過濾器的負(fù)載狀態(tài)的認(rèn)識。所述負(fù)載可為煙塵、微粒、煙灰或任何固體/液體。除確定總負(fù)載量以外，本文中將描述的微波系統(tǒng)在確定負(fù)載在整個過濾器中的分布時為有用的。本發(fā)明中所使用的微波感測可為廉價的，因為可在市場上購到感興趣頻率范圍中的廉價振蕩器及檢測器。在柴油微粒過濾器的情況下，微粒由煙塵及其它有機化合物(固體及/或液體) 以及煙灰構(gòu)成。出于本發(fā)明的目的，為簡單起見，碳與有機化合物的組合將稱為煙塵。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，煙塵及有機化合物通過再生被移除但煙灰負(fù)載將保留。另外，雖然本發(fā)明是指柴油微粒過濾器，但應(yīng)注意過濾器可為任一類型的過濾器。 此外，過濾器的材料負(fù)載不需要為煙塵或煙灰，而可為具有不同于其置換的介質(zhì)的介電性質(zhì)的任何材料。在一個實施例中，柴油微粒過濾器單元由在圍繞S頻帶的頻率下具有稍高于4的介電常數(shù)的堇青石制成。此材料具有小的溫度相依性。煙塵的存在(其在一些情況下可為多達(dá)補集器的10g/L，其中補集器的大小對于5. 66英寸補集器為約兩升)改變微波腔的微波特性。因此，此補集器的最大煙塵負(fù)載可在約20cm3的體積的情況下高達(dá)20g。此煙塵量對應(yīng)于補集器的顯著體積及介電性質(zhì)的對應(yīng)大的改變。注意，煙塵的介電常數(shù)為大約2。碳化硅也適合于柴油微粒過濾器的制造。碳化硅的微波性質(zhì)也使其適合于使用微波來進(jìn)行負(fù)載感測。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可使用本文中所揭示的微波負(fù)載感測技術(shù)(舉例來說)來確定纖維過濾器(有機及無機纖維)的負(fù)載，例如袋室中及其中收集具有非1介電常數(shù)的顯著質(zhì)量/體積的材料的其它應(yīng)用中所使用的那些過濾器。另外，雖然本發(fā)明通篇中使用術(shù)語“微波”，但應(yīng)注意本文中所揭示的方法及設(shè)備可同樣應(yīng)用于其它頻率范圍下的能量。舉例來說，RF范圍中的能量也可用于測試負(fù)載。如果隨時間在補集器上積聚顯著煙灰量，那么可監(jiān)測未通過再生移除的煙灰含量?？墒褂玫碗A腔模式以及高階腔模式來監(jiān)測所收集材料的補集器負(fù)載及空間分布。 不同的腔模式具有跨越體積變化的峰值及空值的不同電場圖案。對于給定腔模式，僅具有高電場的那些區(qū)域中煙塵的存在影響腔中的微波響應(yīng)。通過選擇腔中的不同模式，可對不同區(qū)域進(jìn)行取樣且因此獲得關(guān)于煙塵分布的信息。煙塵的存在以數(shù)種方式影響腔響應(yīng)。諧振頻率隨煙塵積聚移位到較低頻率。另外，腔質(zhì)量Q受吸收的煙塵的存在影響。此外，信號在諧振下的振幅隨煙塵積聚降低?？墒褂盟羞@三個參數(shù)來確定煙塵水平?？墒褂脭?shù)種模式來監(jiān)測柴油微粒過濾器的各種區(qū)域中的負(fù)載?，F(xiàn)在將結(jié)合各圖來描述本發(fā)明。首先參考圖1，柴油微粒過濾器單元10包含金屬圓柱體部分12以及轉(zhuǎn)變圓錐體14及16。圓錐體14連接到排氣管道18。在此實施例中， 一對棒狀天線20與22位于過濾器M的相對側(cè)上。由于圓錐形轉(zhuǎn)變區(qū)段14及16，操作頻率可經(jīng)選擇使得模式在補集器的小入口及出口區(qū)域處以截止進(jìn)行操作，其中所述頻率使得所述模式在主排氣管道18上低于截止而操作。不必提供屏障來局限微波輻射。在圖1的實施例中，常規(guī)棒狀天線20及22中的一者充當(dāng)發(fā)射器且另一者充當(dāng)接收器。應(yīng)理解，棒狀天線20及22兩者可位于過濾器M的相同側(cè)上而非使其位于兩側(cè)。在此情況下，棒狀天線20及22的優(yōu)選位置將在過濾器元件M的下游以最小化發(fā)射器、接收器或相關(guān)聯(lián)組件的表面上的煙塵?，F(xiàn)在參考圖2，可通過使用環(huán)形天線沈或通過使用波導(dǎo)28來實施發(fā)射器。波導(dǎo)28 可填充有高介電材料。還涵蓋使用環(huán)形天線26及/或波導(dǎo)觀充當(dāng)接收天線來監(jiān)測輻射?？墒褂脝蝹€天線(棒狀或環(huán)形)以及單個波導(dǎo)或使用兩個天線或波導(dǎo)。在單個天線/波導(dǎo)的情況下，信息呈反射信號的形式。在用于發(fā)射器/接收器的單獨天線/波導(dǎo)的情況下，可在反射或發(fā)射模式之間進(jìn)行選擇。在兩個天線/波導(dǎo)的情況下，可用于確定煙塵負(fù)載的耦合矩陣中存在四個元素從一個天線/波導(dǎo)到另一者的發(fā)射、相反情形及每一天線/ 波導(dǎo)中的反射。如圖2中所展示，發(fā)射器及/或接收器的一個適合位置在過濾器M的中心區(qū)域中。此位置圖解說明本文中所揭示的微波系統(tǒng)的明顯優(yōu)點，因為波穿透過濾器M的外部表面且因此可通過過濾器M的外部壁保護(hù)傳感器以免受煙塵沉積的影響。此布置可針對單或雙波導(dǎo)、環(huán)形天線或棒狀天線來完成。圖3中展示用于發(fā)射及接收穿過過濾器M的微波能量并處理所接收信號的系統(tǒng)的一個實施例。過濾器M含在形成微波諧振腔的過濾器外殼32內(nèi)，從而構(gòu)成微粒過濾器單元10。外殼32可以優(yōu)化其諧振性質(zhì)的方式來設(shè)計。外殼32可連接到導(dǎo)管30以引導(dǎo)穿過過濾器M的流。一個或一個以上探針20及22可安裝到外殼32以發(fā)射及接收微波能量。網(wǎng)或屏障(未展示)可或可不附接到導(dǎo)管30或外殼32以局限微波能量。