JP2012507660A - System and method for measuring holdings in filters - Google Patents
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Abstract
第1の誘電率を有するフィルタの目詰まりを異なる誘電率を有する物質を用いて決定するシステムおよび方法を開示する。フィルタは、マイクロ波キャビティを形成する金属製容器内に含有され、マイクロ波またはRFエネルギーがキャビティ内で作成され、キャビティマイクロ波応答の変化が監視される。キャビティマイクロ波応答の変化は、フィルタ目詰まりに関連する。好ましい実施形態において、マイクロ波エネルギーは、複数のキャビティモードを含み、それによって、汚染物質目詰まりの空間分布の決定を可能にする。一実施形態において、マイクロ波キャビティ応答は、共振モードの周波数のシフトを含む。代替として、マイクロ波キャビティ応答は、共振モードのクオリティファクタQのシフトを含む。マイクロ波キャビティ応答は、共振時のマイクロ波の信号の振幅またはピーク幅のシフトを含んでもよい。Disclosed is a system and method for determining clogging of a filter having a first dielectric constant using materials having different dielectric constants. The filter is contained in a metal container that forms a microwave cavity, and microwave or RF energy is created in the cavity, and changes in the cavity microwave response are monitored. Changes in the cavity microwave response are associated with filter clogging. In a preferred embodiment, the microwave energy includes multiple cavity modes, thereby allowing determination of the spatial distribution of contaminant clogging. In one embodiment, the microwave cavity response includes a frequency shift of the resonant mode. Alternatively, the microwave cavity response includes a shift in the quality factor Q of the resonant mode. The microwave cavity response may include a shift in the amplitude or peak width of the microwave signal at resonance.
Description
(関連出願の相互参照)
本願は、米国仮特許出願第11/741,832号(2007年4月30日出願)の一部継続出願であり、この出願は米国仮特許出願第60/746,081号(2006年5月1日出願)の利益を主張し、これらの出願の開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application is a continuation-in-part of U.S. Provisional Patent Application No. 11 / 741,832 (filed April 30, 2007). This application is U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 746,081 (May 2006). The disclosures of these applications are hereby incorporated by reference in their entirety.
本願は、米国仮特許出願第61/110,965号(2008年11月3日出願)の利益を主張し、この出願の開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。 This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 110,965 (filed Nov. 3, 2008), the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
(発明の分野)
本発明は、フィルタ上の汚染物質目詰まり(loading)の決定に関し、より具体的には、目詰まりを決定するための無線周波数の使用に関する。
(Field of Invention)
The present invention relates to the determination of contaminant loading on a filter, and more particularly to the use of radio frequency to determine clogging.
多数の分野において、フィルタによって捕捉された物質の量の正確な検知に対する必要性が存在する。例として、HVACシステムのエアフィルタ、工業用途に使用されるフィルタバッグ筐体、および液体と共に使用されるフィルタ等の目詰まりを決定することが必要である。 In many areas, there is a need for accurate detection of the amount of material captured by a filter. As an example, it is necessary to determine clogging such as air filters for HVAC systems, filter bag housings used in industrial applications, and filters used with liquids.
また別の例として、微粒子フィルタ上の煤のフィルタ目詰まりを決定することが必要である。微粒子フィルタ上の目詰まりの量は、再生の起動のための適切な条件、ならびに完全な再生がいつ達成されたか否かを決定するための監視条件を決定するために認識されなければならない。微粒子フィルタの再生は、しばしば、煤が自由酸素の存在によって発火させられ、フィルタを通して燃焼波が生成される制御されない焼却を経ることから、この状況においては目詰まりのレベルが重要である。一定の状況下では、再生が非常に高い温度を生じさせることによって、フィルタの疲労寿命が限定され、そして最終的にその破壊をもたらし得る大きい熱応力をもたらす可能性がある。このため、煤目詰まりのレベルは、フィルタ再生の成功にとって重要である。 As another example, it is necessary to determine filter clogging of soot on the particulate filter. The amount of clogging on the particulate filter must be recognized in order to determine the appropriate conditions for activation of regeneration as well as monitoring conditions to determine when full regeneration has been achieved. The level of clogging is important in this situation because regeneration of particulate filters often undergoes an uncontrolled incineration where soot is ignited by the presence of free oxygen and combustion waves are generated through the filter. Under certain circumstances, regeneration can produce very high temperatures, which can limit the fatigue life of the filter and ultimately cause large thermal stresses that can lead to its failure. Thus, the level of clogging is important for successful filter regeneration.
微粒子フィルタの特定の用途は、ディーゼル微粒子フィルタ(DPF)である。現在、DPFに蓄積された煤の量を評価するには、フィルタ圧力低下測定値が使用される。また、いくつかの事例において、フィルタの煤目詰まりを評価するには、予測モデルが使用され得る。圧力低下測定値だけでは、微粒子フィルタの煤蓄積の間接的で不正確な測定値を提供するに過ぎず、いくつかの欠点がある。排気ガス成分、温度、および流速は、全て、フィルタ圧力低下に影響し、圧力低下をフィルタの煤目詰まりに正確に相関させるために考慮されなければならない。さらに、蓄積された灰および煤の空間分布も圧力低下測定値に影響し、この分布は、経時的に、特にフィルタが灰で目詰まりさせられるようになると変化する場合がある。 A particular application for particulate filters is diesel particulate filters (DPF). Currently, filter pressure drop measurements are used to evaluate the amount of soot accumulated in the DPF. Also, in some cases, predictive models can be used to assess filter clogging. Pressure drop measurements alone only provide an indirect and inaccurate measurement of particulate filter soot accumulation and have several drawbacks. Exhaust gas composition, temperature, and flow rate all affect the filter pressure drop and must be considered to accurately correlate the pressure drop with filter clogging. Furthermore, the spatial distribution of accumulated ash and soot also affects the pressure drop measurement, which may change over time, especially as the filter becomes clogged with ash.
反復再生後、相当量の灰も微粒子フィルタに蓄積する場合がある。圧力低下測定値は、フィルタの煤蓄積と灰蓄積との間を区別することが不可能で、後者は、圧力低下に基づく煤目詰まりの評価にさらに誤差を導入する。加えて、多種のフィルタは、フィルタの目詰まり状態および履歴に応じて、非線形の圧力低下応答および圧力低下履歴の現象を示し、これは圧力ベースのフィルタ目詰まり測定をさらに困難にする。 After repeated regeneration, a substantial amount of ash may also accumulate in the particulate filter. The pressure drop measurement cannot distinguish between filter soot accumulation and ash accumulation, the latter introducing further errors in the assessment of soot clogging based on pressure drop. In addition, various types of filters exhibit non-linear pressure drop response and pressure drop history phenomena, depending on the filter clogging condition and history, which makes pressure-based filter clogging measurements more difficult.
DPF内の煤蓄積の圧力低下ベースの評価はまた、煤目詰まりのわずかな変化に対する概して遅い応答時間および低い感度によって特徴付けられる。さらに、これらのシステムがフィルタ内の灰レベルを直接監視することが不可能であるために、フィルタが周期的に検査されることが必要になり、フィルタの実際の灰レベルに関わらず、車輌または機械の停止時間をもたらす。加えて、圧力低下ベースの測定値は、最悪のフィルタ障害以外は全て検出することが不可能であり、ほとんどの場合、厳しい搭載診断要件を満たすことができない。 A pressure drop based assessment of soot accumulation in the DPF is also characterized by a generally slow response time and low sensitivity to slight changes in soot clogging. In addition, because these systems are unable to directly monitor the ash level in the filter, the filter needs to be inspected periodically, regardless of the actual ash level of the filter, regardless of the vehicle or Introduces machine downtime. In addition, pressure drop based measurements cannot be detected except for the worst filter failure, and in most cases cannot meet stringent on-board diagnostic requirements.
フィルタ圧力低下測定値につきものの欠点のうちのいくつかに対応するために、これらの測定値と共に多様な予測モデルが一般的に使用される。多種多様なモデルが存在するが、多くは、DPFに蓄積された煤の量を予測するために、いくつかのエンジン動作パラメータ、多様なエンジンおよび排気センサからの入力、および再生イベントの間の時間を利用する。多くの場合、これらのモデルは、エンジン制御ユニット(ECU)にアップロードされる。これらのモデルは、概して、特定のエンジンおよび燃料に対して較正され、各特定の用途に対する再較正を要求する。その上、よりクリーンな燃焼の燃料(モデルが最初に較正された燃料に比較して)を用いて使用される場合、モデルは、フィルタの煤目詰まりを過剰に予測する傾向があり、不要なフィルタ再生および燃費の不利益をもたらす。予測モデルおよびフィルタ圧力低下測定値を組み合わせて使用しても、上記に挙げた欠点を克服するにはほとんど効果がない。これらの欠点は、非効率的なシステム動作、燃費の不利益、フィルタの熱循環および疲労の増加、およびフィルタの耐用年数の短縮を導く。 In order to address some of the disadvantages associated with filter pressure drop measurements, various predictive models are commonly used with these measurements. There are a wide variety of models, many of which require several engine operating parameters, input from various engine and exhaust sensors, and time between regeneration events to predict the amount of soot accumulated in the DPF. Is used. In many cases, these models are uploaded to an engine control unit (ECU). These models are generally calibrated for specific engines and fuels and require recalibration for each specific application. Moreover, when used with a cleaner burning fuel (as compared to the fuel where the model was originally calibrated), the model tends to overestimate filter clogging and is unnecessary. This results in filter regeneration and fuel economy penalty. The combined use of predictive models and filter pressure drop measurements has little effect on overcoming the drawbacks listed above. These disadvantages lead to inefficient system operation, fuel economy penalty, increased filter heat circulation and fatigue, and reduced filter life.
また、微粒子フィルタに入る排気ガスの煤エアロゾルの濃度を直接測定するために、排気ガス煤センサが提案されてきた。これらの測定システムは、排気条件に依存して、いくらかのレベルの受動的再生が発生する場合があるので、微粒子フィルタ上に蓄積された煤の量が、必ずしもフィルタに入る煤の量に等しくないという欠点がある。さらに、排気ガスの煤センサは、DPF内の灰蓄積または煤および灰の分布に関する情報を全く提供しない。加えて、これらのセンサの多くは、煤汚染を受けるという欠点があり、過剰な量のエネルギーを消費し、排気温度、排気ガス粘度、および他の因子によって導入される誤差を生じさせやすい。 In addition, exhaust gas soot sensors have been proposed to directly measure the concentration of soot aerosol in the exhaust gas entering the particulate filter. Because these measurement systems may produce some level of passive regeneration, depending on the exhaust conditions, the amount of soot accumulated on the particulate filter is not necessarily equal to the amount of soot entering the filter. There is a drawback. Further, the exhaust gas soot sensor does not provide any information regarding ash accumulation or soot and ash distribution within the DPF. In addition, many of these sensors suffer from soot contamination, which consumes excessive amounts of energy and is prone to errors introduced by exhaust temperature, exhaust gas viscosity, and other factors.
