专利名称：一种液体测量系统和在其中使用的共享接口设备的制作方法
技术领域：
本发明一般针对液体测量系统，更具体而言，针对一种包括接口设备的液体测量系统，该接口设备用于共享对远距离放置在一个液体容量上的超声传感器和温度测量设备的激励和信号处理。
背景技术：
目前的超声类的液体测量系统利用一种放置在液体容器上的超声传感器，用于测量容量中液体的液位。超声传感器被激励，产生指向液面表面的超声脉冲，并从液面的表面接收被变换成相应的回波信号的回波。这些系统一般包括一个温度测量设备，如电阻温度设备或RTD，被放置在容器上与紧靠着超声传感器的液体接触。当RTD被激励时，它产生代表液体温度的响应信号，与用于确定容器中的液面水平的回波信号一道被使用。
当超声传感器和它的温度测量设备被放置在液体容器上时，用于对每个这样的设备激励和信号处理的设备一般被放置在远离容器处。在液体容器是在飞行器上的一个油箱的场合，激励和处理设备可被安置在离油箱从20到300英尺处。另外，每个设备包括它自己的专用设备和电缆，特别是在商业飞行器上它们可以是30到40个或更多。因此，在飞行器工业中，单独的专用设备和电缆铺设在体积，重量以及劳务，维护和燃料消耗的成本方面是沉重的负担。因而，特别对于飞行器应用，减少用于每个这样的设备的专用设备和电缆铺设是所希望的。
发明内容
依据本发明，一种液体测量系统包括用于对远距离放置在液体容器上的超声传感器和放置在紧靠超声传感器用以测量液体温度的温度测量设备共享激励和信号处理的接口设备。激励超声传感器用以产生指向容器中液面表面的超声脉冲，并从液面接收变换成相应的回波信号的超声回波。激励温度测量设备以产生代表紧靠超声传感器处液体温度的响应信号。该接口设备包括用于对超声传感器产生第一激励信号的第一装置，用于对温度测量设备产生第二激励信号的第二装置，一个公共的传导通路，既连到超声传感器又连到温度测量设备，用于传导对超声传感器的第一激励信号和相应的回波信号，并用于传导对温度设备的第二激励信号和来自它的响应信号，和一个接口电路连接在第一和第二装置以及公共传导通路之间，用于管理第一和第二激励信号在公共传导通路上的传导，和用于提供一个平衡接口，以接收来自公共传导通路的回波信号和响应信号。依据本发明的另一方面，液体测量系统包括一种连到接口电路的处理装置，用于接收回波信号和响应信号，根据接收到的信号确定在容器中的液面水平。
图1是一种适于实施本发明的原理的液体测量系统的方框简图。
图2是一种适于在由图1所示的实施方案中使用的接口设备的电路简图。
具体实施例方式
参考图1，一个液体容器用10表示，含有液面在12的液体，通过举例方法描述本发明，容器10可以是一个飞行器油箱，含有液面在12的飞行器燃料。在本实施方案中，一个超声传感器14和一个温度测量设备16被包含在一个公共的传感器组件20中(更详细情况参看图2)，该组件被放置在容器10中。虽然超声传感器14和温度测量设备16包含在一个公共组件中是优选的做法，应该理解本发明不需要受到这样的限制。然而，希望有一个温度测量设备16，放置在与超声传感器紧靠的液体接触的容器上。
超声传感器14，可以是压陶瓷类的，如包含一种PZT(铅锆酸盐钛酸盐)晶体，被一种相当高频率的脉冲式交变电流(AC)信号激发，频率可以是在1兆赫兹(MHz)的数量级上，用以产生指向液面12的超声脉冲22。另外，超声传感器14能够接收来自液面的回波，并将它们变换成相应的回波信号。超声传感器一般包括一个负阻抗元件，起着对在工作激励频率上的设备降低功率的作用。在本实施方案中，一个调谐的电感器18被串联连接超声传感器14(示于图2中)并且在工作频率上是一个正电抗阻抗值，用以抵消传感器14的负电抗阻抗元件，以便使在其上的功率为最大。
温度测量设备16可以是一种电阻温度设备或RTD，例如，在本实施方案中被与传感器14平行地放置。在本方案中，最好RTD基本上是无感的，例如，小于5微亨，以便不引入寄生电感到电路中。为此目的，由Kulite Semicondnctor Products，Inc.制造的半导体-基的RTD的类型将是合适的，对于本实施方案，RTD的电阻可以是在1-10千欧的数量级上。在这种平行电路方案中，RTD16也可以对传感器14起着泄流电阻器的作用以防止电荷在电容元件上集结。电阻值在1或更多兆欧数量级的另一个电阻器(未示出)也可以与传感器14并联，以保证防止这样的电荷集结。
一个公共的传导通路30被连在超声传感器14和RTD16上，用于传导对传感器14的第一激励信号和相应的回波信号，和用于传导对RTD16的第二激励信号和响应信号。在本实施方案中，通路30是绞合的线对32和34，它们被通过容器10上传感器14和RTD16的并行电路装置连接。通路30可以包括覆盖绞合线对的屏蔽层36，它可在一端接地，最好在远离容器20的一端，或按应用的指令在两端接地。
在图2的简图中较详细地示出的接口电路38被放置在远离容器10处，并被连到传导通路30的远距离端40。也放置在远离容器10处的一个脉冲式控制的振荡电路42，用于产生对传感器14的第一激励信号，一个精密电流源44，用于产生对RTD16的第二激励信号。可以是一种对有关领域中的技术人员所熟知的通常设计的两个电路42和44被连到接口电路38。接口电路38能够管理通过通路30对第一和第二激励信号的传导，并提供一个平衡接口，用于通过通路30分别接收来自设备14和16的回波信号和响应信号。接口电路38的操作将通过图2的电路实施方案的描述变得更加明白。
在本实施方案中，一个数字信号处理器46，例如，可以是由TexasInstruments制造的类型，型号为TMS320C32X，通过接口电路38操作控制振荡器42的脉冲式操作和源44的操作。处理器46被连到接口电路38，用于通过信号线48接收回波信号和通过数据线50接收响应信号，并能够根据接收到的信号在程序控制下确定容器10中液体的液面。因为处理器46的操作是数字的，通过信号线52来自RTD16的模拟响应信号被一个通常的模拟数字变换器(A/D)54数字化，在本实施方案中也可由处理器46控制。由处理器46执行的用于从回波信号和温度响应信号确定液面的算法对于有关领域中所有的技术人员来说是众所周知的，由于这个原因对于本实施方案作详细的描述是不需要的。更具体而言，在本实施方案中，振荡器电路42被控制产生脉冲串频率在1到8赫兹数量级的含有1兆赫兹频率的1到16个正弦周期的脉冲。然而，应该明白，根据容器10中液体的液面在工作期间脉冲间的周期和脉冲的持续时间可以改变。
现在参考图2，振荡器电路42被连到接口电路38中一个升压变压器60的原边。本实施方案的变压器60是一种具有专门为RF应用设计的铁氧体烧制的磁芯的类型，绕组之比为1比8(典型值)，因此，在变压器60的副线圈两端上感应出具有在90到110伏数量级上的高峰-峰电压的差分脉冲AC信号。背靠背的二极管D1和D2被串联到副线圈62的一端64。在一种平衡的方案中，背靠背二极管D3和D4被连到副线圈62的另一端66。电容器C1与二极管对D1，D2串联组成电路节点68，为了平衡，电容器C2与二极管对D3，D4串联组成电路节点70。对于本实施方案，二极管可以是1N4148，电容器可以是在1微法数量级上的值。双扭线32被连到电路节点72上的电容器C1的另一侧，为了平衡，另一双扭线34被连到电路节点74上的电容器C2的另一侧。
一个差分视频放大器76被分别通过电阻R1和R2跨接在电路节点68和70上。背靠背二极管D5，D6被跨接在放大器76的输入，用以保护它的输入级避免来自在副线圈62上感应的脉冲式高压AC激励信号的过压损害。如图1所示，放大器76的输出可通过信号线48连到处理器46上。在本实施方案中，放大器76可以是由MAXIM制造的型号为MAX436的类型，例如，具有大约200和75兆赫兹的带宽。此外，一种仪器放大器78，可以是由Analog Devices制造的型号为AD521的类型，例如，被分别通过电阻器R6和R7跨接在电路节点72和74上。电容器C3被跨接在放大器78的输入，用于滤去干扰它的操作的高频第一激励信号和有关的回波信号。在本实施方案中，电阻R1和R2可以是在2千欧数量级上的一个值，电阻R6和R7可以是在10千欧数量级上的一个值，电容器C3可以是0.1微法和二极管D5和D6可以是1N4148。
