流体深度测量方法和用于该方法的系统的制作方法

专利名称：流体深度测量方法和用于该方法的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体深度测量。更具体地，本发明涉及用于利用超声波测量流体在贮存器中的深度的方法和系统，该流体诸如是液体和气体。
背景技术：
已知许多方法和系统来测量容器中的流体深度，包括利用超声波的方法和系统。
这些最新技术中的 一些是基于沿具有不连续结构的波导行进的超声波，在该不连续结构处波形沿波导的变化指示了液体深度。
根据其它技术，超声波束在导管中朝向液体的表面发射，且接收回波的延迟指示了距超声波源的距离并由此指示了液体深度。
其它方法和系统包括安装至贮存器底部的单个换能器，以使得其超声波束向上指向流体的表面。
从现有技术已知的所有超声波技术，无论涉及或不涉及波导或导管，其
缺点在于，它们不允许消除由换能器盲区(dead zone)引起的限制。
事实上，在现有技术中已知，对应于该换能器盲区的距贮存器底部的极小距离是无法测量的。在现有技术中公知的，超声波换能器的盲区等于从换能器的表面到其可成像的最近物体之间的距离。其对应于换能器等于该距离的结束时间(ring down time )。


在所附附图中
图l是根据本发明第一示例性实施例的流体深度测量系统的示意图，该系统被示出为安装至贮存器，用于测量其中的液体的深度；该贮存器以横截面示出；
图2和2a示出了根据本发明第二和第三示例性实施例的用于测量贮存器中的流体深度的超声波传感器的示意图；还示出了参考标靶的使用，图h
7的组件安装在贮存器内；
图3是根据本发明第四示例性实施例的流体深度测量系统的示意图，该系统被示出为安装至贮存器，用于测量其中的液体的深度；该贮存器以横截面示出；
图4是图3的系统的示意图，图3和4示出了使用波束扩展器来适应贮存器的倾斜；贮存器在图4中被示出为倾斜的；
图5、 6、 7和8是分别根据本发明第五、第六、第七和第八示例性实施例的超声波传感器组件的示意图，这些组件用于利用波束扩展器、反射器和/或参考标靶测量贮存器中的流体深度；
图9是根据本发明第九示例性实施例的燃料管道的示意横截面图，其并入有用于测量汽油混合物中的乙醇量的密度计；和
图10、 11和12是根据本发明第十、第十一和第十二示例性实施例的流体深度测量系统的示意图，这些系统被示出为安装至贮存器，用于检测何时在流体深度分别到达贮存器的一个或多个预定深度；该贮存器以横截面示出。
具体实施例方式
更具体地，根据本发明的第一方面，提供了一种方法用于测量包含至少—种流体的贮存器中的至少一种流体深度，该方法包括
从相对于贮存器的第一位置向贮存器中的该至少一种流体的表面发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部分，该至少一部分
靠近贮存器的底部；
在偏离第 一位置的第二位置处接收从贮存器中的至少 一种流体的表面反射的超声波检测波束的回波；和
利用从超声波检测波束接收的回波与该第一位置和该第二位置之间的距离确定该至少 一种流体深度。
根据本发明第二方面，提供一种传感器组件，用于测量贮存器中的至少一种流体深度，该组件包括
安装至贮存器的超声波换能器组件，以便沿大致平行于贮存器底部的路径发射超声波检测波束和接收沿该路径入射的超声波回波；该超声波换能器组件的特点在于盲区；和
主反射器，沿超声波束的路径安装至贮存器，用于将超声波检测波束朝向贮存器中的该至少一种流体的表面反射以及用于接收从该表面反射的超声波回波；该主反射器与该超声波换能器组件间隔开至少超声波换能器的盲区长度。
根据本发明的第三方面，提供一种传感器组件，用于测量贮存器中的流体深度，包括
安装至贮存器的第一超声波换能器，用于向贮存器中的至少一种流体的表面发射超声波检测波束；和
第二超声波换能器，靠近第一超声波换能器安装至贮存器，用于接收从贮存器中的至少一种流体的表面反射的第一检测波束的超声波回波。
根据本发明的第四方面，提供一种传感器组件，用于测量贮存器中的至少一种流体深度，包括
超声波发射机构，用于从相对于贮存的器第 一位置向贮存器中的至少一种流体的表面发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部分，该至少一部分大体垂直于贮存器的底部并限定出与贮存器的底部相交的轴线；该第一位置靠近贮存器的底部；
超声波接收机构，用于在偏离该第一位置的第二位置处接收从贮存器中的至少一种流体的表面反射的超声波检测波束的回波；和