在一些應(yīng)用中，使用高頻率可為合意的，從而需要使用網(wǎng)、屏障或某種其它形式的對導(dǎo)管30的限制來局限微波能量并在這些條件下形成諧振腔。在一個實施例中，圖3中所展示的微波過濾器感測系統(tǒng)可包含控制器34。控制器 34可集成到現(xiàn)有控制單元(例如發(fā)動機控制單元(ECU))中或為獨立的控制單元，且可或可不與其它控制系統(tǒng)通信?？纱嬖谝粋€或一個以上控制器34。所述控制器可控制經(jīng)配置以在給定頻率范圍上產(chǎn)生微波信號的信號產(chǎn)生器36。在一個實例中，信號產(chǎn)生器36可為壓控振蕩器且控制器34可經(jīng)配置以借助可變電壓來控制信號產(chǎn)生器36?？刂破?4可為經(jīng)配置以執(zhí)行指令集合的處理單元，例如微處理器或定制半導(dǎo)體裝置。這些指令可永久地編程到裝置中或可存儲于可讀存儲元件中，例如存儲器裝置。所述存儲器可為只讀的(例如ROM)或可為可重寫的(例如RAM、DRAM、FRAM)或兩者的組合。
7除存儲器以外，控制器34還可具有輸入及輸出端口使得其可與各種傳感器、檢測器及本文中所描述的其它裝置通信?？蓪⒂尚盘柈a(chǎn)生器36產(chǎn)生的微波信號饋送到分裂器38中且饋送到循環(huán)器40。所述循環(huán)器可連接到可經(jīng)配置以發(fā)射及接收腔32中的微波信號的探針22。所述循環(huán)器可進(jìn)一步連接到檢測器42，且檢測器42可連接到控制器34。在一個實施例中，檢測器42可為 (舉例來說)經(jīng)配置以檢測由探針22接收的微波信號的二極管檢測器，例如肖特基二極管?？刂破?4可連接到經(jīng)配置以檢測來自探針20的微波信號的檢測器44。在一個實施例中，檢測器44可為二極管檢測器，例如肖特基二極管。還可能有其它檢測器。檢測器44可進(jìn)一步連接到安裝于腔46中的探針52。另一探針M也可安裝于腔46中且借助開關(guān)48連接到分裂器38。開關(guān)48及50還可連接到控制器34?？刂破?4可經(jīng)配置以閉合開關(guān)50并斷開開關(guān)48以允許信號從分裂器38傳遞到循環(huán)器40以便將微波能量引入腔 32中以監(jiān)測過濾器M負(fù)載。在另一操作模式中，控制器34可閉合開關(guān)48并斷開開關(guān)50 以將信號從分裂器38發(fā)射到探針M。通過腔46將信號從探針M發(fā)射到探針52對執(zhí)行自診斷功能以確定圖3中所展示的微波過濾器感測系統(tǒng)是否正在正確地工作可為有用的。在此實施例中，腔46可充當(dāng)參考腔且可或可不含有任何開口。應(yīng)注意，如果在一些應(yīng)用中不需要額外自診斷功能性，那么圖3中所展示的系統(tǒng)可不需要使用提供此功能性的腔46、探針52及M或開關(guān)50及48。所述微波過濾器感測系統(tǒng)還可包含溫度傳感器56及濕氣傳感器58。傳感器56及 58可安裝于外殼32上沿著導(dǎo)管30的任一位置處或過濾器M中。微波測量可受諧振腔32 中溫度或濕氣含量的變化影響。傳感器56及58可允許控制器34通過執(zhí)行溫度或濕氣補償修改微波信號。在操作中，在裝置10的腔32內(nèi)建立微波能量。存在可用于確定補集器負(fù)載的大量模式。在一個實施例中，信號產(chǎn)生器36可經(jīng)配置以產(chǎn)生射頻信號且掃描足以在外殼32 中產(chǎn)生一種以上腔諧振模式的頻率范圍。在另一實施例中，信號產(chǎn)生器36可經(jīng)配置以僅掃描產(chǎn)生所要諧振模式所需的頻率范圍。所需頻率范圍隨腔32大小而變。在一個實例中，腔 32可具有5. 66英寸的直徑及6英寸的長度且操作頻率范圍可從IGHz到2GHz。然而，可使用任何腔32大小及頻率范圍。頻率可或可不處于微波范圍中，此取決于腔32大小及幾何形狀。在一個實施例中，控制器34可控制信號產(chǎn)生器36以產(chǎn)生足以在腔32中產(chǎn)生一種以上諧振模式的微波信號。分裂器38可將所述微波信號引導(dǎo)到循環(huán)器40。可或可不使用開關(guān)50。當(dāng)在發(fā)射模式中操作時，循環(huán)器40可將所述微波信號引導(dǎo)到探針22。探針22可通過過濾器M將所述微波信號從探針22發(fā)射以使其由探針20接收。檢測器44可檢測由探針20接收的信號并將所述信號中繼到控制器34。以此方式，可使用發(fā)射對腔32諧振曲線進(jìn)行取樣。在反射模式中操作，循環(huán)器40可準(zhǔn)許探針22發(fā)射及接收微波信號。可將由探針 22如此發(fā)射及接收的信號引導(dǎo)到檢測器42。檢測器42可將所檢測信號中繼到控制器34， 因此準(zhǔn)許使用反射對腔32諧振曲線進(jìn)行取樣。由檢測器42或44接收的信號在被發(fā)送到控制器34之前可或可不經(jīng)過濾或放大?？刂破?4可獲取來自檢測器44及42的信號并使用模擬手段或使用遵循控制器34內(nèi)含有的或可由控制器34存取的計算機可讀存儲媒體上含有的指令集合的計算機程序來處理所述信號。信號處理可包含過濾、平滑、施加校正因子或補償(例如對溫度、濕氣或所積累材料的組成)以及各種信號參數(shù)及統(tǒng)計的計算。所述控制器可通過監(jiān)測溫度傳感器 56或濕氣傳感器58并施加參考值(例如來自查找表)或校正函數(shù)(例如一方程式或一系列方程式)來實施溫度或濕氣補償。在其中不需要濕氣或溫度補償?shù)膽?yīng)用中，可不使用探針56或58。感興趣的信號參數(shù)可為一個或一個以上腔32諧振模式的振幅、頻率、峰值寬度或質(zhì)量因子。控制器34可對整個諧振曲線進(jìn)行取樣以確定以上所列出的信號參數(shù)或僅感興趣的諧振模式所需的頻率范圍。在一個實施例中，可使用遵循控制器34內(nèi)含有的或可由控制器34存取的計算機可讀存儲媒體上含有的指令集合的計算機程序從諧振曲線確定以上所列出的信號參數(shù)。