專利名稱：檢測(cè)管道內(nèi)的液體特性和對(duì)泵進(jìn)行控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)液體比重和粘稠度變化的檢測(cè)，更確切地說本發(fā)明不僅僅涉及廢水處理設(shè)備中的污水檢測(cè)，而且還可響應(yīng)該檢測(cè)結(jié)果對(duì)泵進(jìn)行控制。
在廢水處理中，污水泵僅用于在各級(jí)處理過程之間輸送這些污水，而且為了正確控制某階段的處理需要保持正確的污水比重。在靜態(tài)條件下，傾向于將其分成淤渣相和水相，在從發(fā)生這種分離的機(jī)體中進(jìn)行抽吸時(shí)，傾向于使液相‘穿過’淤渣并將其先于淤渣泵出。而且在某些情況下，污水的比重還可能過大。這樣就很難在指定的容器中保持恰當(dāng)?shù)奈鬯戎兀悄壳拔覀儧]有發(fā)現(xiàn)任何能從市場(chǎng)上買到的可以可靠檢測(cè)由污水泵泵出的污水比重之裝置。類似的問題還發(fā)生在泵出的液體呈混合相或比重可變的領(lǐng)域。
在用聲學(xué)方法檢測(cè)污水比重方面已經(jīng)做出了很多努力，但是由于泵的噪聲、無法預(yù)測(cè)與泵相連的管件對(duì)聲的響應(yīng)、以及由普通污水導(dǎo)致的很高的聲吸收等原因而使該方法還存在許多問題。
在US4145917中提出了一種用裝到容器壁上的傳感器向液體發(fā)射脈沖式超聲波波能量來檢測(cè)液體特性和根據(jù)這些脈沖測(cè)出特性曲線的方案。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用超聲波技術(shù)可以對(duì)與泵相連的管件中之液體性質(zhì)進(jìn)行可預(yù)測(cè)的、可靠的和快速的檢測(cè)。
按照本發(fā)明，提供一種通過向容器施加脈沖式超聲波能來檢測(cè)容器中液體性質(zhì)變化的方法，其中容器是管件，脈沖施加到管壁上后繞管壁傳播，根據(jù)這種傳播檢測(cè)管壁的余振效應(yīng)，分析所說余振效應(yīng)的至少一個(gè)參數(shù)從而根據(jù)管內(nèi)液體的性質(zhì)確定已發(fā)生變化的液體的特征，和把由此得到的特征與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以確定所說液體的性質(zhì)，所述超聲波能的頻率非常高，而其波長與管子的截面尺寸相比則很小并且其波譜處在與泵有關(guān)的噪聲波譜之上。
本發(fā)明還涉及一種對(duì)泵抽吸“穿過”之液體時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行控制、或?qū)ζ渌幌Ｍ囊合嗷虮戎禺惓顟B(tài)給出指示的方法。
通過以下參照附圖進(jìn)行的描述將使本發(fā)明的其它特征變得更清晰，其中

圖1是表示本發(fā)明有代表性的裝置的示意圖；圖2和3是通過特定裝置響應(yīng)污水液體比重變化得到的響應(yīng)譜圖；和圖4是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的信號(hào)處理的簡(jiǎn)化流程圖。
參照?qǐng)D1，在廢水廠中用支撐件10和12將兩個(gè)高頻超聲波傳感器2和4設(shè)置在與泵8相連的輸入管6的兩個(gè)相對(duì)側(cè)上，所述高頻超聲波傳感器2和4具有相同的諧振頻率，該頻率一般為150KHz，可以通過磁鐵14或夾緊件把支撐件10和12裝到管子上。雖然圖中示出了兩個(gè)分別向管子施加超聲波能并拾取響應(yīng)信號(hào)的分離傳感器，但是也可以象在其它超聲波波領(lǐng)域中采用既發(fā)射又接收超聲波波的共用傳感器那樣，使用通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置把同傳感器相連的接收電路與發(fā)射電路彼此絕緣而構(gòu)成的單個(gè)傳感器。
