专利名称：用于借助被燃料混合物流过的同轴波导确定燃料混合物的组成的设备的制作方法
用于借助被燃料混合物流过的同轴波导确定燃料混合物的组成的设备
背景技术：
由现有技术已知用于确定燃料混合物的组成的方法和设备。例如在机动车中越来越多地使用燃料混合物，燃料混合物除了真正的矿物油-燃料外可以混合乙醇和/或其它酒精。通常在这里使机动车的发动机控制的参数与燃料混合物的组成相匹配。但是为此目的在很多情况下要以关于燃料混合物、尤其是乙醇-燃料-混合比的组成的知识为前提。一种已知的测量方法在这里是测量燃料混合物对微波的吸收、透射或反射。设置用于此目的的设备的一个例子由DE3412704A1公开。还由稍后公开的DE102008044383. 2公开一种用于确定燃料混合物的组成的方法，其中在较大的频率范围上检测对微波辐射的确定应答的特征分布以便求出燃料混合物的特性并且由此推导出燃料混合物的组成。在DE102008044383. 2中描述的方法的一个优点尤其是在于，通过使用较大的频率范围可以提高精度，从而能够比传统方法显著更精确地表征例如附加地含有水含量和/或添加剂的酒精-燃料-混合物的特点。但是在将微波信号耦合输入到燃料中或从燃料耦合输出微波信号方面存在改善潜力。
发明内容
相应地提出一种设备和一种方法，它们可用于确定燃料混合物的组成。以该方式能够尤其是考虑燃料的介电特性来确定燃料混合物的乙醇含量。变换地或附加地，可以定量地确定燃料混合物的其它含量，例如水含量和/或添加剂含量。该设备可以尤其是实施为测量探头，即作为这样的设备，它可以例如集成在燃料管路和/或其它类型的燃料管或流体接收设备中并且提供测量结果，而对流体流的分布的影响不值一提。该设备包括至少一个壳体。该壳体例如可以如下面还要详细说明的那样具有至少一个流动管区段。该壳体可以尤其是多件式地构成。所提出的壳体包括至少一个导电的、例如金属的可由燃料混合物流过的壳体元件。如下面还要详细说明的那样，壳体元件可以尤其是一个套筒或一个杯。壳体元件可以尤其是圆柱形地构成并且横向于燃料的流动方向装入到壳体中。但是也可想到其它设计方案。壳体元件优选由耐燃料的材料制成，例如由耐燃料的金属、例如不锈钢或其它金属材料制成。优选的材料尤其是型号为1.4301的不锈钢。在壳体元件中安设至少一个内导体。内导体在这里应理解为金属导体，它能够传导电信号。内导体可以例如金属丝形和/或销形地构成并且优选基本上笔直地构成。内导体优选在壳体元件的通流时与燃料混合物接触。内导体被壳体元件至少部分地包围。例如这一点可以通过以下方式进行，即内导体被壳体元件同轴地包围，从而内导体例如同心地接收在优选圆柱形的壳体元件、例如杯中。这一点优选意味着，内导体的轴线和壳体元件、例如杯的轴线基本上重合，其中，稍许偏差也是可以的，例如不超过I至2_和不超过5°的偏差。设备还具有至少一个用于使微波信号与该设备、尤其是内导体耦合的连接装置，例如一个电插头。微波信号的耦合在这里要理解为将微波信号耦合输入到该设备、尤其是内导体和/或壳体或壳体部件中，和/或从该设备、尤其是从内导体和/或壳体或壳体部件耦合输出微波信号。微波信号在这里通常应理解为电磁高频信号，它们优选在高于IOOMHz或甚至300MHz的频率范围中，例如在300MHz和300GHz之间的频率范围中，尤其是在300MHz和20GHz之间，优选在500MHz和IOGHz之间和特别优选在O. 5和8. 5GHz的范围中。如上所述，壳体元件尤其是同轴地包围内导体。这意味着，内导体如上所述基本上沿着壳体元件的轴线在壳体元件的内部延伸、至少区段地延伸。例如壳体元件可以构造为杯，例如金属杯，它例如可以具有圆的和/或多边形的横截面。杯的轴线可以例如横向于燃料混合物的流动方向延伸穿过该设备，例如横向于流动轴线。例如杯轴线可以相对于流动管轴线基本上垂直地，即例如成90° ±20°、优选90° ±10°和特别优选90° ±5°的角度地延伸。杯可以尤其是(优选在流动横截面外部)具有一个封闭的杯底。杯可以由此被描述为在一个端部通过杯底封闭的圆柱体。杯可以导电地与内导体连接，尤其是在杯底的区域中。例如内导体可以突入、伸入到杯底中(例如当内导体被构造为插头销时)或者以其它方式导电地与杯底连接。
壳体元件、尤其是杯可以尤其是具有多个孔，燃料能够通过这些孔流入到杯的内部中以及燃料能够通过这些孔从杯的内部流出。优选地，杯具有多个孔。这些孔优选具有一个直径，该直径构造为显著地小于耦合输入到燃料混合物中的微波的最小波长。以该方式能够避免耦合输出在内导体和杯或杯的内壁之间构成的微波。优选地，这些孔具有小于2mm、尤其是小于Imm的直径。例如对于E100，即具有100%的名义乙烯含量的燃料，在频率f = 19GHz时最小波长λ=7_。孔在这里可以基本上具有任意的横截面。特别优选圆的横截面。但是非圆的横截面也是基本上可想到的。在非圆的横截面、例如多边形的横截面时“直径”应理解为“等效直径”，例如具有相同的打开面积的圆的直径。连接装置应当用于耦合输入和/或耦合输出微波信号。尤其是该连接装置具有一个插头和/或一个插接连接。在这里特别优选标准化的插接连接。例如可以使用同轴插头，其中设有至少一个触头用于对内导体施加微波信号，即用于耦合输入和/或耦合输出微波信号。该触头在同轴插头的情况中被至少一个起屏蔽作用的插头部件包围。例如在这里可以使用SMA-RP-插接连接器。如上所述，该设备、尤其是该设备的壳体可以包括至少一个可被燃料混合物在流动方向上流过的流动管区段。内导体和壳体元件可以尤其是相对于流动方向横向地、优选基本上垂直地(即具有上述的偏差公差)安设到流动管区段中。例如该设备可以包括插入筒。插入筒可以包括内导体和壳体元件以及在需要时包括另外的元件。例如插入筒可以包括上述的杯以及安设在该杯中的内导体。插入筒可以在该设备的一个测量区域中横向于流动方向插入到流动管区段的接收装置中。优选杯的孔这时分别指向流动方向地定向，从而筒的杯可在不被流绕过的情况下被燃料混合物流过。接收装置可以例如包括壳体中的扩宽部，具有至少一个接收孔，筒可横向于流动方向插入到接收孔中。可插入的接收可以在这里可逆地或也永久地进行。在筒的插入之后可以例如将筒固定在接收装置中，例如通过旋紧、堵缝、夹紧环或其他的固定方式。插入筒还可以尤其是借助至少一个密封元件相对于流动管区段密封。例如可以为此设置一个、两个、四个或更多的O形圈。上述的连接装置可以例如在筒的一个端侧布置在流动管区段的外侧，从而例如流动管区段、筒和连接装置例如插接连接装置形成一个T构型。流动管区段还可以具有例如两个或更多的接头，例如一个输入接头和一个排出接头。这些接头可以标准化地构成，例如以成本低廉、液压标准化的接头的形式，例如按照SAE标准。当该设备具有一个可被燃料混合物流过的、例如具有两个液压接头的流动管区段、例如一个基本上直线或笔直地构成的流动管区段时，但是即便在其它的构型中，内导体尤其是可以接收在该设备的一个测量区域中。例如流动管区段可以包括一个流动管横截面，其中，壳体元件和内导体接收在测量区域中。测量区域中的流动管横截面可以相对于测量区域以外的流动管横截面扩宽。这意味着，测量区域比设备的其它区域、例如测量区域以外的流动管区域更大横截面地被流过。换言之，流在测量区域中被扩宽。该扩宽可以尤其是通过以下方式进行，即在测量区域中设置一个、两个或更多个壳，例如作为筒的组成部分，它们负责测量区域中的扩宽，例如连续的扩宽，即以基本上直线的变化过程扩宽。扩宽壳可以例如避免在流动管区段和测量区域之间的过渡部、例如在流动管区段和插入筒之间的过渡部的死容积。壳可以例如环形地构成并且例如同样同心地围绕内导体接收在插入筒中。壳可以例如由塑料材料、例如耐燃料的塑料材料，例如氟化聚乙烯制成。在本发明的另一个方面提出一种用于确定燃料混合物的组成的方法，其中在使用 根据上述设计方案中一项或多项的设备的情况下在一个频率范围上将微波信号耦合输入到燃料混合物中。在此在使用该设备的情况下接收应答信号。在此应答信号可以例如是反射和/或透射的信号，它们例如可以同样通过连接装置耦合输出。由对耦合输入的微波信号和应答信号的比较在此根据耦合输入的微波信号的微波频率来确定至少一个特征量。由所述特征量在微波频率上的分布来推断出燃料混合物的组成。在这里原则上可以使用在DE102008044383. 2中描述的方法。但是原则上其它方法也是可行的。应答信号在此通常表示燃料混合物对耦合输入的信号的入射的反应。例如在此通�？梢允峭干涞�、反射的、退回或发射的信号或是多种信号的组合。变换地或附加地，也可以由吸收、即信号份额的缺失来推导。特征量可以在这里原则上包括任意的量，它们由耦合输入的微波信号和应答信号形成。在这里可以例如也形成由耦合输入的信号的幅值和/或相位与相应的应答信号的大小组成的线性组合。例如可以形成在耦合输入的微波辐射的幅值与应答微波辐射的幅值之间的差和在耦合输入的微波辐射的相位与耦合输出的微波辐射的相位之间的差。这些差可以分别形成特征量和/或特征量的一部分。根据耦合输入的信号与应答信号的比较方式，特征量可以例如包括以下特征量中的至少一个介电常数、尤其是复合介电常数；电容率、尤其是复合电容率；吸收、尤其是复合吸收；透射、尤其是复合透射。复合量在这里分别理解为一个量，它含有幅值和相位。通常也用字母ε表示的介电常数描述材料的电场可通过性。它是介电质或至少仅很弱地导电的材料的材料特性，该特性在对这些材料施加电场时表现出来。它是电流强度D和电场之间的比例常数。电容率通常也称为ε ^或也成为相对介电常数，它是介电常数ε与电场常数Stl(真空的介电常数)的比。在提出的方法中，微波信号在一个频率范围上被耦合输入。这意味着，微波信号以至少两个微波频率被耦合输入。这两个微波频率可以前后相继地和/或同时地被耦合输入。微波频率优选覆盖至少IOOMHz的频率范围。在这里该频率范围可以优选通过至少两个微波频率连续地或也以规则的或不规则的步长覆盖。特别优选的是，耦合输入的微波信号包括一个超宽带-微波辐射。超宽带微波辐射(英语=Ultra Wide Band，UWB)在这里在以上定义的意义上被理解为微波辐射，它利用非常大的频率范围，具有至少500MHz的带宽。如上所示，在所提出的方法中由特征量在微波频率上的分布推导出燃料混合物的组成。该分布可以例如在一个单个步骤中确定，例如其方式是特征量在频率范围上同时地和/或前后相继地被确定，或者可以进行特征量在频率范围上的迭代或步进确定。为了分析所测得的特征量分布和由此为了确定燃料混合物的组成，原则上可以考虑任意的、分析的半经验式或经验式方法。燃料混合物的组成的确定通�？梢岳斫馕缛范ㄈ剂匣旌衔锏母鞲龌蚨喔龀煞值呐ǘ群�/或混合比。相应地，燃料混合物的组成的确定完全地在完全分析的意义上或仅仅部分地进行，例如其方式是仅仅确定各个成分和/或多个成分的浓度和/或混合比。例如特征量的参考分布可以分析地、凭经验地或半经验地确定。因此燃料混合物例如可以包括至少两个、优选三个、四个或更多的成分，其中，特征量在耦合输入的微波信号的频率上的参考分布分别对于这些成分至少部分地已知。例如，参考分布可以通过以下方式求出，即相应的成分作为纯净物或作为基本上纯净的物质借助上述的方法研究和在此里接收特征曲线分布。各个成分的特征曲线分布可以作为相应成分的参考分布例如存放在存储器中。在真正测量燃料混合物的组成时，可以由测得的实际特征量的分布借助已知的参考分布推导出燃料混合物的组成。对组成的推导可以例如通过将测得的分布与参考分布的单个比较和/或它们的插补或外推进行。也可想到其它方法。因此例如可以形成参考分布的线性组合，以便通过该方式将参考分布的线性组合与测得的分布匹配。由在与测得的分布的匹配中确定的线性组合的相关系数(它们例如可以根据已知的匹配方法确定)可以推导出各个成分的含量。但是也可想到其它的可能性，例如其方式是对于不同的燃料混合物组成将多个组合和相应的参考分布存储在存储器中并且相应地由测得的特征量的分布以最大可能的一致性找出参考分布。通过该方式也允许推导出燃料混合物的组成。附加地可以测出燃料体积附近的温度，以便补偿测量量的温度相关性。上述的设备和上述的方法相对于已知的设备和方法具有大量优点。因此允许实现一种由燃料混合物流过的测量探头，它可以由多个单个部件组合而成，其中，能够实现简单且低廉的制造，尤其是在使用上述的插入筒的情况下。此外允许实现一种具有减小的容积、没有死容积的测量探头。测量探头可以在电磁上中性地构成，而不对测量探头的周围环境加载微波辐射。测量探头允许成本低廉地构成并且例如设有符合SAE标准的液压接头。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐述。其示出图1示出按照本发明的用于确定燃料混合物的组成的设备的、具有平行于流动方向的剖切平面的横截面；图2示出按照图1的设备的立体视图；和图3示出按照图1的设备的测量区域的、具有垂直于按照图1的剖切平面的剖切平面的横截面。
具体实施例方式在图1至3中示出一种按照本发明的用于确定燃料混合物的组成的设备110的一个实施例。该设备可以尤其是用于确定燃料中的乙醇含量。该设备110在图1中在具有平行于燃料混合物的流动方向112的剖切平面的剖视图中示出，在图2中在透视图中示出，以及在图3中示出具有垂直于图1中的剖切平面的剖切平面的该设备110的通过测量区域114的示意横截面，其中，按照图3的示意图应当象征性地用于表明力线分布图。如在图1中可见,设备110包括一个壳体116。该壳体116包括一个具有液压接头120的流动管区段118，例如用于连接燃料管道。液压接头120可以例如标准化地构成。壳体116在测量区域114中还包括一个接收装置122，例如具有圆柱形接收孔124的接收装置，在该实施例中测量区域例如对称地被液压接头120包围。在接收孔124中基本上垂直于流动方向112地安设一个插入筒126，该插入筒在该实施例中表示真正的测量装置。该插入筒126包括一个形式为金属杯130的可流过的壳体兀件128。该杯包括一个圆柱形的杯壁132和一个杯底134。该杯130或该插入筒126的轴线135垂直于杯底134且平行于杯壁132延伸并且基本上垂直于流动方向114。杯壁132包围测量区域114的一个测量容积136。该杯壁132至少逆着以及背离流动方向112地具有多个孔138，这些孔在该实施例中被构造为孔矩阵。通过起流动孔作用的这些孔138能够使燃料混合物图1中的左侧进入到测量区域114的测量容积136中并且在图1的右侧又从测量容积排出或反之亦然。插入筒126可以例如在上侧设有一个附加的盲钻孔，该盲钻孔可以用作温度传感器的接收装置。壳体元件128或杯130在所示的实施例中同心地包围一个销形的内导体140。即内导体在测量容积136中被燃料混合物从四面冲刷。内导体140在其下端部上与金属的杯底134连接，其方式是内导体140插入到杯底134中。在测量容积136上方内导体140嵌入到介电质142，例如塑料中，内导体140通过介电质相对于插头壳体144电分离。插头壳体144是连接装置146的部件，连接装置在该情况中构造为同轴插头148的形式。该连接装置除了插头壳体144外还包括内导体140的一个触头150。例如同轴插头150可以构造为SMA插头。插头壳体144在它的上端部与杯130的杯边缘152旋紧。