專(zhuān)利名稱(chēng)：用于丙烷儲(chǔ)罐等的液位傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用超聲進(jìn)行封閉容器(諸如丙烷儲(chǔ)罐)中的流體液位(level)測(cè) 量。
背景技術(shù)：
已知有許多方法和系統(tǒng)來(lái)測(cè)量容器中的流體液位，包括那些利用超聲的方法和容器。因?yàn)槌暅y(cè)量通常需要換能器組件和容器之間的緊密聯(lián)接，目前現(xiàn)有技術(shù)的液位 傳感器系統(tǒng)——適于加壓儲(chǔ)罐或含有腐蝕性液體或氣體的儲(chǔ)罐——的缺點(diǎn)在于，超聲換能 器組件直接安裝到殼體中的容器或安裝在該容器內(nèi)，該容器在換能器和液體之間有阻尼作 用。因此，這種系統(tǒng)不適于在多種儲(chǔ)罐或容器上使用。


在以下附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的用于測(cè)量常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐中的丙烷液位的 液位傳感器系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1的液位傳感器系統(tǒng)的傳感器組件部分的示意圖，該傳感器組件示出為 定位在常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐下，以便可操作地與之耦聯(lián)；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的液位傳感器組件；圖4是圖3的傳感器組件的示意圖，示出為定位在常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐下，以便可操作地 與之耦聯(lián)；圖5A是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的液位傳感器組件；該傳感器組件示出為 安裝在常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐側(cè)部，以便可操作地與之耦聯(lián)；圖5B是圖5A的傳感器組件的示意性局部截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第四示例性實(shí)施例的傳感器組件的示意性局部截面圖；該組件 示出為安裝在常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐側(cè)部，以便可操作地與之耦聯(lián)；圖7是根據(jù)本發(fā)明第六示例性實(shí)施例的傳感器組件的示意圖；該組件示出為可操 作地耦聯(lián)至常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐且處于沿該丙烷儲(chǔ)罐的側(cè)部移動(dòng)的操作中；圖8是根據(jù)本發(fā)明第七示例性實(shí)施例的傳感器組件的示意截面圖；該組件示出為 安裝在常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐中，其中，換能器為保護(hù)殼體不受液體侵害；圖9是根據(jù)本發(fā)明第八示例性實(shí)施例的傳感器組件的示意截面圖；該組件示出為 安裝在常規(guī)丙烷儲(chǔ)罐中；圖10和11是根據(jù)本發(fā)明第九示例性實(shí)施例的傳感器組件的示意截面圖，示出了 換能器和儲(chǔ)罐之間的反射器例如用于測(cè)量最大填充液位；圖10示出了反射器和換能器之 間的路徑被部分地浸沒(méi)，而圖11示出了反射器和換能器之間的路徑被完全地浸沒(méi)；圖12是根據(jù)本發(fā)明第十示例性實(shí)施例的傳感器組件的示意截面圖，示出了垂直于儲(chǔ)罐排空軸線(xiàn)的反射器的使用；和圖13是圖表，示出了當(dāng)圖5A和5B至12中的系統(tǒng)的換能器被浸沒(méi)在液體(曲線(xiàn) A)或氣體(曲線(xiàn)B)中的示例性信號(hào)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種液位傳感器系統(tǒng)，且更具體地涉及一種液位傳感器組件，用于測(cè) 量諸如丙烷儲(chǔ)罐或天然氣儲(chǔ)罐這樣的儲(chǔ)罐或容器中的腐蝕性或加壓液體的液位，或者測(cè)量 冷卻液等的液位。本發(fā)明的液位傳感器系統(tǒng)包括換能器組件和固定到容器外側(cè)或內(nèi)側(cè)的處 理電子器件，用于持續(xù)的液位測(cè)量和/或一種開(kāi)關(guān)或多種開(kāi)關(guān)操作。如將隨后所述，根據(jù)本發(fā)明的液位傳感器系統(tǒng)包括控制器和傳感器組件，該傳感 器組件由換能器組件和安裝組件限定，該安裝組件用于將換能器組件快速連接或非永久附 連到儲(chǔ)罐或容器。傳感器組件被構(gòu)造為可拆除地安裝至儲(chǔ)罐能允許更換儲(chǔ)罐，例如，當(dāng)儲(chǔ)罐 空了時(shí)，不需要必須更換或重新構(gòu)造傳感器組件。