專利名稱:利用彈性波測量液面高度的方法及其所用裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種測量液面高度的方法。更確切地說，本發(fā)明的目的是利用彈性波測量液面高度，該彈性波最好是超聲波頻率，它在一個沿縱向運動的管子內(nèi)，每一個灌滿液體的容器都是由這個管子做成的。
本發(fā)明還涉及采用這種測量方法的裝置。本發(fā)明不只限于這種應(yīng)用，它還能用來測量裝在各種不同型式容器里的任何液體表面的高度。
例如，本發(fā)明的一個典型應(yīng)用可以是涉及裝牛奶的容器或其它由軟合成材料制造的容器方面的。
在本發(fā)明明確涉及的特殊方法中，這種容器是在它們被灌裝液體的同時做成的，也就是說，合成材料管(下文稱之為“卡片管”)是由這種材料的帶材做成的。
用已知的方法沿著母線將這種卡片管焊好，并將液體灌入到事先定好的高度，保持不變。
一個適當(dāng)?shù)难b置在低于液面的地方把卡片管切割成單個容器，并用已知的方法將其密封。
本發(fā)明的明確目標是測量用合成材料帶材料做成的卡片管內(nèi)的液面高度，如前所述，卡片管是沿縱向運動的。
這種測量的重要就在于如果要使液體不溢出卡片管，液面高度就絕對不能超過某一預(yù)置的最大值。本發(fā)明特別適用于在無菌條件下測量液面高度。
迄今為止，對于這種應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)采用的是在無菌區(qū)域內(nèi)使用動態(tài)插入元件(例如浮體)或靜態(tài)元件(例如傳導(dǎo)探頭)，這種隨之而來的問題是維修保養(yǎng)和無菌操作。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種液面高度測量裝置，它不需要任何與液面接觸的工作元件，象浮體或類似的液面?zhèn)鞲衅鳌１景l(fā)明進一步的目的是將灌裝廠通常所用的進料管作為測量信號傳輸回路的一個元件。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于通過卡片管的信號衰減太大，用傳統(tǒng)的傳輸方法進行這種測量是不可能的。
事實上，在這種測量方法中，在卡片管相對的兩側(cè)面分別放置了一個信號發(fā)射器和一個信號接收器。因為卡片管是沿縱向連續(xù)運動的，所以發(fā)射器和接收器都不能與卡片管相接觸。
因此，在振蕩源(例如超聲波)、空氣、卡片管、液體、又一層卡片管和空氣之間的通路中沒有適當(dāng)?shù)穆曌杩蛊ヅ洹?br>聲阻抗的這種不匹配導(dǎo)致信號衰減120分貝的數(shù)量級。因此，以這種方式工作，無法進行任何測量。
本發(fā)明的目的就是要獲得聲波，特別是超聲波振蕩的一種傳播方法，其衰減后的信號值可以被測量并且保持可接受的信噪比。
在較佳實施例中，將進料管本身作為傳輸回路中的一個元件，達到了這一目的。
在這種方法中可以獲得適當(dāng)?shù)穆曌杩蛊ヅ?，以使完成測量所需的足夠幅度的信號能夠傳輸。事實上，通過一個適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，彈性波振蕩可以直接傳輸給進料管。
根據(jù)本發(fā)明，通過放置在傳感器和進料管之間的阻抗匹配器，從傳感器到進料管的傳輸聲阻抗很方便很好地匹配。
本發(fā)明依靠進料管自身的徑向和撓性振蕩模式實現(xiàn)通過進料管的信號傳輸。這使得信號很好地傳輸?shù)焦嘌b的液體上。
事實上，在液體中彈性場只沿縱向傳播，因此，只有很小一部分能量由管子的縱向振蕩模式傳遞給液體，除非進料管具有的特性阻抗非常接近于液體的特性阻抗。例如使用彈性材料可以得到這樣的結(jié)果，但是這種材料不僅會產(chǎn)生很大的衰減而且也不適于制作進料管。