确定机构，用于利用从超声波检测波束接收的回波该和第一位置与该第二位置之间的距离来确定该至少 一种流体深度。
根据本发明的第五方面，提供一种经整合的方法，用于测量包括流体混合物的贮存器中流体混合物的深度和密度，包括
从相对于贮存器的第一位置i)向贮存器中的流体混合物的表面和ii)向贝i存器中的参考标耙发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部分，该至少一部分大体垂直于贮存器的底部并限定出与贮存器的底部相交的轴线；该第一位置靠近贮存器的底部；
在偏离该第一位置的第二位置处接收a)从贮存器中的流体的表面和从b)参考标把反射的超声波检测波束的回波；
利用从超声波检测波束接收的回波和该第 一位置与该第二位置之间的距离来确定该流体混合物的深度；测量贮存器中的流体混合物温度；和
利用从参考标靶反射的超声波检测波束的回波与贮存器中的流体混合 物温度来确定该流体混合物的密度。
根据本发明的第六方面，提供了一种方法，用于测量流体混合物的密度， 包括
提供流体混合物的 一致性； 测量流体混合物的温度；
向流体混合物中的参考标靶发射超声波检测波束；参考标靶定位在距发 射超声波检测波束的换能器一预定距离处；
在向参考标耙发射超声波检测波束之后，在一测定的时间延迟后，接收 从参考标靶反射的超声波检测波束的回波；
利用该测定的时间延迟、流体混合物的温度和流体混合物的 一致性，确 定流体混合物中的至少 一种流体的比例。
术语l!i存器在此应被理解为包括任何容器或收纳器，其例如是封闭的或
在其顶部敞开，用于容纳诸如气体或液体或其混合物这样的流体。
与用于贮存器的常规超声波深度测量方法和系统相比，本发明的方法和
系统允许将换能器安装在贮存器的内侧或侧面上，这可以保护组件不受路面
的随后凸块接触。
装置可以测量诸如水和燃料这样的流体的多个液体深度。
与现有技术中利用声学引导件的多数基于超声波的深度测量系统相比，
根据本发明的用于测量在贮存器中的流体深度的传感器组件表现出以下优势'.
消除盲区；
允许适应贮存器倾斜； 系统中包括较少的部件；
不需要压力释放开口并可以如潜艇那样在贮存器内操作，以便安装方
便；
无波导中液体的过调或欠调；和 不需要解决波导中的内反射和空气/气体泡；和 -没有限制传感器组件来包括所具有的构造必须在产品寿命期间保持恒 定的波导。本发明的其它目的、优势和特征将在结合附图并阅读本发明示例性实施 例的以下非限制性描述后变得显而易见，这些实施例仅作为示例给出。
在随后的描述中，附图中的相似特征将被赋予相似的附图标记，并且为 了不使附图繁冗， 一些附图中的 一些元件如果在之前的附图中已经被提到过 则将不再指出。
现将参考图1描述根据本发明第一示例性实施例的深度测量系统10。
系统IO被示出为安装至贮存器12，该贮存器中填充有液体14形式的流 体。如将在以下描述的，根据本发明的深度测量系统可以测量由贮存器中的 多个流体的存在而导致的多个深度，这些流体可以是叠加在贮存器12中的 分离的气体或液体或其组合的形式。
如现将描述的，系统IO允许在贮存器12中测量液体14距底部18的深 度16。通过阅读以下说明将会更加明显的是，通过将测量系统IO适当地定 位在贮存器12中，可以在贮存器12中测量除了相对于贮存器12底部的深 度16之外的流体相对深度。
系统10包括联接至控制器(未示出)的传感器组件19,该控制器接收 并利用算法解译被测量信号，以便确定贮存器12中的液体深度16。控制器 可以具有许多形式，从当贮存器12是车辆气体贮存器时的车载控制器到被 构造用于特定目的且利用电线连接到传感器组件19的电子电路。传感器组 件19可以替换地或进一步被无线地连接至控制器。该控制器还可以与传感 器组件19为整体。
传感器19包括超声波换能器20,该换能器在外侧被安装至贮存器12 的侧壁，用于沿基本与贮存器12的底部18平行的第一水平路径22发射超 声波检测波束(未示出)，并用于接收沿该路径22入射的超声波回波。
换能器20与贮存器外框架接口连接，并被构造和在操作前校准为通过 液体贮存器12进行检测并将深度转换为量值(volume )。由于本领域的技术 人员可以设想或选择这样的换能器，因此将不再详细描述。
组件19还包括反射器24,该反射器沿超声波束的路径22被安装至贮存 器12,用于将超声波检测波束向液体14的表面26反射，并用于沿路径22 将超声波回波反射回换能器22，这些回波从表面26接收并指示该表面。
术语"路径"在此应被理解为包括组件19所允许的换能器20的视场 (field of view )。例如，其不应被理解为意指超声波检测波束和返回的超声