例如，如果希望在特定硬件(諸如烤肉用 儲(chǔ)罐)上使用傳感器系統(tǒng)并時(shí)不時(shí)的需要更換容器，則使用者可以這樣做而不必改換傳感器.如將在以下詳細(xì)所述，根據(jù)本發(fā)明的傳感器組件可例如被構(gòu)造為，當(dāng)容器被靠近 儲(chǔ)罐定位時(shí)，用于直接連接至儲(chǔ)罐或與之的緊密聯(lián)接。更具體地，根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種液位傳感器系統(tǒng)用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的第 一流體的液位，該第一流體限定出與第二流體的界面，該系統(tǒng)包括超聲換能器組件，用于在儲(chǔ)罐中沿檢測(cè)路徑發(fā)射超聲脈沖，用于接收表征第一和 第二流體中的至少一個(gè)的超聲回聲，和用于接收代表第一和第二流體中的該至少一個(gè)的回
聲信號(hào)；控制器，聯(lián)接至超聲換能器組件，用于接收回聲信號(hào)和用于確定與之相接的流體 的位置；第一流體的液位由流體界面的位置限定；和安裝組件，用于接收超聲換能器組件和用于將超聲換能器組件操作地安裝至儲(chǔ)罐 以用于超聲測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種液位傳感器組件用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的第一流體的 液位，該第一流體限定出與第二流體的界面，該系統(tǒng)包括超聲換能器組件，用于在儲(chǔ)罐中沿至少一個(gè)檢測(cè)路徑發(fā)射超聲脈沖，用于接收表 征第一和第二流體中的至少一個(gè)的超聲回聲，和用于接收代表第一和第二流體中的該至少 一個(gè)的回聲信號(hào)；和安裝組件，用于接收超聲換能器組件和用于將超聲換能器組件操作地安裝至儲(chǔ)罐 以用于超聲測(cè)量。第一流體例如是儲(chǔ)罐中的液體，而第二流體例如是該液體之上的氣體。根據(jù)本發(fā)明更具體的實(shí)施例，代表第一和第二流體中的至少一個(gè)的超聲回聲代表 第一和第二流體之間的界面。超聲脈沖和反射回聲的傳播時(shí)間表征流體液位。本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將通過(guò)閱讀本發(fā)明示例性實(shí)施例的以下非限制性 說(shuō)明而變得明顯，這些實(shí)施例僅通過(guò)示例參考附圖給出。
在以下描述中，附圖中的相似特征給出了相似的附圖標(biāo)記，為了不使附圖繁亂，一些元件如果已經(jīng)在之前的附圖中標(biāo)出，則在一些附圖中并沒(méi)有標(biāo)出。現(xiàn)在將參考圖1-2描述根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的用于測(cè)量常規(guī)BBQ丙烷儲(chǔ) 罐11中的丙烷液位的液位傳感器系統(tǒng)10。液位傳感器系統(tǒng)10包括傳感器組件12，該傳感器組件包括超聲換能器14和將該 換能器14操作性地安裝到儲(chǔ)罐11以用于液位測(cè)量的安裝組件18，該系統(tǒng)還包括聯(lián)接至超 聲換能器14的控制器16和聯(lián)接至控制器16的顯示輸出裝置，該顯示輸出裝置是LCD模塊 20的形式。系統(tǒng)10的這些元件的每一個(gè)將被更詳細(xì)地描述。控制器16具有印刷電路板(PCB)的形式，該P(yáng)CB包括用來(lái)以脈沖模式驅(qū)動(dòng)換能器 14的常規(guī)激勵(lì)電子器件、放大處理器和用于接收液晶顯示器(LCD)模塊20的常規(guī)連接器 17。激勵(lì)電子器件和放大器二者可設(shè)置有改變激勵(lì)量(時(shí)長(zhǎng)和幅度)的控制電子器件。PCB16還從換能器14接收回聲信號(hào)，并使用已知的算法來(lái)確定儲(chǔ)罐11中的液體和 該液體之上的氣體之間的界面位置。PCB16計(jì)算包括計(jì)算換能器14激勵(lì)和反射信號(hào)(回 聲)之間的延遲，該反射信號(hào)是從液體和該液體之上的氣體之間的界面反射的。該延遲在 現(xiàn)有技術(shù)中已知為傳播時(shí)間(TOF)。當(dāng)進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)和/或當(dāng)液體液位的位置可以在 測(cè)量之前被近似時(shí)，窗口技術(shù)(windowing technique)還可用于使得不可靠測(cè)量(false measurement)最小化。IXD模塊20和/或換能器14可利用相應(yīng)的接口纜線(xiàn)21和配線(xiàn)21’或無(wú)線(xiàn)地聯(lián)接 至控制器16。在后種情況下，IXD模塊20、換能器14和控制器16當(dāng)然被構(gòu)造為用于該目 的。由于超聲換能器和被構(gòu)造為以脈沖和回聲模式操作該換能器的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電子器 件在本領(lǐng)域中是為人熟知的，所以在此將不再詳細(xì)描述?