專利名稱：流體位測量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對箱中的流體位進行聲學(xué)測量的改良設(shè)備，該設(shè) 備包含置于所述流體之外用于發(fā)送和接收聲學(xué)信號的換能器，以及與 所述換能器相連并延伸到流體中的波導(dǎo)。本發(fā)明還涉及對箱中的流體 位進行聲學(xué)測量的方法。
背景技術(shù)：
使用聲學(xué)信號的測量設(shè)備和方法在技術(shù)領(lǐng)域中是眾所周知的。聲 學(xué)測量可以例如用于測量距離、深度、體積、流速，或者被測物體的 聲學(xué)特性，諸如衰減等。聲學(xué)脈沖穿過介質(zhì)的傳播時間，或者聲學(xué)脈 沖從反射性被測物體往返傳播時間常常被用作計算例如離被測物體的 距離的基礎(chǔ)。基本上由眾所周知的公式"距離-速度*時間"來計算距 離。
然而，聲速依賴于例如溫度，會使測量發(fā)生錯誤。為了克服這一 問題，多個聲學(xué)測量系統(tǒng)包含參考系統(tǒng)，其中聲學(xué)脈沖傳播一個已知 的距離以便確定聲音的當(dāng)前速度，然后將聲音的當(dāng)前速度用于計算被 測物體的未知距離或體積等。在例如UK專利申請GB2 164 151中公 開了一種參考系統(tǒng)。
然而，聲速還依賴于信號所穿過的氣體的組分。氣體組分在整個 測量設(shè)備中經(jīng)常會發(fā)生變化，從而測量設(shè)備不同部分處的聲速不同，

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于給出相對于已知的聲學(xué)測量設(shè)備來說有 所改進的聲學(xué)測量設(shè)備。
一個特定目的在于給出聲學(xué)測量設(shè)備，其中相對于氣體組分對測
量進行了補償。
通過下面的描述將顯而易見的這些和其它目的現(xiàn)在已經(jīng)由通過 介紹提到的這種聲學(xué)測量設(shè)備實現(xiàn)了，進一步包含用于將箱中的流體 送入位于流體位上方的波導(dǎo)部分中的裝置。
本發(fā)明基于這樣的理解通過使箱中的流體通過波導(dǎo)，有可能在 波導(dǎo)中實現(xiàn)在流體位上方的整個波導(dǎo)中基本相等的氣氛。這使得波導(dǎo) 中的聲速——它依賴于氣體組分——相對于氣體組分進行了補償。從 而，當(dāng)使用相對于位于流體位上方的一部分波導(dǎo)計算的氣體組分補償 聲速以確定箱中的流體位時，這一整體流體位測量變得非常精確。
將箱中的流體送入波導(dǎo)的另一優(yōu)點在于流體位上方的整個波導(dǎo) 中的溫度都變得相近。從而，波導(dǎo)中的聲速又相對于溫度進行了補償， 這也改善了流體位的全面測量。
在本發(fā)明一個實施方案中，來自箱的流體被送入波導(dǎo)的參考部 分。參考部分定義為波導(dǎo)在換能器和參考部件之間的部分。參考部件 可以是例如置于波導(dǎo)內(nèi)的突起。然后送入?yún)⒖疾糠值牧黧w可以流過所 有位于流體表面上方的波導(dǎo)。流體流使得整個參考部分和波導(dǎo)其它部 分中的氣體組分為一個常數(shù)，從而都相等，聲速也為常數(shù)。這保證了 箱中的流體位的非常精確的測量。
優(yōu)選地，送入測量設(shè)備的波導(dǎo)中的流體流足夠小從而使得聲學(xué)信 號——例如聲學(xué)脈沖——能夠在所述波導(dǎo)中傳播。這樣，穿過波導(dǎo)的 聲學(xué)脈沖不會收到流動流體的顯著影響，而同時流體中可釋放出蒸汽 來在整個波導(dǎo)中形成相似的氣體組分，如上面所討論的那樣導(dǎo)致非常 精確的測量。
在本發(fā)明另一實施方案中，從箱送入波導(dǎo)的流體為液體。使用液體的一個優(yōu)點在于來自箱的液體可以容易地送入波導(dǎo)中。作為替代， 要從箱送入波導(dǎo)的流體為氣體，它可以取自例如箱中液體表面上方的 空氣。
在又一實施方案中，測量設(shè)備安置在還包含燃料泵的箱——例如 汽車中的燃料箱中，此處通過燃料泵將流體流送入波導(dǎo)。例如燃料泵 產(chǎn)生的燃料逆流可送入波導(dǎo)。這保證了波導(dǎo)中的穩(wěn)定燃料流，如上所 述，這導(dǎo)致了精確的測量。使用燃料泵的另一優(yōu)點在于不需要附加的 輸送設(shè)備，有助于測量設(shè)備的建造。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，通過介紹提到的這種測量設(shè)備的參考部 分進一步包含多個排流孔。排流孔的一個優(yōu)點在于可以排出無意中進 入測量設(shè)備的參考部分中的多余流體，例如，如果容納了要測量的液 體的箱傾斜了的話。排流孔的另一優(yōu)點在于可以排出來自送入波導(dǎo)的 流體流的過量流體。另外，波導(dǎo)中由于凝結(jié)而造成的過量流體也可同 等地通過排流孔排出。
