專利名稱：：具有可變發(fā)射功率的超聲波水平面測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及水平面測量，并具體涉及使用超聲波反射的水平面測
背景技術(shù)：
：很長一段時間以前就已知使用超聲波來測量罐和泄洪道中容納物的水平面，在美國專利4，596,144(FederalIndustries)和韓國專利2,230,608(Hycontrol)中描述并要求保護了這種類型裝置的兩個示例。使用超聲波來測量罐容納物的深度的基本原理是公知的。從安裝在容納物的水平面上方的發(fā)射/接收換能器向容納物的表面發(fā)射超聲波脈沖。該脈沖被表面所反射，換能器在其接收模式下接收反射或回波信號以供后續(xù)分析。正發(fā)射的入射脈沖和正接收的回波脈沖之間的時間間隔與換能器和容納物表面之間的距離成正比。因此，水平面測量的精確度完全取決于該時間間隔的測量。可以參照圖1至3來理解這種類型設備的典型示例。將超聲波水平面測量設備10安裝在罐13中所包含的液體12的表面11上方。如圖2所示，典型地以1秒的周期從換能器晶體15向表面11發(fā)射聲能脈沖。這些脈沖被表面11反射并返回至換能器15。如公知的，發(fā)射時間和接收時間之間的間隔與換能器晶體15和表面11之間的間隔成正比。在圖2所示的示例中，通過使用微處理器18對存儲電容器17進行電切換來產(chǎn)生發(fā)射脈沖。然后使用升壓變壓器20來增大來自電容17的輸出電壓，使得該輸出電壓處于適合驅(qū)動換能器晶體15的電平。在接收側(cè)上，經(jīng)由保護二極管對(未示出)將回波信號接收到放大器22中，保護二極管的功能是通過限制從換能器晶體到電路的能量傳遞來滿足內(nèi)在安全需要。為了對表面11與換能器15之間介質(zhì)的特性將會減弱換能器15與表面11之間傳遞的聲波的這一事實加以補償，在23處對接收4到的信號進行時間可變增益步驟。隨后，對信號進行濾波，并且在該特定示例中，確定發(fā)射脈沖包絡的峰值并對其應用閾值，使得可以從進一步的考慮中排除寄生的或不期望的回波。這種類型設備的精確度依賴于通過將閾值設置在回波大小幅度的四分之一處，始終如一地對接收到的回波的相同部分進行檢測。隨后，回波波形的形狀的任何改變將導致測量的不精確。釆用上述設備的問題在于，當水平面11接近換能器15時，反射脈沖的能量為高，并己知會使回波處理電路飽和，導致回波大小的不正確測量并從而導致回波檢測閾值的不正確設置。這會降低時間測量的精確度。典型地，當輸入飽和二極管對波形進行限幅時呈現(xiàn)飽和，使得其采用與圖3A所示期望形狀相反的圖3B所示的形狀。本發(fā)明的目的是提供一種方法和/或設備，該方法和/或設備將會解決上述問題，或者將會至少提供一個新穎且有用的選擇。
發(fā)明內(nèi)容相應地，在一個方面中，本發(fā)明提供了一種使用位于封閉空間中材料表面上方的超聲波換能器，從所述表面上方的位置確定所述表面的水平面的方法，所述方法包括以下步驟使所述換能器向所述表面發(fā)射超聲波脈沖;對從所述表面反射的所述脈沖所引起的回波信號進行接收；以及對所述回波信號進行處理，以確定從所述換能器至所述表面的距離，所述方法的特征在于，當所述換能器與所述表面之間的距離小于定義的距離并且所述回波信號的幅度超過預定義的幅度時，減小為產(chǎn)生所述脈沖所施加的能量。優(yōu)選地，通過減小發(fā)射脈沖的幅度來減小所述能量。優(yōu)選地，隨著所述表面從所述定義的距離向所述換能器移動，逐步減小為產(chǎn)生所述脈沖所施加的能量。優(yōu)選地，如果所述回波信號的幅度小于所述預定義的幅度，則使所述能量的減小逆轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，從存儲電容器驅(qū)動所述超聲波換能器，所述方法包括改變所述電容的充電時間以控制發(fā)射脈沖的幅度。在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種從封閉空間中材料表面上方的位置確定所述表面的水平面的裝置，所述裝置包括可位于所述表面上方的超聲波換能器，發(fā)射電路，可操作用于使所述換能器向所述表面發(fā)射超聲波脈沖；接收電路，可操作用于對從所述表面反射的所述脈沖所引起的回波信號進行接收；以及處理電路，可操作用于對所述回波信號進行處理，以確定從所述換能器至所述表面的距離，所述裝置的特征在于，所述發(fā)射電路被配置為當所述換能器與所述表面之間的距離小于定義的距離并且所述回波信號的幅度超過預定義的幅度時，施加較少能量來產(chǎn)生所述脈沖。