也可以類似方式計算參數(shù)統(tǒng)計，例如一個以上測量的均值、中值、眾值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。以上所描述的參數(shù)可與過濾器M中所積累的材料的量、類型及分布有關(guān)?？刂破?4可將所接收信號參數(shù)與參考進(jìn)行比較。此參考可為基于所使用腔的幾何形狀的所存儲值集合。在另一實施例中，所述參考為先前所接收的信號。以此方式，所述控制器可監(jiān)測參數(shù)隨時間的改變。一種確定信號質(zhì)量因子的手段可利用控制器34來修改信號產(chǎn)生器36操作。如果信號產(chǎn)生器36為壓控振蕩器(VCO)，那么用于所述VCO的驅(qū)動電壓具有疊加于DC信號上的AC信號。所述DC信號通過控制器34變化直到來自檢測器44或42的信號響應(yīng)展示最大值為止。AC信號振幅接著通過控制器34變化直到由檢測器44或42測量的響應(yīng)的振幅展示所需的峰值/值比，可取決于測量條件而調(diào)整所述峰值/值比。如果選擇1/2的降低作為所述比，那么使功率從峰值到谷值下降3db。AC信號的振幅確定Q的值。所述關(guān)系近似成反比。因此，AC信號的振幅與諧振曲線的寬度幾乎成正比。測量已指示針對一些諧振模式的煙塵積累與峰值寬度成線性正比， 且因此AC信號的振幅與煙塵水平近似成正比。可使用許多方法來測量峰值/值，包含鎖定技術(shù)(相敏檢測)。AC信號的頻率也可為變化的或固定的?？墒褂?. IHz到IOOHz的頻率?？墒褂迷谥C振頻率上鎖定的電路，例如具有反饋的電路。通過提供信號的正確放大(及相位)并將其饋送給VC0，可使用模擬電路來確定諧振頻率。除改變源的頻率以外，確定Q的替代方法還依賴于以恒定頻率源改變腔32的諧振頻率。腔32的諧振頻率的改變可歸因于大小或幾何形狀的改變或者介電常數(shù)的改變或者兩者的組合?？缭秸墓潭l率振蕩器掃描諧振模式并測量響應(yīng)。將可能按頻率的所得改變且因此按裝置的Q校準(zhǔn)效應(yīng)因子(大小、幾何形狀或介電常數(shù))。改變腔32性質(zhì)的效應(yīng)因子可為幾何形狀的實際改變(例如在腔32的壁處的滑動短路的情況下將為可能的)或者從低場到高場移動(通過位移、旋轉(zhuǎn)或其它手段)的介電或?qū)щ姴牧系奈灰?。所需的改變量與信號的Q及信號產(chǎn)生器的穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)。因此，如果信號產(chǎn)生器具有量的頻率穩(wěn)定性，那么效應(yīng)因子需要將腔32諧振頻率改變到Δ fgenerator倍。類似地，如果待測量的負(fù)載量導(dǎo)致諧振頻率改變Δ floading,那么腔32中的諧振頻率的改變需要大于Δ fl0adingO 歸因于效應(yīng)因子的諧振頻率改變必須大于AfgmCTat 、Aflrading且還大于歸因于負(fù)載的Q改變 f*AQ。
或者，將可能使用寬帶信號來驅(qū)動腔32，其中通過寬到足以確定Q的頻率范圍來測量響應(yīng)。在又一實施例中，可使用硬件過濾器來估計Q。對于無煙塵的潔凈過濾器M，Q為高的，且諧振模式的寬度非常窄。可使用適合過濾器設(shè)計來濾除信號(在諧振下的峰值)。 隨著過濾器M被加載有煙塵，Q降低，峰值寬度增加且信號的更多部分穿過過濾器，從而增加傳感器輸出電壓。所述過濾器可經(jīng)設(shè)計使得所輸出電壓的增加對應(yīng)于Q超過某一閾值。還可通過在突然關(guān)斷信號產(chǎn)生器36之后測量微波腔32內(nèi)部的信號的衰變來確定質(zhì)量因子?？刂破?4還可經(jīng)配置以基于過濾器M中所積累的材料的量、類型或分布而起始一動作。在一個實例中，一旦過濾器M煙塵負(fù)載超過某一閾值，控制器34便可起始過濾器 24再生或觸發(fā)報警?？苫谶^濾器M中所積累的總煙塵量或局部煙塵負(fù)載超過某一閾值而觸發(fā)過濾器M再生。在另一實例中，一旦過濾器M煙灰負(fù)載超過某一閾值，控制器34 便可觸發(fā)報警以提醒操作者清潔或替換過濾器M。在另一實例中，控制器34可響應(yīng)于過濾器M故障或失靈的檢測或者圖3中所描繪的個別傳感器及組件的失靈的檢測而觸發(fā)報警。舉例來說，控制器34還可執(zhí)行計算機可讀存儲媒體上含有的一系列指令，例如計算機程序或算法。可使用所述計算機程序基于排氣或發(fā)動機操作條件及過濾器M歷史來估計過濾器M中所積累的材料的組成。在一個實例中，材料組成的估計包含煙塵成分，例如可溶有機材料、碳及硫酸鹽以及煙灰。在另一實例中，可使用所述計算機程序來估計過濾器M中所積累的材料的量并將所計算的過濾器M負(fù)載值與使用微波感測或某一其它手段 (例如壓力測量)所測量的過濾器M負(fù)載值進(jìn)行比較。在一個實施例中，控制器34可執(zhí)行自診斷功能以斷定各種組件及子系統(tǒng)是否正在正確地工作。在一個實例中，控制器34可控制信號產(chǎn)生器36以產(chǎn)生參考信號。分裂器 38可將微波信號引導(dǎo)到開關(guān)48?？刂破?4可操作開關(guān)48從而允許參考信號通過參考腔 46從分裂器38傳遞到檢測器44?？刂破?4可將來自檢測器44的所述參考信號與已知的參考值進(jìn)行比較。如果所檢測的信號與參考值偏差大于可接受的量，那么控制器34可觸發(fā)報警或記錄故障從而指示錯誤或失靈。以類似方式，還可在分裂器38與檢測器42之間利用參考腔及開關(guān)作為診斷系統(tǒng)的一部分。在另一實施例中，控制器34可命令信號產(chǎn)生器36產(chǎn)生借助探針22通過過濾器 24發(fā)射的參考信號。所述參考信號可由探針20及檢測器44(發(fā)射)或探針22及檢測器 42(反射)接收并被路由回到控制器34。