注意本發(fā)明的帶有排流孔的這一方面無需限制為任何特定種類 的測量設(shè)備，而是可以應(yīng)用于任何包含一部分位于流體表面上方的波 導(dǎo)的測量設(shè)備。
在本發(fā)明第二方面的一個實施方案中，測量設(shè)備進一步包含鄰近 所述排流孔的吸收結(jié)構(gòu)。吸收結(jié)構(gòu)可以是，例如，吸收布。通過將吸 收結(jié)構(gòu)與排流孔結(jié)合使用，可以降低排流孔所引起的波導(dǎo)中聲學(xué)脈沖
的擾動，從而得到更準(zhǔn)確的測量。
吸收結(jié)構(gòu)可以包含主要部分和至少一個末端部分，末端部分位于 主要部分下方。這使得被吸收結(jié)構(gòu)吸收的流體由于虹吸效應(yīng)而積存在 所述末端中。然后積存的流體可從吸收結(jié)構(gòu)的末端滴下，例如，回到 箱中。
在本發(fā)明另一實施方案中，波導(dǎo)位于流體位上方的部分例如參考 部分，位于箱的外部。此外，測量設(shè)備包含漏斗結(jié)構(gòu)，其底部末端具 有與箱相連的開口。如此安排漏斗結(jié)構(gòu)以使得測量物體的波導(dǎo)穿過開 口進入箱中。在工作過程中，漏斗結(jié)構(gòu)收集波導(dǎo)的排流孔流出的流體，并將流體通過漏斗結(jié)構(gòu)底部的通道導(dǎo)回到箱中。
漏斗結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成漏斗結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁從水平面看過去的角度大 于箱的選定的允許最大傾斜角。這意味著只要箱的傾斜小于最大允許 箱傾斜角，漏斗結(jié)構(gòu)的側(cè)壁就具有這樣的傾角使得來自參考部分的流 體將沿內(nèi)側(cè)壁向下流動并被送回到箱中。因此，即使箱傾斜(至某一 限度)了，測量設(shè)備也將正常工作，這提高了測量裝置的可靠性。優(yōu)
選的最大允許箱傾斜角在10-35°范圍內(nèi)。


現(xiàn)在將參照附圖進一步描述本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實施方案，其中
圖1為本發(fā)明一個實施方案的示意性側(cè)視圖，包括用于向波導(dǎo)中 送入流體流的裝置；
圖2為本發(fā)明一個實施方案的示意性部分側(cè)視圖，其中參考部分 置于漏斗狀結(jié)構(gòu)中；
圖3為本發(fā)明另一包含虹吸功能的實施方案的示意性部分側(cè)視
圖4為本發(fā)明一個包含平螺線狀參考部分的實施方案的示意性俯
視圖5為本發(fā)明一個包含螺旋狀參考部分的實施方案的示意性側(cè)視
圖6示出與圖1或圖2的設(shè)備相關(guān)的一系列聲學(xué)脈沖； 圖7為本發(fā)明一個具有第二波導(dǎo)和公共參考部分的實施方案的示 意性側(cè)視圖8a-8b為本發(fā)明一個具有第二波導(dǎo)和公共換能器的實施方案 的示意性側(cè)視圖；以及
圖9為本發(fā)明一個具有第二波導(dǎo)和第二換能器的實施方案的示意 性側(cè)視圖。
具體實施方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備的優(yōu)選實施方案。測量設(shè)備用于 確定箱中液體位。箱可以是，例如，船或車輛(例如小汽車或卡車) 的燃料箱。要測量的液體可以是，例如水、汽油或柴油等。示于圖1 中的箱還含有燃料泵ll。
在圖l中，根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備IO包含波導(dǎo)12，其一端與換 能器14相連，而另一端延伸到箱18中所容納的流體16中。波導(dǎo)12 延伸到流體16中的端部20具有可以使流體進入波導(dǎo)的開口。另外， 波導(dǎo)延伸到流體中的端部20優(yōu)選地部分固定到箱18的底部。這確保 了波導(dǎo)12的端部20的位置，并保證了從箱的最底部測量液位。
上述換能器14可以是，例如低成本壓電元件，或包含單獨的聲 音發(fā)送器和接收器。換能器與電子控制器22相連，控制器22用于控 制換能器并根據(jù)換能器發(fā)送和接收的信號計算液位。
此外，波導(dǎo)12包含參考部件26，例如，置于波導(dǎo)內(nèi)的突起。參 考部件26可以是，例如環(huán)形，或者包含置于波導(dǎo)壁中的針。波導(dǎo)12 從與換能器14相連的端部延伸到參考部件26的部分以下稱作波導(dǎo)的 參考部分28。波導(dǎo)12從箱20底部到最大箱高度30(即最高的可能液 位)的部分以下稱作波導(dǎo)12的測量部分32。波導(dǎo)12在參考部分和測 量部分之間的部分稱作"死"部分34。