優(yōu)選地，在所述處理電路控制下的所述發(fā)射電路還可操作用于-通過減小發(fā)射脈沖的幅度來減小所述能量。優(yōu)選地，所述處理電路還可操作用于根據(jù)所述表面與所述換能器之間的距離來改變所述預定義的幅度。優(yōu)選地，在所述處理電路控制下的所述發(fā)射電路還可操作用于如果所述回波信號的幅度小于所述預定義的幅度，則使所述能量的減小逆轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，所述發(fā)射電路包括可操作用于驅(qū)動所述換能器的存儲電容器，以及用于改變所述電容器的充電時間的裝置。在閱讀以下描述時，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以執(zhí)行本發(fā)明的許多變型將是顯而易見的。描述不應視為限制性的，而僅是執(zhí)行本發(fā)明的一種方式的示意。無論是否具體涉及，在適當情況下任何元件或組件都應當被視為包括其任何或所有等同物。6現(xiàn)在將參照附圖描述使本發(fā)明付諸實踐的一個優(yōu)選方法和裝置，在附圖中圖l示出了對使用基于超聲波的裝置來測量罐中液體水平面加以說明的示意性正視圖2示出了在超聲波水平面測量裝置中使用的現(xiàn)有電路圖；圖3A示出了反射信號的期望脈沖包絡；圖3B示出了在液體水平面接近換能器時能夠出現(xiàn)的脈沖包絡；圖4示出了實現(xiàn)本發(fā)明所遵循的例程的流程圖；圖5A和5B分別示出了未應用本發(fā)明的誤差記錄和應用本發(fā)明的誤差記錄。具體實施例方式本發(fā)明提供了一種方法，用于克服圖2所示類型的超聲波水平面測量裝置中由接收電路組件的飽和所引起的問題。典型地，所提到的組件是保護二極管對，該保護二極管對被并入以通過限制從換能器晶體至電路的能量傳遞來賦予裝置內(nèi)在安全性。然而，包括圖2中放大器22和23的輸入和輸出在內(nèi)的其他組件也會變得過載。在給定該類型應用中遇到的聲音的典型速度的情況下，假設在發(fā)射之后的規(guī)定時間段內(nèi)接收到的任何回波具有使接收電路的元件飽和的勢能，并應用本發(fā)明的方法。為了該描述起見，描述了具有l(wèi)秒典型周期時間的裝置，并假設發(fā)射之后6ms內(nèi)接收到的任何回波具有引起飽和的勢能，并因此提供不精確水平面指示。在該具體示例中，這等同于表面和換能器之間100cm的距離。如果第一回波在發(fā)射之后不到6ms內(nèi)到達換能器，并且如果接收到的回波的幅度超過了因表面11和換能器10之間的距離而定的極限，則減小發(fā)射功率。越早接收到回波，極限就越低并且功率減小就越多。經(jīng)驗測試指示了，如果避免了飽和，則應當應用表l中指示的減小。7表l:最佳目標回波大小<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如可以看出的，發(fā)射功率逐步增大一直達到極限，在該極限處能夠以全功率對裝置進行操作而沒有發(fā)生電路飽和的危險。如這里所示，如果在4.8ms之后接收到回波信號，則當水平面距離換能器超過100cm時，只有在接收到的回波幅度大于期望的最大回波信號的幅度的89%的情況下，發(fā)射功率才減小。優(yōu)選地，通過減小發(fā)射脈沖的幅度來減小發(fā)射能量，然而可以采用許多不同技術(shù)來減小發(fā)射功率，在圖2所示類型的裝置中，方便的是通過改變存儲電容器的再充電時間來實現(xiàn)功率改變。采用該技術(shù)的具體優(yōu)點在于可以采用軟件來實現(xiàn)這一點。硬件可以保持不變，這具有許多好處。例如，改變電路使得輸入不再因密集的回波而飽和將需要增大回波處理電路后續(xù)階段的增益。這可能會增大系統(tǒng)中的噪聲，從而降低遠距離處的靈敏度。