专利名称：一种具有浮子芯的液面传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用浮子芯感测液面的传感器，该传感器包括设置有用于检测液体的存在的装置的一个浮子芯，及可绕在配置在装有要检测液面的液体的容器外面的支承件上的一条刻度尺或缆，其自由端是固定在浮子芯的外壳上的，该外壳包含一个自备的电源、电子处理电路及用于检测液体的存在的一个探头。
这种具有浮子芯的液面传感器是已知的，其中可绕在贮液罐外部的密封贮存壳中的柔性金属刻度尺通过设置有与外界密封的装置的一条通道穿透进贮液罐中。尺的自由端固定在设有一个用于检测液体的存在的检测探头及用于将信息信号传送给位于贮液罐外面的接收器的装置、并设置有诸如当探头与液体接触时发光的一个指示灯的浮子芯上。操作员放出刻度尺直到观察到指示灯处于接通与断开的边界，这表示浮子芯的检测探头正位于大气与液体之间的界面上。当指示灯指示检测探头已到达了它要寻找的界面时，操作员便观察邻接于形成在观测窗中的一个参照标记的尺上的刻度，该刻度提供要检验的界面位置，即贮液罐中的液面的一个指示。
在工业实践中，应用浮子芯的液面传感器用于检测各种各样的液体，有些是高度化学腐蚀性的。当前，每种传感器只适用于一种特定种类的液体，因此不是通用的。从而，对某些种类的液体采用响应导电性变化的检测探头，而对于其它种类的液体则采用电容型检测探头，而对于别的种类的液体则采用光学型检测探头。此外，光学或电容型检测器是较为易碎的，因此是难于使用的。
还已知有基于弹性波(或“声波”)的波导的类型的液体存在检测器。然而，这种检测器通常是相当笨重、灵敏度有限并安装在装有液体的贮液罐壁上的固定位置上的。
从而需要提供一种既充分可靠又灵敏同时又能以小尺寸实现、将传感器的所有工作元件装在浮子芯中的浮子芯型液面传感器。
按照本发明，这些目的是通过用浮子芯感测液面的传感器达到的，该传感器包括设置有用于检测液体的存在的装置及可绕在设置在装有要检测其液面的液体的容器外面的一个支承件上的一个刻度尺或缆，尺或缆的自由端固定在浮子芯的壳上，该壳中包含一个自备的电源、电子处理电路及用于检测液体的存在的一个探头，该传感器的特征在于，用于检测液体的存在的探头包括一个金属波导，该波导依次具有一个实心圆柱形顶部第一部分；构成一个机械放大器的较小截面的一个第二部分；一个平截头圆锥体形第三部分，其较大的基底位于底端；以及构成探头的敏感部分的一个圆柱形底端第四部分；其特征在于金属波导是以密封方式用一个支承凸缘连接在浮子芯的壳上的，该凸缘以下述方式在一个与所述平截头圆锥体形第三部分持平的一个线形环形区中固定在金属波导上，使得只有位于所述线形环形区下方的波导管部分从浮子芯的壳中伸出及能与液体接触；在于在顶部第一部分的自由端上设置一个由电子处理电路供电的换能器；并且在于电子处理电路包括用于产生周期性地作用在换能器上以在波导中产生入射弹性波的确定的频率fi的激励脉冲的电路，以及用于在没有液体接触波导管的敏感圆柱形端部时检测换能器作为入射弹性波的回波发出的脉冲的电路。
在一个特定实施例中，波导的圆柱形端部是制成管状的，并具有用于防止液体渗入所述圆柱形端部的一个管塞封闭的一个自由端。
按照特定的特征，支承凸缘是用激光焊接或电子束焊接在一个线形环形区中固定在金属波导上的。
通常，本发明的传感器对于在波导的敏感部分中传播的弹性波串具有小的波群速度与大的延迟的高度波散(dispersive)的敏感部分。
本发明尤其有可能实现一种非常短的，小于1mm的高灵敏度探头，同时仍能使用由一般尺寸的压电陶瓷制成的换能器。
在一个特定实施例中，构成一个机械放大器的较小截面的第二部分包括一个其较大的底连接在所述实心圆柱形顶部第一部分上的实心的伸长的平截头圆锥体形第一长度，及一个连接在平截头圆锥体形第三部分的较小底上的较小直径的圆柱形第二长度。
在本例中的一个便于制造的更特殊的实施例中，较小直径的圆柱形第二长度包括一个与实心的顶部第一部分及伸长的平截头圆锥体形第一长度整体形成的第一部分，及一个与平截头圆锥体形第三部分及底部圆柱形端部整体形成的第二部分。
在一个特定实施例中，金属波导的支承凸缘是环形的并包含一条容纳一个O形环的外侧槽。