無線周波数(RF)ベースの微粒子目詰まり監視システムも提案されてきた。そのようなシステムの1つは、フィルタを通して伝送される低周波数(RF)信号の大きさに基づいて、フィルタの目詰まりを監視し、フィルタ再生を開始する。このシステムは、キャビティ内での共振を確立するために必要な周波数未満の低周波数に使用を限定することによって、複数のキャビティ共振モードを生成することに必要である高周波数を利用することに対する利点の多くを見逃している。 Radio frequency (RF) based particulate clogging monitoring systems have also been proposed. One such system monitors filter clogging and initiates filter regeneration based on the magnitude of a low frequency (RF) signal transmitted through the filter. This system has the advantage over utilizing the high frequencies required to create multiple cavity resonance modes by limiting its use to low frequencies below that required to establish resonance in the cavity Miss a lot of.
微粒子トラップ内の煤内容成分を検出するためにマイクロ波を使用することも提案された。そのような1つのシステムは、フィルタ共振周波数における変化を監視することによって、微粒子フィルタ内の煤内容成分を検出する。しかしながら、そのようなシステムは、微粒子フィルタ内の煤内容成分の空間分布を決定することができない。 It has also been proposed to use microwaves to detect soot content components in particulate traps. One such system detects soot content components in the particulate filter by monitoring changes in the filter resonant frequency. However, such a system cannot determine the spatial distribution of soot content components within the particulate filter.
これまでに知られている全てのRFおよびマイクロ波フィルタ目詰まり監視システムは、以下のいくつかの欠点がある。 All known RF and microwave filter clogging monitoring systems have several drawbacks:
(a)先行技術のシステムは、フィルタ内に蓄積された物質の空間分布を監視することが不可能である。フィルタ内の灰の蓄積は、煤を置換し、その分布を変化させる。さらに、不均一なフロー条件は、また、不均一な物質蓄積となる可能性がある。 (A) Prior art systems are unable to monitor the spatial distribution of material accumulated in the filter. The accumulation of ash in the filter displaces the soot and changes its distribution. Furthermore, non-uniform flow conditions can also result in non-uniform material accumulation.
(b)全ての周知のフィルタ目詰まり監視システムは、何らかのフィルタ煤目詰まり合計平均に基づいてフィルタ再生を開始する。局所的に高い煤の目詰まりは、フィルタ内の物質分布を測定することが不可能なシステムによっては、検出され得ない。 (B) All known filter clogging monitoring systems initiate filter regeneration based on some average filter clogging total. Locally high soot clogging cannot be detected by systems that are unable to measure the material distribution in the filter.
(c)これまでのマイクロ波およびRFベースのフィルタ目詰まりシステムは、全ての排気条件で、フィルタの煤および灰の両方の蓄積を同時に検出することができない。 (C) Previous microwave and RF-based filter clogging systems cannot simultaneously detect both soot and ash accumulation in the filter under all exhaust conditions.
(d)これらのシステムは、フィルタが必要に応じて動作することを保証するために重要であるフィルタ障害または誤動作を検出しない。 (D) These systems do not detect filter failures or malfunctions that are important to ensure that the filter operates as needed.
(e)これらのシステムは、フィルタの正しい動作のために要求されてもよい、例えば、センサ等の個別の構成要素の誤動作または障害を検出しない。 (E) These systems do not detect malfunction or failure of individual components such as sensors, which may be required for correct operation of the filter.
(f)マイクロ波およびRFベースの測定システムは、排気ガス中、およびフィルタ上に存在する湿度および水蒸気によって影響を受け、これらは、測定の誤差を削減するために考慮されなければならない。 (F) Microwave and RF based measurement systems are affected by humidity and water vapor present in the exhaust gas and on the filters, which must be considered to reduce measurement errors.
(g)従来のフィルタ目詰まり監視システムは、複合エンジンおよび後処理システムの性能を最適化するためにエンジン動作を修正することに有用であるフィードバック制御機能を提供するために、既存のエンジンおよび排気センサと通信することを達成できていない。 (G) Conventional filter clogging monitoring systems are designed to provide existing engine and exhaust to provide feedback control functions that are useful in modifying engine operation to optimize the performance of combined engines and aftertreatment systems. Communication with the sensor has not been achieved.
したがって、上記の問題に対応するフィルタ目詰まり測定システムが存在すれば、有益であろう。そのようなシステムは、保守および不要な再生サイクルの量を最小にする一方で、より低い排出限界が達成されるかもしれない点で有利であろう。加えて、複数の共振モードの使用によって、装置に特有な目詰まりのより詳細な評価が可能になるであろう。 Therefore, it would be beneficial if there was a filter clogging measurement system that addresses the above problems. Such a system would be advantageous in that lower emission limits may be achieved while minimizing the amount of maintenance and unnecessary regeneration cycles. In addition, the use of multiple resonance modes will allow for a more detailed assessment of clogs specific to the device.
微粒子フィルタに加えて、同フィルタ目詰まり測定システムは、ファイバフィルタ、ろ過のために使用される多様な多孔質媒体等を含む、広範囲のフィルタに適用され得る。一実施例は、HVACシステム内で使用されるエアフィルタにおいて、フィルタ目詰まり状態の決定は、フィルタを清掃または交換するタイミングを決定する上で重要である。同様に、袋状フィルタは、しばしば、逆流によって清掃され、フィルタ目詰まりの状態に基づいてフィルタを清掃するタイミングを決定することはここでも重要である。 In addition to particulate filters, the filter clogging measurement system can be applied to a wide range of filters, including fiber filters, various porous media used for filtration, and the like. In one embodiment, in an air filter used in an HVAC system, determining the filter clogging condition is important in determining when to clean or replace the filter. Similarly, bag filters are often cleaned by backflow, and it is important here to determine when to clean the filter based on the condition of filter clogging.
異なる誘電率を有する物質を用いて第1の誘電率を有するフィルタの目詰まりを決定するシステムおよび方法を開示する。フィルタは、マイクロ波キャビティを形成する金属製容器内に含有され、マイクロ波またはRFエネルギーがキャビティ内で作成され、キャビティマイクロ波応答の変化が監視される。キャビティマイクロ波応答の変化は、フィルタ目詰まりに関連する。好ましい実施形態において、マイクロ波エネルギーは、複数のキャビティモードを含み、それによって、汚染物質目詰まりの空間分布の決定を可能にする。 Disclosed is a system and method for determining clogging of a filter having a first dielectric constant using materials having different dielectric constants. The filter is contained in a metal container that forms a microwave cavity, and microwave or RF energy is created in the cavity, and changes in the cavity microwave response are monitored. Changes in the cavity microwave response are associated with filter clogging. In a preferred embodiment, the microwave energy includes multiple cavity modes, thereby allowing determination of the spatial distribution of contaminant clogging.
一実施形態において、マイクロ波キャビティ応答は、共振モードの周波数のシフトを含む。代替として、マイクロ波キャビティ応答は、共振モードのクオリティファクタ(quality factor)Qのシフトを含む。マイクロ波キャビティ応答は、共振時のマイクロ波の信号の振幅またはピーク幅のシフトを含んでもよい。 In one embodiment, the microwave cavity response includes a frequency shift of the resonant mode. Alternatively, the microwave cavity response includes a shift in the quality factor Q of the resonant mode. The microwave cavity response may include a shift in the amplitude or peak width of the microwave signal at resonance.
マイクロ波エネルギーを伝送/受容するように、少なくとも1つのアンテナが使用されてもよい。一実施形態において、マイクロ波エネルギーを伝送/受容するよう、1つのアンテナだけが反射モードで使用される。2つのアンテナが伝送モードで使用されてもよく、一方のアンテナが伝送し、他方のアンテナが受容する。アンテナの代わりに、マイクロ波エネルギーを伝送/受容するよう、少なくとも1つの導波管が使用されてもよい。一実施形態において、マイクロ波エネルギーを伝送/受容するように、1つの導波管が反射モードで使用される。代替として、2つの導波管が伝送モードで使用されてもよく、一方の導波管が伝送し、他方の導波管が受容する。 At least one antenna may be used to transmit / receive microwave energy. In one embodiment, only one antenna is used in reflective mode to transmit / receive microwave energy. Two antennas may be used in transmission mode, with one antenna transmitting and the other receiving. Instead of an antenna, at least one waveguide may be used to transmit / receive microwave energy. In one embodiment, one waveguide is used in reflection mode to transmit / receive microwave energy. Alternatively, two waveguides may be used in the transmission mode, with one waveguide transmitting and the other waveguide receiving.
別の実施形態において、フィルタは、ディーゼルエンジンの排気から粒子状物質を除去するためのディーゼル排気微粒子トラップである。粒子状物質は、煤であってもよい。フィルタは、どのようなフィルタであってもよく、粒子状物質は、フィルタ上で収集されるどのような汚染物質であってもよいことに注意されたい。 In another embodiment, the filter is a diesel exhaust particulate trap for removing particulate matter from diesel engine exhaust. The particulate material may be a soot. Note that the filter can be any filter and the particulate matter can be any contaminant collected on the filter.
また別の実施形態において、金属製容器は、2つの推移円錐の間に円筒部分を含み、そのうちの1つは排気管に接続される。マイクロ波エネルギーは、任意の範囲の周波数が使用されてもよいが、Sバンド内にあってもよい。好適な材料として、特に、コーディエライトおよび炭化ケイ素が挙げられる。フィルタ目詰まりを監視するよう、低次および高次両方のキャビティモードが使用されてもよい。この実施形態において、動作の頻度は、モードがフィルタの入口および出口の狭い領域でカットオフ時に動作するように、選択されてもよい。 In yet another embodiment, the metal container includes a cylindrical portion between two transition cones, one of which is connected to the exhaust pipe. The microwave energy may be in any range of frequencies, but may be in the S band. Suitable materials include in particular cordierite and silicon carbide. Both low and high order cavity modes may be used to monitor filter clogging. In this embodiment, the frequency of operation may be selected so that the mode operates at cut-off in a narrow area of the filter inlet and outlet.
2つのアンテナまたは導波管が使用される場合、これらは、フィルタの対向する側またはフィルタの同一の側に配置されてもよい。一実施形態において、アンテナおよび導波管は、汚染を防止するよう、フィルタの下流側に配置されてもよい。 If two antennas or waveguides are used, they may be placed on opposite sides of the filter or on the same side of the filter. In one embodiment, the antenna and waveguide may be placed downstream of the filter to prevent contamination.