而且，为了使接口电路38的输出阻抗与传导通路相匹配，平衡阻抗匹配电路被从节点72和74连到电路38的接地参考点。更具体而言，一个包括与电容器C4’并联的电容器C4和电阻器R4串联组合的匹配电路被从节点72连到接地参考点。又，一个包括与电容器C5’并联的电容器C5和电阻器R5串联组合的匹配电路被从节点74连到接地参考点。在本实施方案中，C4和C5的值可以在1微法的数量级上，电阻器R4和R5可以在1千欧的数量级上，电容器C4’和C5’的值可以是，例如，在470皮法的数量级上。
精密直流(DC)电流源44还被进一步通过一个高压差动开关80分别连到节点72和74。源44的精密电流信号，是本实施方案的第二激励信号，被连到一个开关80的极和源44的接地参考点或回程通路被连到另一个开关的极。在本实施方案中，差动开关80由处理器46通过一个逻辑缓冲电路82控制。当在打开位置中工作时，第二激励信号被禁止激励RTD，从而无温度响应信号产生。在这种状态中，开关80对脉冲式的AC激励和有关的回波信号提供平衡的高阻抗。当在闭合位置中工作时，开关80使RTD能够被源44通过一个低阻抗的通路激发。在本实施方案中，开关80，例如，可以是由Siliconix制造的型号为DG507A的类型。
在操作中，处理器46可以控制振荡器42产生大约1兆赫兹的脉冲式AC激励信号，比如说，在1秒5次的数量级上实现200毫秒的脉冲间周期。例如，每个脉冲串或激励脉冲可以包括从1到16个AC信号周期。变压器60将激励电压提升到大约90伏峰一峰，通过平衡电容器C1和C2差动地传送并通过绞合线对32和34激励传感器14。当脉冲式AC激励信号被产生时，开关80被控制到它的打开位置对AC激励信号提供平衡高阻抗。二极管D6和D7“夹紧”并保护放大器76的输入级防止高压激励信号。电容器C3也将高压AC激励信号滤去以保护放大器78的输入级。对第一激励信号作出响应，传感器14产生指向箱10中液体的表面的超声脉冲。来自液体表面的回波被传感器14接收到，并被转换为回波信号，被通过公共传导通路30的绞合线对并通过电容器C1和C2差动地传送回放大器76。二极管对D1，D2和D3，D4通过利用至少两个二极管压降隔断变压器副边的低阻抗通路，至少两个二极管压降对于被放大器76检测和放大是一个适当的电压电平。依次，被放大的回波信号通过信号线48从放大器76输出到处理器46供确定箱10中燃料的水平使用。
以上提到的对传感器14的脉冲式AC激励可以持续一个周期的时间，用以收集足够数目的回波信号供其信号处理。常常，第一激励信号的产生被处理器中断，开关80被控制到它的闭合位置，使得从源44产生的第二或DC激励信号，可以是在1毫安的数量级上，被差动地通过公共传导通路30的绞合线对传送到RTD16。注意，从RTD返回的电流通路是到源44的接地参考点。跨接RTD，代表被RTD检测到的温度的DC响应电压被通过绞合线对送回到接口电路38，在其中它被放大器78放大并通过信号线52和A/D54传送到处理器46随同回波信号用在容器10液面的确定中。通过电容器C1和C2将DC激励信号和响应信号与AC激励电路的干扰隔断。一旦处理器46接收到温度测量信号，它可将开关80返回到它的打开位置，并继续控制振荡器电路产生第一激励信号。接口电路38被以这种方式使用，相互不相容地通过公共传导通路30管理第一和第二激励信号的传送。
因此，通过本发明的原理，已经示出，在一个液体容器，例如，一个飞行器的燃料箱，上的一个超声传感器和它的温度测量设备，可以共享相同的遥远放置的飞行器上的电子设备用以激励和信号处理，并共享它们之间的一个公共传导通路，因而大量节省体积和重量，以及劳务、维护和燃料消耗的成本。虽然在以上已结合优选实施方案示出了本发明，但应该理解，可以对它进行修改和等同的替换而并不偏离它的主要原理。因此，本发明不应该被限于任何单一的实施方案，而是在依据所附的权利要求的叙述的广度和概括的范围内加以解释。
权利要求
