专利名称：探测液位的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例通常涉及一种用于在保持结构内部探测液位的系统和方法，特别 是涉及一种多功能自校准的液位探测系统和方法。
背景技术：
液体可以装于不同的容器之中。例如，机动车通常用油箱储存燃料。在各种应用 中，知道容器中液面的高度是很重要的。再例如，机动车的操作者通常需要知道油箱中燃料 的剩余量。
发明内容
本发明的几个实施例提供了一种用于探测液体容器中的液体的存在的系统。该系 统包括液位探测器和与液位探测器通讯的处理器。该探测器可以包括被放置于液体容器内的发射探头和接收探头。该发射探头包括 第一传感器，该接收探头包括第二传感器。第一传感器通过发射探头产生第一膨胀波，当第 一膨胀波接触到发射探头和与液体容器内的液体表面之间的交界面时，该第一膨胀波在液 体内产生压缩波。压缩波接触接收探头并且在接收探头内产生由第二传感器接收的第二膨 胀波。该处理器与第一和第二传感器电通讯。处理器根据第一传感器产生第一膨胀波与 第二传感器接收到第二膨胀波之间的时间监控第一和第二传感器，以确定液体容器内液体 的存在以及液位。发射探头和/或接收探头可以包括实心杆或者平面带。在另外一个实施例中，所 述探头中的一个包括中空的端部开放的圆筒，所述探头中的另一个包括位于所述中空的端 部开放的圆筒内的实心杆。所述传感器中的每一个可以包含压电或者EMAT传感器。发射探头和接收探头可以通过滑动托架连接在一起。所述滑动托架可以由具有浮 力的材料制成，例如泡沫聚苯乙烯。该处理器可以探测从第一传感器开始发射脉冲到在第二传感器处探测到第二膨 胀波的前缘的时间Tm。该处理器还能探测第一膨胀波沿着发射探头的一段长度向下传播、 反射及返回到第一传感器所花的时间Tl。该处理器还能探测从第一传感器开始发射脉冲到 探测到接收探头内的第三膨胀波的前缘的时间T2。本发明的几个实施例提供了一种探测液体容器内液体的存在的方法。该方法包括 在液体容器内放置具有发射探头和接收探头的探测器，通过安装在发射探头上的第一传感器产生第一膨胀波，当第一膨胀波触动容纳在液体容器中的液体的表面时在液体内产生压 缩波，在接收探头处接收压缩波，当压缩波接触到接收探头时在接收探头内产生第二膨胀 波，并且使用处理器监控第一和第二传感器，以根据产生第一膨胀波与在传感器处接收到 第二膨胀波之间的时间确定液体容器内液体的存在以及液位。该方法还可以包括使用处理器监控第一和第二传感器，以确定液体容器内液体的 传导率和/或粘度中的一项或两项。本发明的几个实施例提供了一种用于探测液体容器内液体的存在的探测器。该探 测器具有包括第一传感器的发射探头。发射探头被配置为放置在液体容器内。探测器还具 有包括第二传感器的接收探头。接收探头也被配置为放置在液体容器内。发射和接收探头 被间隔开已知的距离。第一传感器可操作地通过发射探头产生第一膨胀波。当第一膨胀波 接触发射探头与液体表面之间的交界面时，在液体内产生压缩波。当压缩波接触接收探头 时，接收探头在其自身内部产生第二膨胀波。第二膨胀波被第二传感器接收。液体的存在 及液位根据第一传感器产生第一膨胀波与第二传感器接收到第二膨胀波之间的时间确定。
图1示出了根据本发明的一个实施例的液位探测系统的示意图。图2示出了根据本发明的一个实施例的液位探测系统的示意图。图3示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器的主视图。图4示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器的主视图。图5示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器的正面立体视图。图6示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器的主视图。图7示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器的正面立体视图。图8示出了根据本发明的一个实施例的发射探头的主视图。图9示出了根据本发明的一个实施例的被放置于液体容器内的液位探测器的主 视图。图10示出了根据本发明的一个实施例的确定液位的方法的流程图。在详细解释本发明的实施例之前，需要理解的是，本发明不限于如下描述及图中 所示的具体构造和部件配置的应用。本发明可以存在其它实施例并且能够以不同方法实现 或实施。并且，需要理解的是，在此使用的措辞和术语是用于描述的目的，而不能认为是对 发明的限制。“包括”和“具有”及其变形的使用意在涵盖在其后所列的项(item)及这些项 的等同物，也涵盖附加的项及其等同物。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的一个实施例的液位探测系统10的示意图。系统10包括 连接至处理器14的液位探测器12，该处理器可以包括比较仪16。探测器12包括发射探头 18和接收探头20。探头18和20中的每一个可包括支撑底座22，该支撑底座22使探头18 和20在液体容器内垂直站立。即，底座22可以紧靠液体容器的保持面。可选择地，探头18 和20可以固定在液体容器的保持墙和/或面上，例如，通过夹具或其它紧固件。探头18和 20可以是杆、条和/或管。