，F(xiàn)將描述，安裝組件18將換能器14相對(duì)于儲(chǔ)罐11安裝，從而儲(chǔ)罐11中的液體液 位可從其底部測(cè)量。安裝組件18包括具有中間孔23的環(huán)形本體22，該孔容納換能器14。安裝組件18 還包括偏壓元件，是彈簧26 (示出兩個(gè))的形式，該彈簧各自的近端25固定至本體22。安 裝組件18最后包括橡膠層24，該橡膠層例如用粘結(jié)劑(諸如膠水)固定至換能器14，橡膠 層24用作換能器14和儲(chǔ)罐11之間的聯(lián)接材料。彈簧26允許將換能器14向上偏壓，以便當(dāng)儲(chǔ)罐11定位在橡膠層上時(shí)，通過(guò)橡膠 層24強(qiáng)制形成與丙烷儲(chǔ)罐11的緊密接觸(見(jiàn)圖3)。當(dāng)然，彈簧26的長(zhǎng)度被選擇為大于儲(chǔ) 罐11的基部28的高度，以便實(shí)現(xiàn)換能器14通過(guò)層24而與儲(chǔ)罐11之間形成的緊密接觸。除了彈簧26的其它偏壓元件可替換地用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐11和換能器14之間的接觸， 以足以允許超聲波傳播。例如，儲(chǔ)罐11的重量在一些應(yīng)用中應(yīng)充分，例如取決于儲(chǔ)罐11和 /或傳感器組件12的構(gòu)造。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，使安裝組件設(shè)置有具有足夠長(zhǎng)度的彈簧26可允許 對(duì)于不同長(zhǎng)度的丙烷儲(chǔ)罐使用同一液位傳感器系統(tǒng)10。如下，系統(tǒng)10可拆除地固定至儲(chǔ)罐11。根據(jù)第一示例性實(shí)施例，彈簧26的遠(yuǎn)端 30位于接收丙烷儲(chǔ)罐的基部32上，而根據(jù)另一示例性實(shí)施例，彈簧26的遠(yuǎn)端30利用緊固 件(未示出)固定至設(shè)置在基部32上的附件(未示出)。
儲(chǔ)罐11然后定位在基部32上且在組件18上方。如上所述，換能器14和儲(chǔ)罐11 之間的緊密超聲耦聯(lián)由偏壓元件26和橡膠層24來(lái)保證。PCB 16包括磁化安裝組件34用于將其安裝到儲(chǔ)罐11上。根據(jù)該特定實(shí)施例， PCB16還被防水材料覆蓋且被設(shè)置有連接器17，該連接器允許IXD20從PCB 16選擇性地?cái)?開(kāi)。其它緊固機(jī)構(gòu)，諸如粘結(jié)劑或帶狀組件等，也可進(jìn)一步用于將安裝組件34固定到儲(chǔ)罐 11上。根據(jù)第一示例性實(shí)施例，IXD顯示單元20用于連接至控制器16，用于選擇性讀取 液位，并且由此，沒(méi)有聯(lián)接元件用于將單元20固定至儲(chǔ)罐等。顯示單元20還可設(shè)置有緊固元件，諸如磁體，以便將單元可拆除地緊固到儲(chǔ)罐11 上。根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，顯示單元20是控制器16的一部分，該一部 分聯(lián)接 到換能器14以便可從換能器拆除或不從換能器可拆除。控制器16還可是與傳感器組件12 一體的。根據(jù)另一示例性實(shí)施例，顯示單元20和/或控制器16永久地固定至儲(chǔ)罐11或者 是靠近其定位的元件或物品。如上所述，液位傳感器系統(tǒng)10以脈沖模式操作，且現(xiàn)將解釋其在時(shí)域(time domain)操作。換能器14朝向儲(chǔ)罐11的頂部發(fā)射超聲脈沖。超聲回聲通過(guò)在儲(chǔ)罐11中的 液體和在其上的氣體之間的界面處或者從兩種液體之間的界面處的脈沖反射產(chǎn)生。該超聲 回聲在脈沖發(fā)射之后由換能器14接收一定的時(shí)間，該時(shí)間表征界面相對(duì)于儲(chǔ)罐11的底部 的距離/高度。在考慮液體種類(lèi)/聲音速度和傳播時(shí)間的情況下，液體在換能器上方的高 度可如上所述地進(jìn)行計(jì)算。由換能器14產(chǎn)生的回聲信號(hào)——表示超聲脈沖在液體界面上的反射——被控制 器16用來(lái)確定儲(chǔ)罐11中的液體液位和/或與儲(chǔ)罐11中的液體液位有關(guān)的任何其它量，諸 如流體的體積或重量。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，該信息然后可經(jīng)由纜線(xiàn)、配線(xiàn)或無(wú) 線(xiàn)地傳送至另一控制單元，用于進(jìn)一步處理和/或顯示?？刂破?6還可被編程，以頻繁地測(cè)量?jī)?chǔ)罐11中的液體液位，從而確定液體的減少 速度和/或流量和/或在儲(chǔ)罐11排空前所剩時(shí)間的量。該信息可顯示在顯示單元20上。作為確定流量的示例方法，處理單元可增加采樣率；通過(guò)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于多次測(cè)量所 獲得的液位，控制器16可計(jì)算液體高度隨時(shí)間的變化率/斜率。該斜率與流體消耗相關(guān)。 基于斜率和當(dāng)前液位(系統(tǒng)將該當(dāng)前液位轉(zhuǎn)換為體積)，系統(tǒng)能計(jì)算儲(chǔ)罐中的液體消耗速 度。