如下面將要描述的那樣，脈沖發(fā)生器16向發(fā)射傳感器2提供脈沖，在圖中所示的實(shí)例中，發(fā)生器產(chǎn)生具有明顯間隔且持續(xù)時(shí)間為1微秒的單向2000伏峰-峰值脈沖以便控制管子產(chǎn)生的余振并提供所需的數(shù)據(jù)，所述管子與受監(jiān)視的傳感器耦接。實(shí)際上，在一個(gè)普通的設(shè)備中，可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘提供50或更多脈沖，但只需很少的數(shù)量例如每秒鐘10個(gè)脈沖就能提供足夠的控制信息。在所示的實(shí)施例中，是通過微控制器18來控制脈沖發(fā)生器的，所述脈沖發(fā)生器可以是能提供所需脈沖幅值和寬度的任何發(fā)生器，而所述微控制器18還對(duì)從接收傳感器4接收到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理控制，接收傳感器4的信號(hào)送到前置放大器20并在前置放大器中調(diào)成傳感器的諧波頻率，然后為后序處理提供合適的電平。前置放大器20通常包括用于消除150KHz載波分量和提供輸出信號(hào)的檢測(cè)器，所述輸出信號(hào)是經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行過數(shù)字化處理的信號(hào)。檢測(cè)器可以是簡(jiǎn)單的幅值檢測(cè)器，但優(yōu)選用相位檢測(cè)器從信號(hào)中提取附加信息，特別是對(duì)零交叉位置?？梢詫⒛?shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)在微控制器18中作為與發(fā)生器16和繼電器22相連的接口，繼電器22與泵控制電路24相連。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器的諧振頻率高到足以避免由泵8產(chǎn)生的噪聲而引起的干擾時(shí)，管6內(nèi)的液體性質(zhì)和比重對(duì)接收傳感器輸出的信號(hào)幅值有很大的影響。通常，所產(chǎn)生的幾厘米量級(jí)的超聲波能波長與管子的截面尺寸相比很小，所以管子對(duì)超聲波能不起波導(dǎo)的作用。在超聲波能與管內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生作用的情況下，與管內(nèi)物質(zhì)的性質(zhì)和比重有關(guān)的超聲波能在很大程度上圍繞管壁傳播，如圖2和圖3中的圖形所示，這兩個(gè)圖表示從與圖1相同的裝置中的傳感器4輸出的前置放大信號(hào)。
伴隨脈沖(其波峰主要受前置放大器飽和作用控制)形成的初始周期過后(雖然在圖2和圖3中在每個(gè)圖形的始端還有最小值)，傳感器和與傳感器耦接之管子的余振幅值所具有的特征是，雖然在圖3中大多數(shù)波峰的幅值較大，但是每個(gè)圖形中以相似形狀產(chǎn)生的波峰和波谷的數(shù)量與管內(nèi)液體比重大小有關(guān)。應(yīng)該注意到，各波峰的幅值受影響的程度不同，關(guān)鍵在于包絡(luò)信號(hào)譜線的變化。我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，就污泥型污水而言，隨著污水比重的增大混在其中的液體量減少從而導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值，但這并不是其它液體的必然特性，而且需要對(duì)各圖象的特性進(jìn)行分別標(biāo)定和選擇以便對(duì)具有不同性質(zhì)和比重的特定液體進(jìn)行最佳分化。
按照下面進(jìn)一步討論的方式來分析數(shù)字信號(hào)，而且，在圖示的實(shí)例中將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與污水比重成比例的信號(hào)，并將其與所存儲(chǔ)的與最大和最小允許比重相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，啟動(dòng)繼電器22以控制與泵8相連的泵電路24。由此便建立起這樣一個(gè)系統(tǒng)，即，當(dāng)與液體比重對(duì)應(yīng)的信號(hào)超出用存儲(chǔ)信號(hào)表示的閾值時(shí)，泵8處于充液狀態(tài)。比重下降表示在液體中可能發(fā)生穿透效應(yīng)，泵利用穿透效應(yīng)將輸入其中的液體抽出或有效地將污水泵出。