传感器M，例如压电传感器，被固定在发射探头18的上端，同时传感器沈，例如压 电传感器，被固定在发射探头20的上端。传感器M被设置为产生能穿过和超过发射探头 18的长度的膨胀超声波，同时，传感器沈被设置为探测在接收探头20内部产生的膨胀超声 波。可选择地，传感器M和沈除了可以分别安装在探头18和20的上端外，还可以分别安 装在探头18和20的其他部分。传感器M通过电缆28与处理器14电连接，同时，传感器沈通过电缆30与处理 器14电连接。可选择地，传感器对和沈可以与处理器14无线连接。不管哪种情况下，处 理器通过有线或者无线连接向传感器M发出波发射信号，由此导致传感器M在探头18内 产生膨胀波。处理器14通过有线或无线连接从传感器沈接收波探测信号。放大器32可 被布置在电路30内，用于放大探测到的信号。处理器14比较来自传感器对和沈的信号， 例如通过比较仪16进行。在操作中，如下面将描述的，处理器14通过传感器M和沈发出 和接收的信号确定液体容器内液体的存在以及液位。图2示出了根据本发明的一个实施例的液位探测系统10的示意图。除了接收探 头20是作为与处理器14连接的液体电阻率电路34的一部分外，系统10与图1中显示和 描述的系统相似。电阻电路34还可以包括检流器36和振荡器38。图3示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器12的主视图。如图3所示，发 射探头18和接收探头20可以是圆柱形杆。图4示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器12的主视图。磁铁和线圈24’ 和沈’，例如环形的磁铁和线圈替代压电传感器，可以分别固定在探头18和20上。磁铁和 线圈24’被设置为在探头18内产生膨胀波，同时，磁铁和线圈26’被设置为探测探头20内 的膨胀波。图5示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器12的正面立体视图。在该实 施例中，探头18和20被制成平面带，传感器M和沈分别安装在带的平面上。图6示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器12的主视图。在该实施例中， 探头18和20可以是分别具有上框40和42的圆柱形杆或平面带，上框40和42大体上与 探头18和20的其余长度部分垂直。传感器M和沈分别安装在上框40和42的上部。直 角弯管用于适应特别的安装要求。图7示出了根据本发明的一个实施例的液位探测器12的正面立体视图。在该实 施例中，发射探头18为圆柱形杆18，而接收探头20为中空管。发射探头18布置在接收探 头20中央通道内。可选择地，发射探头18可以是中空管，而接收探头20可以是圆柱形杆。通常，液位探测器12可以是关于图3-7的图示和描述的设置中的任何一个。传感 器M或沈可以是以能够在探头18和20内部产生和探测超声膨胀波的以压缩或者放射模 式工作的压电或EMAT传感器。如关于图4的描述，还可以用磁铁替代传感器。探头18和20可以用任何能够支持膨胀波的材料制成。可以形成探头18和20的 杆和带可以使用不锈钢、钢材、铝材、氧化铝、玻璃，以及含有聚苯硫醚(PPS)的玻璃，塑料 等等制成。图8示出了根据本发明的一个实施例的位于液体容器44内的发射探头18的主视 图。探头18通过支撑底座22支撑在液体容器44的下保持墙上，或者，探头18通过夹具或 其他紧固件固定在液体容器44的内墙上。