圖1的參考部分具有螺旋形，然而該參考部分可具有其它形狀， 例如平螺線形，或更細長的形狀。
在測量液位時，從控制設(shè)備22向換能器14送入電信號以產(chǎn)生聲 音脈沖。聲音脈沖從換能器14發(fā)送出來通過波導(dǎo)12傳到到液體表面 36。聲音脈沖被波導(dǎo)的參考部分28的末端處的參考部件26部分反射。 脈沖的剩余部分經(jīng)過死部分34并穿過測量部分32直到被液體的表面 36反射。這樣就有兩個反射脈沖回到換能器14。 一個反射脈沖與參考 部件有關(guān)，而另一個反射脈沖與液體表面有關(guān)。作為對接收到的聲音 脈沖的響應(yīng)，換能器14產(chǎn)生相應(yīng)的電信號并將其反饋回控制設(shè)備22。
波導(dǎo)12的死部分足夠長以保證從參考部件26和流體表面36反 射的兩個脈沖充分分開從而可以分辨出兩個脈沖，即使箱被裝滿到了頂部，從而脈沖相對靠近地返回到換能器14。
通過知道每個脈沖之間的時間間隔，即每個聲學(xué)脈沖的傳輸時
間，以及參考部分28、死部分34和測量部分32的長度，控制設(shè)備22
就可以根據(jù)下式計算箱中的液位或液體體積
流體位=(參考部分+死部分+測量部分)-(參考部分/REF產(chǎn)SURF 其中"參考部分"、"死部分，，和"測量部分"指的是各項的長度，而
REF和SURF指的是被參考部件和液體表面所反射的脈沖的傳輸時 間。
這樣，通過將波導(dǎo)的總長度減去表面上方的波導(dǎo)長度計算了液 位，而表面上方的波導(dǎo)長度通過聲速(-參考部分/REF)乘以時間 SURF來計算。
上面的計算由控制設(shè)備22來進行。
測量設(shè)備進一步包含波導(dǎo)的參考部分28和從燃料泵11伸出的燃 料回流40之間的連接38。連接38是可以引導(dǎo)流體(例如汽油)的管 子。另外，參考部分28包含多個排流孔42。優(yōu)選地，參考部分28每 圏螺旋螺線含有大約8個排流孔。
與如上所述的聲音脈沖穿過波導(dǎo)12的同時，流體(在此情形中 為燃料)被燃料泵ll通過連接管38抽到參考部分28中。從而，在測 量過程中，燃料流連續(xù)地泵入波導(dǎo)12。流經(jīng)波導(dǎo)12的燃料通過排流 孔42和通過波導(dǎo)12本身返回到箱18中。
另一方面，連續(xù)流在波導(dǎo)12中的范圍足夠大從而可以從燃料流 中釋放出氣體來，從而測量設(shè)備中的氣體的組分變得在整個波導(dǎo)中都 基本一致。另一方面，流的范圍又足夠小從而參考部分28中的聲音脈 沖又不會顯著地被流體本身影響。
由于在整個波導(dǎo)和參考部分中的獨創(chuàng)的并行(concurrent)流體 流，參考部分28中的氣體的組分在整個位于流體位上方的波導(dǎo)中都基 本相似。這意味著波導(dǎo)中的聲速(它隨氣體組分而改變)相對于氣體 組分進行了補償。
由于上面的公式使用了根據(jù)參考測量的聲速以便計算箱18中的液位，獲得了非常精確的液位氣體組分補償測量。
在上述實施方案中，測量部分32基本垂直，并實現(xiàn)了液位的絕 對測量。然而，也可以使測量部分傾斜以使其適應(yīng)不同高度的不同箱。 在該情形中，需要計算液位和箱的最高位面之間的關(guān)系以避免進一步 的校正,從而
關(guān)系=位面/測量部分
在圖1所示的本發(fā)明的實施方案中，利用了平面波傳播。為了實 現(xiàn)平面波傳播，波長必須遠大于波導(dǎo)的直徑。波長應(yīng)當(dāng)大于大約兩倍 的直徑。聲學(xué)脈沖的波長優(yōu)選地在2-10cm之間，這相應(yīng)于3.4-17kHz的頻率，即，并非超聲波。由于相對較長的波長，波導(dǎo)也必須 較長。優(yōu)選地，參考部分的長度長到大約70cm，而死部分的長度長到 大約30cm。
圖1中的波導(dǎo)12還可包含附加參考部件，位于與第一參考部件 26相隔已知的距離。當(dāng)使用例如一個附加參考部分時，又多一個聲音 脈沖返回到收發(fā)器，由此該脈沖的傳輸時間被用于計算聲音的當(dāng)前速 度。附加參考部件可以例如位于測量部分中，或位于換能器和第一參 考部件之間。前者在液位較低時導(dǎo)致參考部分更靠近液體。
圖2-3示出本發(fā)明的實施方案，其中參考部分28位于箱外。圖 2-3中的設(shè)備具有與圖1所示的設(shè)備相同的基本結(jié)構(gòu)和特征，在所有 附圖中對相同的結(jié)構(gòu)使用了相同的附圖標(biāo)記。