還可以計(jì)算以同一平均速度消耗的所剩時(shí)間的量。如果儲(chǔ)罐11中的多種流體的種類(lèi)(identity)對(duì)控制器來(lái)說(shuō)是已知的，且如果它 們沒(méi)有混合，則例如通過(guò)確定兩種相鄰液體之間的界面的位置，傳感器系統(tǒng)10可用于測(cè)量 儲(chǔ)罐11中的每種液體的量。超聲換能器組件14不限于包括被構(gòu)造為用于發(fā)射超聲脈沖和接收超聲回聲的單 個(gè)換能器。還可使用兩個(gè)并排的發(fā)射器和接收器。使用這樣的一對(duì)發(fā)射器/接收器可允許 減小能被系統(tǒng)測(cè)量的最小液位。參考其它示例性實(shí)施例如下詳細(xì)所述，可替換地使用其它 超聲換能器構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，顯示單元可被更簡(jiǎn)單的諸如LED (發(fā)光二極管)這樣的視覺(jué)警報(bào)替代或被例如由按鈕觸發(fā)的聲音警報(bào)器器替代，指示用戶(hù)已經(jīng)到達(dá)了臨界液 位。并且，安裝組件的構(gòu)造和尺寸可與圖1和2所示的不同。例如，換能器14可夾在 橡膠層24和本體22之間，該本體并不限于具有環(huán)的形狀。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，當(dāng)儲(chǔ)罐11可拆除地定位到傳感器組件12時(shí)，橡膠層 24與偏壓元件26 —起提供了換能器14和儲(chǔ)罐11之間的緊密結(jié)合。這種緊密連接允許作 出精密的超聲測(cè)量。橡膠層24可替換地由另外的彈性材料制造，該彈性材料能傳遞聲波和/或保持換 能器組件和容器之間的良好接觸?，F(xiàn)參考圖3和4，示出了根據(jù)本發(fā)明第二示例性傳感器組件36。傳感器組件36包括超聲換能器14和安裝組件38，該安裝組件用于將換能器14操 作性地安裝到儲(chǔ)罐11以用于液位測(cè)量。
安裝組件38包括磁化殼體40和用于將換能器14緊固到殼體40的環(huán)形本體42。 安裝組件38還包括在換能器14和本體42頂部的彈性和柔性層44。例如可由橡膠制成的 層44用作換能器14和儲(chǔ)罐11之間的耦聯(lián)界面，如前所述。當(dāng)組件可拆除地附連在儲(chǔ)罐11之下時(shí)，殼體40和金屬儲(chǔ)罐11之間的磁力將組件 38推到儲(chǔ)罐11上同時(shí)壓住橡膠層44，由此通過(guò)層44提供換能器14和儲(chǔ)罐壁之間的緊密聯(lián)接。即使傳感器組件36在圖4中示出為安裝到儲(chǔ)罐11的底部，安裝組件的構(gòu)造和功 能允許其安裝到儲(chǔ)罐11的其它部分，諸如從側(cè)部。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，控制器16 的算法必須根據(jù)傳感器組件的位置作出適應(yīng)調(diào)整。例如，在傳感器組件36安裝在儲(chǔ)罐11的 側(cè)部(例如參見(jiàn)圖5A至11)的根據(jù)本發(fā)明的液位傳感器系統(tǒng)中，該液位傳感器系統(tǒng)的控制 器必須構(gòu)造為以開(kāi)關(guān)模式操作，其中，傳感器的位置限定出測(cè)量點(diǎn)并檢測(cè)液體或氣體是否 處于傳感器附連到儲(chǔ)罐側(cè)部的液位。隨后將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例的、 被構(gòu)造為以開(kāi)關(guān)模式操作的液位傳感器組件的例子。在開(kāi)關(guān)模式中，傳感器組件36安裝至儲(chǔ)罐11的側(cè)部、在其外側(cè)或在儲(chǔ)罐11內(nèi)，如 隨后所述，用于沿大致平行于儲(chǔ)罐11底部的路徑發(fā)射超聲脈沖和用于接收沿同一路徑而 來(lái)的超聲回聲。在以開(kāi)關(guān)模式操作時(shí)，取決于超聲脈沖在第一流體(諸如儲(chǔ)罐11中液體(見(jiàn)圖 13，代表輸出的曲線(xiàn)A))還是在第二流體(諸如液體之上的氣體(見(jiàn)圖13，代表輸出的曲 線(xiàn)B))中行進(jìn)，傳感器組件產(chǎn)生不同的信號(hào)。由于已知的液體將在初始激勵(lì)信號(hào)后的一已 知延遲后在儲(chǔ)罐壁上反射或在目標(biāo)上反射，所以若知儲(chǔ)罐11中的流體特性和相應(yīng)的超聲 特征(ultrasoimdsignature)，則傳感器組件可用作用于這些流體的數(shù)字液位傳感開(kāi)關(guān)。雖然傳感器組件36已經(jīng)示出為讓單個(gè)換能器用于發(fā)射超聲脈沖和接收反射回聲 的兩種目的，但是也可以使用其它構(gòu)造的換能器組件，包括但不限于一對(duì)超聲發(fā)生器和接 收器。附連至儲(chǔ)罐11且以開(kāi)關(guān)模式操作的傳感器組件46的例子在圖5A-5B中示出。傳感器組件46包括換能器組件，包括單個(gè)換能器14和安裝組件，該安裝組件包括 壓紋板48。壓紋板48限定了接收換能器14的中心殼體和用于將安裝組件48固定至儲(chǔ)罐的周邊部分50，其中利用緊固件或粘結(jié)劑永久或可拆除地將傳感器組件46固定至儲(chǔ)罐11。 根據(jù)另一示例性實(shí)施例(未示出)，板48的周邊部分可被磁化以便允許其聯(lián)接至金屬儲(chǔ)罐 11。傳感器組件46還包括可壓縮襯件52，用于如上所述在換能器14和儲(chǔ)罐11之間提
