專利名稱：一種具有浮子芯的液面?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明涉及用浮子芯感測液面的傳感器，該傳感器包括設置有用于檢測液體的存在的裝置的一個浮子芯，及可繞在配置在裝有要檢測液面的液體的容器外面的支承件上的一條刻度尺或纜，其自由端是固定在浮子芯的外殼上的，該外殼包含一個自備的電源、電子處理電路及用于檢測液體的存在的一個探頭。
這種具有浮子芯的液面?zhèn)鞲衅魇且阎模渲锌衫@在貯液罐外部的密封貯存殼中的柔性金屬刻度尺通過設置有與外界密封的裝置的一條通道穿透進貯液罐中。尺的自由端固定在設有一個用于檢測液體的存在的檢測探頭及用于將信息信號傳送給位于貯液罐外面的接收器的裝置、并設置有諸如當探頭與液體接觸時發(fā)光的一個指示燈的浮子芯上。操作員放出刻度尺直到觀察到指示燈處于接通與斷開的邊界，這表示浮子芯的檢測探頭正位于大氣與液體之間的界面上。當指示燈指示檢測探頭已到達了它要尋找的界面時，操作員便觀察鄰接于形成在觀測窗中的一個參照標記的尺上的刻度，該刻度提供要檢驗的界面位置，即貯液罐中的液面的一個指示。
在工業(yè)實踐中，應用浮子芯的液面?zhèn)鞲衅饔糜跈z測各種各樣的液體，有些是高度化學腐蝕性的。當前，每種傳感器只適用于一種特定種類的液體，因此不是通用的。從而，對某些種類的液體采用響應導電性變化的檢測探頭，而對于其它種類的液體則采用電容型檢測探頭，而對于別的種類的液體則采用光學型檢測探頭。此外，光學或電容型檢測器是較為易碎的，因此是難于使用的。
還已知有基于彈性波(或“聲波”)的波導的類型的液體存在檢測器。然而，這種檢測器通常是相當笨重、靈敏度有限并安裝在裝有液體的貯液罐壁上的固定位置上的。
從而需要提供一種既充分可靠又靈敏同時又能以小尺寸實現(xiàn)、將傳感器的所有工作元件裝在浮子芯中的浮子芯型液面?zhèn)鞲衅鳌?br> 按照本發(fā)明，這些目的是通過用浮子芯感測液面的傳感器達到的，該傳感器包括設置有用于檢測液體的存在的裝置及可繞在設置在裝有要檢測其液面的液體的容器外面的一個支承件上的一個刻度尺或纜，尺或纜的自由端固定在浮子芯的殼上，該殼中包含一個自備的電源、電子處理電路及用于檢測液體的存在的一個探頭，該傳感器的特征在于，用于檢測液體的存在的探頭包括一個金屬波導，該波導依次具有一個實心圓柱形頂部第一部分；構成一個機械放大器的較小截面的一個第二部分；一個平截頭圓錐體形第三部分，其較大的基底位于底端；以及構成探頭的敏感部分的一個圓柱形底端第四部分；其特征在于金屬波導是以密封方式用一個支承凸緣連接在浮子芯的殼上的，該凸緣以下述方式在一個與所述平截頭圓錐體形第三部分持平的一個線形環(huán)形區(qū)中固定在金屬波導上，使得只有位于所述線形環(huán)形區(qū)下方的波導管部分從浮子芯的殼中伸出及能與液體接觸；在于在頂部第一部分的自由端上設置一個由電子處理電路供電的換能器；并且在于電子處理電路包括用于產(chǎn)生周期性地作用在換能器上以在波導中產(chǎn)生入射彈性波的確定的頻率fi的激勵脈沖的電路，以及用于在沒有液體接觸波導管的敏感圓柱形端部時檢測換能器作為入射彈性波的回波發(fā)出的脈沖的電路。
在一個特定實施例中，波導的圓柱形端部是制成管狀的，并具有用于防止液體滲入所述圓柱形端部的一個管塞封閉的一個自由端。
按照特定的特征，支承凸緣是用激光焊接或電子束焊接在一個線形環(huán)形區(qū)中固定在金屬波導上的。
通常，本發(fā)明的傳感器對于在波導的敏感部分中傳播的彈性波串具有小的波群速度與大的延遲的高度波散(dispersive)的敏感部分。