圖2示出參考部分28位于箱18外的例如舟中的測量設(shè)備。參考 部分28包含多個排流孔42。測量設(shè)備進一步包含漏斗狀結(jié)構(gòu)44，參 考部分28置于其中。參考部分28呈螺線形，在圖2中對準(zhǔn)于漏斗44 的內(nèi)壁46?？蛇x地，參考部分可形成為例如平螺線形，位于漏斗44 中。漏斗44的底端開口 48與箱18相連，波導(dǎo)12通過開口 48進入箱 18中。
箱中液位的測量方式與上面關(guān)于圖l所描述的類似。 在圖2所示的設(shè)備中，來自參考部分28中的流體流的多余流體 通過排流孔42排出并經(jīng)過漏斗44返回到箱18。另外，由例如凝結(jié)和/或如果箱傾斜而從箱18進入?yún)⒖疾糠?8的流體所產(chǎn)生的多余流體可 通過排流孔42和相關(guān)的漏斗44排出。只要漏斗的角度A大于箱的傾 斜角度B，流體就會被漏斗44導(dǎo)回箱18。從而，在設(shè)計測量設(shè)備時， 可選擇漏斗44的斜面從而箱測量設(shè)備可以進行箱的大至預(yù)定最大允 許傾角的測量。在例如舟中，最大允許傾角可以在大約25。量級，從 而漏斗的角度A設(shè)為恰大于所選最大允許傾角。
本發(fā)明的另一實施方案示于圖3中。在圖3中，測量設(shè)備的參考 部分28形成平螺線形，位于箱外。測量設(shè)備進一步包含容器50，平 螺線形參考部分置于其中。容器50具有基本圓形的底盤52和從底盤 邊緣向上延伸的側(cè)壁54。容器50通過底盤52處的開孔56與箱相連， 由此波導(dǎo)12通過開口 56進入箱中。容器50進一步包含遍布容器底盤 52并延伸到通向箱的開孔56中的吸收層58。注意吸收層58的下端 60位于通向箱的通道中。吸收層58可以是，例如吸收布，例如海綿 布。
在測量過程中，由例如通過參考部分28的流和/或凝結(jié)而產(chǎn)生的 多余流體從排流孔42散發(fā)出來并被吸收布吸收。由于吸收布58 的端部60所處的位置比吸收布在容器50的底盤52上的部分要低，因 此流體將聚集在末端60中，并由于虹吸原理而滴回到箱18中。另外， 通過將容器50提升到離箱18的頂表面一定距離C，那么即使整個箱 都傾斜了，只要圖3中標(biāo)為D的距離大于零，就可以使用虹吸功能， 以及測量設(shè)備。從而，在設(shè)計測量設(shè)備時，可以選擇容器50高度從而 箱測量設(shè)備能夠進行大至所需的箱傾角的測量。
如上所述，用于對箱(特別是，例如車輛或舟船中的燃料箱)中 的流體位進行聲學(xué)測量的設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。在UK專 利申請GB2 164 151中公開了一種這樣的設(shè)備，該申請公開了用于確 定箱中的液位的聲學(xué)液位測量儀器。該儀器包含管子，該管子的一端 浸入液體中，另一端具有換能器。管子還具有兩個沿管子放置位于管 子兩端之間的參考裝置。換能器產(chǎn)生源脈沖，源脈沖部分被參考裝置 反射，剩下的脈沖能量被液體表面反射，回聲之間的時間延遲可用于計算箱中的液位。
在用波導(dǎo)中的聲學(xué)信號進行測量時，最好使用平面波傳播，這使 得例如可以減小干擾。波導(dǎo)中聲學(xué)信號的平面波傳播的一個條件是信 號的波長遠大于波導(dǎo)的直徑。同時，為了使反射信號能夠分開，波導(dǎo) 必須有數(shù)個波長那么長。因此，由于波導(dǎo)通常具有一厘米左右級別的 直徑，測量儀器中使用平面波傳播的波導(dǎo)必須非常長，從幾個分米到 大約一米。
然而，這種儀器的缺點在于它太長且需要相對較大的空間。當(dāng)流 體位測量設(shè)備是要用于例如小汽車或卡車中以確定車輛的燃料箱中的 燃料位時，最重要的就是測量設(shè)備不會占據(jù)太大的空間。在例如小汽 車中的燃料箱周圍的空間通常是非常有限的。
因此，本發(fā)明的另一方面的目的就在于給出與已知的流體位測量 設(shè)備相比有所改進的流體位測量設(shè)備。
本發(fā)明的這一方面的特定目的在于給出緊湊的，并能以低成本方 式實現(xiàn)的流體位測量設(shè)備。
這些和其它目的在下面的描述中將變得清楚，而且已經(jīng)通過用于 使用低頻聲學(xué)脈沖在箱中測量流體位的設(shè)備實現(xiàn)了這些和其它目的， 該設(shè)備包含用于發(fā)送和接收聲學(xué)脈沖的換能器，以及一端與所述換能 器相連而另一端延伸到流體中的波導(dǎo)，波導(dǎo)具有位于流體表面上方的 參考部分。波導(dǎo)參考部分具有至少一個位于與流體表面基本平行的平 面中的彎曲。
本發(fā)明的這一方面基于這樣的理解當(dāng)在波導(dǎo)中使用低頻脈沖和 平面波傳播時，可以在一定限度內(nèi)彎曲和/或繞曲波導(dǎo)，而不會對波導(dǎo) 中的脈沖傳播造成負面影響。