1.一种液体测量系统包括一个放置在液体容器上用于测量容器中液面的超声传感器，所述的超声传感器被激发，产生指向液面的超声脉冲。并用于接收来自液面被变换成相应的回波信号的超声回波；一个温度测量设备，被放置在紧靠着所述的超声传感器处并与容器的液体接触，所述的温度测量设备被激发，产生代表紧靠所述的超声传感器的液体温度的响应信号；远离液体容器放置的第一装置，用于产生对于所述的超声传感器的第一激励信号；远离液体容器放置的第二装置，用于产生对于所述的温度测量设备的第二激励信号；一个连到所述的超声传感器和所述的温度测量设备的公共传导通路，用于传送所述的第一激励信号到所述的超声传感器和由此传送所述的相应的回波信号，利用于传送所述的第二激励信号到所述的温度测量设备并由此传送所述的响应信号；一个远离液体容器放置并连接在所述的第一和第二装置及所述的公共传导通路之间的接口电路，用于管理所述的第一和第二激励信号通过公共传导通路传送，和用于提供一种平衡接口从公共传导通路接收所述的回波信号和响应信号；和连到所述的接口电路的处理装置，用于接收所述的回波信号和所述的响应信号，根据所述的接收信号确定容器中的液面。
2.如权利要求1的液体测量系统，其中第一装置包括用于产生差分第一激励信号的装置；第二装置包括用于产生差分第二激励信号的装置；公共传导通路包括绞合线对；和超声传感器与温度测量设备被通过所述的绞合线对并联在液体容器上。
3.如权利要求1的液体测量系统，其中超声传感器和温度测量设备被包含在一个公共的组件中，连到所述的液体容器上的公共传导通路。
4.如权利要求1的液体测量系统，其中液体容器是在飞行器上的燃料箱；和第一装置，第二装置，接口电路和处理装置被放置在远离飞行器上燃料箱处。
5.如权利要求1的液体测量系统，其中第一装置包括用于产生脉冲式高频AC信号作为第一激励信号的装置；第二装置包括用于产生DC信号作为第二激励信号的装置；和接口电路包括一个开关，用于在第一位置中通过传导通路传送所述的DC信号和用于在第二位置中对所述的脉冲式AC信号提供基本上平衡的阻抗。
6.如权利要求5的液体测量系统，其中处理装置包括用于控制第一装置中第一激励信号的产生和用于使开关工作到它的第一和第二位置的装置。
7.如权利要求5的液体测量系统，其中接口电路包括用于处理从超声传感器接收到的脉冲式AC回波信号的第一电路；用于处理从温度测量设备接收到的DC响应信号的第二电路；并包括用于将DC激励信号与所述的第一电路的干扰隔断和将脉冲式AC激励信号与第二电路的干扰隔断的电路。
8.如权利要求7的液体测量系统，基中隔断电路包括与DC的激励通路串联的第一电容装置和与脉冲式AC激励通路并联的第二电容装置。
9.如权利要求1的液体测量系统，其中温度测量设备包括电阻温度设备(RTD)。
10.如权利要求9的液体测量系统，其中RTD与超声传感器并联并起着对超声传感器的泄流电阻器的作用。
11.如权利要求9的液体测量系统，其中RTD的电阻远大于传导通路的电阻。
12.如权利要求9的液体测量系统，其中RTD基本上是无感的。
13.如权利要求12的液体测量系统，其中RTD是半导体-基的类型。
14.如权利要求1的液体测量系统，其中接口电路包括用于管理第一和第二激励信号通过公共传导通路相互不相容地传送的装置。
15.如权利要求1的液体测量系统，其中第一装置包括用于产生高峰-峰电压的脉冲式AC信号作为第一激励信号的装置；第二装置包括用于产生DC电流信号作为第二激励信号的装置，从温度测量设备感应较低电压的DC响应信号。
16.如权利要求15的液体测量系统，其中接口电路包括用于处理从超声传感器接收到的脉冲式AC回波信号的第一电路；用于处理从温度测量设备接收到的DC响应信号的第二电路；和包括用于将高压脉冲式AC激励信号与所述的第一电路和第二电路的干扰隔断的电路。