本發(fā)明尤其有可能實現(xiàn)一種非常短的，小于1mm的高靈敏度探頭，同時仍能使用由一般尺寸的壓電陶瓷制成的換能器。
在一個特定實施例中，構成一個機械放大器的較小截面的第二部分包括一個其較大的底連接在所述實心圓柱形頂部第一部分上的實心的伸長的平截頭圓錐體形第一長度，及一個連接在平截頭圓錐體形第三部分的較小底上的較小直徑的圓柱形第二長度。
在本例中的一個便于制造的更特殊的實施例中，較小直徑的圓柱形第二長度包括一個與實心的頂部第一部分及伸長的平截頭圓錐體形第一長度整體形成的第一部分，及一個與平截頭圓錐體形第三部分及底部圓柱形端部整體形成的第二部分。
在一個特定實施例中，金屬波導的支承凸緣是環(huán)形的并包含一條容納一個O形環(huán)的外側槽。
實心圓柱形頂部第一部分與底部圓柱形端第四部分有利地具有相同的外徑。
最好將以赫茲表示的預定頻率fi的值選擇為根據(jù)下式的用米表示的底部圓柱形管的外徑Φext與內徑Φint、及以m/s表示的物質中的橫波速度VT的一個函數(shù)fi=VT×Φext-0.6Φint(Φext)2]]>預定的頻率fi位于大約100kHz至大約600kHz的范圍內。
金屬波導的全長位于60mm至120mm的范圍內。
圓柱形管端部的長度位于5mm至30mm的范圍內。
圓柱形管端部的外徑Φext位于5mm至15mm的范圍內。
圓柱形管端部的內徑Φint位于2mm至12mm的范圍內。
圓柱形管端部具有厚度在0.2mm至2mm范圍內的壁。
所述較小截面的圓柱形第二長度具有0.5mm至5mm范圍內的直徑。
本發(fā)明的傳感器也可包含一個設置在浮子芯的殼內的溫度傳感器。
本發(fā)明的其他特征與優(yōu)點出現(xiàn)在下面以非限制性實例及參照附圖描述的特定實施例的說明中，附圖中

圖1為具有一個浮子芯及本發(fā)明可應用在其上的一個液面?zhèn)鞲衅鞯目傮w垂直剖面圖；圖2為按照本發(fā)明實現(xiàn)的一個液面?zhèn)鞲衅鞯母∽有镜妮S向剖面圖；圖3與圖4分別為以裝在本發(fā)明的浮子芯中的方式制成的一個金屬導管及其支承件的正視圖與軸向剖視圖；圖5為展示金屬波導與其支承凸緣之間的連接的詳細軸向剖視圖；以及圖6為展示裝設在本發(fā)明的傳感器的浮子芯中的電子電路的主要部件的方框圖。
圖1示出可應用本發(fā)明的具有一個浮子芯的液面?zhèn)鞲衅鞯囊粋€實例。這一液面?zhèn)鞲衅靼ㄍㄟ^一個開口15插入裝有要確定液面的一種液體12的一個貯液罐10中的一個浮子芯1，液體12上面覆蓋有氣體11。作為示例，液體12可以是水，石油產(chǎn)品或任何其他種類的液體，其中包括高度化學腐蝕性的液體。
浮子芯1的底端構成敏感元件。芯1的頂端連接在能夠卷繞在位于貯液罐10的外部的殼4中的一條刻度尺或纜2上。殼4定義了一個經(jīng)由通道5與形成在貯液罐10上的開口15相通的防漏的內部容積?？潭瘸呋蚶|2在其自由端上掛有浮子芯1，并通過開口15進入通道5中，通道5可包含用于引導刻度尺或纜2的裝置6、8，以及用于在尺或纜2進入存貯殼4之前清潔它的裝置9。設有參照標記的測量窗口7使得可以在任何時刻讀取通過所述窗口看得見的尺2上的刻度，這一刻度起到確定位于窗口7與放置在貯液罐10內的浮子芯1之間的尺或纜2的長度的作用，并最終確定貯液罐10中的液體12的液面。
為了能夠確定貯液罐10中的液體12的液面，在浮子芯1上裝有用于向位于貯液罐10外部并布置在諸如殼4的一側上的一個接收器14發(fā)送一個信息信號的裝置。這些信號發(fā)送裝置本身是已知的并可由諸如電磁波傳輸系統(tǒng)等構成。接收器14可包含諸如由指示燈140等構成的發(fā)信號裝置，這一發(fā)信號裝置每當位于浮子芯1的底端上的敏感傳感器與液體12接觸時便被激發(fā)。接收器14也可設置諸如屏面141等任何其他類型的顯示元件。