波導(dǎo)的參考部分的彎曲的一個優(yōu)點在于使得能夠以更緊湊的方 式實現(xiàn)測量設(shè)備。當(dāng)流體位測量設(shè)備要用于例如燃料箱周圍的空間通 常非常有限的客車中時，緊湊的尺寸是最根本的。
使用平面波傳播和低頻信號的另 一優(yōu)點是在設(shè)備中可以使用低 成本的標(biāo)準(zhǔn)電子元件，這使得能夠降低制造成本。
ii測量設(shè)備的參考部分可以置于裝有要測量的流體的容器或箱之 內(nèi)或之外。優(yōu)選地，設(shè)備的參考部分與箱的頂表面相連。要用測量設(shè) 備測量的流體可以是任何流體，包括，但不局限于，氣體、柴油或水。
在一個實施方案中，測量設(shè)備的波導(dǎo)的參考部分在與要測量的流 體的表面基本平行的平面內(nèi)具有多個彎曲。例如，參考部分可具有往 復(fù)的形狀并沿與流體平行的平面前后彎曲延伸。這使得測量設(shè)備的尺 寸可以更緊湊。
在另一實施方案中，波導(dǎo)參考部分具有多個位于與流體表面基本
平行的平面內(nèi)的360°扭轉(zhuǎn)。這些扭轉(zhuǎn)優(yōu)選地為同軸的，導(dǎo)致例如螺旋 形或平螺線形。通過螺旋形布置參考部分，實現(xiàn)了相對較平的在與流 體表面平行的平面中延伸有限的參考部分。這樣的螺旋參考部分可有 利地置于燃料箱的燃料泵周圍。在平螺線形情形中，參考部分的高度 僅受波導(dǎo)直徑的限制。這使得參考部分可以有非常平的設(shè)計，這在測 量設(shè)備要與例如汽車的燃料箱相連時是一個主要的優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明又一方面，測量設(shè)備包含一端延伸到流體中的第二波 導(dǎo)。這使得能夠在箱中的兩個不同位置探測流體位，從而可以對幾何 形狀不規(guī)則或受限制的箱中的流體位進行更精確的測量。這樣的箱可 以是例如所謂的鞍式箱，箱的空間被箱底端處的凹陷分成兩個部分。 測量設(shè)備的波導(dǎo)可以容易地延伸到像這樣 一種箱的更緊湊和受限制的 部分，而測量點的定位變得更靈活。例如，可以將一個測量點定于通 常環(huán)繞燃料泵的容器中，該容器中有箱的最終燃料，從而能夠?qū)ο渲?最后的燃料進行液位測量。
注意本發(fā)明的這一方面無需限制為參考部分的任何特定形式，而 是可以應(yīng)用于任何測量設(shè)備。
第二波導(dǎo)可以例如與第一波導(dǎo)的換能器相連。這樣就使用了公共 換能器。這一布置的另 一優(yōu)點在于只需一個箱開口用于連接測量設(shè)備 和箱外的電子設(shè)備。這是有利的，因為在世界上某些地方的法規(guī)規(guī)定 車輛的燃料箱只能有一個開孔。在這一情形中，可以將第二波導(dǎo)與第 一波導(dǎo)一起置于換能器的同一側(cè)，或置于換能器的相對側(cè)，如果換能器用于在這兩個方向上都發(fā)送和接收脈沖的話。這有助于將兩個波導(dǎo) 與換能器相連。
作為替代，第二波導(dǎo)和第一波導(dǎo)可具有公共參考部分。與上面類 似，這一布置只需一個朝向箱的開孔。另一優(yōu)點在于這使得可以使用 公共換能器和參考部分，降低了制造成本并節(jié)省了箱內(nèi)和箱周圍的空 間。
作為第三替代方案，第二波導(dǎo)可以與第二換能器相連。在這一布 置中，測量設(shè)備相對較龐大的部分——例如換能器和參考部分——可 以有利地一起置于箱的容積更大的部分中，而只有波導(dǎo)延伸到箱的更 緊湊和受限制的部分中。
圖4和5示出根據(jù)本發(fā)明的兩個實施方案的流體位測量設(shè)備。在 這兩幅圖中，相同的附圖標(biāo)記用于相同的結(jié)構(gòu)。
測量設(shè)備與容器或箱相連。箱可以是例如舟船或車輛(例如小汽 車或卡車)的燃料箱。要測量的流體可以是，例如液體，例如汽油、 柴油或水等。示于圖4和圖5中的箱還含有燃料泵lll。
在圖4中，根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備110包含一端與換能器114相 連而另一端延伸到裝在箱118中的流體116中的波導(dǎo)112。波導(dǎo)112 延伸到流體116中的末端120具有可以使流體進入波導(dǎo)的開孔。此外， 波導(dǎo)延伸到流體中的末端120優(yōu)選地部分固定在箱118的底部上。這 確保了波導(dǎo)112的末端120的位置，并使得可以從箱的最底部進行流 體位測量。
圖4中的波導(dǎo)從換能器基本直線地向下延伸穿過箱。然而，測量 點(即波導(dǎo)的末端120)可以置于箱中的任何地方。例如，測量點可 置于箱底部正中，即使這樣換能器也可以置于例如箱的頂角中。