如比重上升到上閾值之上則表示正在抽吸的污水太稠；如果過稠的污水處理起來不太難的話，則不必在所有情況下都監(jiān)視上閾值。只要較稠的液體比重再次處于閾值內(nèi)，就可以重新啟動(dòng)所述泵。由于當(dāng)泵停止工作時(shí)不能自動(dòng)地恢復(fù)入口管處的液體比重，所以在經(jīng)過的時(shí)間足以終止穿透效應(yīng)或類似現(xiàn)象之后微控制器18將控制繼電器重新啟動(dòng)所述泵，但是如果在泵連續(xù)工作的另一間隔內(nèi)沒有恢復(fù)泵入口管內(nèi)的比重，那么將再度停止泵的工作。通過這種裝置，便可極大的地避免抽出不希望得到的低比重液體或高比重污水，而抽出正確比重的污水。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，雖然因通過彎管處的液流能防止固體堆積在管壁上而優(yōu)選將傳感器的位置設(shè)在彎管上，例如進(jìn)入泵的彎管(如圖1所示)上，但是一個(gè)或多個(gè)傳感器與管子耦接的位置對(duì)檢測(cè)的影響并不明顯，而且與泵相連的管件的設(shè)置對(duì)檢測(cè)的影響也不明顯。所述固體的堆積可以通過超聲波脈沖本身而避免。
使用時(shí)，用與圖4中構(gòu)劃出的程序相似的程序控制微控制器。很顯然，微控制器還可以控制泵的其它操作，例如水箱上游和/或泵下游的水位，所以圖中示出的程序僅是微控制器所有控制程序的一部分。這可以通過例如由一體地裝在微控制器中的定時(shí)器在所需脈沖重復(fù)頻率確定的間隔內(nèi)調(diào)出的中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)選擇所述脈沖重復(fù)頻率使其達(dá)到能響應(yīng)比重起伏所需的速度。還可以考慮在對(duì)多個(gè)脈沖響應(yīng)進(jìn)行平均的基礎(chǔ)上實(shí)施比重計(jì)算，以便提供更大的噪聲/抗擾度，這對(duì)相同的響應(yīng)速度來說又需要更高的重復(fù)頻率。
圖4的程序從觸發(fā)脈沖發(fā)生器16向傳感器2發(fā)送脈沖開始，然后啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理并存儲(chǔ)從前置放大器20得到的檢測(cè)信號(hào)，可能的話應(yīng)除去信號(hào)的初始部分以便可以不考慮前置放大器飽和的響應(yīng)部分。然后對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析由此識(shí)別出具有管內(nèi)液體類型和比重的檢測(cè)信號(hào)分量。
這種分析可以采用各種形式，但是可以認(rèn)為每一種情況都是對(duì)接收到的表示管6內(nèi)液體性質(zhì)的特征信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。在一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)中，測(cè)定緊隨第一零交叉點(diǎn)B的檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的波峰A的幅值(參見圖2和圖3)；這個(gè)峰的幅值在污水比重有較小變化時(shí)便出現(xiàn)明顯變化，通過將圖2和3比較便可以看出這一點(diǎn)，圖中示出的分別是對(duì)比重為1.031和1.0342的污水的響應(yīng)情況。用比較復(fù)雜的技術(shù)可以在響應(yīng)時(shí)檢查多個(gè)波峰的幅值，或分析響應(yīng)的頻率范圍以便測(cè)量在檢測(cè)后的響應(yīng)過程中不同頻率分量的相對(duì)幅值。利用相位檢測(cè)既可以分析響應(yīng)的實(shí)際分量又可以分析二次分量或同時(shí)分析這兩種分量。另一種方法是，在前置放大器停止飽和狀態(tài)之后，對(duì)在確定間隔上的響應(yīng)幅值進(jìn)行積分。在任何特定場(chǎng)合采用的方法應(yīng)根據(jù)所需的數(shù)據(jù)而定。