供緊密結(jié)合。換能器14如此安裝在安裝板48中且安裝板在靠近儲(chǔ)罐底部的外壁上如此安裝至 儲(chǔ)罐11，從而超聲脈沖54在期望檢測(cè)的高度處大致平行地發(fā)射到儲(chǔ)罐11的底部。根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的液位傳感器系統(tǒng)配備有傳感器組件46且被構(gòu)造 為以開(kāi)關(guān)模式操作，該液位傳感器系統(tǒng)包括被構(gòu)造為識(shí)別儲(chǔ)罐11中的液體56的超聲特征 的控制器，且由此可在液體液位到達(dá)傳感器組件46的高度以下時(shí)檢測(cè)液體。圖13的曲線(xiàn)A 是當(dāng)傳感器組件46前面有液體存在時(shí)的代表性輸出，而圖13的曲線(xiàn)B是當(dāng)傳感器組件46 的前面有氣體存在時(shí)的代表性輸出。在儲(chǔ)罐11中有多種液體的情況下，反射信號(hào)、時(shí)間的 位置表征傳感器組件46前面的液體/液體混合物的類(lèi)型。 安裝板48的構(gòu)造和尺寸當(dāng)然可以與圖5A和5B所示的不同。例如其可針對(duì)換能 器組件的形狀和尺寸適應(yīng)調(diào)整。如上所述，換能器14聯(lián)接至控制器且可包括顯示單元。應(yīng)該指出，傳感器組件46的測(cè)量的準(zhǔn)確性取決于換能器14的尺寸。如圖6所示，示出了根據(jù)本發(fā)明第四示例性實(shí)施例的傳感器組件58，多個(gè)換能器 14可利用安裝組件59在沿儲(chǔ)罐高度的不同位置處安裝在儲(chǔ)罐的外表面上，該安裝組件例 如采取具有壓紋部分60的細(xì)長(zhǎng)板的形式，每個(gè)限定出參照?qǐng)D5A和5B所述的換能器殼體。 每個(gè)殼體包括可壓縮襯件52。傳感器組件58允許當(dāng)液體液位到達(dá)對(duì)應(yīng)于換能器14位置的、儲(chǔ)罐11中的三個(gè)不 同高度的每個(gè)時(shí)進(jìn)行依次檢測(cè)。與圖5A-5B中的換能器14類(lèi)似，換能器14相對(duì)地定位以 大致平行于儲(chǔ)罐11底部地發(fā)射超聲脈沖54。類(lèi)似于圖5A和5B所示的組件46，組件58可拆除地安裝至儲(chǔ)罐11或永久地與之 附連。傳感器組件58的測(cè)量的準(zhǔn)確性取決于換能器14的數(shù)量和它們之間的距離，因?yàn)?在兩個(gè)相鄰換能器14之間沒(méi)有檢測(cè)發(fā)生。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第五示例性實(shí)施例的液位傳感器組件62。如根據(jù)在此所示 本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例的傳感器組件的情況那樣，傳感器組件62要被耦聯(lián)至控制器 16，該控制器具有與之耦聯(lián)的輸出裝置，諸如LCD顯示器20，從而限定出根據(jù)本發(fā)明的液位 傳感器系統(tǒng)。因?yàn)閭鞲衅鹘M件62類(lèi)似于組件36，且為了簡(jiǎn)潔目的，兩個(gè)組件62和36之間的差 異將更加詳細(xì)地描述。傳感器組件62用于在儲(chǔ)罐11的表面上沿其高度移動(dòng)(見(jiàn)箭頭64)，同時(shí)確保設(shè)置 有襯件的組件62側(cè)部壓在儲(chǔ)罐11的表面上，以便超聲波更好地通過(guò)儲(chǔ)罐11傳播和接收。為了使組件62和儲(chǔ)罐11之間的摩擦最小化且由此使組件在儲(chǔ)罐上容易移動(dòng)，襯 件由摩擦減少材料制成，諸如Teflon 。根據(jù)替換實(shí)施例，膠體可用于減小摩擦。如上所述，組件62是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的液位傳感器系統(tǒng)。
在操作中，操作者(用圖7中的手67代表)沿儲(chǔ)罐11的高度移動(dòng)傳感器組件(見(jiàn)箭頭64)，直到顯示單元(未示出)或連接至控制器的任何其他輸出單元(也未示出)交互 地通知用戶(hù)，傳感器組件定位在與儲(chǔ)罐11中的液體和在液體上的氣體之間的界面相同的 高度處。控制器當(dāng)然被構(gòu)造為能識(shí)別如上所述的這種界面(見(jiàn)圖13)。更具體地，當(dāng)檢測(cè) 至IJ “反射”時(shí)(見(jiàn)圖13中的曲線(xiàn)A)，系統(tǒng)識(shí)別出液體液位在組件62之上，且交互地將該液 位通知給用戶(hù)。傳播時(shí)間表征液體類(lèi)型。如將參考本發(fā)明其它示例性實(shí)施例所述的，根據(jù)本發(fā)明的傳感器液位組件并不限 制為定位在儲(chǔ)罐11之外或用于常規(guī)的丙烷儲(chǔ)罐，諸如那些用于BBQ的。