下面參照圖2至6詳細描述本發(fā)明的一個特定實施例。
圖2示出，浮子芯1包括一個殼100，該殼100具有在其頂端上裝有一個連接在一條刻度尺2的端上的蓋101的一個殼身102。蓋101上設置有一個密封墊111，并專門用于使蓄電池104(可再充電的或其他的)能插入位于浮子芯1的頂部的一個室中。
浮子芯1還包括經(jīng)由連接線106從蓄電池供電的一塊帶有電子電路105的板或室。電子電路105本身是用連接線107連接到位于浮子芯1的殼100的底部的液體檢測探頭200的激勵器元件201上的。
按照本發(fā)明，用于檢測液體的存在的探頭200為具有彈性波的波導的類型，并在其頂端帶有一個諸如壓電陶瓷型換能器等的換能器201，該換能器構成連接在電子電路105上的激勵器元件。金屬波導以構成適合于與液體12接觸的敏感部分的端部207的形式從殼100的底部伸出。
探頭200的金屬波導是不對稱的并包括一個實心圓柱形的頂部202，其直徑大到足以容納一個普通尺寸的換能器201。從而，圓柱形頂部202可具有例如7mm至15mm范圍內的一個直徑D，并且這一直徑通常等于10mm。
為了通過增加注入的能量而仍能使用一個普通尺寸的換能器201，金屬波導包含一個將實心圓柱形部分202向下延伸的機械放大器203、204、205。更具體地，這一機械放大器包括一個其較大的底連接在圓柱形頂部202上的實心的伸長平截頭圓錐體長度203，及一個將平截頭圓錐體長度203向下延伸的較小截面的圓柱形長度204、205，并且它本身是以其較大的底位于其底部上的一個平截頭圓錐體部分206向下延伸的。
構成探頭的敏感部分的圓柱形底端部分207將平截頭圓錐體部分206的較大底向下延伸。這一圓柱形端部207必須是高度波散的，這便是將其實現(xiàn)為管形的原因。這一圓柱形端部207的自由端用一個防止液體滲入端部207內的管塞208封閉，借此避免被可能懸浮在液體中的顆?；驈U物阻塞的問題。
從圖2與圖4中可見，金屬波導有利地包含經(jīng)過機械加工制成并包含圓柱形頂部202、伸長的平截頭圓錐體長度203及較小截面的圓柱形長度的頂部204的一個實心頂部第一段，連同其底部確定管形端部207及其頂部漸縮以確定平截頭圓錐體部分206和較小截面的圓柱形長度的底部205的一個管形第二段。部分204與205可以避免阻礙彈性波傳導的方式用焊接連接在一起，只要所述連接是在遠離平截頭圓錐體部分203與206的較小截面部分中實現(xiàn)的便能做到這一點。
小截面圓柱形長度204、205可具有大約0.5mm至5mm的一個直徑d。
金屬波導的全長L可以非常小并可在大約60mm至大約120mm的范圍內，從而有可能將它集裝在一個具有小于大約200mm的總高度的小尺寸的浮子芯1中。
構成可與液體接觸的殼100的伸出的敏感部分的管形端部207可具有5mm至30mm范圍的長度1、大約5mm至大約15mm范圍內的外徑Φext及大約2mm至大約12mm范圍內的內徑Φint。管形端部207的壁可具有0.2mm至2mm范圍內的厚度。
作為示例，對于具有110mm的全長L的一個金屬波導，圓柱形管形端部207可具有19mm的長度1、8mm的外徑Φext及6.5mm的內徑Φint。
管形端部207的外徑Φext可等于實心圓柱形頂部的外徑D，如圖中所示，但這不是必要的。
金屬波導可用各種不同的金屬或合金制成，諸如用黃銅制成。然而，不銹鋼也完全適用于大多數(shù)應用中。