实心圆柱形顶部第一部分与底部圆柱形端第四部分有利地具有相同的外径。
最好将以赫兹表示的预定频率fi的值选择为根据下式的用米表示的底部圆柱形管的外径Φext与内径Φint、及以m/s表示的物质中的横波速度VT的一个函数fi=VT×Φext-0.6Φint(Φext)2]]>预定的频率fi位于大约100kHz至大约600kHz的范围内。
金属波导的全长位于60mm至120mm的范围内。
圆柱形管端部的长度位于5mm至30mm的范围内。
圆柱形管端部的外径Φext位于5mm至15mm的范围内。
圆柱形管端部的内径Φint位于2mm至12mm的范围内。
圆柱形管端部具有厚度在0.2mm至2mm范围内的壁。
所述较小截面的圆柱形第二长度具有0.5mm至5mm范围内的直径。
本发明的传感器也可包含一个设置在浮子芯的壳内的温度传感器。
本发明的其他特征与优点出现在下面以非限制性实例及参照附图描述的特定实施例的说明中，附图中
图1为具有一个浮子芯及本发明可应用在其上的一个液面传感器的总体垂直剖面图；图2为按照本发明实现的一个液面传感器的浮子芯的轴向剖面图；图3与图4分别为以装在本发明的浮子芯中的方式制成的一个金属导管及其支承件的正视图与轴向剖视图；图5为展示金属波导与其支承凸缘之间的连接的详细轴向剖视图；以及图6为展示装设在本发明的传感器的浮子芯中的电子电路的主要部件的方框图。
图1示出可应用本发明的具有一个浮子芯的液面传感器的一个实例。这一液面传感器包括通过一个开口15插入装有要确定液面的一种液体12的一个贮液罐10中的一个浮子芯1，液体12上面覆盖有气体11。作为示例，液体12可以是水，石油产品或任何其他种类的液体，其中包括高度化学腐蚀性的液体。
浮子芯1的底端构成敏感元件。芯1的顶端连接在能够卷绕在位于贮液罐10的外部的壳4中的一条刻度尺或缆2上。壳4定义了一个经由通道5与形成在贮液罐10上的开口15相通的防漏的内部容积。刻度尺或缆2在其自由端上挂有浮子芯1，并通过开口15进入通道5中，通道5可包含用于引导刻度尺或缆2的装置6、8，以及用于在尺或缆2进入存贮壳4之前清洁它的装置9。设有参照标记的测量窗口7使得可以在任何时刻读取通过所述窗口看得见的尺2上的刻度，这一刻度起到确定位于窗口7与放置在贮液罐10内的浮子芯1之间的尺或缆2的长度的作用，并最终确定贮液罐10中的液体12的液面。
为了能够确定贮液罐10中的液体12的液面，在浮子芯1上装有用于向位于贮液罐10外部并布置在诸如壳4的一侧上的一个接收器14发送一个信息信号的装置。这些信号发送装置本身是已知的并可由诸如电磁波传输系统等构成。接收器14可包含诸如由指示灯140等构成的发信号装置，这一发信号装置每当位于浮子芯1的底端上的敏感传感器与液体12接触时便被激发。接收器14也可设置诸如屏面141等任何其他类型的显示元件。
下面参照图2至6详细描述本发明的一个特定实施例。
图2示出，浮子芯1包括一个壳100，该壳100具有在其顶端上装有一个连接在一条刻度尺2的端上的盖101的一个壳身102。盖101上设置有一个密封垫111，并专门用于使蓄电池104(可再充电的或其他的)能插入位于浮子芯1的顶部的一个室中。
浮子芯1还包括经由连接线106从蓄电池供电的一块带有电子电路105的板或室。电子电路105本身是用连接线107连接到位于浮子芯1的壳100的底部的液体检测探头200的激励器元件201上的。
按照本发明，用于检测液体的存在的探头200为具有弹性波的波导的类型，并在其顶端带有一个诸如压电陶瓷型换能器等的换能器201，该换能器构成连接在电子电路105上的激励器元件。金属波导以构成适合于与液体12接触的敏感部分的端部207的形式从壳100的底部伸出。
探头200的金属波导是不对称的并包括一个实心圆柱形的顶部202，其直径大到足以容纳一个普通尺寸的换能器201。从而，圆柱形顶部202可具有例如7mm至15mm范围内的一个直径D，并且这一直径通常等于10mm。
为了通过增加注入的能量而仍能使用一个普通尺寸的换能器201，金属波导包含一个将实心圆柱形部分202向下延伸的机械放大器203、204、205。更具体地，这一机械放大器包括一个其较大的底连接在圆柱形顶部202上的实心的伸长平截头圆锥体长度203，及一个将平截头圆锥体长度203向下延伸的较小截面的圆柱形长度204、205，并且它本身是以其较大的底位于其底部上的一个平截头圆锥体部分206向下延伸的。