ii波回波必须沿相反方向遵循同 一路程。
反射器24距超声波换能器20足够远，以补偿盲区，这是该超声波换能 器20的特点。反射器24与换能器20之间的距离使得在信号猝发后允许换 能器20有足够时间变得灵敏。
应注意，出于示例性的目的，在图1中换能器20和反射器24的尺寸相 对于贮存器12的尺寸被夸大。换能器20和反射器24被安装至贮存器12,
贮存器12的底部18的位置处从反射器发出。但是在一些应用情况下，液体 深度测量并不需要这样精确。
反射器24可以具有包括具有45度角的主体的一部分的任何形式，其由 能在流体中反射超声波的材料制成。反射器24可以独立于换能器20安装至 贮存器12或可以组装到换能器20以形成固定至贮存器12的单个装置。
反射器24用作用于超声波束和用于从流体界面26反射的回波的折返元 件。反射器24的使用通过允许超声波束平行于贮存器12的底部18延伸而 允许检测可以相对于贮存器12的底部18相当低的最低深度。根据如图1所 示的传感器组件构造，可以使用单个换能器20，只要反射器24和换能器20 之间的距离大于盲区，换能器20的渐进环(approachring)对于能被检测的 最低深度就没有影响。
即使系统10包括设置有45度角的反射器24且该反射器允许波束以90 度从其初始路径22反射，根据本发明的用于测量贮存器中流体深度的系统 也不限于这样的反射器。根据进一步的示例性实施例(未示出)，可以设置 被构造为以其它角度反射超声波的反射器。 一般来说，传感器组件可以设置 有一个或多个反射器，其能产生适于容器和在其中的流体的声学波束路径。 例如，该系统可以被构造为产生包括多个方向变化的波束路径，这在贮存器 形状不规则的情况下是有利的，诸如现代燃料贮存器。第一反射器可以祐j见 为主反射器，任意其它反射器可以视为次反射器。
反射器24还进一步在某些应用中用作对波束角整形的元件。其还可以 用作用于使波束返回的收集器。
总而言之，在系统10中执行以下方法200以测量贮存器12的流体深度
16:
202 -相对于贮存器12从第一位置30向贮存器12中的流体14的表面200880005837.8
说明书第7/14页
26发射超声波检测波束，以便产生超声波检测波束的路径的一部分，该波束 大体垂直于贮存器12的底部并限定与贮存器12的底部相交的轴线。第一位 置30通过反射器24的表面限定，检测波束在该反射器24处反射；
204 -在偏离第一位置的第二位置32处接收从贮存器12中的流体14 的表面26反射的超声波检测波束的回波。第二深度32由超声波换能器的表 面限定；和
206 -利用从超声波检测波束接收的回波和第一位置30与第二位置32 之间的距离来确定流体深度。
如上所述，第一位置30靠近贮存器12的底部。
在步骤206中，取决于应用情况、贮存器12的构造和/或在其中的流体 14的深度，控制器测量声波从换能器20传播到一平面或传播到容器壁所需 的时间，其中，该平面是液体与气体或与其他流体的界面。在图l所示的示 例中，该平面通过液体14和在其之上的空气34之间的界面26限定。该平 面26用作产生返回至换能器20的回波的局部反射器。控制器基于已知或算 出的流体14中的声音速度来测量波束的行进时间，其计算换能器20和界面 26之间的距离。
基于流体14中的声速和沿竖直路径28的净行进时间来确定流体深度 16。水平路径22的计算被省略，这是通过控制器实现的。
即使换能器20在图1中示出为安装在贮存器12侧面，在其外部，换能 器20也可以具有浸没在流体14中的密封装置的形式。
换能器还可以安装在包封于密封壳体(未示出)内的贮存器12中。反 射器30当然完全浸没在贮存器12中。在一些应用中，可以设置部分浸没的 反射器30。在Ui存器12不包括腐蚀性流体或者换能器或其中包封有该换能 器的壳体能抵抗腐蚀性材料的情况下，换能器20可以直接浸没于流体中， 而系统的其余部分保持为如上所述。
现将参考图2描述根据本发明第二示例性实施例的用于测量贮存器中的 流体深度的传感器组件36。由于传感器組件36与组件19相似，为了简洁的 目的，在此^f又描述两个组件19和36之间的差异。
除了在外侧安装至贮存器外壁38的超声波换能器20以及如图1所示和 如上所述的可操作地安装的反射器24之外，传感器组件还包括参考标靶40。 传感器组件36是系统42的一部分，该系统还包括控制器(未示出)。参考标靶40具有安装至贮存器12的底板18和/或安装至反射器24的主 体或物体的形式，以便沿路径22被定位。标耙40足够小，以便不挡住来自 换能器20的超声波束。其也被定位在换能器20盲区之外。