マイクロ波エネルギーは、改良マイクロ波チップによって提供されてもよく、マイクロ波エネルギーは、増幅あり、またはなしで、ダイオードによって監視されてもよい。キャビティ監視は、ロックイン検出および/またはホモダイン検出、あるいはヘテロダイン検出を使用してもよい。 Microwave energy may be provided by a modified microwave chip, which may be monitored by a diode with or without amplification. Cavity monitoring may use lock-in detection and / or homodyne detection, or heterodyne detection.
本発明は、マイクロ波がトラップまたはフィルタの目詰まりの状態を決定するために使用され得るという認識に基づいている。目詰まりは、煤、微粒子、灰、またはいずれかの固体/液体であってもよい。目詰まりの合計量を決定することに加えて、本明細書に説明されるマイクロ波システムは、フィルタ全体の目詰まりの分布を決定する際に有用である。本発明において使用されるマイクロ波検知は、対象の周波数範囲内の安価な発振器および検出装置が市販されているので、安価であり得る。 The present invention is based on the recognition that microwaves can be used to determine the status of trap or filter clogging. The clogging may be soot, particulates, ash, or any solid / liquid. In addition to determining the total amount of clogging, the microwave system described herein is useful in determining the distribution of clogging across the filter. The microwave detection used in the present invention can be inexpensive because inexpensive oscillators and detectors within the frequency range of interest are commercially available.
ディーゼル微粒子フィルタの場合、微粒子は、煤および他の有機化合物(固体および/または液体)、ならびに灰から作られる。本開示の目的のために、炭素および有機化合物の複合物は、簡略化のために煤と称される。当業者は、煤および有機化合物が再生を経て除去されるが、灰目詰まりは残存することを認識する。 In the case of diesel particulate filters, the particulates are made from soot and other organic compounds (solid and / or liquid) and ash. For the purposes of this disclosure, composites of carbon and organic compounds are referred to as cocoons for simplicity. One skilled in the art recognizes that soot and organic compounds are removed through regeneration, but ash clogging remains.
加えて、本開示はディーゼル微粒子フィルタに言及しているが、フィルタは任意の種類のフィルタでもあり得ることに注意されたい。さらに、フィルタの物質目詰まりは、煤または灰である必要はなく、それが置換する媒体と異なる誘電特性を備える任意の物質であってもよい。 In addition, although this disclosure refers to a diesel particulate filter, it should be noted that the filter can be any type of filter. Further, the material clogging of the filter need not be soot or ash, but can be any material with different dielectric properties than the medium it replaces.
一実施形態において、ディーゼル微粒子フィルタユニットは、Sバンド付近の周波数において4よりわずかに高い誘電率を有するコーディエライトから作製される。この物質は、小さい温度依存性を有する。煤の存在(いくつかの事例においては、トラップについて最高10g/リットルが可能で、トラップのサイズは、5.66インチのトラップで約2リットル)は、マイクロ波キャビティのマイクロ波特徴を変化させる。このため、このトラップの最大の煤目詰まりは、約20cm3の容積を有して最高20gであり得る。この煤の量は、実質的な容積およびトラップの誘電特徴における対応する大きい変化に対応する。煤の誘電率は、およそ2であることに注意する。 In one embodiment, the diesel particulate filter unit is made from cordierite having a dielectric constant slightly higher than 4 at frequencies near the S band. This material has a small temperature dependence. The presence of soot (in some cases, up to 10 g / liter is possible for the trap, and the trap size is about 2 liters for a 5.66 inch trap) changes the microwave characteristics of the microwave cavity. For this reason, the maximum clogging of the trap can be up to 20 g with a volume of about 20 cm 3 . This amount of wrinkles corresponds to a substantial change in substantial volume and trap dielectric characteristics. Note that the dielectric constant of 煤 is approximately 2.
炭化ケイ素もディーゼル微粒子フィルタの製造に好適である。炭化ケイ素のマイクロ波特性もまた、目詰まり検知のためのマイクロ波の使用を好適にする。当業者は、本明細書に開示されるマイクロ波目詰まり検知技術は、例えば、袋筐体内で使用されるようなファイバフィルタ(有機および無機ファイバ)の目詰まりを決定する、および不均一な誘電率を有する物質の相当な質量/容積が収集される他の用途において、使用され得ることを認識する。 Silicon carbide is also suitable for the production of diesel particulate filters. The microwave properties of silicon carbide also favor the use of microwaves for clogging detection. Those skilled in the art will know that the microwave clogging detection techniques disclosed herein determine clogging of fiber filters (organic and inorganic fibers) such as those used in, for example, bag housings, and non-uniform dielectrics. It will be appreciated that in other applications where a substantial mass / volume of material with a rate can be collected.
加えて、本開示全体で「マイクロ波」という用語が使用されるが、本明細書に開示される方法および装置は、他の周波数帯域にあるエネルギーに等しく適用可能であり得る。例えば、RF帯域のエネルギーも目詰まりに対する試験に使用されてもよい。 In addition, although the term “microwave” is used throughout this disclosure, the methods and apparatus disclosed herein may be equally applicable to energy in other frequency bands. For example, RF band energy may also be used to test for clogging.
再生を経て除去されない、灰成分は、実質的な灰の量が経時的にトラップ上に蓄積するかどうか、監視され得る。 Ash components that are not removed through regeneration can be monitored to see if substantial amounts of ash accumulate on the trap over time.
低次キャビティモードと高次キャビティモードとが、トラップ目詰まりおよび収集される物質の空間分布を監視するために使用され得る。異なるキャビティモードは、容積全体で変動するピークおよびナルを備える異なる電場パターンを有する。所与のキャビティモードに対して、高電場を備える領域内の煤の存在だけが、キャビティ内のマイクロ波に影響を与える。キャビティ内の異なるモードを選択することによって、異なる領域をサンプリングし、したがって、煤分布に関する情報を取得することが可能である。 Low and high order cavity modes can be used to monitor trap clogging and the spatial distribution of collected material. Different cavity modes have different electric field patterns with peaks and nulls that vary throughout the volume. For a given cavity mode, only the presence of soot in the region with the high electric field affects the microwave in the cavity. By selecting different modes within the cavity, it is possible to sample different regions and thus obtain information about the wrinkle distribution.
煤の存在は、いくつかの態様でキャビティ応答に影響を与える。共振周波数は、煤の蓄積と共により低い周波数へとシフトする。加えて、キャビティクオリティQは、吸収煤の存在によって影響を受ける。さらに、共振時の信号の振幅は、煤の蓄積と共に減少する。これらのパラメータ3つ全ては、煤レベルを決定するために使用され得る。ディーゼル微粒子フィルタの多様な領域における目詰まりを監視するには、いくつかのモードが使用され得る。 The presence of soot affects the cavity response in several ways. The resonant frequency shifts to a lower frequency with soot accumulation. In addition, the cavity quality Q is affected by the presence of absorption soot. Furthermore, the amplitude of the signal at resonance decreases with the accumulation of soot. All three of these parameters can be used to determine the wrinkle level. Several modes can be used to monitor clogging in various areas of the diesel particulate filter.
本発明は、ここで図面を参照して説明する。図1を参照すると、ディーゼル微粒子フィルタユニット10は、金属製の円筒部12と、遷移円錐14および16とを含む。円錐14は、排気管18に接続する。この実施形態において、1対のロッドアンテナ20および22は、フィルタ24の対向側に配置される。
The present invention will now be described with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, the diesel
円錐状の遷移区画14および16のために、動作の周波数は、モードがトラップの入口および出口の狭い領域においてカットオフで動作するように選択され得、モードは、主排気管18におけるカットオフ未満で動作するような周波数である。マイクロ波放射を制限するためにスクリーンを提供することは不要である。
Because of the
図1の実施形態において、従来のロッドアンテナ20および22のうちの一方は、伝送機として機能し、他方は受容機として機能する。ロッドアンテナ20および22の両方は、フィルタ24を挟むのではなく、同一側上に配置され得ることを理解されたい。この場合、ロッド20および22の好ましい場所は、伝送機、受容機、または関連構成要素の表面上の煤を最小にするために、フィルタ要素24の下流であろう。
In the embodiment of FIG. 1, one of the
図2をここで参照すると、ループアンテナ26の使用を介して、または導波管28の使用を介して、伝送機を実装することが可能である。導波管28は、高誘導性物質で充填されてもよい。また、受容アンテナとして機能することによって放射を監視するために、ループアンテナ26および/または導波管28を使用することも考慮される。
Referring now to FIG. 2, it is possible to implement a transmitter through the use of a
単一のアンテナ(ロッドまたはループ)および単一の導波管、または2つのアンテナまたは導波管を使用することが可能である。単一のアンテナ/導波管の場合、情報は、反射された信号の中にある。伝送機/受容機のために別個のアンテナ/導波管の場合は、反射または伝送モードの間で選択することが可能である。2つのアンテナ/導波管の場合、煤目詰まりを決定するために使用され得る結合行列には、一方のアンテナ/導波管から他方への伝送、その逆、および各アンテナ/導波管の中の反射の4つの要素がある。 It is possible to use a single antenna (rod or loop) and a single waveguide, or two antennas or waveguides. In the case of a single antenna / waveguide, the information is in the reflected signal. In the case of a separate antenna / waveguide for the transmitter / receiver, it is possible to choose between reflection or transmission modes. For two antennas / waveguides, the coupling matrix that can be used to determine clogging is transmission from one antenna / waveguide to the other, and vice versa, and for each antenna / waveguide There are four elements of reflection inside.