构成探头的敏感部分的圆柱形底端部分207将平截头圆锥体部分206的较大底向下延伸。这一圆柱形端部207必须是高度波散的，这便是将其实现为管形的原因。这一圆柱形端部207的自由端用一个防止液体渗入端部207内的管塞208封闭，借此避免被可能悬浮在液体中的颗粒或废物阻塞的问题。
从图2与图4中可见，金属波导有利地包含经过机械加工制成并包含圆柱形顶部202、伸长的平截头圆锥体长度203及较小截面的圆柱形长度的顶部204的一个实心顶部第一段，连同其底部确定管形端部207及其顶部渐缩以确定平截头圆锥体部分206和较小截面的圆柱形长度的底部205的一个管形第二段。部分204与205可以避免阻碍弹性波传导的方式用焊接连接在一起，只要所述连接是在远离平截头圆锥体部分203与206的较小截面部分中实现的便能做到这一点。
小截面圆柱形长度204、205可具有大约0.5mm至5mm的一个直径d。
金属波导的全长L可以非常小并可在大约60mm至大约120mm的范围内，从而有可能将它集装在一个具有小于大约200mm的总高度的小尺寸的浮子芯1中。
构成可与液体接触的壳100的伸出的敏感部分的管形端部207可具有5mm至30mm范围的长度1、大约5mm至大约15mm范围内的外径Φext及大约2mm至大约12mm范围内的内径Φint。管形端部207的壁可具有0.2mm至2mm范围内的厚度。
作为示例，对于具有110mm的全长L的一个金属波导，圆柱形管形端部207可具有19mm的长度1、8mm的外径Φext及6.5mm的内径Φint。
管形端部207的外径Φext可等于实心圆柱形顶部的外径D，如图中所示，但这不是必要的。
金属波导可用各种不同的金属或合金制成，诸如用黄铜制成。然而，不锈钢也完全适用于大多数应用中。
按照本发明的一种重要特征，金属波导是通过一个在环形区209中固定在金属波导上的支承凸缘210连接在壳100上的，它不象引导弹性波的波导的传统安装，既不位于顶部202甚至也不位于机械放大器203、204与205处，而是位于与圆锥形连接部分206持平处，或者在其中央部分上，或者甚至可位于其与敏感的圆柱形底部207的交界处，如图5中所示。
支承凸缘210是有利地用激光焊接或电子束焊接固定在圆锥部分206上的，这种方法保证得到的连接是气密与线性的，从而有可能保留端部207的全部灵敏度，有可能使支承对波导传导的弹性波不产生影响，从而保证信号具有非常好的再现性。
支承凸缘210是管形的并具有一个外侧环形槽211，其中可容纳一个O形环212。支承凸缘210可固定定位在壳100中，例如在其端部管塞113、110内部，管塞113、110上设置有一个密封环112并通过壳100的侧壁102的底端连接。
由电源104供电的电子处理电路105起到激励换能器201的作用，并具有传统的类型，如图6中以方框图形式所示。
电路105主要包括一个波串发生器151，该发生器通过逻辑门152和一条线107将波串作用在换能器201上，借此导致弹性波的发送，这些弹性波是沿金属波导传导到其自由底端207、208上的。
当自由端207不与液体接触时，发生器151发出的波串在波导的端208上反射并导致在顶部202的端上出现回波，该回波作用在换能器201上，并经由逻辑门152以电信号的形式传输到处理器电路，处理器电路包含一个放大器153及一个与用于将信息信号发送到诸如图1的接收器14等装有一个指示灯140的接收器的装置相关联的阈值检测器元件154。
反之，当自由端207与一种液体接触时，波导的自由端208所生成的回波便消失或者高度衰减。结果，阈值检测器电路154检测到回波的消失而在发送到装有指示灯装置140的接收器14的信号中产生改变。指示灯140可连接成当波导的部分207、208接触液体12时接通，而当波导的部分207、208在气体中时断开，或者反之，将灯140连接成当浮子芯1在气体中时接通，而当波导的部分207、208接触液体12时断开。