插头壳体144和杯130也优选相互电连接。插头壳体144和杯130由此相互电连接。杯130本身可以例如与连接装置146、例如同轴插头的外导体或插头壳体连接。内导体与杯通过该方式优选形成一个短路的同轴线路。在旋入的插头壳体144和杯130之间可以附加地如在图1中所示安设至少一个密封元件154，例如形式为一个或多个O型圈的密封元件，例如由耐燃料的材料制成。在插入筒126和壳体116的接收装置122的壁之间也可以设置一个或多个密封元件154，例如在杯130的相应的环形槽中，如在图1中所示。在插入筒126的与连接装置146相对置的端侧上该插入筒可以例如通过封闭止动装置156固定，例如同样通过旋紧装置固定，从而插入筒126固定地锚定在接收装置122中。在插入筒126的区域中还发生流动横截面从液压接头120的区域中的初始很小的流动横截面Atl向着测量容积136的区域中的流动横截面A1的扩宽。该扩宽在所示的实施例中连续地穿过壳158进行，这些壳可以是插入筒126的组成部分并且例如可以由塑料材料制成。在图1和2中所示的设备110具有一个可比较简单地制造且但仍有效的结构。作为测量探头构成的设备110的最里面的部件是在该情况中圆柱形构成的杯130，它可以由耐腐蚀且与燃料兼容的金属制成。在该杯中优选按照同轴原理接收内导体140，从而插入筒126原则上是一个同轴的测量探头。内导体140与杯底134传导地连接，其中，杯本身由于孔138的矩阵是可流过的。这些孔138在它们的通流横截面方面总共可以这样地选择尺寸，使得在杯130的一侧通过这些孔138的总数量保持获得通流横截面为了扩宽流，耐燃料且优选符合SAE标准的接头的横截面A0连续地在孔矩阵横截面上借助放入的壳158被扩宽。各个孔138的孔直径在这里相对于在燃料混合物中出现的最小波长优选很小。由此避免了进入环境中的不希望的辐射。按照图1和2的设备110的测量原理例如应当在按照图3的剖视图上说明。该视图如上所述地示出垂直于图1中的剖切平面的通过轴线135的剖视图。要指出的是，它在这里仅仅是一个示意图，基于该示意图能够说明在各个频率时电场线160的分布。该设备110可以通过连接装置146，例如通过同轴的标准化的插头连接器(例如SMA-RP)与高频(HF)-传感器电路连接。该设备110能够通过该高频-传感器电路被加载不同频率的微波信号或一般地被加载不同频率的高频信号，并且可以通过相同的连接装置146检测应答信号。即连接装置146优选同时用于微波信号的耦合输入以及用于应答信号的耦合输出。分别由耦合输入的信号和应答信号可以求出一个或多个特征量，以及特征量在耦合输入的辐射频率上的分布。重要的特征量如上所述是介电常数。例如由发出的或者说耦合输入的和接收到的信号或应答信号之间的差(幅值和相位)能够推导出位于测量容积中的燃料混合物的介电常数。介电常数和/或一个或多个变换的特征量在频率上的分布被考虑用于燃料混合物的单个组分的识别和定量。如上所示，为此可以例如进行与参考曲线的比较，例如通过线性相关系数的匹配，例如在减小平方误差或使用类似匹配方法的情况下。形式为填充的同轴线路区段的填充燃料混合物的测量容积136根据燃料混合物的损失特性(例如通过燃料混合物的介电常数的虚数部分描述)具有一个对向前和向后的波的阻尼作用并且根据介电常数的实数部分具有一个对向前和向后的波的延迟作用。向后的波在短路的同轴线路的端部在杯底134的区域中经受一个限定的例如180°的相位突变。在不同的频率时，特征量在尽可能大的频率范围上被求出。例如这可以通过使用超宽带传感器(UWB)进行。通过使用UWB不仅在各个频率线上求得介电常数，而且求得介电常数在所有测量的频率范围、例如从1. 5GHz至8. 5GHz的频率范围上的分布。由此显著地提高测量的信息含量。总体上以简单的方式提供了一个可简单制造的、低廉的且可简单操作以及可靠密封的测量装置，它例如可以用在机动车中，尤其是用在四冲程发动机中，但是也可以用在柴油发动机中。