所述參考信號可或可不處于微波范圍中，且可或可不導(dǎo)致在外殼32內(nèi)產(chǎn)生一種或一種以上諧振模式?？刂破?4可將來自檢測器44或42 的所述參考信號與已知的參考值進(jìn)行比較且以此方式還執(zhí)行自診斷功能?？墒褂脧那?2取樣的諧振曲線來監(jiān)測過濾器M中所收集的材料的量、類型及分布。在一個實例中，過濾器M中所收集的材料可為煙塵或煙灰。舉例來說，可進(jìn)一步使用諧振曲線的特性來確定過濾器M的狀態(tài)或健康狀況，以便檢測破裂或其中過濾器M可能已熔化的區(qū)域。腔32可經(jīng)優(yōu)化以增強在過濾器M的給定質(zhì)量負(fù)載下的測量靈敏度、擴(kuò)展測量范圍或修改腔32諧振特性。在一個實例中，可在過濾器M的上游或下游放置例如屏障或網(wǎng)的外部元件(連接到外殼32或排氣管道30)，從而準(zhǔn)許使用高于入口及出口區(qū)段的截止的高頻率。作為網(wǎng)的替代方案，將可能提供排氣管道30的修改形式以防止動力沿管道30向下傳輸，例如排氣管道30、網(wǎng)或屏障的局部變窄或甚至其它排氣元件(例如消聲器或發(fā)動機)的定位。使用較高頻率與較短波長增加腔32中的諧振模式的數(shù)目，且可改進(jìn)傳感器測量局部的材料積累或分布的空間分辨率。所述網(wǎng)為導(dǎo)電的且可與腔32的側(cè)壁或其它導(dǎo)電元件連接或斷開。屏障為網(wǎng)的變化形式，其中導(dǎo)體布置成給定圖案，而在其它方向上無導(dǎo)電元件。因此，可以極化影響若干模式使得電場平行于導(dǎo)體，但不影響其它模式。所述屏障未必需要彼此平行，但其需要具有各向異性性質(zhì)使得一些模式優(yōu)先受影響但其它模式不受影響。所述屏障可具有平行導(dǎo)電元件、徑向?qū)щ娫?、極向元件或其它圖案。雖然屏障及網(wǎng)的優(yōu)選布置呈平面形式，但其并不打算排除其它布置。另外，過濾器M本身可安裝于較大外殼或組合件內(nèi)的小外殼中。此“雙壁”外殼結(jié)構(gòu)增加微波腔32的大小同時將煙塵僅集中在腔32的含有過濾器M的中心。此外，諧振腔32的大小可相對于過濾器M增加使得過濾器M僅占據(jù)腔32的一小部分，借此擴(kuò)展系統(tǒng)的操作范圍。圖4進(jìn)一步展示使用可用于改進(jìn)測量的信噪比的零差檢測的系統(tǒng)?？刂破?4控制將RF信號饋送到分裂器38的信號產(chǎn)生器36。分裂器38可將信號饋送到循環(huán)器40或移相器60。移相器60連接到混頻器62。循環(huán)器40可連接到探針22，從而準(zhǔn)許由探針22通過腔32發(fā)射及接收RF信號。 或者，探針22可通過過濾器M將RF信號發(fā)射到探針20。腔32裝納過濾器M且可連接到導(dǎo)管30，從而構(gòu)成微粒過濾器單元10。腔32還可含有連接到混頻器62的探針20?；祛l器 62可連接到檢測器44，檢測器44還連接到控制器34。溫度傳感器56及濕氣傳感器58也可在過濾器M的上游或下游連接到導(dǎo)管30。由檢測器42及44接收的信號在被發(fā)送到控制器34之前可或可不經(jīng)過濾或放大。系統(tǒng)操作結(jié)合混頻器62利用移相器60。移相器60改變由信號產(chǎn)生器36產(chǎn)生且從分裂器38接收的信號的相位。在混頻器62中組合來自分裂器38去往移相器60的信號 (Vl)與通過裝納于腔32中的過濾器M發(fā)射的信號(V2)。來自混頻器62的信號具有DC偏置及隨Vl*V2*sin (Φ) +DC偏置變化的分量，其中 Φ為來自移相器60的相位加上穩(wěn)態(tài)相位分量。DC偏置與Φ無關(guān)。通過改變相位，Φ變化，且可從信號提取元素V1*V2。通過使用較大的VI，可從腔檢測到小信號V2?？赏ㄟ^對混頻器62輸出進(jìn)行電過濾或由控制器34進(jìn)行信號處理來確定分量Vl*V2*sin(c5)。圖5展示隨頻率而變的發(fā)射元素S21且圖6展示來自單個發(fā)射裝置/接收器系統(tǒng)的反射。在圖5中，棒狀天線是放置于捕集器的相對側(cè)上，如圖1中所展示。圖6中的曲線圖是針對單個天線形成的且信息呈反射信號的形式。圖5及圖6兩者均展示使用壓控振蕩器掃描從IGHz到2GHz的頻率范圍且使用肖特基二極管檢測含有堇青石微粒過濾器的5. 66 英寸直徑腔中的所發(fā)射信號而產(chǎn)生的多種諧振模式。相對于潔凈過濾器對，煙塵積累致使諧振峰值的振幅減小、諧振峰值的頻率移位、峰值寬度增加及質(zhì)量因子Q減小。所有這些參數(shù)均可用于監(jiān)測過濾器M負(fù)載，且信號特性的改變以圖表方式圖解說明于圖7中。具體來說，圖5展示煙塵的存在降低每一模式下的諧振頻率且還減小質(zhì)量因子Q。另外，與在不存在煙塵的情況下產(chǎn)生的波形相比，每一峰值的振幅也被衰減。類似地，圖6 展示每一諧振頻率下的振幅的顯著降低以及頻率移位及Q的降低。圖7是來自圖5的發(fā)射模式的展開圖且展示圍繞接近1. 7GHz的模式的細(xì)節(jié)。如上文所解釋，煙塵的存在改變所接收的波形的特性。在此圖中，在存在煙塵的情況下振幅降低。類似地，峰值寬度增加，從而減小其質(zhì)量因子Q。最后，歸因于煙塵的存在，諧振的頻率被移位。正是這些差異允許確定捕集器負(fù)載的確定?？墒褂每刂破?4從所取樣的諧振曲線計算上文所描述的信號參數(shù)振幅、頻率、 峰值寬度、質(zhì)量因子等等，包含來自簡并模式的衛(wèi)星信號。在一些情況下，這些信號參數(shù)可通過模擬手段來確定，且在其它情況下通過更高級的信號處理(例如通過數(shù)字手段)來確定，且可采用各種算法的應(yīng)用。所述算法可存儲于位于控制器34中的或可由控制器34存取的計算機可讀存儲媒體上。