図2に示されるように、伝送機および/または受容機の1つの好適な場所は、フィルタ24の中央領域内である。この場所は、波がフィルタ24の外面を貫通し、このために、フィルタ24の外壁によって、センサが煤沈着から保護され得るので、本明細書に開示されるマイクロ波システムの明確な利点を示す。この配置は、単一または2つのいずれかの導波管、ループアンテナ、またはロッドアンテナに対して実行され得る。
As shown in FIG. 2, one suitable location for the transmitter and / or receiver is in the central region of the
フィルタ24を通してマイクロ波エネルギーを伝送および受容し、受容された信号を処理するためのシステムの一実施形態が図3に示される。フィルタ24は、マイクロ波共振キャビティを形成するフィルタ筐体32内部に含有され、微粒子フィルタユニット10を成す。筐体32は、その共振特性を最適化するような態様で設計されてもよい。筐体32は、フィルタ24を通してフローを誘導するために、導管30に接続され得る。1つ以上のプローブ20および22は、マイクロ波エネルギーを伝送および受容するように、筐体32に設置され得る。
One embodiment of a system for transmitting and receiving microwave energy through a
メッシュまたはスクリーン(図示せず)が、マイクロ波エネルギーを制限するために、導管30または筐体32に付設されても、されなくてもよい。いくつかの用途において、高い周波数の使用が所望されてもよく、マイクロ波エネルギーを制限し、これらの条件で共振キャビティを作成するために、導管30の制限のメッシュ、スクリーン、または何らかの他の形式の使用を必要とする。
A mesh or screen (not shown) may or may not be attached to the
一実施形態において、図3に示される、マイクロ波フィルタ検知システムは、制御装置34を含んでもよい。制御装置34は、エンジン制御ユニット(ECU)等のように、既存の導管ユニットに統合されていても、または、単体の制御ユニットであってもよく、他の制御システムと通信しても、しなくてもよい。1つ以上の制御装置34が存在してもよい。制御装置は、所与の周波数範囲内のマイクロ波信号を生成するように構成される信号発生装置36を制御してもよい。一実施例において、信号発生装置36は、電圧制御発振器であってもよく、制御装置34は、可変電圧によって、信号発生装置36を制御するように構成されてもよい。
In one embodiment, the microwave filter detection system shown in FIG. 3 may include a
制御装置34は、マイクロプロセッサまたはカスタムの半導体デバイス等の処理ユニットであってもよく、一連の命令を実行するように構成される。これらの命令は、デバイスに恒久的にプログラムされ得るか、または、メモリデバイス等の可読記憶要素の中に記憶されてもよい。メモリは、ROM等の読み取り専用であってもよく、または、RAM、DRAM、FRAM、または2つの複合型等の読み取り書き込み可能であってもよい。メモリに加えて、制御装置34は、多様なセンサ、検出装置、および本明細書に説明される他のデバイスと通信できるように、入力および出力ポートを有してもよい。
The
信号発生装置36によって生成されるマイクロ波信号は、スプリッタ38の中へ、および循環装置40へフィードされてもよい。循環装置は、キャビティ32内でマイクロ波信号を伝送および受容するように構成されてもよいプローブ22に接続されてもよい。循環装置はさらに、検出装置42に接続されてもよく、検出装置42は、制御装置34に接続されてもよい。一実施形態において、検出装置42は、例えば、プローブ22によって受容されるマイクロ波信号を検出するように構成されるショットキーバリアダイオード等のダイオード検出装置であってもよい。
The microwave signal generated by the
制御装置34は、プローブ20からのマイクロ波信号を検出するように構成される検出装置44に接続されてもよい。検出装置44は、一実施形態において、ショットキーバリアダイオード等のダイオード検出装置であってもよい。他の検出装置も可能である。検出装置44はさらに、キャビティ46内に設置されるプローブ52に接続されてもよい。別のプローブ54もまた、キャビティ46内に設置され、スイッチ48によって、スプリッタ38に接続されてもよい。スイッチ48および50もまた、制御装置34に接続されてもよい。制御装置34は、フィルタ24の目詰まりを監視するようにキャビティ32にマイクロ波エネルギーを導入するために、信号がスプリッタ38から循環装置40に渡ることを可能にするために、スイッチ50を閉じ、スイッチ48を開くように構成されてもよい。別の動作モードにおいて、制御装置34は、スプリッタ38からプローブ54へ信号を伝送するために、スイッチ48を閉じ、スイッチ50を開いてもよい。キャビティ46を通してプローブ54からプローブ52へ信号を伝送することは、図3に示されるマイクロ波フィルタ検知システムが適切に機能しているかどうかを決定するために、自己診断機能を実施することに有用であり得る。この実施形態において、キャビティ46は、基準キャビティとして機能し、どのような開口を含有しても、しなくてもよい。
The
図3に示されるシステムでは、追加の自己診断機能を提供する、キャビティ46、プローブ52および54、またはスイッチ50および48は、この機能が所定の用途において必要とされない場合は、必要でなくてもよいことに注意されたい。
In the system shown in FIG. 3, a
マイクロ波フィルタ検知システムは、また、温度センサ56および湿度センサ58を含んでもよい。センサ56および58は、筐体32上またはフィルタ24内の導管30に沿って任意の場所に付設されてもよい。マイクロ波測定値は、共振キャビティ32内の温度または湿度の変動によって影響を受ける可能性がある。センサ56および58は、制御装置34が、温度または湿度の補正を実施することによって、マイクロ波信号を変更することを可能にしてもよい。
The microwave filter detection system may also include a
動作中、マイクロ波エネルギーは、デバイス10のキャビティ32内に確立される。トラップ目詰まりを決定するために使用され得る多数のモードが存在する。一実施形態において、信号発生装置36は、無線周波数信号を生成し、筐体32内で2つ以上のキャビティ共振モードを生成することに十分な周波数範囲を掃引するように構成されてもよい。別の実施形態において、信号発生装置36は、所望の共振モードを生成するために必要な周波数範囲を掃引するようにのみ構成されてもよい。必要な周波数範囲は、キャビティ32のサイズの関数である。一実施例において、キャビティ32は、5.66インチの直径および6インチの長さを有し、動作の周波数範囲は、1GHzから2GHzであってもよい。しかしながら、どのようなキャビティ32のサイズおよび周波数範囲が使用されてもよい。周波数は、キャビティ32のサイズおよび形状に応じて、マイクロ波の範囲内であっても、なくてもよい。
In operation, microwave energy is established in the
一実施形態において、制御装置34は、キャビティ32内で2つ以上の共振モードを生成することに十分なマイクロ波信号を生成するように信号発生装置36を制御してもよい。スプリッタ38は、マイクロ波信号を循環装置40へ方向付けてもよい。スイッチ50は、使用されても、されなくてもよい。伝送モードにおいて動作するとき、循環装置40は、マイクロ波信号をプローブ22へ方向付けてもよい。プローブ22は、プローブ20によって受容されるように、フィルタ24を通してプローブ22からマイクロ波信号を伝送してもよい。検出装置44は、プローブ20によって受容された信号を検出し、信号を制御装置34に中継してもよい。この方式において、キャビティ32の共振曲線は、伝送を使用してサンプリングされてもよい。
In one embodiment, the
反射モードにおいて動作するとき、循環装置40は、プローブ22が、マイクロ波信号を伝送および受容することを可能にしてもよい。このため、プローブ22によって伝送および受容される信号は、検出装置42へ方向付けられてもよい。検出装置42は、検出された信号を制御装置34へ中継してもよく、このため、キャビティ32の共振曲線が反射を使用してサンプリングされることを可能にする。
When operating in the reflective mode, the
検出装置42または44によって受容された信号は、制御装置34に伝送される前に、フィルタリングまたは増幅されても、されなくてもよい。
The signal received by the
制御装置34は、検出装置44および42から信号を取得し、アナログ手段を使用して、あるいは、制御装置34内に含有されるか、または制御装置34によってアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上に含有される一連の命令に従うコンピュータプログラムを使用して、信号を処理してもよい。信号の処理は、温度、湿度、または蓄積物質の成分等の補正率または補償のフィルタリング、平滑化、適用、および多様な信号パラメータおよび統計データの計算を含む。制御装置は、温度センサ56または湿度センサ58を監視し、参照テーブルから等の基準値、あるいは数式または一連の数式等の補正関数を適用することによって、温度または湿度補償を実行してもよい。湿度または温度補償が不要な用途においては、プローブ56または58は使用されなくてもよい。
The
対象の信号パラメータは、1つ以上のキャビティ32の共振モードの振幅、周波数、ピーク幅、またはクオリティファクタであってもよい。制御装置34は、上記の信号パラメータを決定するために共振曲線全体を、または対象の共振モードに必要な周波数範囲だけをサンプリングしてもよい。一実施形態において、上記の信号パラメータは、制御装置34内に含有されるか、または制御装置34によってアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上に含有される一連の命令に従うコンピュータプログラムを使用して、共振曲線から決定されてもよい。2つ以上の測定値の平均値、中央値、最頻値、および標準偏差等のパラメータの統計データもまた、同様の方式で計算されてもよい。上記のパラメータは、フィルタ24内に蓄積された物質の量、種類、および分布に関連してもよい。
The signal parameter of interest may be the resonance mode amplitude, frequency, peak width, or quality factor of one or
制御装置34は、受容された信号パラメータを基準と比較してもよい。この基準は、使用されるキャビティの形状に基づく一連の記憶された値であってもよい。別の実施形態において、基準は、以前に受容された信号である。この方法において、制御装置は、経時的にパラメータの変化を監視してもよい。
信号クオリティファクタを決定する1つの手段は、信号発生装置36の動作を変更するために制御装置34を利用してもよい。信号発生装置36が電圧制御発信器(VCO)である場合、VCOの駆動電圧は、DC信号上に重畳されるAC信号を有する。DC信号は、検出装置44または42からの信号応答が最大を示すまで、制御装置34によって変動させられる。次いで、AC信号振幅は、検出装置44または42によって測定される応答の振幅が必要なピーク対値の比率を示すまで制御装置34によって変動させられ、これらは測定条件に応じて調整され得る。2分の1の係数が比率として選択される場合、出力は、ピークからバレイまで3dbだけ低下する。
One means of determining the signal quality factor may utilize the
AC信号の振幅が、Qの値を決定する。その関係は、ほぼ反比例である。このため、AC信号の振幅は、共振曲線の幅にほぼ比例する。測定値は、いくつかの共振モードの煤蓄積がピーク幅に対して一次比例であり、このため、AC信号の振幅が煤レベルにほぼ比例することを示した。 The amplitude of the AC signal determines the value of Q. The relationship is almost inversely proportional. For this reason, the amplitude of the AC signal is substantially proportional to the width of the resonance curve. The measured values showed that the soot accumulation in several resonance modes is linearly proportional to the peak width, and thus the amplitude of the AC signal is approximately proportional to the soot level.
ピーク対値を測定するために、ロックイン技法(位相敏感検波)を含む多数の方法が使用され得る。また、AC信号の周波数は、可変または一定であり得る。0.1Hzから100Hzまでの周波数が使用され得る。 A number of methods can be used to measure peak pair values, including lock-in techniques (phase sensitive detection). Also, the frequency of the AC signal can be variable or constant. A frequency from 0.1 Hz to 100 Hz can be used.
フィードバックを有する回路等の、共振周波数においてロックする回路が使用され得る。信号の正しい増幅(および位相)を提供し、それをVCOにフィードすることによって、共振周波数を決定するために、アナログ回路が使用され得る。 A circuit that locks at the resonant frequency, such as a circuit with feedback, can be used. Analog circuitry can be used to determine the resonant frequency by providing the correct amplification (and phase) of the signal and feeding it to the VCO.