使進料管的表面徑向變形，可以在液體中引起縱向振蕩模。適當(dāng)?shù)剡x擇進料管的振蕩模式和聲波的傳播速度，可以獲得固有阻抗匹配。
根據(jù)本發(fā)明，采用了一種可以在現(xiàn)有進料管內(nèi)傳輸并能有效地將能量傳輸給液體的振蕩模式。
可以做到改變進料管的幾何尺寸，以使其阻抗幾乎與液體的阻抗相等。如果阻抗是以這種方式匹配的話，就會減少反向散射的發(fā)生，并且所傳輸?shù)拇蟛糠帜芰磕軌虻竭_卡片管的外表面。
本發(fā)明還采取措施消除由于駐波的存在而對進料管產(chǎn)生的影響，這是通過頻率調(diào)制來實現(xiàn)的，不過調(diào)制波限制在載波的百分之幾的范圍內(nèi)，并且其目的是在進料管表面上，取代一個周期內(nèi)駐波的最大值和最小值。用這種方式獲得了與行波同樣的平均結(jié)果。
卡片管發(fā)射的彈性場有很強的方向性。這一事實很重要，因為它能使測量具有很好的空間分辨率。
與空氣和液體之間的不連續(xù)相一致，其聲場強度的變化是非常急劇的，這時即使使用的接受器只是稍微具有一點兒方向性，也能得到精確的測量。
本發(fā)明以各種不同的方法接收卡片管發(fā)出的超聲波振蕩信號。
第一個較佳實施例是使用放置在卡片管附近的接收器陣;這種陣由許多平行于卡片管母線的單元組成。用這種方法獲得的分辨率是這種單元相互之間距離的函數(shù)。
由陣單元檢測到的信號，可以對陣的所有單元用并行方式處理，也可以用掃描方式處理。另外還可以使用二者結(jié)合的測量方法。
如果想要提高分辨率，可以放置幾個接收器陣，它們對稱地位于卡片管周圍，而在垂直方向上錯開位置。例如，如果有三個接收器陣，它們的錯位距離應(yīng)等于單個接收器陣上的單元接受器之間距離的三分之一。
使用幾個陣的實施例也可用來測量例如具有高粘度的液體，這種液體的自由表面可以很容易地形成傾斜的或不平的形狀。事實上，可以對這樣得到的信息進行處理，以便確定例如卡片管軸上液面的高度。
本發(fā)明的第二個較佳實施例是使用一個旋轉(zhuǎn)探測器，它包括一個測量信號的角窗口。在角窗口內(nèi)有一個角度，低于這個角度可以看到卡片管還未裝液體的那一部分的表面，在這個角度內(nèi)，檢測到的信號實際為零。
隨著其旋轉(zhuǎn)，檢測器就立刻接收從裝有液體的容器部分來的信號。
根據(jù)本發(fā)明，可以由測到零信號的角度與監(jiān)測窗總口徑之間的關(guān)系得出液面的高度。
本發(fā)明是利用彈性波測量液面高度的方法，這種液體裝在一個軸向運動的管子里并且與進料管一起運轉(zhuǎn)，該方法的特征在于，進料管用作向液體傳輸彈性波的一個元件，這個彈性波在軸向運動的管子的外部被接收。
現(xiàn)在我們依靠附圖的幫助來敘述本發(fā)明的一些較佳實施例作為非限制性的例子，其中圖1給出本發(fā)明應(yīng)用于進料管時的示意圖;
圖2表示產(chǎn)生超聲波信號的一種可用的傳感器;
圖3是進料管的振蕩模式;
圖4給出本發(fā)明第一個實施例的示意圖;
圖5表示本發(fā)明的第二個實施例;
圖6表示接收信號的一種可用的傳感器;
圖7表示信號的接收方法;
圖8給出圖5實施例的控制系統(tǒng)的方框圖;
圖9表示頻率調(diào)制對進料管表面的影響;
圖10表示一個變型;
圖11表示圖4或圖10實施例的控制系統(tǒng)的方框圖。
在圖1中，本發(fā)明的裝置是標號10。進料管12被圍在可軸向運動的卡片管11中，在這里卡片管11作為一個剖開的圓筒示意地給出。在本實施例中所示的卡片管11是由連續(xù)的帶材做成的，并且在低于漏斗管12的位置被交叉封接，以便接連不斷地形成一連串做好的容器，這在圖中沒有表示出。例如用熱封接或者超聲波焊接或者其它已知的方法來完成這種方法的封接。而我們不想仔細研究這種方法。