可一次以上地對諧振曲線進(jìn)行取樣并在對諧振曲線或多個循環(huán)求平均之后計算信號參數(shù)，其中一個循環(huán)為由信號產(chǎn)生器36產(chǎn)生的全頻率范圍。在另一實例中，可針對每一循環(huán)計算諧振曲線的信號參數(shù)。還可計算例如各種參數(shù)的均值、中值、 眾值及標(biāo)準(zhǔn)偏差等額外信號統(tǒng)計并利用其來確定過濾器M負(fù)載。圖8針對一種腔32諧振模式展示微波感測系統(tǒng)的隨過濾器M煙塵負(fù)載而變的傳感器輸出。在此實例中，傳感器輸出為信號質(zhì)量因子的倒數(shù)?？墒褂蒙衔乃峒靶盘枀?shù)中的任一者來確定過濾器M負(fù)載，例如振幅、頻率、峰值寬度、質(zhì)量因子及其它，其中在特定應(yīng)用中一些參數(shù)比其它參數(shù)更有利。舉例來說，在一些情況下，信號振幅可隨過濾器24 煙塵負(fù)載的增加以非線性方式衰變，而信號質(zhì)量因子的倒數(shù)可呈線性，如圖8中所展示。圖8還描繪可上載到可由控制器34存取的計算機可讀存儲媒體上的校準(zhǔn)曲線。舉例來說，校準(zhǔn)可呈查找表、方程式的形式或其它適合形式。可將所測量諧振曲線與所計算參數(shù)的比較與校準(zhǔn)值進(jìn)行比較以確定過濾器M負(fù)載。在一些情況下，可僅需要一個校準(zhǔn)值或閾值，因為其可僅對確定過濾器M負(fù)載是否已超過某一臨界值來說是重要的。在其它應(yīng)用中，可需要例如圖8中所展示的校準(zhǔn)函數(shù)的更詳細(xì)校準(zhǔn)函數(shù)。圖5及圖6中所描繪的各種諧振模式歸因于腔32的不同區(qū)域中電場強度的變化。 高電場強度的區(qū)域受那些區(qū)域中材料積累的存在的更強烈的影響?？衫么擞绊憗肀O(jiān)測過濾器M中所積累的材料的分布。圖9呈現(xiàn)展示不同的諧振模式如何在過濾器M中產(chǎn)生不同的高電場強度區(qū)域的圖解說明。圖9中僅展示過濾器M而未展示諧振腔32。所述圖展示模式X在過濾器M的中心產(chǎn)生高電場區(qū)域，而模式Y(jié)在過濾器M的入口及出口區(qū)段處產(chǎn)生高電場區(qū)域。通過對模式X及Y進(jìn)行取樣，可確定材料負(fù)載在過濾器M中的軸向分布。進(jìn)一步增加在過濾器M 中所產(chǎn)生的模式的數(shù)目(例如通過擴(kuò)展操作頻率范圍)可通過對過濾器M的更多區(qū)域進(jìn)行取樣而增加測量的空間分辨率，如圖9中的模式Z所展示。盡管圖9中展示了模式的軸向分布型(profile)的實例，但也可存在沿徑向方向的模式結(jié)構(gòu)及電場強度的差異且其可用于確定所積累材料在過濾器M中的徑向分布。當(dāng)過濾器對中的材料積累均勻時，所有諧振模式可受同等影響。當(dāng)存在材料分布的不均勻性時，一些模式可比其它模式受更大影響。圖10呈現(xiàn)展示被清晰地標(biāo)示為A、B及 C的三種諧振模式的數(shù)據(jù)。對應(yīng)于不具有煙塵的情況的數(shù)據(jù)是針對清潔的過濾器M。對應(yīng)于具有煙塵的情況的數(shù)據(jù)圖解說明不均勻煙塵分布對諧振模式特性的影響。在此情況下，煙塵僅沉積在接近過濾器M的前部面的外邊緣處。明顯地，模式A及C受過濾器M的此區(qū)域中煙塵的存在的影響，而模式B不受此影響。在一個實例中，可在過濾器M中產(chǎn)生多種諧振模式并對其進(jìn)行取樣。可從諧振曲線測量或計算若干個信號參數(shù)。對于所測量的信號參數(shù)Piim(其中下標(biāo)“i”對應(yīng)于模式數(shù)目)，所測量的信號參數(shù)與參考信號參數(shù)Pu的偏差Devi為Devi = (P^-PiJAYr。如果每一模式的相同信號參數(shù)的偏差Devi類似，那么過濾器M負(fù)載可為均勻的。 然而，如果一種模式的相同信號參數(shù)的偏差明顯不同于一種或一種以上模式的偏差，那么煙塵負(fù)載可為不均勻的。此實例針對峰值振幅到圖10的應(yīng)用展示-0. 24，DevB為-0.06，Devc 為-0. 26。結(jié)果指示過濾器M的前部處的煙塵積累主要影響模式A及C，而模式B相對不受影響。另一方面，模式B相對于模式A及C的大信號偏差改變將指示過濾器M的前部處的甚少材料積累。然而，應(yīng)注意諧振模式結(jié)構(gòu)隨腔32設(shè)計及幾何形狀而變。對用以產(chǎn)生適當(dāng)諧振模式的系統(tǒng)操作頻率的選擇取決于腔32幾何形狀以及過濾器M的待取樣的區(qū)域兩者。可使用上文所描述的方法來開發(fā)有關(guān)特定諧振模式與過濾器M的不同區(qū)域中的材料積累所需的相關(guān)性。圖11針對一種過濾器M諧振模式進(jìn)一步圖解說明過濾器M中所積累的材料的空間分布對微波信號響應(yīng)的影響。圖11中的曲線圖針對相對低水平的過濾器M負(fù)載展示隨過濾器M煙塵負(fù)載而變的信號質(zhì)量因子的倒數(shù)的改變。對應(yīng)于線64的數(shù)據(jù)由過濾器M 中的均勻煙塵積累產(chǎn)生。在線66中，針對過濾器M煙塵負(fù)載的第一 0. 5g/L，過濾器M的中心最初被堵塞，借此防止煙塵沉積在過濾器M的此區(qū)域中。當(dāng)過濾器M的中心未沉積煙塵時，諧振模式信號特性不改變。具體來說，圖11中所展示的數(shù)據(jù)(線66)展示針對從Og/L到0. 5g/L的過濾器M煙塵水平信號質(zhì)量因子的倒數(shù)無改變。當(dāng)移除堵塞物且在過濾器M的中心沉積煙塵時，信號質(zhì)量因子的倒數(shù)隨煙塵負(fù)載增加，還如線66針對高于0. 5g/L的煙塵水平所展示。應(yīng)注意，信號參數(shù)不需要為如圖 11中所展示的質(zhì)量因子，而可為任一適合參數(shù)，例如一種或一種以上諧振模式的振幅、峰值寬度或頻率(舉例來說)。