圖8示出了用于根據(jù)本發(fā)明第六示例性實(shí)施例的液位傳感器系統(tǒng)的傳感器組件。這樣的組件可例如用于儲(chǔ)罐壁上的反射信號(hào)可能較弱的大儲(chǔ)罐71。傳感器組件70包括換能器組件，該換能器組件包括單個(gè)換能器14和安裝組件72， 該換能器連接至如上參照?qǐng)D1(未示出)所述的控制器，該安裝組件用于將換能器14操作 性地安裝在儲(chǔ)罐71內(nèi)以便以開(kāi)關(guān)模式操作。傳感器組件70被示出為安裝至常規(guī)壓力儲(chǔ)罐 71，該儲(chǔ)罐填充有液體73形式的加壓氣體。安裝組件具有中空筒體74的形式，該筒體在底部處密封且被插入在儲(chǔ)罐71中的 孔76中，以便大致垂直于儲(chǔ)罐71的底部79定位，中空筒體74限定出測(cè)深桿(dip-stick)。 換能器14在筒體內(nèi)安裝至筒體74，以便大致平行于儲(chǔ)罐71的底部79發(fā)射超聲脈沖77。換能器14靠近筒體74的底部定位或位于該底部處，且筒體74延伸至儲(chǔ)罐71的 底部79，從而可盡可能靠近儲(chǔ)罐71的底部79地進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)然，本發(fā)明并不限于將換能器14相對(duì)于儲(chǔ)罐71的底部79定位在在儲(chǔ)罐71之 內(nèi)或之外。筒體74由能夠抵抗儲(chǔ)罐71中的壓力的材料制成，該材料還能抵抗儲(chǔ)罐中的任何 腐蝕性流體的腐蝕。筒體74包括螺紋部分80，用于將筒體安裝到孔76周?chē)膬?chǔ)罐71的肩部部分82。 螺母組件84還用于將測(cè)深桿74進(jìn)一步固定至儲(chǔ)罐71。可以使用其它機(jī)構(gòu)用于將測(cè)深桿 74可拆除地或不可拆除地固定到儲(chǔ)罐71中。可替換地使用具有與圖8所示的安裝組件構(gòu)造不同的安裝組件，允許將換能器14 操作性地安裝在儲(chǔ)罐71中。本發(fā)明并不限于具有筒形形狀的測(cè)深桿。筒體74允許針對(duì)儲(chǔ)罐71的環(huán)境保護(hù)換能器組件74。取決于應(yīng)用，控制器可被插 入在測(cè)深桿74中(例如如圖10所示)，或者換能器74可利用常規(guī)配線(xiàn)78聯(lián)接至該測(cè)深 桿。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第七示例性實(shí)施例的傳感器組件86。由于組件86與組件 70非常類(lèi)似，為了簡(jiǎn)潔的目的，僅兩個(gè)組件86和70之間的差異在此將被詳細(xì)描述。組件86包括在其中安裝至測(cè)深桿74的多個(gè)換能器14 (示出了三個(gè))。類(lèi)似于圖 6中的組件58，傳感器組件86允許當(dāng)液體液位到達(dá)儲(chǔ)罐71中的、與儲(chǔ)罐71中換能器14的 三個(gè)縱向位置對(duì)應(yīng)的三個(gè)不同高度的每一個(gè)時(shí)進(jìn)行依次檢測(cè)。換能器14沿筒體74的高度的數(shù)量和位置當(dāng)然可變換以獲得不同的檢測(cè)位置。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，三個(gè)換能器14不是必須安裝至筒體74以使它 們的脈沖沿同一方向取向，而是只要它們基本平行即可。
圖10和11顯示了用于根據(jù)本發(fā)明第八示例性實(shí)施例的液位傳感器系統(tǒng)的液位傳 感器組件88。由于組件88與圖8的組件72類(lèi)似，且為了簡(jiǎn)潔的目的，現(xiàn)僅詳細(xì)描述兩個(gè)組 件88和72之間的差異。如通過(guò)閱讀以下描述可以理解的，組件88用作填充停止檢測(cè)器， 以確定填充儲(chǔ)罐71的最大液位。除了換能器14之外，筒體74還包括液位傳感器系統(tǒng)的控制器16部分。并且，傳感器組件88包括超聲反射器90，該反射器在筒體外側(cè)安裝至筒體74，以 便與由換能器14發(fā)射的超聲脈沖的路徑共線(xiàn)。如圖10和11所示，由于氣體中的超聲高衰減率(見(jiàn)圖13的曲線(xiàn)B)，換能器14不 接收與目標(biāo)90(或來(lái)自?xún)?chǔ)罐壁)對(duì)應(yīng)的任何反射，直到液體已經(jīng)到達(dá)換能器面的高度。組 件88因此允許當(dāng)液體73到達(dá)換能器14的高度時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。然后獲得與圖13中的曲線(xiàn)A 類(lèi)似的信號(hào)。反射器90經(jīng)由框架元件(諸如桿91)安裝至筒體74。反射器90和筒體端部之間 的距離可變化，但是足夠靠近換能器14，以允許有足夠的強(qiáng)度達(dá)換能器14。在一些應(yīng)用中，儲(chǔ)罐71的底壁79用作目標(biāo)。但是，將目標(biāo)設(shè)置為更靠近換能器74 能允許對(duì) 反射作出更佳預(yù)測(cè)，由此減小不可靠檢測(cè)的發(fā)生。當(dāng)然，反射器90的構(gòu)造、形狀、距離和材料與前述那些相比是可變化的。