根据第二示例性实施例，参考标靶经由轨道43可滑动地安装到贮存器 12的底板18，以使得可以改变其相对于贮存器12的侧壁38的距离44,并 由此改变距换能器20的距离。
参考标耙40允许针对容纳在!i&存器12中的流体或流体混合物的声速对 系统42进行校准。如本领域中已知的，贮存器中的声速可以随流体温度、 流体或混合物的性质或对流体中的声速改变有影响的任何其他参数而改变。 由于这些参数中的任一个都可以随时间改变，所以在对贝i存器中的任意流体 深度进行测量时，可以利用参考标靶40执行初始校准并随后可以以固定或 可变间隔进行进一步校准，例如针对贮存器12的形状变化。
标耙40、反射器24和/或换能器20可以组装起来，或者可以是单个装 置或主体的一部分，以便减小系统42中的部件数量并使安装容易，或者可 以独立地安装至贮存器12的底板或安装至安装在贮存器12内的泵。并且， 类似于对传感器组件IO所讨论的内容，组件36可以安装至除了贮存器底部 或其附近以外的另一位置，以便测量流体相对于另一基准的深度。
从标耙40反射的回波以及从换能器20发出的超声波束和相应地返回的 回波之间的延迟可以被控制器，用来在当已知参数已馈送给控制器时计算其 它信息。
例如，当多个已知流体在贮存器中混合时，在提供以下参数的条件下可 以确定流体混合物比例的一致性(identity):不同混合物比例的声速、参考 标靶40到换能器20的距离44和混合物温度，该温度可以例如通过在贮存 器中添加温度计而确定。
例如，为了测量汽油中乙醇的含量，混合物中的声速取决于乙醇在混合 物中的百分数。其还取决于混合物温度。由此，提供温度、行进到参考标靶 的行进时间和距离44，可以通过控制器计算出声速和比例。
相反，提供参考标靶40距换能器20的距离44并已知混合物中的比例 时，贝i存器中的已知流体或流体混合物的温度可以通过控制器计算。
本领域的技术人员应该理解，在换能器和反射器24之间设置参考标靶 40可以允许如上所述相对于流体性质和平均流体温度来校准超声波行进到
14反射表面26的时间。
在某些应用中，反射器24可以用作参考标靶，贮存器壁也可以。 自校准技术可以在控制器中实施，该技术类似于Agam等作为发明人的 题为"Method and Systems for Measuring Fluid Level in a Container"的美国专 利申请No. 11/029,415,其以公开号No. US-2006-0169055-A1于2006年8 月3日公开，其内容通过参照在此并入。在该，415申请中描述的"波导"的 使用当然不是根据本发明的方法和系统所必需的。
根据进一步的示例性实施例(未示出)，换能器20可以被并排安装至贮 存器的一对换能器替代，这对换能器与换能器20类似。这对换能器包括用
反射器反射的回波的接收器。
根据本发明的超声波传感器组件的第三示例性实施例(见图2a),来自 组件36的一个或两个换能器45在内侧安装至贮存器底部。
图3和4示出了根据本发明第四示例性实施例的超声波传感器组件46， 用于测量贮存器12中的流体深度。由于组件46类似于组件19，随后将只描 述这两个组件之间的差异。
除了换能器20和反射器24之外，超声波传感器组件46还包括波束整 形收集器，诸如波束扩展器(beam expander),其可以增加所收集的超声波 能量，在反射器24下游产生更宽的波束48。
个回波从流体14的表面26反射。如图4所示，当贮存器12倾斜时，反射 的波束可以倾斜到收集区域24外侧。使波束变宽增加了最终收集到一部分 能量的可能性，由此允许实现深度测量。如果没有使用这样的波束扩展器， 必须使用对倾斜补偿的统计数据。
即使波束扩展器在图3和4中示出为单个元件24,其也用作反射器24, 波束扩展器和波束收集器可以设置为固定至反射器24或贮存器底板18的独 立装置，如将在以下所述。
在进一步的示例性实施例中，波束形状转换器具有波束聚焦元件或装置 的形式(未示出)。
如图5所示，其示出了根据本发明第五示例性实施例的、用于测量贮存 器12中的流体深度的超声波传感器组件54,波束扩展器可以进一步被设置在换能器20上。
组件54包括设置有收集孔56的超声波换能器20,该收集孔可以具有可 操作地安装至换能器20的超声波扩音器(ultrasound horn)的形式，以增加 或减小超声波检测波束58的宽度和增加换能器24本身的收集横截面。 由于超声波扩音器在本领域是公知的，将不再详细描述。 即使诸如标靶40这样的校准标靶没有在图5中示出，这样的标靶可以 添加至组件54或24，以应付流体14中声速的变化，如已参考图2描述的那 样。