類似地，還可使用信號統(tǒng)計，例如上文所列出信號參數(shù)中的一者的均值、中值、眾值或標(biāo)準(zhǔn)偏差。在一個實例中，通過監(jiān)測一種特定模式(例如模式5)相對于其它諧振模式的改變，可確定過濾器M的中心所積累的材料的量。所有諧振模式的類似改變指示過濾器M 內(nèi)的或至少針對由所使用的模式取樣的區(qū)域的材料積累均勻。模式5的信號質(zhì)量因子的倒數(shù)相對于其它模式的增加將指示過濾器M的中心所積累的材料的量增加。模式5的信號質(zhì)量因子的倒數(shù)相對于其它模式的降低將指示過濾器M的中心所積累的材料較少。然而，應(yīng)注意可使用任何信號參數(shù)或統(tǒng)計，且諧振模式結(jié)構(gòu)隨腔32設(shè)計及幾何形狀而變。對用以產(chǎn)生適當(dāng)諧振模式的系統(tǒng)操作頻率的選擇取決于腔32幾何形狀以及過濾器M的待取樣的區(qū)域兩者。包含額外模式(低階及高階兩者)可增強測量的空間分辨率。 可開發(fā)使過濾器M的各種區(qū)域中的材料負(fù)載與其它諧振模式的特性的改變有關(guān)的類似相關(guān)性。如圖10及圖11中所圖解說明，對諧振曲線進(jìn)行取樣并針對多種諧振模式比較信號響應(yīng)的改變因此提供關(guān)于過濾器M中所積累的材料的空間分布的信息。在一些情況下，材料在過濾器M中的位置可能不重要，且其可僅對于確定是否存在過濾器M負(fù)載的明顯不均勻性來說為重要的。在這些應(yīng)用中，控制器34可經(jīng)配置以在對應(yīng)于一種諧振模式的至少一個信號參數(shù)的值在容許范圍之外時起始一動作。舉例來說， 可在局部過濾器M煙塵負(fù)載超過某一閾值時起始過濾器M再生，且其在過濾器M中存在較高煙塵負(fù)載只是負(fù)載充分不均勻以致在可接受范圍之外的情況下可能不重要。還可利用微波感測系統(tǒng)來確定過濾器M中所積累的材料的類型。圖12針對其中過濾器M含有及不含有煙灰的情況圖解說明一種過濾器M諧振模式的信號特性的差異。 在此實例中，煙灰的存在強烈影響簡并模式或小側(cè)模式或者使峰值接近主諧振模式。隨著過濾器M中的煙灰水平的增加，這些側(cè)模式的振幅、峰值寬度、質(zhì)量因子及頻率受到影響。 監(jiān)測微波信號以檢測這些側(cè)模式或峰值的特性的改變提供一種用于同時檢測煙灰及煙塵負(fù)載兩者的手段。當(dāng)腔32中沉積導(dǎo)電粒子時，由于存在部分導(dǎo)電層，因此腔32的介電性質(zhì)可改變。 當(dāng)此情況發(fā)生時，不僅吸收性增加，而且模式性質(zhì)也變化。此歸因于模式在過濾器M的表面上存在導(dǎo)電介質(zhì)的情況下的行為。一般來說，所述模式相對于表面具有不同定向。即使沒有別的模式，也存在相同頻率下的多種模式(簡并模式)因為天線可產(chǎn)生具有相同場結(jié)構(gòu)但具有不同極向定向的多種模式。具有主要垂直于表面中的一者、(且因此，由于過濾器通常使用正方形通道)平行于表面中的一者的電場的模式將具有不同于其中電場相對于任一表面成45度的模式的行為。因此，借助部分導(dǎo)電的電路徑，可通過頻率的移位在兩種模式之間進(jìn)行區(qū)分。為了最佳地使用此性質(zhì)，具有可產(chǎn)生多種模式(任何大的天線)或具有多個天線將為有用的。這些天線可為電耦極(棒)或磁耦極(電流環(huán)路)。另一類型的模式簡并將針對不關(guān)于裝置的中平面(垂直于端中間的軸的平面)對稱的模式。一種模式將在裝置的一個區(qū)段(可為所述裝置的一個端)中具有高電場且在另一區(qū)段上具有低場。由于對稱性，此模式將具有對應(yīng)模式，其具有相反行為、在相對側(cè)上具有高場。由于對稱性，兩種模式對于均勻加載的過濾器M將具有相同頻率及相同Q。如果污染物材料(舉例來說，煙灰)以不均勻方式積累，那么所述模式中的一者將不同于另一者地受影響，且因此針對所述模式中的一者將存在不同于另一者的頻率移位及Q改變。因此， 模式簡并被破壞，且在測量中觀測到多個峰值?？墒褂脙蓚€或兩個以上天線或波導(dǎo)來通過DPF發(fā)射信號。對于具有不均勻性(例如不均勻材料負(fù)載)的DPF，使用不同極性(相對于DPF)將分離簡并模式?？墒褂梅逯档某霈F(xiàn)及消失(合并)來測量材料負(fù)載的量及類型、負(fù)載的不均勻性及腔32的其它性質(zhì)。還可測量將對表征再生有用的溫度并確定在經(jīng)催化DPF中的正常操作期間的煙塵積聚(其中積聚/氧化取決于補集器的溫度/氧氣/負(fù)載特性)。另外，主要由各種金屬氧化物、硫酸鹽及磷酸鹽構(gòu)成的煙灰還可展現(xiàn)不同于過濾器M及過濾器M上所收集的煙塵的介電性質(zhì)。煙灰及煙塵的介電性質(zhì)也可隨溫度及用于產(chǎn)生各種諧振模式的頻率而變。在一個實例中，煙灰的介電性質(zhì)可導(dǎo)致高溫下的RF信號吸收性增加，從而導(dǎo)致一種或一種以上諧振模式的振幅及質(zhì)量因子降低(峰值寬度增加)。以此方式，可在高溫過濾器M再生之后通過將針對加載有煙灰的過濾器M在高溫下的諧振模式特性與針對不含有煙灰的過濾器M在相同溫度下的參考信號進(jìn)行比較容易地檢測煙灰。此外，通過產(chǎn)生多種諧振模式并對其進(jìn)行取樣，可確定煙灰在過濾器M內(nèi)的分布。一般來說，可使用上文所描述的方法確定過濾器M中的一種以上類型的材料的量及分布，其中每一材料具有不同介電性質(zhì)。此外，不同材料的介電常數(shù)也可具有不同溫度及頻率相依性。所有這些差異將影響諧振模式結(jié)構(gòu)且可用于確定過濾器M中的材料的量及類型兩者。這些原理可應(yīng)用于眾多材料且不限于煙塵或煙灰。可通過在反射模式(Sll、S2》及發(fā)射模式(S12、S21)中操作RF過濾器負(fù)載測量系統(tǒng)來提供用于確定所積累材料的組成的額外參數(shù)，借此在耦合矩陣中包含額外元素。