根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射傳感器15與進料管12上部相接觸地放置。與進料管12這樣耦合的傳感器15產(chǎn)生一個超聲波振蕩，通過進料管12發(fā)射并傳輸?shù)揭后w13，然后傳輸?shù)娇ㄆ?1的壁上。
根據(jù)本發(fā)明，接收傳感器16放置在卡片管11的外部，并且能夠接收由卡片管11的壁本身發(fā)出來的超聲波信號。
發(fā)射傳感器15和接收傳感器16示意地表示在圖1中;它們最好不是共平面的，例如，它們可以放置在卡片管11的徑向平面內(nèi)，相互之間有90度夾角，其目的是為在兩個傳感器15和16之間增加去耦效果。為簡便起見，在圖1中兩個傳感器表示成共平面的。
圖2給出使用壓電陶瓷體18的發(fā)射傳感器的一種可用的實施例。
發(fā)射傳感器15的前部包括一個阻抗匹配器21，并且在這個例子中它符合指數(shù)形式;它的作用是使發(fā)射傳感器15和進料管12之間的聲阻抗匹配?？梢钥吹接脕碚{(diào)節(jié)陶瓷體18的初始負載的調(diào)節(jié)螺釘36。如前所述，發(fā)射傳感器15激勵進料管12振蕩。
圖3表示為進料管12預(yù)選的振蕩模式?？梢钥吹?，用這種方法，進料管12的橫截面是由交替地位于兩個相互垂直方向的波瓣22形成的。由兩個以上的波瓣22組成的結(jié)構(gòu)顯然是可能的。為了表示清楚，圖3中進料管12的變形當(dāng)然是夸大了的。
圖4給出接收器16的一種可用實施例，在這個例子中，接收器16由單元接收器17的陣23組成，單元接收器17沿卡片管11的母線成直線放置。這些接收器17接收到的信號被送到測量單元24，在這個單元中對信號適當(dāng)進行處理并將其轉(zhuǎn)換成液面指示。
這個系統(tǒng)所能獲得的分辨率與陣23的兩個單元傳感器17之間的距離成比例。
圖11中所示的變型給出一個電磁彈性轉(zhuǎn)發(fā)器，用來遠距離激勵產(chǎn)生超聲波的傳感器。這一實施例使得能夠采用體積較小的傳感器，而且最好是用在氣體密封的容器里。
在圖10所示的進一步變型中，若干個陣23對稱地放置在卡片管11的周圍。
在這個例子中有三個陣23，它們在垂直方向錯開放置著，其間隔為陣23的相鄰單元接收器17之間距離的三分之一?？梢岳眠@種方法來提高系統(tǒng)的分辨率;利用本身分辨率低的接收器獲得較高的分辨率也是可以的;使用若干個陣的系統(tǒng)，與使用接收單元17的間距較小的一個單獨的陣，其分辨率相同。
另外，利用圖10的實施例也有可能在液面不是水平的情況下確定自由表面的瞬時方位。
圖5表示本發(fā)明的一個變型，它利用沿卡片管11的母線掃描對信號19進行測量;這種掃描是通過一個被適當(dāng)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)鏡25來實現(xiàn)的。
在所示的實施例中，一個拋物面反射鏡26把信號19反射到位于該拋物面焦點的旋轉(zhuǎn)鏡25上。由卡片管11的母線上的各點來的信號就以這種方式到達與旋轉(zhuǎn)鏡25同軸放置的接收傳感器16上。這種傳感器16的結(jié)構(gòu)可以如圖6所示。可以看到殼體27位于與壓電陶瓷體29保持電接觸的連接器28的后部，壓電陶瓷體是檢測信號的元件。在這個例子中，接收傳感器有一個反射鏡30，它可以是錐形的也可以是拋物形的，其作用是接收較多的信號能量;不過，接收器也可以沒有反射鏡30。