传感器M接收来自处理器14(如图1和2所示)的信号以在探头18内部产生膨 胀波。传感器M受到振荡电压脉冲的激发而产生沿着发射探头18传播的膨胀波46。相应 地，传感器M使探头发生振动或者共振而产生传播超过探头18的长度的波46。发射探头 18内的膨胀波具有离面位移(out of plane displacement)，当其浸入液体内时，在液体内 转变成或者耦合成压缩波50。当膨胀波46遇到容器44内的液体48时，波能会作为沿箭头 A的方向在液体内传播的压缩波50向液体内传播。即，探头18内产生的膨胀波46会在液 体48内转变成或者耦合成压缩波50。压缩波50自液体交界面52沿箭头A的方向向外传 播。图9示出了根据本发明的一个实施例的被放置于液体容器内的液位探测器12的 主视图。探头18和20的长度以L表示，而容器内液位以h表示。当压缩波50遇到接收探 头20时，其会连接或转变成接收探头20内的膨胀波。然后该膨胀波被位于接收探头20上 的传感器26探测到。传感器沈把探测到的膨胀波转变成振荡电压脉冲，该振荡电压脉冲 被发送至处理器14(如图1和2所示)。压缩波50到达接收探头20的时间是确定的，在传感器M和沈之间的传播时间 与液体48的高度h线性相关。因此，液体48的液位h能够通过在探头18和20之间产生 和接收的波来确定。已经发现，如上所述，只有当探头18和20与液体或者液体类似物接触时，接收探 头20才能接收压缩波并且将其转变成膨胀波。即，只有当声学路径由于能够支持压缩波的 媒介(例如水)的存在而被连通时，来自接收探头20上的传感器沈的信号才能被处理器 14探测到。因此，如果传感器M受激发在探头18内产生膨胀波，但是探头20上的传感器 26未能探测到膨胀波(因为没有压缩波从探头18/液体48的交界面传播过来)，即可以确 定没有液体存在。因而，探头18和20能够用来探测液体的存在。液体容器内的液位h也可以例如通过处理器14被确定。发射探头18和接收探头 20之间的干路径(dry path)长度根据液位h变化并与其线性相关。探头18和20的没有 浸入液体的长度用探头18和20的长度L减去液位h(L-h)来表示。因此，干路径长度1\以 如下公式计算Pl = d+2 (L-h)其中d为探头18和20之间的水平距离，L为探头18和20的长度，h为容器内的 液位。因此，Pl = k-2h其中k为已知常数。液体48内的压缩波50及探头18和20内的膨胀波46为非分散性波。因此，波50 到达接收探头20的时间可以准确地确定。而且，波50在探头18和20之间的传播时间也 与液位h线性相关。非分散性膨胀模式的条件已经确定为声波波长比探头18和20的直径或厚度至少 大2. 2倍。这将确定最大工作频率。以杆状的不锈钢探头为例，Ffflax = O. 45(Ve/d)其中Ne为膨胀波的速率，d为杆的直径。如上所述，由于压缩波50撞击接收探头20，在接收探头20内产生膨胀波。特别地，膨胀波E和E'在接收探头20内产生，其中E沿着接收探头20向上传播，而E'沿接收 探头20向下传播。从发射探头18上的传感器M开始发射脉冲到探测到向上传播的膨胀 波E的前缘的经过时间(Tm)随着液位h变化并用来测量液位h。S卩，图1和2中所示的处 理器14确定所述经过时间并且能够通过所述经过时间确定液位h。处理器14还能探测膨胀波沿着发射探头18的长度向下传播、反射并返回的时间。 该项时间以Tl表示。处理器14还能探测从开始发射脉冲到探测到在接收探头内向下传播 的膨胀波E'的前缘的经过时间(1 。T2等于Tl加上波从探头18和20中的一个传播到 探头18和20中的另一个的时间。因此，T2和Tl之间的差值为Tw，或者说是在液体中传播 的时间。艮P，T2-T1 = Tw用于液位探测的一个有关测量是探头18或20的弄湿长度。因此，参考图9，h/L = (T2_Tm)/T1因此，得出液位h，h = ((T2-Tm)L)/T1因为探头18和20的长度L是已知的，处理器14可以通过测量时间T1、T2和Tm确 定液位h。而且，已经发现本发明的实施例是自我校准的。通过测量T1、T2和Tm并且运用上 面的公式，消除了温度对于在探头18和20以及液体内产生的波速变化的依赖。需阐明，时 间T1、T2、TW* Tm用上面提到的波速和长度计算得出。即，T2等于Tl加上在液体中的时间 Tw。Tm等于在液体中的时间加上在探头的干燥部分的时间。而且，Tm = Tw+2 (L-h) /Ve其中Ve为膨胀波的速率。然而，2L/Ve = Tl因此，替代上述内容发现删去在液体中的时间和膨胀波的速率，剩下作为结果的 表达式h/L ο由于传感器M和沈与探头18和20的分别结合中存在的变化而导致的老化效应 影响的是信号幅度，但不会影响计时(timing)。因此，一旦具有足够的信号幅度以确保准确 地探测到波的前缘，老化效应就会消除。因此，如图1和2所示的放大器32可以用来放大信号。参考图1-9，本发明的实施例可以用于确定液体的形态和状态，例如润滑油，用以 确定更换油的时间以及是否存在过度磨损。由于探头隔开的距离(d)是已知并且是确定 的，且波在液体中的时间可以测量，因而波在液体中的声速简单的表示为d/Tw。测量探头18 和20之间的电阻(例如通过图2显示的实施例)，以及弄湿的探头长度可以计算出液体的 电阻率。液体粘度的变化可以通过返回的振幅的变化计算得出。因为弄湿的探头长度是已 知的，液体粘度可以被计算出。即，当测量到的时间开始随着时间的推移而变化，就可以推 论出液体的性质在发生变化。这种变化可以与变化的粘度有关。因此，除了确定液位，也可 以确定液体的导电率和粘度，这增加很少或者可忽略的成本。再次参考图9，探头18和20可以通过滑动托架60相连接，该滑动托架可以沿着探 头18和20设置在不同的点上。托架60将探头18和20声学连结。因此，向上的波E到达