對于任一給定模式m，信號振幅比(Am)、諧振頻率(fm)及質(zhì)量因子(Qm)為過濾器 M中的不同物質(zhì)的負(fù)載的函數(shù)。因此，Am = Fm(Ql，α2,…，α η)fm = Gm(Ql，α2,…，α η)Qm = Hm(ai，α2,…，αη)其中(α ^a2,…，αη)為物質(zhì)1、2、…、η的負(fù)載。Am、fm及Qm的不同數(shù)量的相依性對不同物質(zhì)具有不同函數(shù)相依性，因為不同物質(zhì)一般來說具有介電常數(shù)的實部及虛部的不同值(頻率移位主要取決于介電常數(shù)的實部，振幅比及質(zhì)量因子更多地取決于虛部)，且實部及虛部也隨頻率變化。可通過標(biāo)準(zhǔn)手段(例如使用專家系統(tǒng))來提供不同物質(zhì)的含量的近似。反演算法可需要外部校準(zhǔn)。信號的數(shù)目越大且物質(zhì)的數(shù)目越小，估計就越佳?？山Y(jié)合此方法使用其它板上診斷來改進(jìn)組成的估計。反演算法呈以下形式α = X(A1 A2-, Ap, f1 f2, ···, fp, Q1, Q2, ···, Qp)α2 = Ψ (A1, A2-, Ap, f1 f2, ···, fp, Q1, Q2, ···, Qp)…αη = Z(A1 A2-, Ap, f1 f2, ···, fp, Q1, Q2, ···, Qp)所述算法也可依據(jù)預(yù)測及實際負(fù)載提供偏差的估計。如圖8及圖11中所展示，在一個實例中，負(fù)載與Q成反比，但也可使用例如一種或一種以上諧振模式的振幅、頻率或?qū)挾鹊绕渌鼌?shù)。因此，方程式的形式可替代地為α = X(A1 A2-, Ap, f1 f2,…，fp，1/ , 1/ , ...,1/ )α2 = Ψ (A1, A2-, Ap, f1 f2,…，fp，1/ , 1/ , ...,1/ )…αη = Z(A1 A2-, Ap, f1 f2, ^,IZQ1AZQ2, ...，1/QP)此外，通過呈以下形式的方程式確定每一模式的腔因子的相依性為有利的Am = Fm(Ql，α2,…，α η)fm = Gm(ai，α2,…，αη)1/Qm = H' ^a1, a 2, ...，a n)此算法矩陣的反演將比使用Hm反演方程式集合更穩(wěn)健。上文所描述的過程可經(jīng)一般化以包含組成分布的確定。假定(Ci1, a2,…，an) 是主要受模式α影響的濃度，(β1; β2，…，βη)是主要通過模式β檢測的濃度等等，那么上文所描述的方法可經(jīng)一般化以包含不同物質(zhì)的分布。“主要檢測的”指示過濾器M中的其中相關(guān)聯(lián)模式的電場為高的那些區(qū)域。在此情況下，反演算法將看起來為
Am = F*m(a1, a 2,…，α η, β β2,…，β η,…，)fm = G*m(a a2, a n, β2, ...，βη，…，)1/Qm = H*m(a a 2, ···, a n, β2, ...，βη，…，)可能存在比方程式多的變量，且因此為了提供反演，可有必要做出關(guān)于不同化合物的可能位置的假定。最佳方法將為用不同位置中的不同化合物的不同負(fù)載建立大的數(shù)據(jù)矩陣，且接著使用專家系統(tǒng)來導(dǎo)出一或若干反演算法。舉例來說，過濾器M故障(例如破裂及熔化)影響陶瓷襯底的介電性質(zhì)。經(jīng)由破裂、斷裂或熔化導(dǎo)致的襯底一部分的損失在過濾器M的一些區(qū)域中形成空隙空間。實驗數(shù)據(jù)已展示對具有各種缺陷的過濾器的微波信號響應(yīng)的改變，如圖13中所呈現(xiàn)。信號響應(yīng)的改變包含頻率的移位、振幅的改變及過濾器M質(zhì)量因子的改變以及其它改變。另外，可通過監(jiān)測過濾器M的一些區(qū)域中的異常材料積累或其缺乏來檢測過濾器M故障。破裂的、斷裂的或熔化的過濾器M可允許煙塵從過濾器M泄漏，從而導(dǎo)致接近故障的區(qū)域具有甚少煙塵或煙灰積累。另外，過濾器M故障模式還可影響穿過過濾器M 的廢氣流。排氣流分布的改變還將影響DPF中所補集的材料的沉積分布型，此可通過使用多種諧振模式監(jiān)測所積累材料的分布來檢測。本文中所揭示的微波感測系統(tǒng)可使用廉價的組件，其中微波源為經(jīng)修改微波芯片 (例如蜂窩電話中所使用的那些芯片)，且接收器可為具有或不具有放大的簡單二極管。微波芯片可含有檢測器44或42、信號產(chǎn)生器36及控制器34。檢測系統(tǒng)可使用例如鎖定檢測、 外差檢測、零差檢測及其它檢測等高級檢測系統(tǒng)。雖然已假定負(fù)載為煙塵或煙灰(如來自發(fā)動機)，但可測量以顯著量積聚于過濾器的表面上的任何物質(zhì)，只要其具有不同于本底過濾器材料(在空氣/發(fā)動機排氣的情況下，其介電常數(shù)為1)的介電常數(shù)即可。應(yīng)認(rèn)識到，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將會想到本發(fā)明的修改及變化形式，且打算所有此類修改及變化形式均包含于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。因此，本文中所描述的各種實施例的射頻過濾器負(fù)載測量系統(tǒng)及控制所述系統(tǒng)的方法可用于監(jiān)測過濾器中所積累的材料的量、類型及分布以及檢測過濾器或系統(tǒng)故障。所述系統(tǒng)可進(jìn)一步基于所述過濾器的所監(jiān)測負(fù)載狀態(tài)或條件而起始一動作。盡管上文描述含有許多具體性，但此不應(yīng)理解為限制任一實施例的范圍而是理解為對其目前優(yōu)選實施例的例示。在各種實施例的教示內(nèi)可能有許多其它分支及變化形式。 