在本发明的前后关系中，探头200具有一个小尺寸的敏感部分207、208，从而有可能得到用于检测液面的诸如1mm数量级上的灵敏度。
端部207的尺寸是以使之非常高度地波散的方式选定时，从而有可能达到能够以大约1毫米的灵敏度的方式来区域回波信号。这意味着弹性波的群速是非常小的，从而延迟是非常大的。
通常，以这样的方式来选择电路151、152周期性地作用在换能器201上的激励波串的频率fi，使得弹性波串以低频波的群速在波导的机械放大器中传播，并且以对应于作为频率的函数的相速度曲线上的拐点的最小群速在端部管形部分207中传播。
频率fi可位于100kHz至600kHz的范围内。
以赫兹表示频率fi的值可根据下式作为圆柱形管形端部207的以米表示的外径Φext与内径Φint及以每秒米(m/s)表示的物质中的横波的速度VT的一个函数来选择fi=VT×Φext-0.6Φint(Φext)2]]>当管形端部207的壁厚对平均半径a的小于0.3时，以赫兹表示的频率fi可采用下式从以米表示的所述管形部分的平均半径a及以m/s表示的所述管形部分的材料中的横波的速度VT中得出fi=1.7×VT2π×1a]]>其中a＝(Φext＋Φint)/4。
对于用不锈钢制造的管形端部207，物质中的横波的速度VT可取为等于3150m/s。
可以看出，本发明的传感器的浮子芯1可以用整体防漏的方式制成，将电池104与电子电路105包含在壳100内，只使用于弹性波的波导的敏感部分207从其中伸出。可用诸如以无线电波传输或经由固定在刻度尺或缆2上的密封电缆等任何已知的手段将电子电路105在线108与109上提供的信息输送给位于贮液罐10外面的接收机站14。
设计成适用于完全浸没在液体12中的浮子芯1上可装有已知类型的附加传感器。从而，在浮子芯1上可装有通过连线301连接在包含在电子电路105中的处理器电路155(图2与6)上并能够在每当将浮子芯放置在贮液罐10内各种不同位置中时经由线108与109提供温度信息的一个温度探头300。温度信息可用诸如接收器14的屏面141显示。
浮子芯1上也可装有能够根据各种不同液体的不同导电性来检测它们的存在的已知类型的导电性检测器(未示出在图中)。装有这种导电性检测器的浮子芯1从而可用于检测诸如存在于装有碳氢化合物的贮液罐10的底部的水。
由于其坚固性、灵敏度、可靠性及小型化的可浸入的密封浮子芯，从而本发明的液面传感器便有可能以高精确度检测贮罐中的液面，并在同一传感器用在各式各样的液体的广泛的基础上有可能做到这一点，同时还能够执行各种其他的传统测量，诸如温度或导电性的测量等等。
权利要求
1.一种用一个浮子芯感测液面的传感器，该传感器包括设置有用于检测一种液体的存在的装置的一个浮子芯(1)及可从卷绕在布置在装有要检测其液面的液体的容器的外面的一个支承件(4)上的刻度尺或缆(2)，尺或缆的自由端是固定在浮子芯(1)的壳(100)上的，该壳(100)中包含一个自备的电源(104)、电子处理电路(105)及用于检测一种液体的存在的一个探头(200)，该传感器的特征在于用于检测一种液体的存在的探头(200)包括一个金属波导，该波导依次具有一个实心的圆柱形顶部第一部分(202)；构成一个机械放大器的较小截面的一个第二部分(203、204、205)；其较大的底在其底端上的一个平截头圆锥体形第三部分(206)；以及构成探头的敏感部分的一个圆柱形底端第四部分(207)；其特征在于金属波导是用一个支承凸缘(210)以密封的方式连接在浮子芯(1)的壳(100)上的，该支承凸缘(210)是以只使位于一个线形环形区以下的波导部分从浮子芯(1)的壳(100)中伸出并能与一种液体接触的方式固定在位于与所述平截头圆锥体形第三部分(206)持平的线形环形区(209)中的金属波导上的；在于在顶部第一部分(20)的自由端上设置一个由电子处理电路(105)供电的换能器(201)；以及在于该电子处理电路包括用于生成周期性地作用在换能器(201)上以在波导中建立入射弹性波的确定频率fi的激励脉冲的电路，以及用于在没有液体接触波导的敏感的圆柱形端部(207)时，检测换能器(201)作为入射弹性波的回波发出的脉冲的电路(153、154)。
2.按照权利要求1的一种传感器，其特征在于该波导的圆柱形端部(207)是制成管形的，并具有用一个防止液体透入所述圆柱形端部(207)的管塞(208)封闭的一个自由端。
3.按照权利要求1或2的一种传感器，其特征在于该支承凸缘(210)是在一个线形环形区(209)中用激光焊接或电子束焊接固定在金属波导上的。
4.按照权利要求1至3中任何一项的一种传感器，其特征在于构成一个机械放大器的较小截面第二部分包括一个其较大的底连接在所述实心圆柱形顶部第一部分(202)上的实心的伸长的平截头圆锥体第一长度(203)，以及一个连接在该平截头圆锥体第三部分(206)的较小底上的较小直径的圆柱形第二长度(204、205)。
5.按照权利要求4的一种传感器，其特征在于较小直径的圆柱形第二长度(204、205)包括一个与实心的顶部第一部分(202)及伸长的平截头圆锥体形第一长度(203)整体形成的第一部分(204)，以及一个与平截头圆锥体形第三部分(206)及底部圆柱形端部(207)整体形成的第二部分(205)。
6.按照权利要求1至5中任何一项的一种传感器，其特征在于金属波导的支承凸缘(210)是环形的，并包括一个容纳O形环的外侧槽(211)。
7.按照权利要求1至6中任何一项的一种传感器，其特征在于实心的圆柱形顶部第一部分(202)与圆柱形底端第四部分(207)具有相同的外径。
8.按照权利要求1至7中任何一项的一种传感器，其特征在于金属波导是用不锈钢制造的。
9.按照权利要求1至8中任何一项的一种传感器，其特征在于以赫兹表示的预定频率fi的值是根据下式作为圆柱形管形底端部分(207)以米表示的外径Φext及内径Φint，及以m/s表示的物质中的横波的速度VT的一个函数选择的fi=VT×Φext-0.6Φint(Φext)2]]>
10.按照权利要求1至9中任何一项的一种传感器，其特征在于该预定频率fi位于大约100kHz至大约600kHz的范围内。
11.按权利要求1至10中任何一项的一种传感器，其特征在于金属波导的全长位于60mm至120mm的范围内。
12.按照权利要求1至11中任何一项的一种传感器，其特征在于圆柱形管形端部(207)的长度位于5mm至30mm的范围内。
13.按照权利要求1至12中任何一项的一种传感器，其特征在于圆柱形管形端部(207)的外径Φext位于5mm至15mm的范围内。
14.按照权利要求1至13中任何一项的一种传感器，其特征在于圆柱形管形端部(207)的内径Φint位于2mm至12mm的范围内。
15.按照权利要求1至14中任何一项的一种传感器，其特征在于圆柱形管形端部(207)具有厚度在0.2mm至2mm范围内的壁。
16.按照权利要求4或5的一种传感器，其特征在于所述较小截面的圆柱形第二长度(204、205)具有位于0.5mm至5mm的范围内的直径。
17.按照权利要求1至16中任何一项的一种传感器，其特征在于圆柱形管形端部(207)具有19mm的长度、8mm的外径Φext及6mm的内径Φint，及在于金属波导的全长为大约110mm。
18.按照权利要求1至17中任何一项的一种传感器，其特征在于它还包括一个设置在浮子芯(1)的壳(100)内的温度传感器(300)。
19.按照权利要求1至18中任何一项的一种传感器，其特征在于当管形端部(207)的壁厚与平均半径a之比小于0.3时，以赫兹表示的预定频率fi的值是根据下式作为所述管形部分以米表示的平均半径a及以m/s表示的所述管形部分的物质内的横向模式的速度VT的一个函数选择的fi=1.7×VT2π×1a]]>
全文摘要
液面传感器包括其自由端固定在包含壳及探头的浮子芯上的刻度尺或缆。探头包括具有圆柱形实心顶部、构成机械放大器的较小截面的部分、平截头圆锥体部分及构成探头的敏感部分的圆柱形底端部分。金属波导通过支承凸缘以密封方式连接在浮子芯的壳上，该支承凸缘以只使位于固定区以下的波导部分从壳中伸出并能接触液体的方式固定在金属波导的圆锥形部分上。由电子处理电路供电的换能器设置在顶部的自由端上，并在预定的频率f
文档编号G01F23/30GK1120158SQ9510475
公开日1996年4月10日 申请日期1995年4月26日 优先权日1994年4月26日
发明者莱格拉斯·奥利维尔 申请人:奥克西特罗股份公司