参考本发明的进一步示例性实施例将更加清楚的是，在本发明的范围 内，超声波传感器组件中的多个其它变体是可行的，例如允许使盲区固有的 检测限制最小化。
在图6中，显示了根据本发明第六示例性实施例的、用于测量贮存器(未 示出)中的流体深度的超声波传感器组件60。
组件60包括两个并排的换能器66-68和组合的反射器/标靶组件70。两 个换能器66-68在外侧安装至贮存器(未示出)的侧面。两个换能器66-68 的第一个用作沿第一水平路径74发射超声波检测波束72的超声波发射器 74。第二个换能器是超声波接收器68，用于接收仅沿第二路径76从流体反 射的回波，其中该第二路径平行于第一路径74。该手段还允许盲区的消除并 允许进行校准。
该组合的反射器/标靶组件70沿路径74-76安装至贮存器，以便将超声 波检测波束向流体14的表面26反射和将沿路径76从表面26接收且表明是 从该表面而来的超声波回波反射回换能器68。组件70包括标靶部分78和反 射器部分79。标靶部分78位于发射器66的视线(line of sight)中。
在组件60的操作中，超声波发射器66向反射器组件70发射超声波束， 该反射器组件将波束向流体表面或界面26反射。从界面26反射的回波被反 射回接收器68，该接收器位于发射器66附近。
被换能器66接收的代表标靶部分78的回波用于针对声速差异来校准系 统，该声速差异如上所述例如是由流体混合物中的变化导致的。除了组件60 之外，系统还包括如上所述的控制器。
图7示出了根据本发明第七示例性实施例的超声波传感器组件80，用于 测量贝i存器(未示出)中的流体深度。由于传感器组件80类似于组件19，为了简洁，在此仅详细描述两个组 件19和80之间的差异。
组件80包括靠近第一换能器20定位的第二换能器82，其能够发射和接 收超声波。两个换能器20和82安装在贮存器(未示出)中并固定到其底部 (未示出)。换能器20和82 二者均被密封。它们可以组装在单个外壳中或 独立地固定至贝i存器。
换能器20相关于反射器24的操作如参考图1描述的那样。
组件80还包括与标耙40类似的校准标耙84 (见图2 )，该校准标靶84 安装至l!i存器，以便沿第二换能器的超声波束的路径86定位。标靶84具有 与组件36的标靶40类似地目的，出于简洁的目的在此不再描述。标靶84 和第二换能器82构成的一对组件不是必须与路径22对齐，只要标靶84和 第二换能器82对齐以便可操作地联接即可。在一些应用中，贮存器的壁中 的一个(未示出)可用作标靶84。
图8示出了根据本发明第八示例性实施例的传感器组件90，用于测量贮 存器(未示出)中的流体14的深度26。
组件90包括用作超声波发射器的第一换能器92和用作超声波接收器的 第二换能器94。第一和第二换能器并排地靠近彼此安装并且方位为朝向期望 的流体界面26，以使得超声波检测波束96向界面26上引起的反射位于第二 换能器94的视野98内。
组件90还包括固定至贮存器壁(未示出)或固定至第一或第二换能器 92或94的标靶100，以便针对流体14中的声速变化来校准该系统，如上所 述。当应用情况不需要这样的校准时，标靶100可以省略。第一和第二换能 器92和94在外侧或内侧固定至贮存器壁。它们或封装在一起或独立地固定 到贮存器。
应注意，传感器组件36、 46、 54、 60、 80和90全部都按如上所述的方 法200操作。
图9示出了并入有密度计104的管道102，该密度计包括根据本发明第 九示例性实施例的传感器组件106。
除了以下例外，传感器组件106与组件90相同，这些例外是标靶IOO 被省略，且进一步设置有热敏电阻器(thermistor) 108。但是，阅读以下描 述将会更加清楚的是，密度计可以独立应用或用作流体深度传感器组件的一
17部分，所述组件诸如是组件36、 46、 54、 60、 80和90。
传感器组件106和热敏电阻器108 二者被固定至封壳111的突起底板 110，该封壳111还包括一些第一和第二相对开口 112-114，这些开口分别限 定用于封壳111中的流体的入口和出口。封壳111和更具体地底板110的 壁一一其保护换能器106且在一些应用中保护控制器一一由硬质材料制成， 诸如不锈钢。除了保护传感器106和电子器件(未示出)不被流体腐蚀之外， 封壳111的壁122还用作校准标靶。
热敏电阻器108和传感器组件106的换能器92-94经由连接件116或利 用常规无线装置联接至控制器(未示出)。由于这样的装置在本领域是已知 的，并且出于简洁的目的，在此不再详细描述。
封壳111经由其入口和出口 112-114通过卡具118安装至管道102,以 使得封壳限定管道102的扩大部分。其它替换例或其它机构也可以用于将封 壳111安装至管道102。
除了凸起底板之外的机构可以用于保护换能器92-94、热敏电阻器108 和/或电子器件不受封壳111中的液体或流体影响。这些部件还可以简单地在 封壳外侧安装至封壳111或安装在封壳111中的保护性盒子(未示出)内。
在操作中，随着流体在管道102中行进(见箭头120 ),封壳111被流体 填充。热敏电阻器108测量封壳111中的流体的温度，控制器测量发射器92 发出的超声波脉沖的时间，该超声波脉沖在与换能器表面所面对的封壳的表 面122上反射，以返回到传感器组件106。经测量的行进时间允许在提供混 合物温度的条件下测量声速。该信息和构成混合物的流体的一致性被控制器 (未示出)用来计算混合物成分的比例。
现将参考10描述根据本发明第十示例性实施例的、用于测量贮存器中 的流体深度的传感器组件124。类似于上述的传感器组件，组件124被构造 消除其换能器盲区的限制。但是，阅读以下描述后将更清楚的是，传感器组 件124以开关模式操作。
传感器深度开关组件124包括在侧部贮存器外侧安装至侧部贮存器12 的超声波换能器126,用于沿大致平行于贮存器12的底部18的第一水平路 径发射检测波束128且用于接收沿同一路径入射的超声波回波。
换能器126贮存器外框架接口连接，并在通过流体贮存器12进行^r测 操作之前被构造和校准。换能器126于是相对于底部18在期望检测的深度
18处固定至贮存器12。
在操作中，取决于检测波束128是否在第一流体130 (例如可以是液体) 中或在第二流体132 (例如可以是空气或另一气体)或在两种流体130-132 之间的界面中行进，换能器126产生不同的信号。在提供贮存器12中的流 体的性质和相应的超声波的明显特征(ultrasound signature )的条件下，换能 器126可用作针对这些流体的数字深度传感开关。应注意，上述数字深度传 感方法不会导致由盲区引起的任何测量限制。
并且，如图ll所示，多个换能器126 (显示了 3个)沿贮存器的深度设 置在不同深度处，以大致平行于贮存器12的底部18发出多个相应超声波检 测波束134-138,产生多个数字深度传感开关，这些开关在流体142的深度 140达到贮存器12的相应深度时独立地触发。
应注意，这样的数字深度传感开关的数量可以变化，因此它们沿贮存器 12的深度的位置也可以变化。并且，控制器(未示出)可以被构造为识别贮 存器12中的一个或多个流体的明显特征(signature),以-使得每个开关可以 在被选的 一个或多个流体的深度达到开关深度时被触发。
每个换能器126可被联接至单独的控制器(未示出)，该控制器被构造 为接收和分析来自与其连接的换能器126的信号，来确定跨过相应路径134、 136或138的流体的性质是否改变，因为最后的测量或全部换能器126可以 被联接至单个控制器(未示出)，该控制器被构造为接收来自所有三个换能 器126的信号，用于相似的处理。当然，在后种情况下，控制器允许将接收
的特定信号关联至相关换能器。
换能器126还可被插入到贮存器12中。更具体地，如图12所示，换能 器可以被安装在防流体管道引导件144中。类似于结合图IO描述的向贮存 器12的安装，换能器126然后与管道内表面146接口连接，用于沿大致与 贮存器12的底部18平行的波束路径148-152发射它们的超声波检测波束， 并在通过管道壁进行检测操作之前被构造和校准。
设置有如图10、 11或12所述的任意一个传感器组件的用于在贮存器中 测量流体深度的系统可以在向控制器提供以下参数的条件下进一步用于测 量贮存器12中的流体混合物，这些参数是对于不同混合物的声速、换能 器(一个或多个)和相对贮存器壁之间的距离和混合物温度。如以上所述， 混合物温度可例如通过在贮存器12中的热敏电阻器(未示出)获得，该热敏电阻器连接至该控制器。
并且，包括数字深度传感开关的任意上述系统还可进一步包括诸如图2
中的标靶40这样的参考标靶(未示出)，以针对贮存器12中的环境条件变 化校准系统，例如如参考图2所述的那样。
应理解，本发明并不限于附图所示和如上所述的构造和部件的细节。本 发明能够具有其他实施例和以不同方式实施。还应理解，在此所用的措辞和 属于只是出于描迷的目的而不是限制。因此，即使本发明已经通过其示例性 实施例进行如上描述，其可以在未偏离如权利要求所限定的本发明精神、范 围和本质的情况下进行改变。