8传感器沈的时间与滑动托架60在探头18和20上的位置线性相关。托架60可包括使得探头18和20能够滑动放置的通路。托架60可以由有浮力的 材料制成。同样地，托架60可以浮于水的表面，同时滑动地固定在探头18和20上。因此， 当水位改变时，从传感器M经过托架60到达传感器沈的声学路径相应地改变。与上面所 述的实施例中如何确定声学路径长度的方法相似，该路径的长度由处理器14确定。声学路 径越长，则液位越低。处理器14将声学路径的长度与液位关联起来。而且，已经发现冰能声学连结探头18和20，与声学托架60连接探头18和20的方 式类似。跨度从传感器M经过冰表面到达传感器沈的声学路径的长度与容器内的冰面位 置相关联。因此，本发明的实施例能够用来探测冰的存在，除了能够探测例如水的液体的液 位，还能探测冰的厚度。还发现本发明的实施例提供的系统和方法中，传感器M和沈之间的声学路径不 会被堆积的污染物(例如探头18和20上的水垢和油脂)显著地影响，推测是因为波动能 够穿过碳酸钙(水垢)或者油脂层进行耦合。图10示出了根据本发明的一个实施例的确定液位的方法的流程图。在70中，包 括发射探头和接收探头的探测器放置于装有液体的液体容器内。然后在72中，处理器向安 装在发射探头上的第一传感器发射信号，以在发射探头内产生膨胀波。膨胀波在液体表面 处产生压缩波。在74中，压缩波朝向接收探头传播，并由接收探头所接收。在76中，当压 缩波遇到接收探头时，在接收探头内产生第二膨胀波。如上所述，在78中，从产生第一膨胀 波到由安装在接收探头上的第二传感器探测到第二膨胀波所经过的时间用于确定液位。因此，本发明的实施方式提供了一种高效的且节省成本的用于探测特定容器内液 体或冰的存在以及液体或冰的液位的系统和方法。虽然不同的空间和方向术语，例如顶部、底部、下部、中部、侧部、水平、垂直、前面 等等可以用于描述本发明的实施例，但需要明白这些术语仅仅用于描述附图中显示的有关 方向。所述方向可以颠倒，旋转或以其他法式改变，从而上部即是下部，反之亦然，水平面变 成垂直面，等等。前述内容的变化和修改在本发明的范围之内。需要明白，此处披露和限定的发明 可延伸至本文和/或附图中提到或显示的各个特征中的两个或多个特征的所有的可选择 的组合。所有这些不同的组合构成了本发明不同的可选择的形态。在此描述的实施例解释 了实施本发明的最佳方式并且能够使本领域的其他技术人员实现该发明。权利要求将被构 造为包含先有技术容许的范围内可供选择的实施方式。本发明的各种特征由下面的权利要求阐述。
权利要求
1.一种用于探测液体容器内的液体的存在的系统，所述系统包括探测器，其包括放置在液体容器内的发射探头和接收探头，所述发射探头包括第一传 感器，并且所述接收探头包括第二传感器，所述第一传感器通过所述发射探头产生第一膨 胀波，当所述第一膨胀波接触所述发射探头与所述液体容器内容纳的液体的表面之间的交 界面时，所述第一膨胀波在所述液体中产生压缩波，所述压缩波接触所述接收探头并且在 所述接收探头内部产生被所述第二传感器接收的第二膨胀波；以及处理器，其与所述第一和第二传感器电通讯，所述处理器监控所述第一和第二传感器， 以根据由所述第一传感器产生所述第一膨胀波与由所述第二传感器接收到所述第二膨胀 波之间的时间确定液体容器内液体的存在以及液位。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射和/或接收探头中的一个或两个包括实心杆。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射和/或接收探头中的一个或两个包括平面市ο