発信源の周波数を変更することに加えて、Qを決定する代替方法は、一定周波数の発信源とともに、キャビティ32の共振周波数を変更することに依存する。キャビティ32の共振周波数の変化は、サイズまたは形状の変化、あるいは誘電率の変化、あるいはこの2つの組み合わせに起因し得る。共振モードが、狭い、固定された周波数の発振器にわたって掃引され、応答が計測される。影響因子(サイズ、形状、または誘電率)を周波数において得られる変化に、従って、デバイスのQに較正することが可能であろう。キャビティ32の特性を変更する影響因子は、キャビティ32の壁においてスライディングショートを用いて可能であるような形状の実際の変化、または低電界から高電界へ移動する(変位、回転、または他の手段を介して)誘電性または伝導性の物質の置換であり得る。必要な変化の量は、信号のQ、および信号発生装置の安定性に関連する。このため、信号発生装置が、量Δfgeneratorの周波数安定性を有する場合、影響因子は、キャビティ32の共振周波数をΔfgeneratorの係数によって変化させることが必要である。同様に、測定されるべき目詰まりの量がΔfloadingの共振周波数の変化になる場合、キャビティ32の共振周波数の変化は、Δfloadingよりも大きいことが必要である。影響因子に起因する共振周波数の変化は、Δfgenerator、Δfloading、および目詰まりに起因するQの変化、f*ΔQよりも大きくなければならない。
In addition to changing the frequency of the source, an alternative method of determining Q relies on changing the resonant frequency of the
代替として、Qを決定することに十分な広い周波数範囲による応答の測定値を用いて、キャビティ32を駆動するために、広帯域信号を使用することが可能であろう。
Alternatively, a wideband signal could be used to drive the
また別の実施形態において、Qは、ハードウェアフィルタを使用して評価され得る。煤のないクリーンなフィルタ24の場合、Qは高く、共振モードの幅は非常に狭い。信号(共振時のピーク)をフィルタリングするために、好適なフィルタ設計が使用され得る。フィルタ24の煤の目詰まりが高まると、Qは減少し、ピーク幅が増加し、ほとんどの信号がフィルタを通過して、センサ出力電圧を増加させる。フィルタは、電圧出力の増加が何らかの閾値を超えるQに対応するように設計され得る。
In yet another embodiment, Q can be evaluated using a hardware filter. In the case of the
また、クオリティファクタは、信号発生装置36が突然停止された後に、マイクロ波キャビティ32内の信号の減衰を測定することによって決定されてもよい。
The quality factor may also be determined by measuring the attenuation of the signal in the
制御装置34は、また、フィルタ24に蓄積した物質の量、種類、または分布に基づいて動作を開始するように構成されてもよい。一実施例において、制御装置34は、フィルタ24の煤目詰まりがある閾値を超えると、フィルタ24の再生を開始するか、または、アラームを起動してもよい。フィルタ24の再生は、フィルタ24の煤蓄積の合計量またはある閾値を超える局所的な煤目詰まりに基づいて起動されてもよい。別の実施例において、制御装置34は、フィルタ24を清掃または交換をするように操作者に警告するために、フィルタ24の灰目詰まりがある閾値を超えると、アラームを起動してもよい。別の実施例において、制御装置34は、フィルタ24の障害または誤操作の検出、あるいは図3に表される個別のセンサおよび構成要素での誤操作の検出に応答して、アラームを起動してもよい。
The
制御装置34は、また、例えば、コンピュータプログラムまたはアルゴリズム等、コンピュータ可読記憶媒体上に含有される一連の命令を実行してもよい。コンピュータプログラムは、排気またはエンジン動作状態、およびフィルタ24の履歴に基づいて、フィルタ24に蓄積された物質の成分を評価するために使用されてもよい。物質成分の推算は、一実施例においては、溶解性有機物質、炭素、および硫酸塩、ならびに灰等の煤構成成分を含む。別の実施例においては、コンピュータプログラムは、フィルタ24に蓄積された物質の量を評価し、計算されたフィルタ24の目詰まり値を、圧力測定値等、マイクロ波検知または何らかの他の手段を使用して測定されたフィルタ24の目詰まり値に比較するために使用されてもよい。
The
一実施形態において、制御装置34は、多様な構成要素およびサブシステムが正常に機能しているかどうかを確認するために、自己診断機能を実施してもよい。一実施例において、制御装置34は、基準信号を生成するために、信号発生装置36を制御してもよい。スプリッタ38は、マイクロ波信号をスイッチ48へ方向付けてもよい。制御装置34は、基準信号がスプリッタ38から基準キャビティ46を通して検出装置44へと通過することを可能にするスイッチ48を操作してもよい。制御装置34は、検出装置44からの基準信号を周知の基準値と比較してもよい。検出された信号および基準が、許容可能な量よりもさらに逸脱する場合、制御装置34は、アラームを起動または障害をログに記録して、エラーまたは誤動作を示してもよい。類似の様式において、基準のキャビティおよびスイッチはまた、診断システムの一部として、スプリッタ38と検出装置42との間で利用されてもよい。
In one embodiment, the
別の実施形態において、制御装置34は、信号発生装置36に、プローブ22によって、フィルタ24を通して伝送される基準信号を生成するように命令してもよい。基準信号は、プローブ20および検出装置44(伝送)またはプローブ22および検出装置42(反射)によって受容され、制御装置34に戻されてもよい。基準信号は、マイクロ波範囲であってもなくてもよく、筐体32内で1つ以上の共振モードの生成になってもならなくてもよい。制御装置34は、検出装置44または42からの該基準信号を周知の基準値に比較してもよく、また、この様式において、自己診断機能を実施してもよい。
In another embodiment, the
キャビティ32からサンプリングされる共振曲線は、フィルタ24に収集される物質の量、種類、および分布を監視するために使用されてもよい。一実施例において、フィルタ24に収集される物質は、煤または灰であってもよい。共振曲線の特徴は、さらに、例えば、亀裂またはフィルタ24が溶解した領域を検出する等、フィルタ24の状態または健全性を決定するために使用されてもよい。
The resonance curve sampled from the
キャビティ32は、フィルタ24の所与の質量の目詰まり時に、測定感度を強化、測定範囲を拡大、またはキャビティ32の共振特徴を変更するように最適化されてもよい。
The
一実施例において、スクリーンまたはメッシュ等の外部要素は、フィルタ24の上流または下流に設置されるか、筐体32または排気管30に接続されて、入口および出口区画のカットオフを上回る高い周波数の使用を可能にしてもよい。メッシュの代替として、排気管30の改良を提供することにより、排気管30の局所狭窄、メッシュ、またはスクリーン、あるいは、マフラーまたはエンジン等の他の排気要素の場所であっても、管30の出力低下の伝送を防止することが可能であろう。より短い波長を備えるより高い周波数の使用は、キャビティ32の共振モードの数を増加させ、局所的な物質の蓄積または分布を測定するためのセンサの空間分解能を改善することができる。
In one embodiment, external elements, such as screens or meshes, are installed upstream or downstream of the
メッシュは伝導性であり、キャビティ32の側壁または他の伝導性要素に接続、またはそれから切断され得る。スクリーンは、メッシュの変形であり、他の方向に伝導要素のない伝導体が所与のパターンで配列される。このように、電場は、伝導体に並行であるような分極を備えるモードに影響を与えるが、他のモードには影響しないことが可能である。スクリーンは必ずしも相互に並行である必要はないが、いくつかのモードが優先的に影響を受け、他は受けないように、異方性を有することが必要である。スクリーンは、並行伝導要素、放射状伝導要素、極方向要素、または他のパターンを有することができる。スクリーンおよびメッシュの好ましい配置は、平面形態にあるが、他の配置を排除することを意味しない。
The mesh is conductive and can be connected to or disconnected from the sidewalls of
加えて、フィルタ24そのものは、より大型の筐体またはアセンブリ内の小型筐体内に設置されてもよい。この「二重壁」筐体構造は、フィルタ24を含有するキャビティ32の中心だけに煤を集中させる一方で、マイクロ波キャビティ32のサイズを増加させる。さらに、共振キャビティ32のサイズは、フィルタ24がキャビティ32の小さい部分だけを占有するように、フィルタ24に対して増加されてもよく、それによってシステムの動作範囲を拡張する。
In addition, the
図4は、さらに、測定値の信号対ノイズ比を改善するために使用されてもよいホモダイン検出を使用するシステムを示す。制御装置34は、RF信号をスプリッタ38にフィードする信号発生装置36を制御する。スプリッタ38は、信号を循環装置40または位相シフト装置60にフィードしてもよい。位相シフト装置60は、混合器62に接続される。
FIG. 4 further illustrates a system that uses homodyne detection that may be used to improve the signal-to-noise ratio of the measurement. The
循環装置40は、プローブ22に接続され、RF信号が、キャビティ32を通してプローブ22によって伝送および受容されることを可能にしてもよい。代替として、プローブ22は、フィルタ24を通してRF信号をプローブ20へ伝送してもよい。キャビティ32は、フィルタ24を収容し、導管30に接続されて、特定のフィルタユニット10を成してもよい。また、キャビティ32は、混合器62に接続されるプローブ20を含有してもよい。混合器62は、制御装置34にも接続される検出装置44に接続されてもよい。温度センサ56および湿度センサ58も、フィルタ24の上流または下流いずれかの導管30に接続されてもよい。
検出装置42および44によって受容される信号は、制御装置34に伝送される前に、フィルタリングまたは増幅されても、されなくてもよい。
The signals received by the
システム動作は、混合器62と共に位相シフト装置60を利用する。位相シフト装置60は、信号発生装置36によって生成され、スプリッタ38から受容された信号の位相を変更する。位相シフト装置60に向かう、スプリッタ38からの信号(V1)およびキャビティ32に収容されたフィルタ24を通して伝送された信号(V2)は、混合器62の中で組み合わされる。
System operation utilizes the
混合器62からの信号は、DCバイアス、およびV1*V2*sin(Φ)+DCバイアスとして変動する成分を有し、Φは、位相シフト装置60からの位相に、安定状態の位相成分を加えたものである。DCバイアスは、Φに依存しない。位相を変更することによって、Φは変動し、成分V1*V2は、信号から抽出され得る。より大きいV1を使用することによって、キャビティからの小さい信号V2を検出することが可能である。成分V1*V2*sin(Φ)は、混合器62の出力または制御装置34による信号処理を電気的にフィルタリングすることを介して決定され得る。
The signal from the
図5は、周波数の関数として伝送要素S21を示しており、図6は、単一の発射機/受容機システムからの反射を示す。図5において、ロッドアンテナが、図1に示されるように、トラップの対向する側に設置されていた。図6のグラフは、単一のアンテナを用いて作成されたもので、情報は、反射信号の中にある。図5および図6は共に、1GHzから2GHzまでの周波数範囲を掃引するように電圧制御発振器、およびコーディエライト微粒子フィルタを含有する5.66インチの直径のキャビティの中で伝送信号を検出するためにショットキーバリアダイオードを使用して生成された複数の共振モードを示す。クリーンなフィルタ24に対して、煤の蓄積は、共振ピークの振幅の減少、共振ピークの周波数のシフト、ピーク幅の増加、およびクオリティファクタQの減少を発生させる。これらのパラメータの全ては、フィルタ24の目詰まりを監視するために使用されてもよく、信号特徴の変化は、図7にグラフで示される。
FIG. 5 shows the transmission element S21 as a function of frequency, and FIG. 6 shows the reflection from a single launcher / receiver system. In FIG. 5, the rod antenna was installed on the opposite side of the trap as shown in FIG. The graph of FIG. 6 was created using a single antenna and the information is in the reflected signal. 5 and 6 both detect a transmitted signal in a 5.66 inch diameter cavity containing a voltage controlled oscillator and a cordierite particulate filter to sweep the frequency range from 1 GHz to 2 GHz. Shows a plurality of resonance modes generated using a Schottky barrier diode. For
具体的には、図5は、煤の存在が、各モードにおける共振周波数を減少させ、さらにクオリティファクタQも減少させる。加えて、各ピークの振幅も、煤が存在しない場合に生成される波形に比較すると減衰させられる。同様に、図6は、各共振周波数における振幅の劇的な減少、ならびに周波数のシフトおよびQの減少を示す。 Specifically, FIG. 5 shows that the presence of soot reduces the resonant frequency in each mode and also reduces the quality factor Q. In addition, the amplitude of each peak is also attenuated compared to the waveform produced when no wrinkles are present. Similarly, FIG. 6 shows a dramatic decrease in amplitude at each resonant frequency, as well as a frequency shift and a Q decrease.