权利要求
1、一种方法，用于测量包含至少一种流体的贮存器中的至少一种流体深度，该方法包括从相对于贮存器的第一位置向贮存器中的该至少一种流体的表面发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部分，该至少一部分大体垂直于贮存器的底部并限定出与贮存器的底部相交的轴线；该第一位置靠近贮存器的底部；在偏离第一位置的第二位置处接收从贮存器中的至少一种流体的表面反射的超声波检测波束的回波；和利用从超声波检测波束接收的回波与该第一位置和该第二位置之间的距离确定该至少一种流体深度。
2、 如权利要求1所述的方法，其中，所述从相对于贮存器的第一位置 向贮存器中至少 一种流体的表面发射超声波检测波束包括从该第二位置大 致平行于贮存器底部发射超声波检测波束和从该第一位置向贮存器中的至 少一种流体的表面反射超声波检测波束。
3、 如权利要求1所述的方法，其中，同一换能器执行超声波检测波束 的所述发射和回波的所述接收。
4、 如权利要求1所述的方法，其中，第一换能器执行超声波检测波束 的所述发射而第二换能器执行回波的所述接收。
5、 如权利要求1所述的方法，其中，所述确定至少一种流体深度还包 括利用该至少一种流体中的声速来计算该至少一种流体的密度。
6、 如权利要求l所述的方法，还包括确定该至少一种流体中的声速。
7、 如权利要求6所述的方法，其中，所述确定该至少一种流体中的声 速还包括i)还向安装在贮存器中的标耙发射超声波检测波束，ii)接收从该 标耙而来的且能表明是从该标耙而来的回波，和iii)确定步骤i)和ii)之 间的延迟。
8、 如权利要求7所述的方法，其中，所述标靶是贮存器的壁。
9、 如权利要求l所述的方法，还包括i)还向安装在贮存器中的标靶发 射超声波;险测波束，ii)接收从该标靶而来的且能表明是从该标靶而来的回 波，iii)利用标靶和发射超声波检测波束的换能器之间的预定距离来确定步骤i)和ii)之间的延迟，和iv)在以下参数中的其它参数的条件下来计算以下参数中的一个该至少一种流体的一致性，该至少一种流体中的声速， 该至少 一种流体的温度和该至少 一种流体中的 一 个在该至少 一种流体中的 比例。
10、 如权利要求l所述的方法，其中，所述至少一种流体包括多种叠加 的流体。
11、 如权利要求10所述的方法，其中，所述回波表明从该多种叠加流 体之间的界面反射的超声波检测波束；该至少 一种流体深度包括由多种叠加 流体限定的多种流体深度；利用从超声波检测波束接收的回波和第一位置与 第二位置之间的距离来确定该多种流体深度的每一个。
12、 如权利要求l所述的方法，其中，所述至少一种流体包括液体和气体。
13、 一种传感器组件，用于测量贮存器中的至少一种流体深度，该组件 包括安装至贮存器的超声波换能器组件，以便沿大致平行于贮存器底部的路 径发射超声波检测波束和接收沿该路径入射的超声波回波；该超声波换能器 组件的特点在于盲区；和主反射器，沿超声波束的路径安装至贮存器，用于将超声波检测波束朝 向贮存器中的该至少一种流体的表面反射以及用于从该表面反向反射超声波回波；该主反射器与该超声波换能器组件间隔开至少超声波换能器的盲区 长度。
14、 如权利要求13所述的传感器组件，还包括参考标靶，用于针对该 至少 一种流体中的声速来校准传感器组件。
15、 如权利要求14所述的传感器组件，其中，该参考标靶是主反射器。
16、 如权利要求14所述的传感器组件，其中，该超声波换能器组件还 用于向参考标靶发射超声波校准波束。
17、 如权利要求14所述的传感器组件，其中，该超声波换能器组件包 括单个超声波换能器，用于发射超声波检测波束和用于接收超声波回波。
18、 如权利要求17所述的传感器组件，其中，该参考标靶沿大致平行 于贮存器底部的路径定位在超声波换能器和主反射器之间。
19、 如权利要求17所述的传感器组件，其中，该参考标靶安装至主反射器。
20、 如权利要求17所述的传感器组件，还包括波束形状转换器，用于 转换该;险测波束。
21、 如权利要求20所述的传感器组件，其中，该波束形状转换器是主 反射器的一部分。
22、 如权利要求17所述的传感器组件，其中，该超声波换能器安装至 贮存器，以便靠近该贮存器底部发射超声波检测波束。
23、 如权利要求22所述的传感器组件，还包括波束形状转换器，用于 转换该超声波检测波束。
24、 如权利要求23所述的传感器组件，其中，该波束形状转换器安装 至超声波换能器。
25、 如权利要求13所述的传感器组件，其中，该超声波换能器组件在 贮存器的外侧安装至贮存器侧壁。