圖7表示由圖5的裝置完成測量的方法。標號31表示掃描測量區(qū)域，也就是說，沿卡片管11的母線預(yù)置好一個長度，在這個長度內(nèi)進行測量。這個長度與旋轉(zhuǎn)鏡25的轉(zhuǎn)角給出的弧相對應(yīng);測量是在這個角窗口內(nèi)進行的，而在這個角窗口外面接收傳感器16不起作用，正如我們將在下文看到的。
在圖7中，液面測量以32定位;在所示的這一步對應(yīng)的鏡25的轉(zhuǎn)角部分，檢測不到幅度足夠的信號。
當(dāng)沿著卡片管11的母線進行的掃描達到液面的高度時(即對應(yīng)于圖7中的虛線)，接收到的信號33增大，超過給定的閾值“S”。有一個給定的轉(zhuǎn)角范圍與接收到的這個信號相對應(yīng)，在這個范圍內(nèi)，信號在掃描結(jié)束前一直大于閾值“S”。
在本例中，鏡的旋轉(zhuǎn)要保證在掃描窗口內(nèi)使掃描長度從空氣到達液體。閾值“S”可以是預(yù)置的，或者是能夠預(yù)置的，或者可以是自適應(yīng)的。
圖8給出圖5的實施例的一種可用的控制電路。掃描器38包括圖5中的裝置，即旋轉(zhuǎn)鏡25及其驅(qū)動電機和控制設(shè)備。
調(diào)整角窗口的方框37使得可以預(yù)置旋轉(zhuǎn)鏡25的掃描角度，并且預(yù)置沿卡片管11的母線的掃描長度。
兩個同相耦合的方框39和40的作用，是使信號的檢測和信號的產(chǎn)生(41)與圖5中鏡25的旋轉(zhuǎn)同步。
方框41是一個信號發(fā)生器或振蕩器，它向發(fā)射傳感器15發(fā)送電信號，這個電信號將被轉(zhuǎn)換成超聲波振蕩。
接收傳感器16把信號送到前置放大器42，然后信號到達檢測器43，檢測器43的任務(wù)是測量到達接收傳感器16的信號并且提供該信號的平均值。根據(jù)一種可用的測量方法，檢測器43工作如下所述檢測器43與鏡25的旋轉(zhuǎn)同步，從而使測量總是發(fā)生在與預(yù)置的角窗口掃描相對應(yīng)的一個短暫期間之內(nèi)。這個期間被分成一些預(yù)置了長度的時間間隔。在每一個時間間隔內(nèi)，檢測器43都要測量對載波的預(yù)置周期數(shù)取平均得到的最大平均值。這種方法從測量中消除短時間的高幅干擾，而不受簡單的算術(shù)平均帶來的整平信號的影響。圖7中這樣得到的信號33被送到降噪方框44，然后再到信號處理方框45。在這里，信號與圖7中的閾值“S”進行比較。介于角窗口的始端和閾值未被信號超過之間的這段時間(見圖7中的信號32)提供了液面的角測量。
從幾何上考慮，由這個角測量得出沿卡片管11母線的直線測量是有可能的。
圖8中的方框46和47是兩個計數(shù)器，分別測量角窗口的掃描時間(方框46)，和從角窗口始端到對液面進行測量這一角度內(nèi)的掃描時間(方框47)。
窗口的掃描時間和液面的運動時間分別由信號處理方框48/20進行處理，并且將其轉(zhuǎn)換成液面的測量，例如與卡片管11中的液體自由表面的實際高度相對應(yīng)的直線高度。
圖11給出多種實施例可用的控制系統(tǒng)方框圖，例如可用于圖4或圖10中的實施例。
該圖中，控制器方框50有多種功能，同步器方框60給出的信號保證同步的實現(xiàn)。方框51完成信號的頻率調(diào)制以便獲得如前所述的圖9中的效果。
在本例中，發(fā)射傳感器15的信號通過轉(zhuǎn)發(fā)器49并由功率放大器52放大，轉(zhuǎn)發(fā)器49可以遠距離激勵傳感器15。
在作為例子給出的這個實施例中，陣23的每一個接收單元17都與前置放大器53相接。陣23由一個低噪聲掃描器54控制。