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射或接收探头中的一个包括中空的端部开 放的圆筒，并且所述发射或接收探头中的另一个包括位于所述中空的端部开放的圆筒内的 实心杆。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二传感器中的每一个包括压电或者 EMAT传感器。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射和接收探头通过滑动托架连接在一起。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述滑动托架具有浮力。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器探测从所述第一传感器开始发射脉冲 到由所述第二传感器探测到所述第二膨胀波的第一前缘的时间Tm。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述处理器探测第一膨胀波沿所述发射探头的一 段长度向下传播、反射及返回到所述第一传感器所花的时间Tl。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器探测从由所述第一传感器开始发射脉 冲到探测到所述接收探头内的第三膨胀波的第二前缘的时间T2。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器监控所述第一和第二传感器，以确定 液体容器内的液体的传导率和/或粘度中的一项或两项。
12.—种探测液体容器内液体的存在的方法，所述方法包含 在液体容器内放置具有发射探头和接收探头的探测器；通过安装在所述发射探头上的第一传感器产生第一膨胀波；当所述第一膨胀波触动所述液体容器内的液体表面时，在所述液体内产生压缩波，在所述接收探头处接收所述压缩波；当所述压缩波接触所述接收探头时，在所述接收探头内产生第二膨胀波；以及 使用处理器监控第一和第二传感器，以根据产生第一膨胀波与传感器接收到第二膨胀 波之间的时间确定所述液体容器内液体的存在以及液位。
13.如权利要求12所述的方法，包括将所述发射和接收探头用滑动托架连接在一起。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述使用处理器包括探测从所述第一传感器开 始发射脉冲到在所述第二传感器处探测到第二膨胀波的第一前缘的时间TM。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述使用处理器包括探测第一膨胀波沿所述发 射探头的一段长度向下传播、反射及返回到所述第一传感器所花的时间Tl。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述使用处理器包括探测从所述第一传感器开 始发射脉冲到探测到所述接收探头内的第三膨胀波的第二前缘的时间T2。
17.如权利要求12所述的方法，包括使用处理器监控所述第一和第二传感器，以确定 所述液体容器内的液体的传导率和/或粘度中的一项或两项。
18.一种用于探测液体容器内液体的存在的探测器，所述探测器包括发射探头，其包括第一传感器，所述发射探头被配置为放置在所述液体容器内；以及 接收探头，其包括第二传感器，所述接收探头被配置为放置在所述液体容器内，所述发 射和接收探头被间隔开已知的距离，所述第一传感器可操作地通过所述发射探头产生第一膨胀波，所述第一膨胀波接触液 体的表面并且在液体内产生压缩波，当所述压缩波接触所述接收探头时，所述接收探头在其自身内部产生第二膨胀波，所 述第二膨胀波由所述第二传感器接收。
19.如权利要求18所述的探测器，其中，液体的存在以及液位根据由所述第一传感器 产生第一膨胀波与由所述第二传感器接收到所述第二膨胀波之间的时间确定。
20.如权利要求18所述的探测器，其中，所述发射和/或接收探头中的一个或两个包括 实心杆和/或平面带。
21.如权利要求18所述的探测器，其中，所述发射或接收探头中的一个包括中空的端 部开放的圆筒，并且所述发射或接收探头中的另一个包括位于所述中空的端部开放的圆筒 内的实心杆。
22.如权利要求18所述的探测器，其中，所述第一和第二传感器中的每一个包括压电 或者EMAT传感器。
23.如权利要求18所述的探测器，其中，所述发射和接收探头通过滑动托架连接在一起。
24.如权利要求23所述的探测器，其中，所述滑动托架具有浮力。
全文摘要
一种用于探测液体容器内的液体的存在的系统，所述系统包括探测器和处理器。该探测器包括放置在液体容器内的发射探头和接收探头。所述发射探头包括第一传感器，并且所述接收探头包括第二传感器。该处理器与所述第一和第二传感器电通讯并监控所述第一和第二传感器，以根据由所述第一传感器产生第一膨胀波与由所述第二传感器接收到第二膨胀波之间的时间确定液体容器内液体的存在以及液位。
文档编号G01F23/296GK102066884SQ200980122562
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年6月12日
发明者塔伦斯·J·诺尔斯 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司