例如，如果僅需要測(cè)定抽出的特定污水的比重是否落入預(yù)定的響應(yīng)比重范圍內(nèi)，那么只要測(cè)出波峰A的幅值落在標(biāo)定相期間測(cè)得的特定幅值范圍內(nèi)就足夠了。在其它場(chǎng)合，可能需要提取包含更多響應(yīng)參數(shù)的特征(signature)，并把這一特征與在標(biāo)定相期間存儲(chǔ)的一個(gè)或多個(gè)特征進(jìn)行比較或進(jìn)行圖形匹配以便確定管內(nèi)液體的比重或性質(zhì)，例如這種液體是水還是油。在每一種情況下，都是從測(cè)量響應(yīng)特性或組合特性的角度來研究對(duì)不同液體的響應(yīng)情況，這樣能夠給出最適合區(qū)分待測(cè)液體的特征。
在標(biāo)定時(shí)，除了供給管子的液體是已知比重和性質(zhì)的液體外，均采用了與通常所用程序相類似的程序，并且將所獲得的特征存儲(chǔ)起來以供進(jìn)一步比較時(shí)使用，而不是將其自身與存儲(chǔ)的值相比較。
如上所述，可以用本發(fā)明的方法對(duì)抽吸管內(nèi)液體的過程進(jìn)行控制；圖4的程序中包含了這種控制功能的簡(jiǎn)單形式。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)容器內(nèi)液體性質(zhì)的方法，包括向容器施加脈沖形式的超聲波能并檢驗(yàn)容器的響應(yīng)，其特征在于，容器是管子，將脈沖施加到管壁上使其圍繞管壁傳播，檢測(cè)管壁響應(yīng)這種傳播時(shí)的余振，分析所說余振的至少一個(gè)參數(shù)以確定隨管內(nèi)液體性質(zhì)而發(fā)生變化的特征，將這樣獲得的特征與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以確定所說液體的性質(zhì)，超聲波能的頻率極高而它的波長與管子截面尺寸相比則很小而且所述頻率高于與抽吸有關(guān)的噪聲波譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在分析之前對(duì)余振進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)字化和存儲(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該特征是緊隨第一零交叉的余振中第一波峰的幅值，而且管內(nèi)的液體是污水。
4.一種對(duì)促使液體流過管子的泵進(jìn)行控制的方法，其特征在于包括采用權(quán)利要求1-3中的任一方法將管內(nèi)液體的特征與由存儲(chǔ)數(shù)據(jù)確定的閾值相比較，并在該特征超出閾值時(shí)使泵停止工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述控制泵的方法，其特征在于，當(dāng)該特征再次落入閾值內(nèi)時(shí)或在預(yù)定時(shí)間過去之后，不管這兩種情況誰先出現(xiàn)，都使泵重新起動(dòng)。
全文摘要
為了確定流過管子(6)的液體特性,例如通過管子抽出的材料是污水還是液相,使從發(fā)生器(16)產(chǎn)生的高頻超聲波脈沖圍繞管子的周壁傳播并在管內(nèi)產(chǎn)生余振,測(cè)量余振的特性并在控制器(18)中將其與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以確定管內(nèi)液態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)。通過判斷所得到的數(shù)據(jù)表示通過管子的材料是污水還是在隧道效應(yīng)下穿過污水的液體便可對(duì)污水泵(8)進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)F04D15/02GK1196122SQ96196849
公開日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1996年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月3日
發(fā)明者波格丹·凱雷克, 約翰·約瑟夫·李 申請(qǐng)人:妙聲力有限公司