上述換能器114可以是例如低成本壓電元件，或者分開的聲音發(fā) 送器和聲音接收器。換能器與電子控制設(shè)備122相連，后者控制換能 器并根據(jù)換能器發(fā)送和接收的信號計算流體位。
此外，波導(dǎo)112包含參考部件126，例如位于波導(dǎo)內(nèi)的突起。參 考部件126可以是，例如環(huán)形，或者包含置于波導(dǎo)壁中的針。波導(dǎo)112從與換能器114相連的末端延伸到參考部件126的部分以下稱作波導(dǎo)的參考部分128。波導(dǎo)112從箱120的底部延伸到最大箱高度130(即最高的可能流體位)的部分以下稱作波導(dǎo)112的測量部分132。波導(dǎo)112處于參考和測量部分之間的部分稱作"死"部分134。
在測量流體位時，來自控制設(shè)備122的電信號送入換能器114以產(chǎn)生聲音脈沖。參見圖6a，聲音脈沖A從換能器114發(fā)出并穿過波導(dǎo)112朝向流體表面136。然后，如圖6b所示，聲音脈沖A被參考部件126部分反射，反射脈沖B朝換能器返回。脈沖的剩余部分A，經(jīng)過死部分134并穿過測量部分132直到它被流體表面136反射。這樣，如圖6c所示，兩個反射脈沖B和C返回到換能器114。 一個反射脈沖B與參考部件相關(guān)，另一個反射脈沖C與流體表面相關(guān)。作為對接收到的聲音脈沖的響應(yīng)，換能器114產(chǎn)生相應(yīng)的電信號并將其反饋回控制設(shè)備122。
死部分134足夠長以確保兩個脈沖B和C充分分開從而即使箱裝滿到了頂部兩個脈沖也可以分辨出來，并且脈沖B和C以相對較近的接近程度返回到換能器。
通過知道每個脈沖之間的時間間隔，即每個聲學(xué)脈沖的傳輸時間，以及參考部分128、死部分134和測量部分132的長度，控制設(shè)備122就可以根據(jù)下面的公式計算箱中的流體位或流體體積
流體位- (參考部分+死部分+測量部分)-(參考部分/REF"SURF
其中"參考部分"、"死部分，，和"測量部分"分別指的是每一項的長度，而REF和SURF分別指的是被參考部件和流體表面反射的脈沖A和B的傳輸時間。
在上面的公式中，通過將波導(dǎo)的總長度減去波導(dǎo)位于表面上方的長度來計算流體位。波導(dǎo)位于表面上方的長度通過聲速(-參考部分/REF)乘以時間SURF來計算。聲速通常隨溫度和氣體組分而改變。然而，由于上面的公式使用了根據(jù)參考測量的聲速，總的測量對溫度和氣體組分相對不敏感。
在上面的實施方案中，測量部分132基本垂直且實現(xiàn)了對流體位的絕對測量。然而，還可以傾斜測量部分以使其適合高度不同的不同箱。在此種情形中，計算流體位和箱的最高位面之間的關(guān)系以避免進
一步的校準(zhǔn)是有利的，由此關(guān)系=位面/測量部分
根據(jù)本發(fā)明，波導(dǎo)的參考部分128在基本平行于流體表面136的平面中繞曲。在圖4所示的實施方案中，參考部分128呈平螺線形。這確保與箱相連的測量設(shè)備占據(jù)盡可能小的空間。在圖4中，波導(dǎo)的
參考部分128連同換能器114置于箱118的鼓起138中，而電子控制設(shè)備122置于箱外。
可選地，波導(dǎo)的參考部分可以是螺旋形的，如圖5所示，在圖5中，參考部分128布置在燃料泵111周圍，從而利用了所迷燃料泵周圍的空間。螺旋參考部分128還可以以與上面就平螺線形參考部分所討論的類似的方式放置，即置于獨立于燃料泵的箱的內(nèi)部，例如置于箱的天花板中的鼓起中，或就是置于箱外。
在圖4和圖5所示的本發(fā)明的實施方案中，使用了平面波傳播。為了實現(xiàn)平面波傳播，波長要遠大于波導(dǎo)直徑。波長應(yīng)當(dāng)大于直徑的約兩倍。聲學(xué)脈沖的波長優(yōu)選地在大約2-10cm間隔范圍，這相應(yīng)于大約3， 4-17kHz的頻率，即，并非超聲波。由于相對較長的波長，波導(dǎo)也必須較長。優(yōu)選地，參考部分的長度長到大約70cm,而死部分的長度長到大約30cm。
再參見圖4和圖5中的實施方案，波導(dǎo)的參考部分128與換能器114 一起置于箱118中，而電子控制設(shè)備122置于箱外?？蛇x地，控制設(shè)備可以與換能器一起置于箱內(nèi)。然而，也可以將換能器和控制設(shè)備一起置于箱外，或?qū)⒖疾糠忠约耙蚨鴵Q能器和控制設(shè)備全都置于箱外。
圖4和5中的波導(dǎo)還可以包含與第一參考部件126相隔已知距離的附加參考部件。當(dāng)使用例如一個附加參考部件時，再多一個聲音脈沖返回到接收器，該脈沖的傳輸時間被用于計算聲音的當(dāng)前速度。附加參考部件可以例如置于測量部分中，或置于換能器和第一參考部件之間。前者使得在流體位低時參考部分更靠近流體。