図7は、図5の伝送モードの拡大図であり、1.7GHz近傍のモード付近の詳細を示す。上記のように、煤の存在は、受容された波形の特徴を変化させる。この図では、振幅は、煤が存在する場合に減少する。同様に、ピーク幅は増加し、そのクオリティファクタQを減少させる。最後に、共振の周波数は、煤の存在に起因してシフトさせられる。トラップ目詰まりの決定が下されることを可能にするのはこれらの差異である。 FIG. 7 is an enlarged view of the transmission mode of FIG. 5 and shows details of the vicinity of the mode near 1.7 GHz. As noted above, the presence of wrinkles changes the characteristics of the received waveform. In this figure, the amplitude decreases when wrinkles are present. Similarly, the peak width increases and decreases its quality factor Q. Finally, the frequency of resonance is shifted due to the presence of soot. It is these differences that allow the trap clogging decision to be made.
上記の信号パラメータ、すなわち、振幅、周波数、ピーク幅、クオリティファクタ等は、縮退モードからの衛星信号を含み、制御装置34を使用してサンプリングされた共振曲線から計算され得る。いくつかの事例において、これらの信号パラメータは、アナログ手段によって決定されてもよく、他の事例においては、デジタル手段による等のより高度な信号処理、および多様なアルゴリズムの適用が採用されてもよい。アルゴリズムは、制御装置34の中またはアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上に記憶されてもよい。共振曲線は、2回以上サンプリングされてもよく、信号パラメータは、共振曲線または、1つのサイクルが信号発生装置36によって生成された全体の周波数範囲である複数のサイクルを平均化した後に計算されてもよい。別の実施例において、共振曲線に対する信号パラメータは、各サイクルに対して計算されてもよい。平均値、中央値、最頻値、および多様なパラメータの標準偏差等の追加の信号統計データがまた計算され、フィルタ24の目詰まりを決定するために利用されてもよい。
The above signal parameters, i.e., amplitude, frequency, peak width, quality factor, etc., can be calculated from the resonant curve sampled using
図8は、マイクロ波検知システムのセンサ出力を、1つのキャビティ32の共振モードに対するフィルタ24の煤目詰まりの関数として示す。この実施例において、センサ出力は、信号クオリティファクタの逆数である。振幅、周波数、ピーク幅、クオリティファクタ等の上記のパラメータのいずれかは、フィルタ24の目詰まりを決定するために使用されてもよく、いくつかのパラメータは、特定の用途において他よりもより利点がある。例えば、いくつかの事例において、信号振幅が、フィルタ24の煤目詰まりの増加とともに非線形に減衰し、一方で、図8に示されるように、信号クオリティファクタの逆数は直線に挙動してもよい。
FIG. 8 shows the sensor output of the microwave detection system as a function of
図8はまた、制御装置34によってアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体上にアップロードされてもよい較正曲線を表す。較正は、例えば、参照テーブル、数式、または他の好適な形であってもよい。測定された共振曲線および計算されたパラメータの比較は、フィルタ24の目詰まりを決定するために較正値と比較されてもよい。いくつかの事例において、フィルタ24の目詰まりが何らかの重要な値を超えたか否かを決定することだけが重要であってもよいので、1つの較正値または閾値だけが必要とされてもよい。他の用途においては、図8に示されるようなより詳細な較正関数が必要とされてもよい。
FIG. 8 also represents a calibration curve that may be uploaded on a computer readable storage medium accessible by the
図5および図6に示される多様な共振モードは、キャビティ32の異なる領域の電場強度の変動に起因する。高い電場強度の領域は、それらの領域の物質蓄積の存在によって、より強く影響を受ける。この影響は、フィルタ24に蓄積される物質の分布を監視するために利用されてもよい。
The various resonant modes shown in FIGS. 5 and 6 are due to variations in electric field strength in different regions of the
図9は、異なる共振モードが、フィルタ24の高い電場強度の異なる領域においてどのように生じるかを示す図である。図9には、フィルタ24だけが示され、共振キャビティ32は示されない。図は、モードXが、フィルタ24の中心の高電場の領域において生じ、モードYが、フィルタ24の入口および出口区画の高電場の領域において生じることを示す。モードXおよびYをサンプリングすることによって、フィルタ24の物質目詰まりの分布が決定され得る。動作の周波数範囲を拡大すること等によって、フィルタ24において生成されるモードの数をさらに増加させると、図9のモードZによって示されるように、フィルタ24のより多くの領域をサンプリングすることによって、測定値の空間分解能を増やし得る。モードの軸方向分析結果の実施例が図9に示されたが、放射方向におけるモード構造および電場強度の差異も存在し得、フィルタ24に蓄積された物質の放射方向の分布を決定するために使用され得る。
FIG. 9 is a diagram showing how different resonance modes occur in different regions of the
フィルタ24における物質蓄積が均一である場合、全ての共振モードは等しく影響を受け得る。物質分布の不均一が存在するとき、いくつかのモードは、他よりもさらに影響を受け得る。図10は、3つの共振モードを示すデータを示し、明確にA,B、およびCとして示される。煤のない事例に対応するデータは、クリーンなフィルタ24である。煤のある事例に対応するデータは、共振モード特徴に対する不均一な煤分布の影響を示す。この事例において、煤は、フィルタ24の前面の外周近辺にのみ沈着した。明らかに、モードAおよびCは、フィルタ24のこの領域の煤の存在によって影響を受けているが、モードBは影響を受けていない。
If the material accumulation in
一実施例において、複数の共振モードが、フィルタ24において生成され、サンプリングされ得る。いくつかの信号パラメータが測定されるか、または共振曲線から計算されてもよい。各測定信号パラメータPi,mに対して(下付き文字「i」は、モード番号に対応する)、基準信号パラメータPi,rからの測定された信号パラメータの偏差Deviは、以下の通りである。
In one embodiment, multiple resonance modes can be generated and sampled in the
Devi=(Pi,m−Pi,r)/Pi,r
各モードiに対する同じ信号パラメータの偏差Deviが同様の場合、フィルタ24の目詰まりは均一である。しかしながら、各モードに対する同じ信号パラメータの偏差が、1つ以上のモードの偏差から有意に異なる場合、煤の目詰まりは不均一であり得る。
Dev i = (P i, m −P i, r ) / P i, r
If the deviation Dev i of the same signal parameter for each mode i is similar, clogging of the
この実施例をピーク振幅に対して図10に適用すると、DevAは−0.24、DevBは−0.06、DevCは−0.26であることを示す。結果は、フィルタ24の前面の煤蓄積は、主にモードAおよびCに影響を与えるが、モードBは比較的影響を受けないことを示す。一方で、モードAおよびCに対してモードBの信号偏差が大きい変化は、フィルタ24の前面の物質蓄積がほとんどないことを示すであろう。しかしながら、共振モード構造は、キャビティ32の設計および形状の関数であることに注意されたい。適切な共振モードを生成するためのシステム動作周波数の選択は、キャビティ32の形状ならびにサンプリングされるフィルタ24の領域の両方に依存する。上記の方法は、フィルタ24の異なる領域の物質蓄積に関連する特定の共振モードに必要な相関関係を開発するために使用され得る。
When this example is applied to the peak amplitude in FIG. 10, Dev A is -0.24, Dev B is -0.06, and Dev C is -0.26. The results show that the soot accumulation on the front surface of the
図11はさらに、1つのフィルタ24共振モードに対するマイクロ波応答に関する、フィルタ24に蓄積された物質の空間分布の影響を示す。図11のグラフは、フィルタ24の目詰まりが比較的低いレベルの場合、フィルタ24の煤目詰まりの関数として、信号クオリティファクタと逆の変化を示す。線64に対応するデータは、フィルタ24の均一な煤蓄積による。線66では、フィルタ24の中心は、当初、フィルタ24の煤目詰まりの最初の0.5g/Lの間、妨害され、それによって、フィルタ24のこの領域に煤が蒸着することを防止する。
FIG. 11 further illustrates the effect of the spatial distribution of material accumulated in the
フィルタ24の中心に煤が全く沈着しなかった場合、共振モード信号特徴は変化しなかった。具体的には、図11、線66に示されるデータは、0g/Lから0.5g/Lまでの煤レベルのフィルタ24に対して、信号クオリティファクタの逆数に変化がないことを示す。妨害物が除去され、煤がフィルタ24の中心に沈着した時、信号クオリティファクタの逆数は、煤目詰まりと共に増加し、これは、煤レベルが0.5g/Lを超えるときの線66によっても示される。信号パラメータが、図11に示されるようなクオリティファクタである必要はないが、例えば、1つ以上の共振モードの振幅、ピーク幅、または周波数等の任意の好適なパラメータであり得ることに注意されたい。同様に、上記の信号パラメータのうちの1つの平均値、中央値、最頻値、または標準偏差等の信号の統計値も使用されてもよい。
When no soot was deposited in the center of the
一実施例において、モード5等の1つの特定のモードの変化を監視することによって、他の共振モードに対して、フィルタ24の中心に蓄積された物質の量が決定されてもよい。共振モードの全ての同様の変化は、フィルタ24内、または、少なくとも使用されるモードによってサンプリングされる領域に対して、均一な物質蓄積を示す。他のモードに対する、モード5の信号クオリティファクタの逆数の増加は、フィルタ24の中心に蓄積した物質の増加を示す。他のモードに対する、モード5の信号クオリティファクタの逆数の減少は、フィルタ24の中心に蓄積した物質が少ないことを示す。
In one embodiment, by monitoring changes in one particular mode, such as mode 5, the amount of material accumulated in the center of the
しかしながら、任意の信号パラメータまたは統計値が使用されてもよいこと、および共振モード構造は、キャビティ32の設計および形状の関数であることに注意されたい。適切な共振モードを生成するためのシステム動作周波数の選択は、キャビティ32の形状ならびにサンプリングされるフィルタ24の領域の両方に依存する。低次および高次の両方の、追加のモードを含めることによって、測定の空間分解能を向上させてもよい。フィルタ24の多様な領域の物質目詰まりに関する、他の共振モードの特徴の変化に対する同様の相関関係が開発されてもよい。
However, it should be noted that any signal parameter or statistic may be used and that the resonant mode structure is a function of the design and shape of the