17.一种用于对一个远距离放置在液体容器上的超声传感器和一个紧靠着所述的超声传感器放置的用于测量液体温度的温度测量设备共享激励和信号处理的接口设备，所述的超声传感器被激励，产生指向容器中液面的超声脉冲，和用于从液面接收被变换成相应的回波信号的超声回波，所述的温度测量设备被激励，产生代表紧靠所述的超声传感器的液体温度的响应信号，所述的接口设备包括用于产生对所述的超声传感器的第一激励信号的第一装置；用于产生对所述的温度测量设备的第二激励信号的第二装置；一个连到所述的超声传感器和所述的温度测量设备的公共传导通路，用于传送所述的第一激励信号到所述的超声传感器，和由此传送所述的相应的回波信号，用于传送所述的第二激励信号到所述的温度测量设备并由此传送所述的响应信号；和一个连接在所述的第一和第二装置及所述的公共传导通路之间的接口电路，用于管理所述的第一和第二激励信号通过公共传导通路的传送，和用于对从公共传导通路接收所述的回波信号和响应信号提供一种平衡接口。
18.如权利要求17的接口设备，其中第一装置包括用于产生差分第一激励信号的第一装置；第二装置包括用于产生差分第二激励信号的装置；公共传导通路包括绞合线对，用于平行连接超声传感器和温度测量设备，在液体容器上穿过。
19.如权利要求17的接口设备，其中液体容器是一个在飞行器上的燃料箱；第一装置，第二装置，和接口电路被放置在远离飞行器上的燃料箱处。
20.如权利要求17的接口设备，其中第一装置包括用于产生高频脉冲式AC信号作为第一激励信号的装置；第二装置包括用于产生DC信号作为第二激励信号的装置；接口电路包括一个开关，用于在第一位置中通过传导通路传送所述的DC信号，和在第二位置中对所述的脉冲式AC信号提供基本上平衡的阻抗。
21.如权利要求20的接口设备，包括一个处理装置；用于控制第一装置中第一激励信号的产生和用于使开关工作到它的第一和第二位置。
22.如权利要求20的接口设备，其中接口电路包括用于处理从超声传感器接收到的脉冲式AC回波信号的第一电路；用于处理从温度测量设备接收到的DC响应信号的第二电路；和用于将DC激励信号与所述的第一电路的干扰隔断和将脉冲式AC激励信号与第二电路的干扰隔断的电路。
23.如权利要求22的接口设备，其中隔断电路包括与DC激励通路串联的第一电容装置和与脉冲式AC激励通路并联的第二电容装置。
24.如权利要求17的接口设备，其中第二装置包括用于产生对温度测量设备的第二激励信号的装置，温度测量设备包括一个电阻温度设备(RTD)。
25.如权利要求24的接口设备，其中第二装置包括用于产生对于RTD的第二激励信号的装置，RTD与超声传感器并联和起着超声传感器的一个泄流电阻器的作用。
26.如权利要求24的接口设备，其中传导道路的电阻远小于RTD的电阻。
27.如权利要求24的接口设备，其中第二装置包括用于产生对于RTD的第二激励信号的装置，RTD基本上是无感的。
28.如权利要求24的接口设备，其中第二装置包括用于产生对于RTD的第二激励信号的装置，RTD是半导体-基类型的。
29.如权利要求17的接口设备，其中接口电路包括用于管理第一和第二激励信号相互不相容地通过公共传导通路传送的装置。
30.如权利要求17的接口设备，其中第一装置包括用于产生高峰峰电压的脉冲式AC信号作为第一激励信号的装置；第二装置包括用于产生DC电流信号作为第二激励信号的装置，从温度测量设备感应极低电压的DC响应信号；和其中接口电路包括用于处理从超声传感器接收到的脉冲式AC回波信号的第一电路；用于处理从温度测量设备接收到的DC响应信号的第二电路；和用于将高压脉冲式AC激励信号与所述的第一电路和第二电路的干扰隔断的电路。
全文摘要
一种包括接口装置的液体测量系统，该接口装置用于使远距离放置在一个液体容器上的超声传感器和温度测量设备共享激励和信号处理。该接口装置包括一个既连到超声传感器又连到温度设备的公共传导通路，用于传送第一激励信号到超声传感器和由此传送相应的回波信号，和用于传送第二激励信号到温度测量设备及由此传送响应信号，接口电路用于管理第一和第二激励信号从它们的产生源通过公共传导通路传送，用于提供从公共传导通路既接收回波信号又接收响应信号的一种平衡接口。在一种实施方案中，液体测量系统包括一个连到接口电路的处理器，用于接收回波信号和响应信号，根据接收到的信号确定容器中的液面。
文档编号G08C15/00GK1404572SQ01805389
公开日2003年3月19日 申请日期2001年2月21日 优先权日2000年2月22日
发明者S·R·德尔基, B·F·艾德 申请人:西蒙兹精密产品公司