26、 如权利要求13所述的传感器组件，其中，该超声波换能器组件密 封地安装在贮存器中。
27、 如权利要求13所述的传感器组件，其中，该主反射器和超声波换 能器组件组装在一起。
28、 如权利要求13所述的传感器组件，其中，该主反射器包括一45度 部分，该部分将超声波检测波束以卯度从大致平行于底部的路径朝向至少 一种流体的表面反射。
29、 如权利要求13所述的传感器组件，还包括至少一个次级反射器， 在主反射器和至少一种流体的表面之间建立次级声学波束路径。
30、 如权利要求13所述的传感器组件，其中，超声波换能器组件包括 第一超声波换能器和第二超声波换能器，该第一超声波换能器用于沿大致平 行于贮存器底部的路径发射超声波检测波束，该第二超声波换能器靠近第一超声波换能器安装，用于接收沿平行于超声波检测波束的路径入射的超声波 回波。
31、 一种传感器组件，用于测量贝i存器中的流体深度，包括 安装至贮存器的第一超声波换能器，用于向贮存器中的至少一种流体的表面发射超声波检测波束；和第二超声波换能器，靠近第一超声波换能器安装至贮存器，用于接收从贮存器中的至少 一 种流体的表面反射的第 一 检测波束的超声波回波。
32、 如权利要求31所述的传感器组件，还包括参考标靶，用于针对该至少 一种流体中的声速校准传感器组件。
33、 如权利要求32所述的传感器组件，其中，该参考标靶与超声波检测波束部分地相交。
34、 一种传感器组件，用于测量贮存器中的至少一种流体深度，包括超声波发射机构，用于从相对于贮存器的第 一位置向贮存器中的至少一种流体的表面发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部轴线；该第一位置靠近贮存器的底部；超声波接收机构，用于在偏离该第一位置的第二位置处接收从贮存器中的至少 一种流体的表面反射的超声波检测波束的回波；和确定机构，用于利用从超声波检测波束接收的回波和该第 一位置与该第二位置之间的距离来确定该至少 一种流体深度。
35、 如权利要求34所述的传感器组件，其中，该至少一种流体包括液体和气体中的至少一种。
36、 一种经整合的方法，用于测量包括流体混合物的贮存器中流体混合物的深度和密度，包括从相对于贮存器的第一位置i)向贮存器中的流体混合物的表面和ii)向贝i存器中的参考标耙发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部分，该至少一部分大体垂直于贮存器的底部并限定出与贮存器的底部相交的轴线；该第一位置靠近贮存器的底部；在偏离该第一位置的第二位置处接收a)从贮存器中的流体的表面和从b)参考标耙反射的超声波检测波束的回波；利用从超声波检测波束接收的回波和该第一位置与该第二位置之间的距离来确定该流体混合物的深度；测量贮存器中的流体混合物温度；和利用从参考标靶反射的超声波检测波束的回波与贮存器中的流体混合物温度来确定该流体混合物的密度。
37、 一种方法，用于测量流体混合物的密度，包括提供流体混合物的 一致性；测量流体混合物的温度；向流体混合物中的参考标靶发射超声波检测波束；参考标靶定位在距发射超声波检测波束的换能器一预定距离处；在向参考标靶发射超声波检测波束之后，在一测定的时间延迟后，接收从参考标耙反射的超声波检测波束的回波；利用该测定的时间延迟、流体混合物的温度和流体混合物的一致性，确定流体混合物中的至少 一种流体的比例。
全文摘要
一种超声波系统，用于测量贮存器中的流体深度，包括超声波发射机构，用于从相对于贮存器的第一位置向贮存器中的流体的表面发射超声波检测波束，产生超声波检测波束的路径的至少一部分，该至少一部分大体垂直于贮存器的底部并限定与贮存器的底部相交的轴线；该第一位置靠近贮存器的底部；超声波接收机构，用于在偏离第一位置的第二位置处接收从贮存器中的流体的表面反射的超声波检测波束的回波；和确定机构，用于利用从超声波检测波束接收的回波与第一位置和第二位置之间的距离来确定流体深度。这样的系统允许消除由换能器盲区导致的限制，而不需要使用波导。参考标靶可以用于针对贮存器中的流体混合物的声速校准该系统，并用于测量流体混合物密度。
文档编号G01S15/08GK101636666SQ200880005837
公开日2010年1月27日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月21日
发明者伊拉德·沃勒克, 尤里·阿加姆, 皮诺·马科维奇奥 申请人:感测技术股份有限公司;拉瓦尔欧洲股份有限公司