図10および図11に示されるように、共振曲線をサンプリングすること、および複数の共振モードの信号応答の変化を比較することは、このように、フィルタ24に蓄積された物質の空間分布に関する情報を提供する。
As shown in FIGS. 10 and 11, sampling the resonance curve and comparing changes in the signal response of multiple resonance modes thus provides information about the spatial distribution of the material accumulated in the
いくつかの事例において、フィルタ24の物質の場所は、重要でなくてもよく、フィルタ24の目詰まりの顕著な不均一性が存在するかどうかを決定することだけが重要であってもよい。これらの用途において、制御装置34は、1つの共振モードに対応する少なくとも1つの信号パラメータの値が許容範囲の外側にあるときに、動作を開始するように構成されてもよい。例えば、フィルタ24の再生は、局部のフィルタ24の煤目詰まりが何らかの閾値を超えるときに開始されてもよく、フィルタ24の中により高い煤目詰まりが存在することは重要ではなく、目詰まりが、許容可能な範囲の外側である等、十分に不均一であることだけが重要であってもよい。
In some cases, the location of the material of the
マイクロ波検知システムはまた、フィルタ24に蓄積される物質の種類を決定するために利用されてもよい。図12は、フィルタ24が灰を含有する場合および含有しない場合の、1つのフィルタ24の共振モードに対する信号特徴の差を示す。この実施例では、灰の存在は、縮退モード、または、小さいサイドモード、または主要共振モード近辺のピークに強く影響する。フィルタ24の灰レベルが増加すると、これらの副モードの振幅、ピーク幅、クオリティファクタ、および周波数が影響を受ける。これらのサイドモードまたはピークの特徴の変化を検出するためにマイクロ波信号を監視することは、灰および煤の両方の目詰まりを同時に検出するための1つの手段を提供する。
The microwave detection system may also be utilized to determine the type of material that is stored in the
伝導性微粒子がキャビティ32内に沈着されると、キャビティ32の誘電特性は、部分的な伝導層が存在するので、変化して得る。これが発生すると、吸収が増加するだけでなく、モード特性も変動する。これは、フィルタ24の表面上の伝導性媒体の存在下でのモードの動作に起因する。概して、モードは、表面に対して、異なる配向を有する。アンテナは、異なる極方向配向ではなく、同じ電場構造を用いて複数のモードを生成することができるので、少なくとも、同じ周波数において複数のモードが存在する(縮退モード)。表面のうちの1つに主に直交し(および、このため、フィルタは通常四角いチャネルを使用するので)、表面のうちの1つに対して並行な電場を用いるモードは、電場がいずれかの表面に対して45度であるものとは異なる動作を有することになる。このため、部分的に伝導性の電気経路を用いて、周波数のシフトによって、2つのモードの間を区別することが可能であってもよい。この特性を最適に使用するためには、複数のモードを生成することができるアンテナを有すること(いずれか大型アンテナ)、または複数のアンテナを有することが有用であろう。これらのアンテナは、電気双極子(ロッド)または磁気双極子(電流ループ)であり得る。
As conductive particulates are deposited in the
別の種類のモード縮退は、デバイスの中央平面に対して対称ではないモードのためである(終端からの中間点の軸に対して垂直な平面)。1つのモードは、デバイスの区画上(デバイスの1つの端であってもよい)に高電場を、他方の上に低電場を有する。対称性のために、そのようなモードは、反対側に高電場を備えた、反対の動作を有する対応するモードを有する。対称性のために、両方のモードは、均一に目詰まりのあるフィルタ24に対して同じ周波数および同じQを有するであろう。例えば、灰等の汚染物質が不均一な態様で蓄積する場合、モードのうちの1つは、他とは異なって影響を受けることになり、このため、他とは異なるモードのうちの1つにおいて、周波数のシフトおよびQの変化が存在する。このため、モード縮退が破壊され、測定に複数のピークが観察される。
Another type of mode degeneration is due to modes that are not symmetric with respect to the central plane of the device (a plane perpendicular to the midpoint axis from the end). One mode has a high electric field on the partition of the device (which may be one end of the device) and a low electric field on the other. Due to symmetry, such a mode has a corresponding mode with the opposite behavior, with a high electric field on the opposite side. Because of symmetry, both modes will have the same frequency and the same Q for a uniformly clogged
2つ以上のアンテナまたは導波管は、DPFを通して信号を伝送するために使用されてもよい。不均一な物質目詰まり等、不均一性のあるDPFの場合、異なる分極(DPFに関して)を使用することは、縮退モードを区別することになる。 Two or more antennas or waveguides may be used to transmit signals through the DPF. In the case of a DPF with non-uniformity, such as non-uniform material clogging, using different polarizations (with respect to DPF) will distinguish degenerate modes.
ピークの出現および消失(統合)は、目詰まりの量および種類、目詰まりの不均一性、ならびにキャビティ32の他の特性を測定するために使用され得る。また、温度を測定することも可能であってもよく、再生を特徴付けるため、および(蓄積/酸化は、トラップの温度/酸素/目詰まり特徴に依存する)触媒型DPFの通常動作の間の煤蓄積を決定するために有用である。
The appearance and disappearance (integration) of peaks can be used to measure the amount and type of clogging, clogging non-uniformity, and other characteristics of the
加えて、主に多様な金属酸化物から成る灰、硫酸塩、およびリン酸塩もまた、フィルタ24およびフィルタ24上で収集される煤とは異なる誘電特性を示し得る。灰および煤の誘電特性もまた、温度の関数および多様な共振モードを生成するために使用される周波数の関数として変動し得る。一実施例において、灰の誘電特性は、上昇した温度において増加したRF信号吸収を生じさせ、1つ以上の共振モードの振幅およびクオリティファクタの減少(ピーク幅の増加)を生じさせ得る。この態様において、上昇した温度において灰が目詰まりしたフィルタ24の共振モード特徴を、灰を全く含まない同じ温度におけるフィルタ24の基準信号と比較することによって、灰が容易に検出され、高温フィルタ24の再生という結果になり得る。さらに、複数の共振モードを生成およびサンプリングすることによって、フィルタ24内の灰の分布が決定されてもよい。
In addition, ash, sulfate, and phosphate, mainly composed of various metal oxides, may also exhibit different dielectric properties than the
概して、フィルタ24の2種類以上の物質の量および分布は、各物質が異なる誘電特性を有する場合、上記の方法を使用して決定されてもよい。さらに、異なる物質の誘電率はまた、異なる温度および周波数依存性を有し得る。これらの差異の全ては、共振モード構造に影響を与えることになり、フィルタ24内の物質の量および種類の両方を決定するために利用され得る。これらの原理は、無数の物質に適用され得、煤または灰に限定されない。
In general, the amount and distribution of two or more materials in the
蓄積物質の成分を決定するための追加のパラメータは、反射(S11、S22)および伝送(S12、S21)モードでRFフィルタ目詰まり測定システムを操作することによって提供され得、それによって、結合行列の中に追加要素を含む。 Additional parameters for determining the constituents of the accumulating material can be provided by operating the RF filter clogging measurement system in reflection (S11, S22) and transmission (S12, S21) modes, whereby the coupling matrix Contains additional elements inside.
任意の所与のモードmに対して、信号振幅比(Am)、共振周波数(fm)およびクオリティファクタ(Qm)は、フィルタ24における異なる目詰まりについての関数である。したがって、
Am=fm(α1,α2,...,αn)
fm=Gm(α1,α2,...,αn)
Qm=Hm(α1,α2,...,αn)
であり、式中、(α1,α2,...,αn)は、種1、2、...、nの目詰まりである。異なる種は、概して、誘電率の実数部および虚数部の異なる値を有し(周波数シフトは大部分が誘電率の実数部に依存し、振幅比およびクオリティファクタは虚数部により依存する)、実数部および虚数部は、また、周波数と共に変動するので、Am、fmおよびQmの異なる量の依存性は、異なる種に対して異なる機能的依存性を有する。エキスパートシステムを使用する等、標準的な手段を介して、異種の内容の近似値を提供することが可能である。外部の較正は、逆アルゴリズムが要求され得る。信号の数が大きくなればなるほど、種の数は小さくなり、評価が改善される。成分の評価を向上するために、この方法と共に他の搭載された診断を使用することが可能である。
For any given mode m, the signal amplitude ratio (A m ), resonant frequency (f m ), and quality factor (Q m ) are functions for different clogging in the
A m = f m (α 1 , α 2 ,..., Α n )
f m = G m (α 1 , α 2 ,..., α n )
Q m = H m (α 1 , α 2 ,..., Α n )
Where (α 1 , α 2 ,..., Α n ) are
逆アルゴリズムは、次の形式である。 The inverse algorithm is of the form:
α1=X(A1,A2...,Ap,f1,f2,...,fp,Q1,Q2,...,Qp)
α2=Ψ(A1,A2...,Ap,f1,f2,...,fp,Q1,Q2,...,Qp)
…
αn=Z(A1,A2...,Ap,f1,f2,...,fp,Q1,Q2,...,Qp)
アルゴリズムはまた、予想および実際の目詰まりからの偏差の評価を提供することができる。図8および11に示されるように、1つ以上の共振モードの振幅、周波数、または幅等の他のパラメータが使用されてもよいが、一実施例において、目詰まりは、Qに対して反比例する。このため、式の形式は、代替的に以下であり得る。
α 1 = X (A 1 , A 2 ..., A p , f 1 , f 2 ,..., f p , Q 1 , Q 2 ,..., Q p )
α 2 = Ψ (A 1 , A 2 ..., A p , f 1 , f 2 ,..., f p , Q 1 , Q 2 ,..., Q p )
...
