一种用在测量灵活燃料中甲醇浓度的测量方法与流程

1.本发明涉及发动机燃料控制技术领域，特别是一种用在测量灵活燃料中甲醇浓度的测量方法。


背景技术：

2.灵活燃料(甲醇汽油的共混溶液)汽车能够解决国家社会对能源安全和多样化的需求。而要既要能够使用多种不同配比的灵活燃料(甲醇、乙醇和汽油的共混溶液)，又要能满足日益严格的国家机动车污染物排放标准，这对发动机的控制提出了严峻的考验。
3.现有技术中检测甲醇浓度的方法很多，主要包括物理法和化学法。如根据甲醇溶液浓度、烈度、声速、光折射、热容、温升等现象制作的传感器；使用各种膜材料，根据测量甲醇引起魔膜电阻变化规律设计的传感器；这些方案要么适合于实验室环境，要么仪器仪表形式，结构复杂，体积大、生产成本高，不适合汽车行业的大批量应用。
4.随着巴西等国乙醇燃料的大规模使用，大陆汽车系统公司开发了用于检测乙醇浓度的传感器；经测试如果应用在甲醇溶液，该传感器只能满足甲醇混合液0-75％的浓度范围。超出部分无法检测；从他们的专利文件上获知，他们采用的检测乙醇溶液的介电常数来判定溶液浓度，但这种方案应用到甲醇溶液，无法在满足0-100％浓度甲醇混合液的检测。
5.介电常数是指在同一电容器中用某一物质为电介质与该电容器在真空中的电容的比值。根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。因此我们可以利用该指标来判断燃料中甲醇的含量。
6.根据介电常数于电容之间的关系公式可以通过测量构建的浸泡有待测溶液的电容器的电容值，来计算出介电常数ε。
7.目前，检测电容值的方法很多种：例如振荡频率法、电抗法、恒流积分法、开尔文电桥、电抗电桥测量、恒流充电振荡法、衡压放电法、比较法等等；都是观察的电压或运用与频率有关的规律。
8.但是上述方法分别适用于不同容量、不同精度要求的测量。有的只适用于静态测量，有的只适用于动态测量，有的动态静态测量均可。
9.可是，如果要测量溶液的电容，溶液极化现象、电容效应、温度特性等都会影响测量的精度。因此，采用上述方法测量精度都不高。
10.因此，本公司研发灵活燃料中甲醇浓度的测量的新的方法，避免不良影响，从而大大地提高测量精度。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用在测量灵活燃料中甲醇浓度的测量方法，能提高测量精度，简化标定环境，极大的减少标定时间，节省原料使用，防止测试人员长时间接触甲醇，同时还能提高传感器的分辨力。
12.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用在测量灵活燃料中甲醇浓度的测量方法，
13.包括以下步骤：
14.s1、构建甲醇浓度传感器，其包括rc电路、电容部分，电容部分置于甲醇溶液中；
15.s2、标定；
16.对rc电路时间激励电压，激励电压设置2个以上的门限电压；
17.测量不同门限电压条件下，测量甲醇溶液在不同温度、不同甲醇浓度梯度的充电时间；
18.根据测量的值，在不同门限电压条件下，建立甲醇浓度梯度、温度梯度、充电时间相关的三维表；
19.所述的充电时间，即时间常数，是充电时电压从0上升至门下电压所需的时间；
20.s3、对rc电路施加激励电压，激励电压设置2个以上的门限电压，从小到大依次测量不同门限电压下的充电时间；
21.通过充电时间，算出电容，通过电容反应出浓度值；
22.s4、在s2的溶液中配置温度传感器来测得溶液温度；
23.通过测得的溶液温度，按照s2中的三维表经插值法来修正s3中的浓度值。
24.进一步地，所述的s2和s3中，每次充电时间采集时，每次激励反馈达到预设门限后随即撤销激励；
25.即释放激励电压，减小溶液置于电场的时间。
26.进一步地，所述的s1中，rc电路中的电容部分构建时，包括套设的外极管、内极管；
27.外极管、内极管中轴心设置，外极管的长度大于内极管；
28.外极管、内极管间距设置，形成电容。
29.进一步地，所述的s2中进行标定实验时，将甲醇装与电容部分中，将电容部分置于可调温度箱中。
30.进一步地，所述的s2中标定实验时，步骤包括：
31.s201、配置不同浓度梯度的甲醇溶液，将温度范围分成多个温度梯度；
32.s202、给rc电路施加激励电压，测量相同甲醇浓度，在不同温度下的充电时间，形成甲醇浓度-充电时间相关的二维数据表；
33.s203、给rc电路施加激励电压，测量相同温度下，不同甲醇浓度的充电时间，形成甲醇浓度-充电时间相关的二维数据表；
34.s204、将s202、s203中相应二维数据表整个，得到不同甲醇浓度在不同温度下与充电时间相关的三维数据表；
35.s205、改变激励电压的门限电压值，测量2个以上门限电压条件下按s202-s204方式获得的三维数据表。
36.优选地，所述的s201中，甲醇浓度每10％上升一个梯度，即甲醇浓度梯度有0％、10％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％；
37.所述的s201中，温度梯度，每5℃上升一个梯度，即分为-30℃、-25℃、-20、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。
38.进一步地，所述的s2中标定时，每个门限电压都对应有一个三维表；
39.所述的s4中，选取分辨率最高的门限电压对应的三维表，对浓度值进行修正；
40.分辨率最高的门限电压，是指该电平门限下，其他条件发生变化时，充电时间变化明显。
41.进一步地地，所述的甲醇浓度传感器：
42.将外极管、内极管嵌套在一起，中间通过绝缘材料固定；
43.外极管通过绑定线与pcba上的地链接，内极管通过绑定线与pcba上的电路连接，内管为阳极；
44.待测溶液通过极管中间的间隙流过；
45.pcba电路向阳极管发出激励电压，由微处理器一个引脚pt口输出高电平通过一个电阻r2给内极管充电；
46.微处理器另一个数模转换引脚pa采集电阻r2和c1//r1的连接端电压，当该电压达到预设门限值后，充电口输出低电平放电；
47.t口输出高电平时定时器开始记录，当pt口输出拉低时结束计时，计算获得充电时间。
48.进一步地，所述的甲醇浓度传感器，其内部的微处理器，即mcu会内置多个门限条件下的三维图，即温度-时间常数-浓度三维图；
49.微处理器将采集到的时间常数τ，温度t，采用的门限v，带入到预置的温度-时间常数-浓度三维图中，查表获得浓度值；
50.由于使用了多个门限，因此会得到到多个浓度值；
51.根据获得的浓度值范围，找到标定中分辨率高的门限电压作为优先级；
52.根据查找到的优先级门限电压，确定该优先级门限电压下所对应的浓度值。
53.需要说明的是：
54.一、本方案中，根据公式就能计算出介电常数ε；如果电路构建一个rc电路，通过采集rc电路时间常数τ(τ＝rc)，来计算电容c(c＝τ/r)，那么时间常数τ与介电常数ε具有线性关系，只需要通过时间常数τ就能够表征溶液浓度；
55.由于被测溶液确定(0-100％甲醇溶液)，通过将浓度、与时间常数的关系通过实验室标定形成数据表格，存在传感器的flash中；应用时采集流过传感器溶液的时间常数τ，通过查表得到溶液浓度；解决了常规方案测量范围小、溶液易极化偏差的问题；
56.二、由于甲醇溶液充电时间常数采集波形如图5-图7所示，只有门限所在位置位波形斜率大的地方，才能保证采集精度；如果斜率过小，如图7所示，电路、外界噪声或溶液流动躁声对采样数据造成很大影响(t波动很大)；
57.三、并且低浓度溶液的电容小(图4-mo)，高浓度溶液电容大(图4-m100)；为了能在低浓度区间获得较高精度的分辨率，需要门限电压大(图4-v3)；如果门限电压低，低浓度就分辨不出来。为了能在高浓度区域获得较高精度的分辨率，需要门限电压小(图4-v1)；如果门限电压高，采样斜率就太小(如图7，v3)，高浓度区间就难道获得高精度分辨率；
58.因此，设置3个以上的比较电平门限，分别采集从小到达依次测试，每个门限都计算一个浓度值，这样就能保证在整个浓度区间都存在高精度的数据来源，如图8-图10(不同浓度不同温度下的时间常数)；图11中是在-30度时不同门限下的时间常数；可以看出浓度
在0-35％时v3具有很高的分辨率，35％-70％时v2具有很高的分辨率，70-100％时v3具有很高的分辨率；
59.并且，还通过前期标定实验获得甲醇溶液在不同温度不同浓度不同门限下的时间常数(如图6-图8所示)，对计算获得的多个浓度值划分相对于的适用浓度区间(图12)；
60.在采集到v1/v2/v3下时间常数后，通过查表(图8-图10)能得到他们各自的浓度，然后通过内部的决策机制查表(图12)，确认最终的输出浓度；
61.四、由于液体溶液的介电常数存在随温度变化的行为，同种溶液在不同温度下具有不同的介电常数，即所测得时间常数不一样(如图7-图10)，图7-图10中记录了在不同温度下测得的时间常数；浓度越高时间常数受温度影响越大(如图13)；
62.因此，方案中配置温度传感器来获取溶液温度，使用温度来修正浓度计算值；通过实验标定出各个浓度下随温度变换的时间常数(如图8-图10)，将数据存入传感器，应用时通过查表后做插值运算来确定浓度；
63.五、由于溶液在电场中会有极化现象，造成采集数据不准，随着置于电场中时间约长，极化程度越深，采集出来的时间常数就越大，极化程度与电场强度和时间正相关；
64.因此，本方案在充电电压上升阶段采集τ，当达到采集门限后释放加载电压，减少溶液置于电场时间，减少溶液极化程度，提高测量精度(如图5-图7)；
65.六、由于方案中的采集电路采用比较电路，在电压触及标点时实时输出中断信号，响应时间短，且避免抖动造成的数据错误；
66.因此，本方案中采用多个比较门限，每个门限顺序测试，获得数据后通过与mcu存储的标定数据进行分析匹配；由于溶液在不同浓度下的介电常数的线性度不一样，通过该方案就能保证各浓度段下的测量精度；
67.七、方案中采用柱状极管构建圆柱形电容器，这种方案适合燃料供给系统的安装，且大大减小边缘效应对数据的影响；
68.方案中的柱状电容器由两个直径和长度不一样的极管所构建，外极管接地，长度大于内极管，这样能有效保护传感器内部电路，作为燃料供给系统的一部分串入管路中；外极管即是管路也是电容的一极。
69.本发明具有以下优点：
70.(1)解决了常规测量方案下测量范围小、溶液易极化偏差的问题；
71.(2)通过多个门限电平，通过在多个门限电平下的标定实验，提高最终甲醇浓度的精度；
72.(3)受温度的影响小；
73.(4)受溶液在电场中极化影响小，提高测量精度；
74.(5)响应时间短，避免抖动造成的错误数据；
75.(6)电容部分的设计，适合燃料供给系统的安装，且大大减小边缘效应对数据的影响；
76.(7)在标定测试时，选用多个比较点进行多次测试，从中选取合适的比较点；同时给正式测量提供仲裁依据，以减小测量误差；
77.本标定测试方法由于不需要搭建甲醇溶液循环装置，只需要将配置好浓度的甲醇汽油混合溶液装进传感器极管，放入温度箱中，占用空间很小，能放下传感器就好；这样我
们可以对多种浓度的甲醇汽油混合溶液同时进行标定，且在整个标定过程中，我们会控制对传感器极管的充电时刻，也不会让溶液产生极化现象，提升了标定的准确度，保证了传感器的分辨力；
78.本标定测试方法可以对多种浓度的甲醇汽油混合溶液同时进行测试，可以缩短90％的标定时间，节约时间成本；
79.在标定测试过程中，也不需要多次跟换极管内的溶液，灌装一次即可完成整个标定流程的测试，节省了原料的损耗，也减少了测试人员接触甲醇的时间，防止测试过程中人员长时间接触甲醇，对人体造成损伤。
附图说明
80.图1为甲醇传感器的电容部分的径向截面剖视示意图；
81.图2为甲醇传感器的电容部分的轴向截面的剖视示意图；
82.图3为甲醇传感器的电路示意图；
83.图4为甲醇传感器激励响应的波形示意图；
84.图5为同一浓度下，v1门限下的pa口波形图；
85.图6为同一浓度下，v2门限下的pa口波形图；
86.图7为同一浓度下，v3门限下的pa口波形图；
87.图8为v1门限下，不同浓度不同温度下的时间常数；
88.图9为v2门限下，不同浓度不同温度下的时间常数；
89.图10为v3门限下，不同浓度不同温度下的时间常数；
90.图11为温度为-30度，v1、v2、v3三种门限下，不同浓度下的时间常数；
91.图12为门限优先级选择的表；
92.图13为v2门限下，不同温度下的时间常数变化。
具体实施方式
93.下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
94.一种用在测量灵活燃料中甲醇浓度的测量方法，包括以下步骤：
95.s1、构建甲醇浓度传感器，其包括rc电路、电容部分，电容部分置于甲醇溶液中；
96.s2、标定实验，包括以下步骤：
97.s201、配置0％、10％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％浓度梯度的甲醇溶液，将温度梯度分为-30℃、-25℃、-20、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃；
98.s202、给rc电路施加激励电压，该激励电压的门限为v1，测量相同甲醇浓度，在不同温度下的充电时间，形成甲醇浓度-充电时间相关的二维数据表；
99.s203、给rc电路施加激励电压，该激励电压的门限为v1，测量相同温度下，不同甲醇浓度的充电时间，形成甲醇浓度-充电时间相关的二维数据表；
100.s204、将s202、s203中相应二维数据表整合，得到v1门限下，不同甲醇浓度在不同温度下与充电时间相关的三维数据表，如图8所示；
101.s205、将激励电压的门限电压变为v2，按s202-s204相似的方式，测得v2门下不同甲醇浓度在不同温度下与充电时间相关的三维数据表，如图9所示；
102.s206、将激励电压的门限电压变为v3，按s202-s204相似的方式，测得v3门下不同甲醇浓度在不同温度下与充电时间相关的三维数据表，如图10所示；
103.对rc电路时间激励电压，激励电压设置v1、v2、v3三个门限电压；
104.所述的充电时间，即时间常数，是充电时电压从0上升至门下电压所需的时间；
105.需要说明的是，在上述s1和s2中，如图1～图3所示，电容部分构建时，选用外极管和内极管，两个极管嵌套在一起，中间通过绝缘材料固定；外极管通过绑定线与pcba上的地链接；内极管为阳极管，阳极管通过绑定线与pcba上的电路连接；
106.待测溶液通过极管中间的间隙流过；pcba电路向阳极管发出激励电压，如图3所示由微处理器一个引脚pt口输出高电平(如图4s1/s2/s3)通过一个电阻r2给阳极管(图2传感器极管剖面图)充电；微处理器另一个数模转换引脚pa采集电阻r2和c1//r1的连接端电压；
107.s3、对rc电路施加激励电压，激励电压设置v1、v2、v3三个门限电压，从小到大依次测量不同门限电压下的充电时间；
108.通过充电时间，算出电容，通过电容反应出浓度值；
109.具体地，根据公式就能计算出介电常数ε；如果电路构建一个rc电路，通过采集rc电路时间常数τ(τ＝rc)，来计算电容c(c＝τ/r)，那么时间常数τ与介电常数ε具有线性关系，只需要通过时间常数τ就能够表征溶液浓度；
110.s4、在s2的溶液中配置温度传感器来测得溶液温度；
111.通过测得的溶液温度，按照s2中的三维表经插值法来修正s3中的浓度值；
112.修正时，选取分辨率最高的门限电压对应的三维表，对浓度值进行修正；
113.分辨率最高的门限电压，是指该电平门限下，其他条件发生变化时，充电时间变化明显；
114.具体地，s4中，甲醇浓度传感器，其内部的微处理器，即mcu会内置v1、v2、v3三个门限条件下的三维图，即温度-时间常数-浓度三维图；
115.工作时：微处理器将采集到的时间常数τ，温度t，采用的门限v，带入到预置的温度-时间常数-浓度三维图中，查表获得浓度值；由于使用了3个门限(v1/v2/v3)，所以会得到到3个浓度值；
116.在修正时：根据获得的浓度值范围，找到标定中分辨率高的门限电压作为优先级；根据查找到的优先级门限电压，确定该优先级门限电压下所对应的浓度值；
117.需要说明的是，优先级的选择，是指分辨率高的门限电压的选择，例如根据图8-图10，知道0％-30％的浓度梯度的优先级门限为v3，40％-60％浓度梯度的优先级门限为v2，70％-100％的浓度梯度的优先级门限为v1，那么可以建立门限选择表格，如图12所示。
118.本实施例中，s2和s3中，每次充电时间采集时，每次激励反馈达到预设门限后随即撤销激励；即释放激励电压，减小溶液置于电场的时间。
119.本实施例中，s1中，rc电路中的电容部分构建时，包括套设的外极管、内极管；外极管、内极管中轴心设置，外极管的长度大于内极管；外极管、内极管间距设置，形成电容。
120.本实施例中，所述的s2中进行标定实验时，将甲醇装与电容部分中，将电容部分置
于可调温度箱中。
121.上述实施例仅表达了较为优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。