权利要求
1.用于确定燃料混合物的组成的设备(110)，尤其是用于确定燃料混合物中的乙醇含量和/或水含量，该设备包括至少一个壳体(116)，该壳体具有至少一个导电的、可被燃料混合物流过的壳体元件(128)，其中，在该壳体元件(128)中安设至少一个内导体(140)，该内导体(140)被壳体元件(128)至少部分地包围，该设备(110)还具有至少一个用于耦合微波信号的连接装置(146)。
2.根据权利要求1的设备(110)，其中，该壳体元件(128)同轴地包围内导体(140)。
3.根据以上权利要求之一的设备(110)，其中，该壳体元件(128)具有至少一个至少部分地包围内导体(140)的杯(130)。
4.根据权利要求3的设备(110)，其中，该杯(130)与内导体(140)导电地连接。
5.根据权利要求3或4的设备(110)，其中，该杯(130)具有多个孔(138)，这些孔(138)具有比耦合输入的微波的最小波长小的、尤其是比2mm、优选Imm小的直径。
6.根据以上权利要求之一的设备(110)，其中，该连接装置(146)具有至少一个同轴插头(148 )，该同轴插头(148 )包括至少一个用于对内导体(140 )加载微波信号的触头(150 )。
7.根据以上权利要求之一的设备(110)，还包括至少一个可被燃料混合物在流动方向(112)上流过的流动管区段(118)，其中，内导体(140)和壳体元件(128)相对于流动方向(112)横向地、优选基本上垂直地安设在流动管区段(118)中。
8.根据权利要求7的设备(110)，其中，该设备(110)包括一个插入筒(126)，该插入筒(126)包括内导体(140)和壳体元件(128)，插入筒(126)在测量区域(114)中横向于流动方向(112)插入到流动管区段(118)的接收装置(122)中。
9.根据权利要求8的设备(110)，其中，插入筒(126)借助至少一个密封元件(154)相对于流动管区段(118)密封。
10.根据以上权利要求之一的设备(110),其中，该设备(110)包括一个可被燃料混合物流过的流动管区段(118)，该壳体元件(128)和该内导体(140)被接收在一个测量区域(114)中，测量区域(114)中的流动管横截面相对于测量区域(114)以外的流动管横截面扩宽。
11.用于确定燃料混合物的组成的方法，其中，在使用根据以上权利要求之一的设备(110)的情况下在一个频率范围上将微波信号耦合输入到燃料混合物中，在使用该设备(110)的情况下接收应答信号，由对耦合输入的微波信号和应答信号的比较根据耦合输入的微波信号的微波频率来确定至少一个特征量，由所述特征量在微波频率上的分布来推断出燃料混合物的组成。
全文摘要
本发明提出一种用于确定燃料混合物的组成的设备(110)，尤其是用于确定燃料混合物中的乙醇含量和/或水含量。该设备(110)包括至少一个壳体(116)，该壳体具有至少一个导电的、可被燃料混合物流过的壳体元件(128)。在该壳体元件(128)中安设至少一个内导体(140)，该内导体被壳体元件(128)至少部分地包围，该设备(110)还具有至少一个用于耦合微波信号的连接装置(146)。
文档编号G01N33/28GK103003553SQ201180034581
公开日2013年3月27日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年5月17日
发明者W·泽格尔, D·施密特 申请人:罗伯特·博世有限公司
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