α n = Z (A 1 , A 2 ..., A p , f 1 , f 2 ,..., f p , Q 1 , Q 2 ,..., Q p )
The algorithm can also provide an estimate of deviation from expected and actual clogging. In one embodiment, clogging is inversely proportional to Q, although other parameters such as amplitude, frequency, or width of one or more resonant modes may be used, as shown in FIGS. To do. Thus, the form of the formula can alternatively be:
α1=X(A1,A2...,Ap,f1,f2,...,fp,1/Q1,1/Q2,...,1/QP)
α2=Ψ(A1,A2...,Ap,f1,f2,...,fP,1/Q1,1/Q2,...,1/QP)
…
αn=Z(A1,A2...,Ap,f1,f2,...,fP,1/Q1,1/Q2,...,1/QP)
さらに、以下の形式の式によって、各モードのキャビティ因子の依存性を決定することが有利である。
α 1 = X (A 1 , A 2 ..., A p , f 1 , f 2 ,..., f p , 1 / Q 1 , 1 / Q 2 , ..., 1 / Q P )
α 2 = Ψ (A 1 , A 2 ..., A p , f 1 , f 2 ,..., f P , 1 / Q 1 , 1 / Q 2 ,..., 1 / Q P )
...
α n = Z (A 1 , A 2 ..., Ap , f 1 , f 2 ,..., f P , 1 / Q 1 , 1 / Q 2 ,..., 1 / Q P )
Furthermore, it is advantageous to determine the dependence of the cavity factor of each mode by an equation of the form
Am=Fm(α1,α2,...,αn)
fm=Gm(α1,α2,...,αn)
1/Qm=H’m(α1,α2,...,αn)
アルゴリズムのこの行列の逆は、Hmを使用する一組の式を逆にするよりもロバストである。
A m = F m (α 1 , α 2 ,..., Α n )
f m = G m (α 1 , α 2 ,..., α n )
1 / Q m = H ′ m (α 1 , α 2 ,..., Α n )
The inverse of this matrix of the algorithm is more robust than reversing a set of equations that use H m .
上記のプロセスは、成分分布の決定を含むように一般化され得る。(α1,α2,...,αn)はモードαによって最も影響を受けるコンセントレーション(concentration)であり、(β1,β2,...,βn)はモードβによって最も影響を受けるコンセントレーションである等と仮定すると、上記の方法は、異なる種の分布を含むように一般化され得る。「最も影響を受ける」とは、関連モードの電界が高い、フィルタ24におけるそれら領域を示す。この場合、逆アルゴリズムは、
Am=F* m(α1,α2,...,αn,β1,β2,...,βn,...,)
fm=G* m(α1,α2,...,αn,β1,β2,...,βn,...,)
1/Qm=H* m(α1,α2,...,αn,β1,β2,...,βn,...,)
となる。
The above process can be generalized to include determining the component distribution. (Α 1 , α 2 ,..., Α n ) is the concentration most affected by mode α, and (β 1 , β 2 ,..., Β n ) is most affected by mode β. The above method can be generalized to include different species distributions, assuming that the concentra- tion is subject to. “Most affected” refers to those regions in the
A m = F * m (α 1 , α 2 ,..., Α n , β 1 , β 2 ,..., Β n ,.
f m = G * m (α 1 , α 2 ,..., α n , β 1 , β 2 ,..., β n ,.
1 / Q m = H * m (α 1 , α 2 ,..., Α n , β 1 , β 2 ,..., Β n ,.
It becomes.
式よりも多くの変数が存在することが可能であり、したがって、逆を提供するためには、異なる合成物の可能性が高い場所について、想定を行うことが必要な場合がある。最良の方法は、異なる場所における異なる合成物の異なる目詰まりを用いて、データの大規模行列を構築してから、逆アルゴリズム(単数または複数)を導くためのエキスパートシステム(expert system)を使用することであろう。 There can be more variables than equations, so it may be necessary to make assumptions about places where different composites are likely to provide the reverse. The best way is to build a large matrix of data using different clogs of different composites at different locations and then use an expert system to derive the inverse algorithm (s) That would be true.
亀裂および溶解等のフィルタ24の障害は、セラミック基板の誘電特性に影響を与える。亀裂、破損、または溶解による基板の一部の欠損によって、フィルタ24の所定の領域に無効空間が生じる。実験データは、図13に表されるように、様々な欠陥を有するフィルタに対するマイクロ波信号応答における変化を示している。信号応答の変化として、とりわけ、周波数のシフト、振幅の変化、およびフィルタ24のクオリティファクタの変化が挙げられる。
Faults in the
加えて、フィルタ24の障害は、フィルタ24の特定の領域における特異物質の蓄積またはその欠如を監視することによって、検出されてもよい。亀裂、破損、または溶解したフィルタ24は、煤がフィルタ24から漏れることを可能にし、障害付近の領域にほとんど煤または灰の蓄積が見られなくなる。加えて、フィルタ24の障害モードはまた、フィルタ24を通る排気ガスのフローに影響を与え得る。排気フロー分布の変化はまた、DPF内に捕集される物質の沈着特性に影響を与えることになり、これは、複数の共振モードを使用して、蓄積された物質の分布を監視することによって検出され得る。
In addition, faults in the
本明細書において開示されるマイクロ波検知システムは、安価な構成要素を使用することができ、マイクロ波発生源は、携帯電話に使用されるような強化マイクロ波チップであり、受容器は、増幅を有するかまたは有しない単純なダイオードであり得る。マイクロ波チップは、検出装置44または42、信号発生装置36、および制御装置34を含有してもよい。検出システムは、ロックイン検出、ヘテロダイン検出、ホモダイン検出等の高度な検出システムを使用することができる。
The microwave detection system disclosed herein can use inexpensive components, the microwave source is an enhanced microwave chip as used in mobile phones, and the receiver is an amplifier Can be a simple diode with or without. The microwave chip may contain a
目詰まりは、(エンジン等からの)煤または灰の目詰まりであると想定されたが、背景のフィルタ材料とは異なる誘電率を有する限り(エア/エンジン排気の場合のもの)、フィルタの表面上に相当量で蓄積する任意の物質が測定され得る。 The clogging was assumed to be soot or ash clogging (from an engine, etc.), but as long as it has a different dielectric constant from the background filter material (for air / engine exhaust), the surface of the filter Any material that accumulates in a significant amount above can be measured.
当業者には、本発明の変更および変形が生じることが認識され、そのような変更および変形は、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図される。 Those skilled in the art will recognize that modifications and variations of the present invention will occur and such modifications and variations are intended to be included within the scope of the appended claims.
したがって、本明細書において説明される多様な実施形態の無線周波数フィルタ目詰まり測定システムおよびシステムの制御の方法は、フィルタ内に蓄積される物質の量、種類、および分布を監視、ならびにフィルタまたはシステムの障害を検出するために使用され得る。システムは、さらに、フィルタの監視された目詰まり状態または状況に基づいて動作を起動してもよい。 Accordingly, the various embodiments of radio frequency filter clogging measurement systems and methods of system control described herein monitor the amount, type, and distribution of substances accumulated in a filter, as well as the filter or system. Can be used to detect any failure. The system may further trigger an action based on the monitored clogging condition or status of the filter.
上記の説明は、かなりの特異性を含有するが、これは、任意の実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、これらの現在の好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。多様な実施形態の教示内において、多数の他の効果および変形が可能である。例えば、無線周波数目詰まりセンサは、フィルタ内の物質目詰まりの量、種類、および分布の知識が重要である場合の任意の用途の任意の種類のフィルタに適用され得る。 Although the above description contains considerable specificity, this should not be construed as limiting the scope of any embodiment, but as an illustration of these presently preferred embodiments. is there. Numerous other effects and variations are possible within the teachings of various embodiments. For example, radio frequency clogging sensors can be applied to any type of filter for any application where knowledge of the amount, type, and distribution of material clogging in the filter is important.
本明細書に説明されるフィルタ目詰まり測定システムの追加の用途の例として、HVACシステム内で使用するためのエアフィルタ、および工業用途で使用されるフィルタバッグ筐体が挙げられる。フィルタは、エンジンに接続される必要はないが、いくつかの目的のために使用されてもよい。さらに、フィルタ検知システムは、気体からの微粒子のろ過に限定されず、液体に等しく適用可能である。 Examples of additional applications of the filter clogging measurement system described herein include air filters for use in HVAC systems and filter bag housings used in industrial applications. The filter need not be connected to the engine, but may be used for several purposes. Furthermore, the filter detection system is not limited to filtration of particulates from gas, but is equally applicable to liquids.
このように、本発明の範囲は、所与の実施例によってではなく、添付の請求項およびそれらの法的相当物によって判断されるべきである。 Thus, the scope of the invention should be determined by the appended claims and their legal equivalents, rather than by the examples given.
Claims (15)
複数のキャビティ共振モードを含むように、該キャビティ内にマイクロ波エネルギーを確立することと、
該複数のキャビティ共振モードにおいて、キャビティマイクロ波応答の変化を監視することと、
該複数のキャビティ共振モードの各々において、該キャビティマイクロ波応答の該変化に基づいて、物質目詰まりを決定することと
を含む、方法。 A method for determining contaminant clogging of a filter contained within a metallic container forming a resonant cavity, wherein the filter has a first dielectric constant, the contaminant being the first dielectric. Having a second dielectric constant different from the rate, the method comprising:
Establishing microwave energy in the cavity to include a plurality of cavity resonance modes;
Monitoring a change in cavity microwave response in the plurality of cavity resonance modes;
Determining a material clogging in each of the plurality of cavity resonance modes based on the change in the cavity microwave response.
該複数の共振モードの変化を相互に比較することと、
該変化の比較に基づいて、物質蓄積の領域を決定することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 Determining the region of the filter associated with each resonant mode;
Comparing the changes in the plurality of resonance modes with each other;
The method of claim 1, further comprising: determining a region of substance accumulation based on the comparison of the changes.
フローから汚染物質を除去するように適合される該フィルタと、
共振キャビティを形成する金属製容器であって、該フィルタを収納する金属製容器と、
該キャビティの複数の共振モードを包含するために、周波数範囲を有する信号を出力する信号発生装置と、
該信号発生装置から該キャビティの中へ該信号を伝送する少なくとも1つのアンテナと、
該キャビティからの該伝送された信号を受容する少なくとも1つのアンテナと、
該受容された信号のパラメータを基準と比較するように、および該比較に基づいて該物質の目詰まりを決定するように構成される制御装置と
を備える、システム。 A system for determining contaminant clogging of a filter, the contaminant having a dielectric constant different from the first dielectric constant of the filter;
The filter adapted to remove contaminants from the flow;
A metal container forming a resonant cavity, the metal container containing the filter;
A signal generator for outputting a signal having a frequency range to include a plurality of resonance modes of the cavity;
At least one antenna for transmitting the signal from the signal generator into the cavity;
At least one antenna for receiving the transmitted signal from the cavity;
A controller configured to compare a parameter of the received signal with a reference and to determine clogging of the material based on the comparison.
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