圖7-9示出本發(fā)明第二方面的實施方案，其中可以在箱中的兩 個不同位置測量流體位。圖7-9中的測量設(shè)備具有與圖4和5中的設(shè) 備相同的基本結(jié)構(gòu)和特征，在所有附圖中相同的附圖標(biāo)記用于相同的 結(jié)構(gòu)。
圖7示出與圖5中類似的測量設(shè)備110,進一步包含第二波導(dǎo)140， 它與死部分134的末端相連并延伸到流體116中。第二波導(dǎo)延伸到流 體中的末端142具有開孔可以讓流體進入波導(dǎo)140。此外，末端142 優(yōu)選地置于與第一波導(dǎo)112的端部120不同的位置處，并部分固定在 箱118的底部上以確保波導(dǎo)末端的位置。
圖7中的箱118為所謂的鞍式箱，在箱底有凹陷144，波導(dǎo)112、 140置于凹陷144的兩側(cè)上。由此，可以進行更精確的箱內(nèi)流體位測 量。此外，測量設(shè)備被建成僅有一個參考部分128以及一個換能器114 和控制設(shè)備122，這使得設(shè)備的成本更低，并且使得測量設(shè)備只需在 箱118上有一個開孔，即使該設(shè)備特征在于兩個分開的測量點。
在測量流體位時，和上面所描述的一樣，從換能器114發(fā)出聲音 脈沖。在被參考部件126部分反射并通過死部分134之后，脈沖分解 并分別穿過測量部分132和第二波導(dǎo)140，并被每個波導(dǎo)132、 140中 的流體表面136反射。從而三個反射脈沖返回到換能器114。 一個反 射脈沖與參考部件126相關(guān)，一個與測量部分132處的流體表面相關(guān)， 而一個與第二波導(dǎo)140處的流體表面相關(guān)。測量部分132和第二波導(dǎo) 140應(yīng)當(dāng)長度不同從而可以將兩個回聲分辨出來。
知道了每個脈沖所消耗的時間，以及參考部分、死部分和延伸到 流體中的波導(dǎo)的距離，就可以計算箱中的流體位或流體體積。計算由 電子控制設(shè)備122來進行。
作為圖7的替代，笫二波導(dǎo)140可以與換能器114相連，示于圖 8a和8b中。在圖8a-8b中，與第一波導(dǎo)112類似，第二波導(dǎo)140包 含參考部分148、死部分150和測量部分152。可以將第二波導(dǎo)140 與第一波導(dǎo)112—樣置于換能器114的同一側(cè)(圖8a)，或置于換能器114的另一側(cè)(圖8b)。在圖8b中，換能器114向兩個方向發(fā)送 脈沖。
在測量圖8a和8b中的流體位時，聲音脈沖從換能器114發(fā)送出 來并穿過波導(dǎo)112、 140朝向流體表面136。聲音脈沖被每個波導(dǎo)的參 考部分末端處的參考部件126、 154部分反射。參考部分128、 148使 得與參考部件相關(guān)、返回到換能器114的回聲可以分隔開。脈沖的剩 余部分經(jīng)過死部分134、 150并分別穿過第一和第二波導(dǎo)的測量部分 132、 152，并被流體表面反射。
從而，四個反射脈沖返回到換能器112。 一個反射脈沖與第一波 導(dǎo)的參考部件126相關(guān)， 一個與第二波導(dǎo)的參考部件154相關(guān)， 一個 與第一波導(dǎo)的測量部分132處的流體表面相關(guān)，而一個與第二波導(dǎo)的 測量部分152處的流體表面相關(guān)。第一和第二波導(dǎo)的測量部分應(yīng)當(dāng)長 度不同從而可以將兩個回聲分辨出來。
知道了每個脈沖所消耗的時間，以及參考部分、死部分和延伸到 流體中的波導(dǎo)的距離，就可以計算箱中的流體位或流體體積。計算由 電子控制設(shè)備來進行。
作為第三替代方案，波導(dǎo)140可以與第二換能器156相連，如圖 9所示。第二波導(dǎo)140和第二換能器156具有與圖4中的第一波導(dǎo)112 和第一換能器114相同的結(jié)構(gòu)和功能。測量部分置于箱中的不同位置 從而可以得到流體位的更精確讀數(shù)。換能器可優(yōu)選地置于箱中的相同 區(qū)域中，并與單個電子控制設(shè)備122相連，后者根據(jù)第一和第二換能 器114、 156以及波導(dǎo)112、 140的單獨讀數(shù)計算總的流體位。
在圖7-9所示的實施方案中，兩個測量點的使用還使得能夠進 行不依賴于箱的傾斜的流體位測量。對于箱繞單個軸的旋轉(zhuǎn)運動，在 箱的每一側(cè)都放置一個波導(dǎo)，由此計算回聲脈沖接收的時間差以進行 傾斜補償流體位測量。
本發(fā)明并不局限于上述實施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能認識到， 可以有變體和調(diào)整，不偏離所附權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的范圍。