舉例來說，射頻負(fù)載傳感器可在其中任一類型的過濾器中的材料負(fù)載的量、類型及分布的知識重要的任一應(yīng)用中應(yīng)用于所述過濾器。本文中所描述的過濾器負(fù)載測量系統(tǒng)的額外應(yīng)用的實例包含供在HVAC系統(tǒng)中使用的空氣過濾器及工業(yè)應(yīng)用中所使用的過濾袋殼體。所述過濾器不需要連接到發(fā)動機，而可用于若干個目的。此外，過濾器感測系統(tǒng)不限于從氣體中過濾粒子，而同樣可應(yīng)用于液體。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求書及其合法等效內(nèi)容而非所給出的實例來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于確定含在形成諧振腔的金屬容器內(nèi)的過濾器的污染物材料負(fù)載的方法，其中所述過濾器具有第一介電常數(shù)且所述污染物材料具有不同于所述第一介電常數(shù)的第二介電常數(shù)，所述方法包括在所述腔中建立微波能量以包含多種腔諧振模式； 監(jiān)測腔微波響應(yīng)在所述多種腔諧振模式下的改變；及基于所述腔微波響應(yīng)在所述多種腔諧振模式中的每一者下的所述改變而確定材料負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述材料負(fù)載包括所述材料在所述過濾器內(nèi)的空間分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述腔微波響應(yīng)的所述改變包括所述多種腔諧振模式中的一者的Q的改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述腔微波響應(yīng)的所述改變包括所述多種腔諧振模式中的一者的振幅的改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述腔微波響應(yīng)的所述改變包括所述多種腔諧振模式中的一者的頻率的改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括 確定所述過濾器的與每一諧振模式相關(guān)聯(lián)的區(qū)域； 將所述多種諧振模式的改變彼此進(jìn)行比較；及基于所述改變的所述比較而確定材料積累的區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括基于所述材料負(fù)載而起始過濾器再生。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括確定所述過濾器中的煙灰的數(shù)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在反射模式中使用一個天線以將微波能量發(fā)射到所述腔并從所述腔接收微波能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在發(fā)射模式中使用兩個天線，其中一個天線將微波能量發(fā)射到所述腔且另一天線從所述腔接收微波能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在反射模式中還使用所述兩個天線中的每一者，以便基于所述發(fā)射天線、所述接收天線及所使用的所述模式而形成耦合矩陣。
12.一種用于確定過濾器的污染物材料負(fù)載的系統(tǒng)，其中所述污染物材料具有不同于所述過濾器的第一介電常數(shù)的介電常數(shù)，所述系統(tǒng)包括所述過濾器，其適于從流中移除污染物材料； 金屬容器，其形成諧振腔，裝納所述過濾器；信號產(chǎn)生器，其輸出信號，所述信號具有頻率范圍以便涵蓋所述腔的多種諧振模式； 至少一個天線，其用以將所述信號從所述頻率產(chǎn)生器發(fā)射到所述腔中； 至少一個天線，其用以從所述腔接收所述所發(fā)射的信號；及控制器，其經(jīng)配置以將所述所接收的信號的參數(shù)與參考進(jìn)行比較并基于所述比較而確定所述材料負(fù)載。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述參考包括先前所接收的信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述參考包括所存儲的值。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述參數(shù)選自由振幅、頻率及質(zhì)量因子組成的群組。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于確定具有第一介電常數(shù)的過濾器中具有不同介電常數(shù)的材料的負(fù)載的系統(tǒng)及方法。所述過濾器含在形成微波腔的金屬容器內(nèi)，且在所述腔內(nèi)形成微波或RF能量并監(jiān)測腔微波響應(yīng)的改變。腔微波響應(yīng)的所述改變與過濾器負(fù)載有關(guān)。在優(yōu)選實施例中，所述微波能量包含多種腔模式，借此允許確定污染物材料負(fù)載的空間分布。在一個實施例中，所述微波腔響應(yīng)包含諧振模式的頻率的移位?；蛘?，所述微波腔響應(yīng)包含諧振模式的質(zhì)量因子Q的移位。所述微波腔響應(yīng)可包含所述微波的信號在諧振下的振幅或峰值寬度的移位。
文檔編號F01N3/00GK102203392SQ200980143806
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月3日
發(fā)明者亞歷山大·薩波克, 彼得·薛爾特, 羅納德·帕克, 萊斯利·布朗伯格 申請人:亞歷山大·薩波克, 彼得·薛爾特, 羅納德·帕克, 萊斯利·布朗伯格