如圖13所示和如參考圖5A至12所述，液位傳感器組件88允許在時(shí)域中操作。更 具體地，參考圖13，回聲在時(shí)間“T”后被接收，其對(duì)應(yīng)于在反射器90上反射的超聲激勵(lì)脈沖 之間的延遲。圖13的曲線(xiàn)A代表覆蓋換能器和參考目標(biāo)之間空間的液體的輸出。圖13的曲線(xiàn) B是當(dāng)沒(méi)有液體覆蓋換能器和參考目標(biāo)之間間隙時(shí)的代表性輸出信號(hào)。利用反射器——其 例如可以是儲(chǔ)罐的底部或其壁中的一個(gè)，以及知道儲(chǔ)罐中的液體的種類(lèi)，能允許確定換能 器是否浸沒(méi)在液體或其上的氣體中。時(shí)間窗口的使用允許減小不可靠檢測(cè)?，F(xiàn)參考圖12，將描述根據(jù)本發(fā)明第十示例性實(shí)施例的傳感器組件96。由于組件96 在結(jié)構(gòu)方面大部分與圖8的組件72的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，且為了簡(jiǎn)潔的目的，現(xiàn)僅詳細(xì)描述兩個(gè)組 件96和72之間的結(jié)構(gòu)和功能差異。類(lèi)似于圖8的組件72，傳感器組件96允許以開(kāi)關(guān)模式檢測(cè)液體液位。組件96和72之間的第一差異在于測(cè)深桿74容納控制器16。兩個(gè)組件96和72之間的另一差異在于組件96包括參考目標(biāo)98，其用于改善反射 信號(hào)質(zhì)量，以補(bǔ)償儲(chǔ)罐71的諸如壁的距離或非反射壁這樣的限制。應(yīng)該指出，可對(duì)本文描述的液位傳感器系統(tǒng)作出多種改變，例如-當(dāng)傳感器組件包括多于一個(gè)的要以開(kāi)關(guān)模式操作的液位傳感器系統(tǒng)的換能器部 件，每個(gè)換能器可被聯(lián)接至如上所述構(gòu)造的獨(dú)立控制器，或所有換能器可被聯(lián)接至單個(gè)控 制器，該控制器則可被構(gòu)造為檢查和區(qū)分從所有換能器接收的返回信號(hào)，以便確定與所述 信號(hào)中的所檢測(cè)的變化對(duì)應(yīng)的液位；-在得知不同混合物的聲速的變化以及面對(duì)換能器的儲(chǔ)罐壁和換能器之間的距離 的情況下，控制器可進(jìn)一步確定儲(chǔ)罐中的液體混合物；-耦聯(lián)至控制器的輸出裝置可采取通訊裝置的形式，其向用戶(hù)通知與液位相關(guān)的 信息，諸如到達(dá)了低液位?？刂破骰螂娮悠骷衫绫粯?gòu)造為當(dāng)流體液位到達(dá)預(yù)定液位時(shí)發(fā)射鑒別信號(hào)。 即使根據(jù)本發(fā)明的液位傳感器系統(tǒng)和組件已經(jīng)在應(yīng)用中描述為用于測(cè)量丙烷儲(chǔ) 罐中的液位或更普遍地測(cè)量壓力儲(chǔ)罐中的液位，它們也可以用于包含腐蝕性液體和/或氣 體的儲(chǔ)罐。應(yīng)該理解，本發(fā)明并不將其應(yīng)用限于附圖和如上所述的部件和構(gòu)造的細(xì)節(jié)。本發(fā) 明能夠用于其它實(shí)施例和以各種方式實(shí)施。還應(yīng)該理解，在此所用的措辭和術(shù)語(yǔ)用于描述 的目的而非限制的目的。因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)其示例性實(shí)施例進(jìn)行了以上描述，其可 以被修改，而不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明主題的精神、范圍和本質(zhì)。
權(quán)利要求
一種液位傳感器組件，用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的第一流體的液位，該第一流體限定出與第二流體的流體界面，該組件包括超聲換能器組件，用于在儲(chǔ)罐中沿至少一個(gè)檢測(cè)路徑發(fā)射超聲脈沖，用于接收表征第一和第二流體中的至少一個(gè)的超聲回聲，和用于接收代表第一和第二流體中的該至少一個(gè)的回聲信號(hào)；和安裝組件，用于接收超聲換能器組件和用于將超聲換能器組件操作地安裝至儲(chǔ)罐用于超聲測(cè)量。
2.如權(quán)利要求1所述的液位傳感器組件，其中，第一流體是液體，而第二流體是該液體 之上的氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的液位傳感器組件，其中，安裝組件在儲(chǔ)罐外側(cè)安裝至儲(chǔ)罐；該安 裝組件包括可變形襯件，該襯件被安裝至換能器組件，以便在液位傳感器組件安裝至儲(chǔ)罐 時(shí)接觸儲(chǔ)罐，從而允許超聲波從超聲換能器組件穿過(guò)儲(chǔ)罐傳播。
4.如權(quán)利要求3所述的液位傳感器組件，其中，安裝組件還包括偏壓元件，用于促使換 能器組件和儲(chǔ)罐之間經(jīng)由可變形襯件形成緊密接觸。
5.如權(quán)利要求3所述的液位傳感器組件，其中，儲(chǔ)罐包括底部；該安裝組件將超聲換能 器組件操作地安裝至儲(chǔ)罐底部，從而超聲換能器組件從儲(chǔ)罐底部朝向頂部發(fā)射超聲脈沖， 并在代表儲(chǔ)罐中的第一流體液位的時(shí)間之后接收超聲回聲，這些回聲表征流體界面。