信號到達選通放大器55，然后到達與圖8中的檢測器相似并且具有同樣功能的檢測器43，如圖7的例子所示，在這種情況檢測器43也產(chǎn)生一個平均信號。
方框56是一個取樣保持器或存儲器，其作用是將來自于這個或那個單元接收器17的信號存貯一個適當(dāng)?shù)臅r間。
一個可用的線掃描方框57將用在有若干個陣23的地方，例如如圖10所示。
最后，信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器58的轉(zhuǎn)換，被送回計算機20。
輸入輸出單元59可以是一個顯示信號的顯示器或其它單元，或者可以是使操作人員能夠操作整個裝置的控制設(shè)備。
方框60是標準時鐘，使上面所述的所有功能同步。
索引10.整個裝置11.卡片管或成形的容器12.進料管13.液體14.液面高度15.發(fā)射傳感器16.接收傳感器17.單元式接收器18.壓電陶瓷體19.超聲波信號20.信號處理21.阻抗匹配器22.波瓣23.接收器陣24.測量單元25.旋轉(zhuǎn)鏡26.拋物面反射鏡27.殼體28.連接器29.壓電陶瓷體30.反射鏡31.測量區(qū)域掃描32.液面信號
33.接收器的輸出信號34.駐波35.行波36.調(diào)節(jié)螺釘37.角窗口調(diào)整38.掃描器39.同相耦合單元40.同相耦合單元41.振蕩器42.前置放大器43.檢測器44.降噪設(shè)備45.信號處理器方框46.窗口計數(shù)器47.液面計數(shù)器48.信號處理器49.轉(zhuǎn)發(fā)器50.控制器單元51.頻率調(diào)制器52.功率放大器53.前置放大器組54.掃描器55.選通放大器56.存儲器57.線掃描方框
58.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器59.輸出輸入單元60.同步器方框
權(quán)利要求
1.利用彈性波測量液面(13)高度(14)的方法，該液體(13)裝在一個軸向運動的管子(11)內(nèi)并與進料管(12)一起運轉(zhuǎn)，該方法的特征在于進料管(12)用作向液體(13)傳輸彈性波的一個元件，這個彈性波在軸向運動的管(11)的外部被接收。
2.權(quán)利要求
1中所述的方法，其中彈性波向液體(13)的傳輸至少通過進料管(12)徑向振蕩的一個模式。
3.權(quán)利要求
1或2中所述的方法，其中進料管(12)徑向振蕩的該模式的聲阻抗要與液體(13)的固有聲阻抗匹配。
4.上述所有權(quán)利要求
中所述的方法，其中彈性波具有超聲波頻率。
5.上述所有權(quán)利要求
中所述的方法，其中對傳輸?shù)竭M料管(12)上的振蕩進行了頻率調(diào)制以便消除駐波(34)對進料管(12)的影響。
6.上述所有權(quán)利要求
中所述的方法，其中彈性波被傳輸?shù)竭M料管(12)沒有浸入液體的那一部分上。
7.上述所有權(quán)利要求
中所述的方法，其中彈性波通過阻抗匹配器(21)傳輸?shù)竭M料管(12)。
8.上述所有權(quán)利要求
中所述的方法，其中由軸向運動的管(11)母線上的若干點來的輸出信號(19)在同一時間被一次接收。
9.權(quán)利要求
1至7(包括1和7)中所述的方法，其中由軸向運動的管(11)母線上的若干點來的輸出信號(19)被連續(xù)地接收。
10.上述所有權(quán)利要求
中所述的方法，其中輸出信號在單一的位置被測量(16)(圖1和圖4)。
11.權(quán)利要求
1至9(包括1和9)中所述的方法，其中輸出信號(19)在幾個位置被測量(16)(圖10)。
12.完成上述所有權(quán)利要求