按照本發(fā)明的一種重要特征，金屬波導是通過一個在環(huán)形區(qū)209中固定在金屬波導上的支承凸緣210連接在殼100上的，它不象引導彈性波的波導的傳統(tǒng)安裝，既不位于頂部202甚至也不位于機械放大器203、204與205處，而是位于與圓錐形連接部分206持平處，或者在其中央部分上，或者甚至可位于其與敏感的圓柱形底部207的交界處，如圖5中所示。
支承凸緣210是有利地用激光焊接或電子束焊接固定在圓錐部分206上的，這種方法保證得到的連接是氣密與線性的，從而有可能保留端部207的全部靈敏度，有可能使支承對波導傳導的彈性波不產(chǎn)生影響，從而保證信號具有非常好的再現(xiàn)性。
支承凸緣210是管形的并具有一個外側環(huán)形槽211，其中可容納一個O形環(huán)212。支承凸緣210可固定定位在殼100中，例如在其端部管塞113、110內部，管塞113、110上設置有一個密封環(huán)112并通過殼100的側壁102的底端連接。
由電源104供電的電子處理電路105起到激勵換能器201的作用，并具有傳統(tǒng)的類型，如圖6中以方框圖形式所示。
電路105主要包括一個波串發(fā)生器151，該發(fā)生器通過邏輯門152和一條線107將波串作用在換能器201上，借此導致彈性波的發(fā)送，這些彈性波是沿金屬波導傳導到其自由底端207、208上的。
當自由端207不與液體接觸時，發(fā)生器151發(fā)出的波串在波導的端208上反射并導致在頂部202的端上出現(xiàn)回波，該回波作用在換能器201上，并經(jīng)由邏輯門152以電信號的形式傳輸?shù)教幚砥麟娐罚幚砥麟娐钒粋€放大器153及一個與用于將信息信號發(fā)送到諸如圖1的接收器14等裝有一個指示燈140的接收器的裝置相關聯(lián)的閾值檢測器元件154。
反之，當自由端207與一種液體接觸時，波導的自由端208所生成的回波便消失或者高度衰減。結果，閾值檢測器電路154檢測到回波的消失而在發(fā)送到裝有指示燈裝置140的接收器14的信號中產(chǎn)生改變。指示燈140可連接成當波導的部分207、208接觸液體12時接通，而當波導的部分207、208在氣體中時斷開，或者反之，將燈140連接成當浮子芯1在氣體中時接通，而當波導的部分207、208接觸液體12時斷開。
在本發(fā)明的前后關系中，探頭200具有一個小尺寸的敏感部分207、208，從而有可能得到用于檢測液面的諸如1mm數(shù)量級上的靈敏度。
端部207的尺寸是以使之非常高度地波散的方式選定時，從而有可能達到能夠以大約1毫米的靈敏度的方式來區(qū)域回波信號。這意味著彈性波的群速是非常小的，從而延遲是非常大的。
通常，以這樣的方式來選擇電路151、152周期性地作用在換能器201上的激勵波串的頻率fi，使得彈性波串以低頻波的群速在波導的機械放大器中傳播，并且以對應于作為頻率的函數(shù)的相速度曲線上的拐點的最小群速在端部管形部分207中傳播。
頻率fi可位于100kHz至600kHz的范圍內。
以赫茲表示頻率fi的值可根據(jù)下式作為圓柱形管形端部207的以米表示的外徑Φext與內徑Φint及以每秒米(m/s)表示的物質中的橫波的速度VT的一個函數(shù)來選擇fi=VT×Φext-0.6Φint(Φext)2]]>當管形端部207的壁厚對平均半徑a的小于0.3時，以赫茲表示的頻率fi可采用下式從以米表示的所述管形部分的平均半徑a及以m/s表示的所述管形部分的材料中的橫波的速度VT中得出fi=1.7×VT2π×1a]]>其中a＝(Φext＋Φint)/4。
對于用不銹鋼制造的管形端部207，物質中的橫波的速度VT可取為等于3150m/s。
可以看出，本發(fā)明的傳感器的浮子芯1可以用整體防漏的方式制成，將電池104與電子電路105包含在殼100內，只使用于彈性波的波導的敏感部分207從其中伸出?？捎弥T如以無線電波傳輸或經(jīng)由固定在刻度尺或纜2上的密封電纜等任何已知的手段將電子電路105在線108與109上提供的信息輸送給位于貯液罐10外面的接收機站14。
設計成適用于完全浸沒在液體12中的浮子芯1上可裝有已知類型的附加傳感器。從而，在浮子芯1上可裝有通過連線301連接在包含在電子電路105中的處理器電路155(圖2與6)上并能夠在每當將浮子芯放置在貯液罐10內各種不同位置中時經(jīng)由線108與109提供溫度信息的一個溫度探頭300。溫度信息可用諸如接收器14的屏面141顯示。
浮子芯1上也可裝有能夠根據(jù)各種不同液體的不同導電性來檢測它們的存在的已知類型的導電性檢測器(未示出在圖中)。裝有這種導電性檢測器的浮子芯1從而可用于檢測諸如存在于裝有碳氫化合物的貯液罐10的底部的水。
由于其堅固性、靈敏度、可靠性及小型化的可浸入的密封浮子芯，從而本發(fā)明的液面?zhèn)鞲衅鞅阌锌赡芤愿呔_度檢測貯罐中的液面，并在同一傳感器用在各式各樣的液體的廣泛的基礎上有可能做到這一點，同時還能夠執(zhí)行各種其他的傳統(tǒng)測量，諸如溫度或導電性的測量等等。
權利要求
1.一種用一個浮子芯感測液面的傳感器，該傳感器包括設置有用于檢測一種液體的存在的裝置的一個浮子芯(1)及可從卷繞在布置在裝有要檢測其液面的液體的容器的外面的一個支承件(4)上的刻度尺或纜(2)，尺或纜的自由端是固定在浮子芯(1)的殼(100)上的，該殼(100)中包含一個自備的電源(104)、電子處理電路(105)及用于檢測一種液體的存在的一個探頭(200)，該傳感器的特征在于用于檢測一種液體的存在的探頭(200)包括一個金屬波導，該波導依次具有一個實心的圓柱形頂部第一部分(202)；構成一個機械放大器的較小截面的一個第二部分(203、204、205)；其較大的底在其底端上的一個平截頭圓錐體形第三部分(206)；以及構成探頭的敏感部分的一個圓柱形底端第四部分(207)；其特征在于金屬波導是用一個支承凸緣(210)以密封的方式連接在浮子芯(1)的殼(100)上的，該支承凸緣(210)是以只使位于一個線形環(huán)形區(qū)以下的波導部分從浮子芯(1)的殼(100)中伸出并能與一種液體接觸的方式固定在位于與所述平截頭圓錐體形第三部分(206)持平的線形環(huán)形區(qū)(209)中的金屬波導上的；在于在頂部第一部分(20)的自由端上設置一個由電子處理電路(105)供電的換能器(201)；以及在于該電子處理電路包括用于生成周期性地作用在換能器(201)上以在波導中建立入射彈性波的確定頻率fi的激勵脈沖的電路，以及用于在沒有液體接觸波導的敏感的圓柱形端部(207)時，檢測換能器(201)作為入射彈性波的回波發(fā)出的脈沖的電路(153、154)。
2.按照權利要求1的一種傳感器，其特征在于該波導的圓柱形端部(207)是制成管形的，并具有用一個防止液體透入所述圓柱形端部(207)的管塞(208)封閉的一個自由端。
3.按照權利要求1或2的一種傳感器，其特征在于該支承凸緣(210)是在一個線形環(huán)形區(qū)(209)中用激光焊接或電子束焊接固定在金屬波導上的。
4.按照權利要求1至3中任何一項的一種傳感器，其特征在于構成一個機械放大器的較小截面第二部分包括一個其較大的底連接在所述實心圓柱形頂部第一部分(202)上的實心的伸長的平截頭圓錐體第一長度(203)，以及一個連接在該平截頭圓錐體第三部分(206)的較小底上的較小直徑的圓柱形第二長度(204、205)。
5.按照權利要求4的一種傳感器，其特征在于較小直徑的圓柱形第二長度(204、205)包括一個與實心的頂部第一部分(202)及伸長的平截頭圓錐體形第一長度(203)整體形成的第一部分(204)，以及一個與平截頭圓錐體形第三部分(206)及底部圓柱形端部(207)整體形成的第二部分(205)。
6.按照權利要求1至5中任何一項的一種傳感器，其特征在于金屬波導的支承凸緣(210)是環(huán)形的，并包括一個容納O形環(huán)的外側槽(211)。
7.按照權利要求1至6中任何一項的一種傳感器，其特征在于實心的圓柱形頂部第一部分(202)與圓柱形底端第四部分(207)具有相同的外徑。
8.按照權利要求1至7中任何一項的一種傳感器，其特征在于金屬波導是用不銹鋼制造的。
9.按照權利要求1至8中任何一項的一種傳感器，其特征在于以赫茲表示的預定頻率fi的值是根據(jù)下式作為圓柱形管形底端部分(207)以米表示的外徑Φext及內徑Φint，及以m/s表示的物質中的橫波的速度VT的一個函數(shù)選擇的fi=VT×Φext-0.6Φint(Φext)2]]>
10.按照權利要求1至9中任何一項的一種傳感器，其特征在于該預定頻率fi位于大約100kHz至大約600kHz的范圍內。
11.按權利要求1至10中任何一項的一種傳感器，其特征在于金屬波導的全長位于60mm至120mm的范圍內。
12.按照權利要求1至11中任何一項的一種傳感器，其特征在于圓柱形管形端部(207)的長度位于5mm至30mm的范圍內。
13.按照權利要求1至12中任何一項的一種傳感器，其特征在于圓柱形管形端部(207)的外徑Φext位于5mm至15mm的范圍內。
14.按照權利要求1至13中任何一項的一種傳感器，其特征在于圓柱形管形端部(207)的內徑Φint位于2mm至12mm的范圍內。
15.按照權利要求1至14中任何一項的一種傳感器，其特征在于圓柱形管形端部(207)具有厚度在0.2mm至2mm范圍內的壁。
16.按照權利要求4或5的一種傳感器，其特征在于所述較小截面的圓柱形第二長度(204、205)具有位于0.5mm至5mm的范圍內的直徑。
17.按照權利要求1至16中任何一項的一種傳感器，其特征在于圓柱形管形端部(207)具有19mm的長度、8mm的外徑Φext及6mm的內徑Φint，及在于金屬波導的全長為大約110mm。
18.按照權利要求1至17中任何一項的一種傳感器，其特征在于它還包括一個設置在浮子芯(1)的殼(100)內的溫度傳感器(300)。
19.按照權利要求1至18中任何一項的一種傳感器，其特征在于當管形端部(207)的壁厚與平均半徑a之比小于0.3時，以赫茲表示的預定頻率fi的值是根據(jù)下式作為所述管形部分以米表示的平均半徑a及以m/s表示的所述管形部分的物質內的橫向模式的速度VT的一個函數(shù)選擇的fi=1.7×VT2π×1a]]>
全文摘要
液面?zhèn)鞲衅靼ㄆ渥杂啥斯潭ㄔ诎瑲ぜ疤筋^的浮子芯上的刻度尺或纜。探頭包括具有圓柱形實心頂部、構成機械放大器的較小截面的部分、平截頭圓錐體部分及構成探頭的敏感部分的圓柱形底端部分。金屬波導通過支承凸緣以密封方式連接在浮子芯的殼上，該支承凸緣以只使位于固定區(qū)以下的波導部分從殼中伸出并能接觸液體的方式固定在金屬波導的圓錐形部分上。由電子處理電路供電的換能器設置在頂部的自由端上，并在預定的頻率f
文檔編號G01F23/30GK1120158SQ9510475
公開日1996年4月10日 申請日期1995年4月26日 優(yōu)先權日1994年4月26日
發(fā)明者萊格拉斯·奧利維爾 申請人:奧克西特羅股份公司