6.如權(quán)利要求1所述的液位傳感器組件，其中，儲(chǔ)罐包括底部；該超聲換能器組件包括 至少一個(gè)超聲換能器，該至少一個(gè)超聲換能器經(jīng)由安裝組件安裝至儲(chǔ)罐，用于在儲(chǔ)罐中沿 大體平行于儲(chǔ)罐底部的至少一個(gè)檢測(cè)路徑、在相對(duì)于儲(chǔ)罐底部的一位置處發(fā)射超聲脈沖；由此，該至少一個(gè)換能器每個(gè)用作液位開(kāi)關(guān)，其中，只要第一流體液位至少等于或高于 換能器相對(duì)于該底部的位置，表征第一流體的一些超聲回聲就能被換能器接收。
7.如權(quán)利要求6所述的液位傳感器組件，其中，所述至少一個(gè)超聲換能器包括多個(gè)換 能器，每個(gè)換能器經(jīng)由安裝組件并沿儲(chǔ)罐高度在相對(duì)于儲(chǔ)罐底部的各自位置處安裝至儲(chǔ) 罐。
8.如權(quán)利要求6所述的液位傳感器組件，其中，安裝組件將所述至少一個(gè)超聲換能器 操作性地安裝至儲(chǔ)罐的外壁。
9.如權(quán)利要求6所述的液位傳感器組件，其中，安裝組件包括測(cè)深桿，用于將所述至少 一個(gè)超聲換能器操作性地安裝在儲(chǔ)罐中。
10.如權(quán)利要求9所述的液位傳感器組件，還包括反射器，該反射器沿所述至少一個(gè)檢 測(cè)路徑固定至測(cè)深桿；反射器與所述至少一個(gè)超聲換能器限定出間隙；當(dāng)?shù)谝涣黧w填充間 隙時(shí)，該反射器導(dǎo)致超聲脈沖反射，產(chǎn)生代表第一流體的回聲信號(hào)并由此允許在相對(duì)于儲(chǔ) 罐底部的所述至少一個(gè)換能器的位置處檢測(cè)第一流體。
11.如權(quán)利要求10所述的液位傳感器組件，其中，超聲脈沖到反射器的傳播時(shí)間表征 在所述至少一個(gè)換能器前面的第一和第二流體中的所述至少一個(gè)的種類(lèi)。
12.如權(quán)利要求1所述的液位傳感器組件，其中，儲(chǔ)罐包括底部和頂部；超聲換能器組 件經(jīng)由安裝組件安裝至儲(chǔ)罐，以用于在儲(chǔ)罐中沿所述至少一個(gè)檢測(cè)路徑發(fā)射超聲脈沖，該 至少一個(gè)檢測(cè)路徑大體垂直于儲(chǔ)罐的底部；超聲換能器組件靠近儲(chǔ)罐的頂部定位，從而液 位傳感器組件用作填充停止檢測(cè)器。
13.如權(quán)利要求1所述的液位傳感器組件，其中，超聲回聲表征超聲換能器組件到流體 界面的距離。
14.一種用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐中的第一流體液位的液位傳感器系統(tǒng)，該第一流體限定出與第 二流體的流體界面，該系統(tǒng)包括超聲換能器組件，用于在儲(chǔ)罐中沿檢測(cè)路徑發(fā)射超聲脈沖，用于接收表征第一和第二 流體中的至少一個(gè)的超聲回聲，和用于接收代表第一和第二流體中的該至少一個(gè)的回聲信 號(hào)；控制器，耦聯(lián)至超聲換能器組件，以用于接收回聲信號(hào)和用于確定與之形成的流體界 面的位置；第一 流體的液位由流體界面的位置限定；和 安裝組件，用于接收超聲換能器組件和用于將超聲換能器組件操作地安裝至儲(chǔ)罐，以 用于超聲測(cè)量。
15.如權(quán)利要求14所述的液位傳感器系統(tǒng)，其中，確定流體界面位置的控制器包括計(jì) 算出發(fā)送超聲脈沖中的一個(gè)的超聲換能器與接收代表第一和第二流體中的所述至少一個(gè) 的回聲信號(hào)中的相應(yīng)一個(gè)的超聲換能器之間的延遲。
16.如權(quán)利要求14所述的液位傳感器系統(tǒng)，還包括偶聯(lián)到控制器的輸出裝置，用于輸 出與流體界面位置有關(guān)的信息。
17.如權(quán)利要求14所述的液位傳感器，其中，控制器還可被編程，以頻繁地確定流體界 面的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種液位傳感器系統(tǒng)，包括控制器和傳感器組件，該傳感器組件由換能器組件和安裝組件限定，該安裝組件用于換能器組件快速連接或非永久附連到儲(chǔ)罐或容器。超聲換能器組件在儲(chǔ)罐中沿檢測(cè)路徑發(fā)射超聲脈沖，接收表征第一和第二流體中的至少一個(gè)的超聲回聲，和產(chǎn)生代表第一和第二流體中的該至少一個(gè)的回聲信號(hào)。安裝組件被構(gòu)造為接收超聲換能器組件和用于將超聲換能器組件操作地安裝至儲(chǔ)罐用于超聲測(cè)量。控制器聯(lián)接至超聲換能器組件，接收回聲信號(hào)和確定與之相接的流體的位置；第一流體的液位由流體界面的位置限定。傳感器組件被構(gòu)造為可拆除地安裝至儲(chǔ)罐允許替換儲(chǔ)罐，例如，當(dāng)儲(chǔ)罐排空時(shí)，不需要必須更換或重新構(gòu)造傳感器組件。
文檔編號(hào)G01F23/296GK101842672SQ200880114207
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月30日
發(fā)明者尤里·阿加姆, 皮諾·馬科維奇奧 申請(qǐng)人:感測(cè)技術(shù)股份有限公司