中所述方法的裝置(10)，其與進料管(12)配合工作，并且其特征在于它包括至少一個向進料管(12)傳輸振蕩能量的傳感器(15)，至少一個位于軸向運動的管(11)外部的接收傳感器(16)。
13.權(quán)利要求
12中所述的裝置(10)，其中發(fā)射傳感器包括一個阻抗匹配器(21)。
14.權(quán)利要求
12或13中所述的裝置(10)，其中發(fā)射傳感器(15)被放置在進料管(12)未浸入液體的部分。
15.權(quán)利要求
12或14中所述的裝置(10)，其中發(fā)射傳感器(15)被放置在進料管(12)的基部。
16.權(quán)利要求
12至15(包括12和15)中所述的裝置(10)，其中發(fā)射傳感器(15)與一個電磁彈性轉(zhuǎn)發(fā)器(49)配合工作。
17.權(quán)利要求
12至16(包括12和16)中所述的裝置(10)，其中接收傳感器(16)包括至少一個含有單元式探測器(17)的陣(23)。
18.權(quán)利要求
12或17中所述的裝置(10)，其中接收傳感器(16)包括幾個含有單元式探測器(17)的陣(23)，它們被放置在軸向運動的管(11)的周圍。
19.權(quán)利要求
12或18中所述的裝置(10)，其中陣(23)在垂直方向上被錯開地放置著，其間距小于單個單元探測(17)之間的距離。
20.權(quán)利要求
12至19(包括12和19)中所述的裝置(10)，其中接收傳感器(16)是掃描器系統(tǒng)(38)的一部分。
21.權(quán)利要求
12或20中所述的裝置(10)，其中掃描器系統(tǒng)(38)包括一個位于拋物面反射鏡(26)焦點上的旋轉(zhuǎn)鏡(25)，在鏡(25)旋轉(zhuǎn)的角窗口內(nèi)起作用的接收傳感器(16)。
22.權(quán)利要求
12至21(包括12和21)中所述的裝置(10)，其包括一個能夠提供信號平均值的檢測器(43)。
23.權(quán)利要求
12至22(包括12和22)中所述的裝置(10)，其包括一個信號處理器(45)，它將信號與一個可以預(yù)選的閾值“S”進行比較。
24.權(quán)利要求
12至22(包括12和22)中所述的裝置(10)，其包括一個信號處理器(45)，它將信號與一個自適應(yīng)的閾值“S”進行比較。
25.權(quán)利要求
12至24(包括12和24)中所述的裝置(10)，其包括一個對掃描時間計數(shù)的計數(shù)器(46)和另一個對信號超過閾值“S”的時間計數(shù)的計數(shù)器(47)。
26.權(quán)利要求
12至25(包括12和25)中所述的裝置(10)，其包括一個計算機(20)，它把計數(shù)器(46，47)輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成至少是與沿著管(11)的直線高度有關(guān)的測量結(jié)果。
專利摘要
利用彈性波測量液面(13)高度(14)的方法，該液體(13)裝在一個軸向運動的管子(11)內(nèi)并與進料管(12)一起運轉(zhuǎn)，進料管(12)用作向液體(13)傳輸彈性波的一個元件，這個彈性波在軸向運動的管(11)的外部被接收。實現(xiàn)這種方法的裝置(10)，其與進料管(12)配合工作，并且包括至少一個向進料管(12)傳輸振蕩能量的傳感器(15)，至少一個位于軸向運動的管(11)外部的接收傳感器(16)。
文檔編號G01F23/296GK86100127SQ86100127
公開日1986年7月16日 申請日期1986年1月8日
發(fā)明者安東尼奧·伯斯科洛 申請人:蒂特拉·迪弗工業(yè)研究聯(lián)合公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan