专利名称:利用弹性波测量液面高度的方法及其所用装置的制作方法
本发明涉及一种测量液面高度的方法。更确切地说，本发明的目的是利用弹性波测量液面高度，该弹性波最好是超声波频率，它在一个沿纵向运动的管子内，每一个灌满液体的容器都是由这个管子做成的。
本发明还涉及采用这种测量方法的装置。本发明不只限于这种应用，它还能用来测量装在各种不同型式容器里的任何液体表面的高度。
例如，本发明的一个典型应用可以是涉及装牛奶的容器或其它由软合成材料制造的容器方面的。
在本发明明确涉及的特殊方法中，这种容器是在它们被灌装液体的同时做成的，也就是说，合成材料管(下文称之为“卡片管”)是由这种材料的带材做成的。
用已知的方法沿着母线将这种卡片管焊好，并将液体灌入到事先定好的高度，保持不变。
一个适当的装置在低于液面的地方把卡片管切割成单个容器，并用已知的方法将其密封。
本发明的明确目标是测量用合成材料带材料做成的卡片管内的液面高度，如前所述，卡片管是沿纵向运动的。
这种测量的重要就在于如果要使液体不溢出卡片管，液面高度就绝对不能超过某一预置的最大值。本发明特别适用于在无菌条件下测量液面高度。
迄今为止，对于这种应用，现有技术采用的是在无菌区域内使用动态插入元件(例如浮体)或静态元件(例如传导探头)，这种随之而来的问题是维修保养和无菌操作。
因此，本发明的目的就是提供一种液面高度测量装置，它不需要任何与液面接触的工作元件，象浮体或类似的液面传感器。本发明进一步的目的是将灌装厂通常所用的进料管作为测量信号传输回路的一个元件。
已经发现由于通过卡片管的信号衰减太大，用传统的传输方法进行这种测量是不可能的。
事实上，在这种测量方法中，在卡片管相对的两侧面分别放置了一个信号发射器和一个信号接收器。因为卡片管是沿纵向连续运动的，所以发射器和接收器都不能与卡片管相接触。
因此，在振荡源(例如超声波)、空气、卡片管、液体、又一层卡片管和空气之间的通路中没有适当的声阻抗匹配。
声阻抗的这种不匹配导致信号衰减120分贝的数量级。因此，以这种方式工作，无法进行任何测量。
本发明的目的就是要获得声波，特别是超声波振荡的一种传播方法，其衰减后的信号值可以被测量并且保持可接受的信噪比。
在较佳实施例中，将进料管本身作为传输回路中的一个元件，达到了这一目的。
在这种方法中可以获得适当的声阻抗匹配，以使完成测量所需的足够幅度的信号能够传输。事实上，通过一个适当的传感器，弹性波振荡可以直接传输给进料管。
根据本发明，通过放置在传感器和进料管之间的阻抗匹配器，从传感器到进料管的传输声阻抗很方便很好地匹配。
本发明依靠进料管自身的径向和挠性振荡模式实现通过进料管的信号传输。这使得信号很好地传输到灌装的液体上。
事实上，在液体中弹性场只沿纵向传播，因此，只有很小一部分能量由管子的纵向振荡模式传递给液体，除非进料管具有的特性阻抗非常接近于液体的特性阻抗。例如使用弹性材料可以得到这样的结果，但是这种材料不仅会产生很大的衰减而且也不适于制作进料管。
使进料管的表面径向变形，可以在液体中引起纵向振荡模。适当地选择进料管的振荡模式和声波的传播速度，可以获得固有阻抗匹配。
根据本发明，采用了一种可以在现有进料管内传输并能有效地将能量传输给液体的振荡模式。
可以做到改变进料管的几何尺寸，以使其阻抗几乎与液体的阻抗相等。如果阻抗是以这种方式匹配的话，就会减少反向散射的发生，并且所传输的大部分能量能够到达卡片管的外表面。
本发明还采取措施消除由于驻波的存在而对进料管产生的影响，这是通过频率调制来实现的，不过调制波限制在载波的百分之几的范围内，并且其目的是在进料管表面上，取代一个周期内驻波的最大值和最小值。用这种方式获得了与行波同样的平均结果。
卡片管发射的弹性场有很强的方向性。这一事实很重要，因为它能使测量具有很好的空间分辨率。
与空气和液体之间的不连续相一致，其声场强度的变化是非常急剧的，这时即使使用的接受器只是稍微具有一点儿方向性，也能得到精确的测量。
本发明以各种不同的方法接收卡片管发出的超声波振荡信号。
第一个较佳实施例是使用放置在卡片管附近的接收器阵;这种阵由许多平行于卡片管母线的单元组成。用这种方法获得的分辨率是这种单元相互之间距离的函数。
由阵单元检测到的信号，可以对阵的所有单元用并行方式处理，也可以用扫描方式处理。另外还可以使用二者结合的测量方法。
如果想要提高分辨率，可以放置几个接收器阵，它们对称地位于卡片管周围，而在垂直方向上错开位置。例如，如果有三个接收器阵，它们的错位距离应等于单个接收器阵上的单元接受器之间距离的三分之一。
使用几个阵的实施例也可用来测量例如具有高粘度的液体，这种液体的自由表面可以很容易地形成倾斜的或不平的形状。事实上，可以对这样得到的信息进行处理，以便确定例如卡片管轴上液面的高度。
本发明的第二个较佳实施例是使用一个旋转探测器，它包括一个测量信号的角窗口。在角窗口内有一个角度，低于这个角度可以看到卡片管还未装液体的那一部分的表面，在这个角度内，检测到的信号实际为零。
随着其旋转，检测器就立刻接收从装有液体的容器部分来的信号。
根据本发明，可以由测到零信号的角度与监测窗总口径之间的关系得出液面的高度。
本发明是利用弹性波测量液面高度的方法，这种液体装在一个轴向运动的管子里并且与进料管一起运转，该方法的特征在于，进料管用作向液体传输弹性波的一个元件，这个弹性波在轴向运动的管子的外部被接收。
现在我们依靠附图的帮助来叙述本发明的一些较佳实施例作为非限制性的例子，其中图1给出本发明应用于进料管时的示意图;
图2表示产生超声波信号的一种可用的传感器;
图3是进料管的振荡模式;
图4给出本发明第一个实施例的示意图;
图5表示本发明的第二个实施例;
图6表示接收信号的一种可用的传感器;
图7表示信号的接收方法;
图8给出图5实施例的控制系统的方框图;
图9表示频率调制对进料管表面的影响;
图10表示一个变型;
图11表示图4或图10实施例的控制系统的方框图。
在图1中，本发明的装置是标号10。进料管12被围在可轴向运动的卡片管11中，在这里卡片管11作为一个剖开的圆筒示意地给出。在本实施例中所示的卡片管11是由连续的带材做成的，并且在低于漏斗管12的位置被交叉封接，以便接连不断地形成一连串做好的容器，这在图中没有表示出。例如用热封接或者超声波焊接或者其它已知的方法来完成这种方法的封接。而我们不想仔细研究这种方法。
根据本发明，发射传感器15与进料管12上部相接触地放置。与进料管12这样耦合的传感器15产生一个超声波振荡，通过进料管12发射并传输到液体13，然后传输到卡片管11的壁上。
根据本发明，接收传感器16放置在卡片管11的外部，并且能够接收由卡片管11的壁本身发出来的超声波信号。
发射传感器15和接收传感器16示意地表示在图1中;它们最好不是共平面的，例如，它们可以放置在卡片管11的径向平面内，相互之间有90度夹角，其目的是为在两个传感器15和16之间增加去耦效果。为简便起见，在图1中两个传感器表示成共平面的。
图2给出使用压电陶瓷体18的发射传感器的一种可用的实施例。
发射传感器15的前部包括一个阻抗匹配器21，并且在这个例子中它符合指数形式;它的作用是使发射传感器15和进料管12之间的声阻抗匹配。可以看到用来调节陶瓷体18的初始负载的调节螺钉36。如前所述，发射传感器15激励进料管12振荡。
图3表示为进料管12预选的振荡模式。可以看到，用这种方法，进料管12的横截面是由交替地位于两个相互垂直方向的波瓣22形成的。由两个以上的波瓣22组成的结构显然是可能的。为了表示清楚，图3中进料管12的变形当然是夸大了的。
图4给出接收器16的一种可用实施例，在这个例子中，接收器16由单元接收器17的阵23组成，单元接收器17沿卡片管11的母线成直线放置。这些接收器17接收到的信号被送到测量单元24，在这个单元中对信号适当进行处理并将其转换成液面指示。
这个系统所能获得的分辨率与阵23的两个单元传感器17之间的距离成比例。
图11中所示的变型给出一个电磁弹性转发器，用来远距离激励产生超声波的传感器。这一实施例使得能够采用体积较小的传感器，而且最好是用在气体密封的容器里。
在图10所示的进一步变型中，若干个阵23对称地放置在卡片管11的周围。
在这个例子中有三个阵23，它们在垂直方向错开放置着，其间隔为阵23的相邻单元接收器17之间距离的三分之一。可以利用这种方法来提高系统的分辨率;利用本身分辨率低的接收器获得较高的分辨率也是可以的;使用若干个阵的系统，与使用接收单元17的间距较小的一个单独的阵，其分辨率相同。
另外，利用图10的实施例也有可能在液面不是水平的情况下确定自由表面的瞬时方位。
图5表示本发明的一个变型，它利用沿卡片管11的母线扫描对信号19进行测量;这种扫描是通过一个被适当驱动的旋转镜25来实现的。
在所示的实施例中，一个抛物面反射镜26把信号19反射到位于该抛物面焦点的旋转镜25上。由卡片管11的母线上的各点来的信号就以这种方式到达与旋转镜25同轴放置的接收传感器16上。这种传感器16的结构可以如图6所示。可以看到壳体27位于与压电陶瓷体29保持电接触的连接器28的后部，压电陶瓷体是检测信号的元件。在这个例子中，接收传感器有一个反射镜30，它可以是锥形的也可以是抛物形的，其作用是接收较多的信号能量;不过，接收器也可以没有反射镜30。
图7表示由图5的装置完成测量的方法。标号31表示扫描测量区域，也就是说，沿卡片管11的母线预置好一个长度，在这个长度内进行测量。这个长度与旋转镜25的转角给出的弧相对应;测量是在这个角窗口内进行的，而在这个角窗口外面接收传感器16不起作用，正如我们将在下文看到的。
在图7中，液面测量以32定位;在所示的这一步对应的镜25的转角部分，检测不到幅度足够的信号。
当沿着卡片管11的母线进行的扫描达到液面的高度时(即对应于图7中的虚线)，接收到的信号33增大，超过给定的阈值“S”。有一个给定的转角范围与接收到的这个信号相对应，在这个范围内，信号在扫描结束前一直大于阈值“S”。
在本例中，镜的旋转要保证在扫描窗口内使扫描长度从空气到达液体。阈值“S”可以是预置的，或者是能够预置的，或者可以是自适应的。
图8给出图5的实施例的一种可用的控制电路。扫描器38包括图5中的装置，即旋转镜25及其驱动电机和控制设备。
调整角窗口的方框37使得可以预置旋转镜25的扫描角度，并且预置沿卡片管11的母线的扫描长度。
两个同相耦合的方框39和40的作用，是使信号的检测和信号的产生(41)与图5中镜25的旋转同步。
方框41是一个信号发生器或振荡器，它向发射传感器15发送电信号，这个电信号将被转换成超声波振荡。
接收传感器16把信号送到前置放大器42，然后信号到达检测器43，检测器43的任务是测量到达接收传感器16的信号并且提供该信号的平均值。根据一种可用的测量方法，检测器43工作如下所述检测器43与镜25的旋转同步，从而使测量总是发生在与预置的角窗口扫描相对应的一个短暂期间之内。这个期间被分成一些预置了长度的时间间隔。在每一个时间间隔内，检测器43都要测量对载波的预置周期数取平均得到的最大平均值。这种方法从测量中消除短时间的高幅干扰，而不受简单的算术平均带来的整平信号的影响。图7中这样得到的信号33被送到降噪方框44，然后再到信号处理方框45。在这里，信号与图7中的阈值“S”进行比较。介于角窗口的始端和阈值未被信号超过之间的这段时间(见图7中的信号32)提供了液面的角测量。
从几何上考虑，由这个角测量得出沿卡片管11母线的直线测量是有可能的。
图8中的方框46和47是两个计数器，分别测量角窗口的扫描时间(方框46)，和从角窗口始端到对液面进行测量这一角度内的扫描时间(方框47)。
窗口的扫描时间和液面的运动时间分别由信号处理方框48/20进行处理，并且将其转换成液面的测量，例如与卡片管11中的液体自由表面的实际高度相对应的直线高度。
图11给出多种实施例可用的控制系统方框图，例如可用于图4或图10中的实施例。
该图中，控制器方框50有多种功能，同步器方框60给出的信号保证同步的实现。方框51完成信号的频率调制以便获得如前所述的图9中的效果。
在本例中，发射传感器15的信号通过转发器49并由功率放大器52放大，转发器49可以远距离激励传感器15。
在作为例子给出的这个实施例中，阵23的每一个接收单元17都与前置放大器53相接。阵23由一个低噪声扫描器54控制。
信号到达选通放大器55，然后到达与图8中的检测器相似并且具有同样功能的检测器43，如图7的例子所示，在这种情况检测器43也产生一个平均信号。
方框56是一个取样保持器或存储器，其作用是将来自于这个或那个单元接收器17的信号存贮一个适当的时间。
一个可用的线扫描方框57将用在有若干个阵23的地方，例如如图10所示。
最后，信号通过模/数转换器58的转换，被送回计算机20。
输入输出单元59可以是一个显示信号的显示器或其它单元，或者可以是使操作人员能够操作整个装置的控制设备。
方框60是标准时钟，使上面所述的所有功能同步。
索引10.整个装置11.卡片管或成形的容器12.进料管13.液体14.液面高度15.发射传感器16.接收传感器17.单元式接收器18.压电陶瓷体19.超声波信号20.信号处理21.阻抗匹配器22.波瓣23.接收器阵24.测量单元25.旋转镜26.抛物面反射镜27.壳体28.连接器29.压电陶瓷体30.反射镜31.测量区域扫描32.液面信号
33.接收器的输出信号34.驻波35.行波36.调节螺钉37.角窗口调整38.扫描器39.同相耦合单元40.同相耦合单元41.振荡器42.前置放大器43.检测器44.降噪设备45.信号处理器方框46.窗口计数器47.液面计数器48.信号处理器49.转发器50.控制器单元51.频率调制器52.功率放大器53.前置放大器组54.扫描器55.选通放大器56.存储器57.线扫描方框
58.模/数转换器59.输出输入单元60.同步器方框
权利要求
1.利用弹性波测量液面(13)高度(14)的方法，该液体(13)装在一个轴向运动的管子(11)内并与进料管(12)一起运转，该方法的特征在于进料管(12)用作向液体(13)传输弹性波的一个元件，这个弹性波在轴向运动的管(11)的外部被接收。
2.权利要求
1中所述的方法，其中弹性波向液体(13)的传输至少通过进料管(12)径向振荡的一个模式。
3.权利要求
1或2中所述的方法，其中进料管(12)径向振荡的该模式的声阻抗要与液体(13)的固有声阻抗匹配。
4.上述所有权利要求
中所述的方法，其中弹性波具有超声波频率。
5.上述所有权利要求
中所述的方法，其中对传输到进料管(12)上的振荡进行了频率调制以便消除驻波(34)对进料管(12)的影响。
6.上述所有权利要求
中所述的方法，其中弹性波被传输到进料管(12)没有浸入液体的那一部分上。
7.上述所有权利要求
中所述的方法，其中弹性波通过阻抗匹配器(21)传输到进料管(12)。
8.上述所有权利要求
中所述的方法，其中由轴向运动的管(11)母线上的若干点来的输出信号(19)在同一时间被一次接收。