其他方法也可以改變發(fā)射波形中的脈沖數(shù)目，但是這樣的技術(shù)改變了波形前沿的輪廓，從而在回波時間測量中引入誤差。此外，如果要將存儲電容器電壓饋送至微處理器，則需要附加的內(nèi)在安全保護，而所描述的本發(fā)明避免了對這種附加的內(nèi)在安全保護的需要。在表l中最后一列中指示了實現(xiàn)期望功率減小所需的正常再充電持續(xù)時間。通過對微處理器進行編程可以方便地實現(xiàn)這些再充電持續(xù)權(quán)利要求1、一種使用位于封閉空間中材料表面上方的超聲波換能器，從所述表面上方的位置確定所述表面的水平面的方法，所述方法包括以下步驟使所述換能器向所述表面發(fā)射超聲波脈沖；對從所述表面反射的所述脈沖所引起的回波信號進行接收；以及對所述回波信號進行處理，以確定從所述換能器至所述表面的距離，所述方法的特征在于，當所述換能器與所述表面之間的距離小于定義的距離并且所述回波信號的幅度超過預定義的幅度時，減小為產(chǎn)生所述脈沖所施加的能量。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，通過減小發(fā)射脈沖的幅度來減小所述能量。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，隨著所述表面從所述定義的距離向所述換能器移動，逐步減小為產(chǎn)生所述脈沖所施加的能4、根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中，如果所述回波信號的幅度小于所述預定義的幅度，則使所述能量的減小逆轉(zhuǎn)。5、根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其中，從存儲電容器驅(qū)動所述超聲波換能器，所述方法包括改變所述電容的充電時間以控制發(fā)射脈沖的幅度。6、一種從封閉空間中材料表面上方的位置確定所述表面的水平面的裝置，所述裝置包括可位于所述表面上方的超聲波換能器，發(fā)射電路，可操作用于使所述換能器向所述表面發(fā)射超聲波脈沖；接收電路，可操作用于對從所述表面反射的所述脈沖所引起的回波信號進行接收；以及處理電路，可操作用于對所述回波信號進行處理，以確定從所述換能器至所述表面的距離，所述裝置的特征在于，所述發(fā)射電路被配置為當所述換能器與所述表面之間的距離小于定義的距離并且所述回波信號的幅度超過預定義的幅度時，施加較少能量來產(chǎn)生所述脈沖。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，在所述處理電路控制下的所述發(fā)射電路還可操作用于通過減小發(fā)射脈沖的幅度來減小所述能8、根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其中，所述處理電路還可操作用于根據(jù)所述表面與所述換能器之間的距離來改變所述預定義的幅度。9、根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的裝置，其中，在所述處理電路控制下的所述發(fā)射電路還可操作用于如果所述回波信號的幅度小于所述預定義的極限，則使所述能量的減小逆轉(zhuǎn)。10、根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的裝置，其中，所述發(fā)射電路包括可操作用于驅(qū)動所述換能器的存儲電容器，以及用于改變所述電容器的充電時間的裝置。全文摘要本發(fā)明提供了一種通過降低或消除超聲波水平面測量裝置中接收電路的飽和度來提高水平面測量的精確度的方法。該方法包括調(diào)整發(fā)射功率以便控制回波幅度，具體地，當正被監(jiān)控的表面在距超聲波換能器預定距離內(nèi)時避免飽和。本發(fā)明的特定優(yōu)點在于，可以在不對裝置中配備的電路進行改變的情況下實現(xiàn)本發(fā)明。文檔編號G01F23/296GK101657702SQ200880008626公開日2010年2月24日申請日期2008年3月12日優(yōu)先權(quán)日2007年3月17日發(fā)明者杰弗里·阿倫·希耶斯,路易斯·菲利佩·達·席爾瓦·里貝羅·科埃略申請人:莫伯蕾有限公司