例如，排流孔方面，可以與任何需要將多余流體排出波導(dǎo)的測量設(shè)備結(jié)合。
而且，附加測量波導(dǎo)可以與測量設(shè)備相連，這使得可以從箱的不 同部分進行測量。在這一情形中，可以使用公共換能器和參考部分。 此外，吸收布可以與任何結(jié)構(gòu)(例如上面討論的漏斗)結(jié)合使用。 盡管在上述實施方案中使用了聲學(xué)脈沖，本發(fā)明的測量設(shè)備還可 以使用其它測量方式，例如駐波測量。
此外，圖7-9中的測量設(shè)備的參考部分28、 48為螺旋形并圍繞 箱18的燃料泵11。然而，參考部分還可以置于與燃料泵無關(guān)的位置 處，或者在箱內(nèi)，或者在箱外。參考部分還可以具有其它形狀，例如 平螺線形，如圖4所示。
盡管在例如圖7-9所示的測量設(shè)備中使用了兩個波導(dǎo)，然而還 可以使用更多的波導(dǎo)以增加測量點的數(shù)目。
另外，多波導(dǎo)這一設(shè)計還可與任何傳統(tǒng)設(shè)備相結(jié)合。
此外，延伸到流體中的波導(dǎo)可以呈圓錐形，從而波導(dǎo)末端底部處 的直徑大于波導(dǎo)頂部的直徑。這使得可以有更好的間隙角(relief angle )。
另外，整個或部分波導(dǎo)可以具有圓形、矩形或扁平等的橫截面設(shè)計。
權(quán)利要求
1. 一種用于使用低頻聲學(xué)脈沖來測量箱(118)中的流體(116)位面的設(shè)備，所述設(shè)備包含-換能器裝置(114)，用于發(fā)送和接收聲學(xué)脈沖，以及-波導(dǎo)(112)，與所述換能器(114)相連并延伸到流體(116)中，所述波導(dǎo)具有位于流體表面上方的參考部分(128)，其特征在于所述波導(dǎo)參考部分(128)在基本平行于流體(116)表面的平面內(nèi)具有至少一個彎曲。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)參考部分(128)在所 述平面中具有多個彎曲。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)參考部分(128) 在所述平面內(nèi)具有多個360°扭轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)參考部分(128)是螺 旋形的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)參考部分(128)具有 平螺線形狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的設(shè)備，進一步包含延伸到流體 (116)中的第二波導(dǎo)(140)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)(112)和所述第二波 導(dǎo)(140)分別在換能器(114)的相對側(cè)與所述換能器相連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)(112)和所迷第二波 導(dǎo)(140)具有公共參考部分(128)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，進一步包含第二換能器(156)，所 述第二波導(dǎo)(140)與所述第二換能器相連。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6-9中任何一個的設(shè)備，進一步包含置于箱 外的電子控制設(shè)備(122)，而換能器置于箱內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明流體位測量設(shè)備涉及用于對箱(18)的液體(16)位面進行氣體組分補償聲學(xué)測量的設(shè)備(10)。該設(shè)備包含置于所述液體之外的換能器(14)，用于發(fā)送和接收聲學(xué)信號，以及與所述換能器相連并延伸到液體中的波導(dǎo)(12)。該設(shè)備進一步包含用于將流體流從所述箱送入所述波導(dǎo)的位于液位上方的部分中的裝置。這使得波導(dǎo)位于液面上方的整個部分中氣體組分基本相似，從而利用波導(dǎo)中的聲速進行的位面測量變得非常精確，這一聲速是與氣體組分相關(guān)的。
文檔編號G01F23/296GK101458113SQ20081017383
公開日2009年6月17日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月15日
發(fā)明者簡·博斯特倫 申請人:艾克森塞股份公司