9.权利要求
1至7(包括1和7)中所述的方法，其中由轴向运动的管(11)母线上的若干点来的输出信号(19)被连续地接收。
10.上述所有权利要求
中所述的方法，其中输出信号在单一的位置被测量(16)(图1和图4)。
11.权利要求
1至9(包括1和9)中所述的方法，其中输出信号(19)在几个位置被测量(16)(图10)。
12.完成上述所有权利要求
中所述方法的装置(10)，其与进料管(12)配合工作，并且其特征在于它包括至少一个向进料管(12)传输振荡能量的传感器(15)，至少一个位于轴向运动的管(11)外部的接收传感器(16)。
13.权利要求
12中所述的装置(10)，其中发射传感器包括一个阻抗匹配器(21)。
14.权利要求
12或13中所述的装置(10)，其中发射传感器(15)被放置在进料管(12)未浸入液体的部分。
15.权利要求
12或14中所述的装置(10)，其中发射传感器(15)被放置在进料管(12)的基部。
16.权利要求
12至15(包括12和15)中所述的装置(10)，其中发射传感器(15)与一个电磁弹性转发器(49)配合工作。
17.权利要求
12至16(包括12和16)中所述的装置(10)，其中接收传感器(16)包括至少一个含有单元式探测器(17)的阵(23)。
18.权利要求
12或17中所述的装置(10)，其中接收传感器(16)包括几个含有单元式探测器(17)的阵(23)，它们被放置在轴向运动的管(11)的周围。
19.权利要求
12或18中所述的装置(10)，其中阵(23)在垂直方向上被错开地放置着，其间距小于单个单元探测(17)之间的距离。
20.权利要求
12至19(包括12和19)中所述的装置(10)，其中接收传感器(16)是扫描器系统(38)的一部分。
21.权利要求
12或20中所述的装置(10)，其中扫描器系统(38)包括一个位于抛物面反射镜(26)焦点上的旋转镜(25)，在镜(25)旋转的角窗口内起作用的接收传感器(16)。
22.权利要求
12至21(包括12和21)中所述的装置(10)，其包括一个能够提供信号平均值的检测器(43)。
23.权利要求
12至22(包括12和22)中所述的装置(10)，其包括一个信号处理器(45)，它将信号与一个可以预选的阈值“S”进行比较。
24.权利要求
12至22(包括12和22)中所述的装置(10)，其包括一个信号处理器(45)，它将信号与一个自适应的阈值“S”进行比较。
25.权利要求
12至24(包括12和24)中所述的装置(10)，其包括一个对扫描时间计数的计数器(46)和另一个对信号超过阈值“S”的时间计数的计数器(47)。
26.权利要求
12至25(包括12和25)中所述的装置(10)，其包括一个计算机(20)，它把计数器(46，47)输出的数据转换成至少是与沿着管(11)的直线高度有关的测量结果。
专利摘要
利用弹性波测量液面(13)高度(14)的方法，该液体(13)装在一个轴向运动的管子(11)内并与进料管(12)一起运转，进料管(12)用作向液体(13)传输弹性波的一个元件，这个弹性波在轴向运动的管(11)的外部被接收。实现这种方法的装置(10)，其与进料管(12)配合工作，并且包括至少一个向进料管(12)传输振荡能量的传感器(15)，至少一个位于轴向运动的管(11)外部的接收传感器(16)。
文档编号G01F23/296GK86100127SQ86100127
公开日1986年7月16日 申请日期1986年1月8日
发明者安东尼奥·伯斯科洛 申请人:蒂特拉·迪弗工业研究联合公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan