CN104729633A - 用于液体水平面测量的体声波(baw)传感器 - Google Patents

用于液体水平面测量的体声波(baw)传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于感测罐中的至少一种液体的至少一个水平面参数的方法。至少一个体声波（BAW）传感器定位在所述罐内部。所述BAW传感器的电极至少可切换地连接到跨越放大器的正反馈环路以提供电子振荡器。由所述电子振荡器的输出确定至少一个声波粘度测量，其中所述电子振荡器的输出在所述BAW传感器接触液体时与不同的在所述BAW传感器接触空气时相比是不同的。由所述声波粘度测量确定所述水平面参数。

Description

用于液体水平面测量的体声波(BAW)传感器
技术领域
公开的实施例涉及包括用于感测液体水平面的声波传感器的系统。
背景技术
储罐中的液体水平面或粉末水平面的在线测量广泛用于化学、石油化学和医药工业中的过程控制，还用于监护运送、海洋和运输操作中的过程控制。为此目的，有多种用于检测液体与粉末的点和连续水平面的机械、电学、磁力方法和仪器（发射器）。例如，有连续水平面发射器，包括非接触式雷达、导波雷达（GWR）、非接触式超声波、压差、电容性、磁致伸缩、置换器和激光器。
连续水平面测量可以通过接触方法（例如GWR、差压、电容性、置换器）来进行，其中发射器被浸入液体中，或者例如在非接触式雷达、超声波和激光器的情况下可以通过将发射器保持在液体外部来进行（非接触方法）。这些方法中的每一种既具有优点也具有局限性，并且实际上，针对特定情况的最合适方法的选择是通过考虑具体的应用要求（例如液体的化学性质、工艺条件等）来进行的。对于其中当液体水平面（或粉末水平面）太高或太低时采取驱动决定的许多应用，通常使用通过使用开关的点水平面（point level）测量，例如使用振动叉、电容性、浮子和置换器开关。
更复杂的问题是检测两个不互溶液体之间的水平面和界面两者，例如在油和水的情况下，其中具有较低重量密度的油将保持在界面的上侧，而具有较高重量密度的水将占据界面的底侧。对于这种情况，通常使用接触方法（例如GWR、压差），其中例如在压差方法的情况下硬件和软件算法都更复杂（与非接触方法相比），其中使用两个压力传感器，或者使用复杂的软件，以便在上水平面、界面、底侧或寄生反射之间进行区分，例如在GWR方法的情况下。另外，为了检测两个液体之间的界面，需要满足多个条件，包括两个介质之间的介电常数差应当通常至少等于10。多于一个界面的检测对于已知的接触方法来说甚至更有挑战性，如果不是不可能的话。
发明内容
提供该发明内容来以简化的形式引入所公开的概念的精选，在下面在包括所提供的附图的具体实施方式中进一步描述所公开的概念。该发明内容并不旨在限制所要求保护的主题的范围。
公开的实施例认识到尽管声波器件（例如表面声波（SAW）器件和类似SAW的器件）可以用于液体水平面感测，但是它们在液体中经受倾斜，并且由此仅受限于液体存在传感器的二元函数。公开的实施例反而针对的是体声波（BAW）传感器，用于液体的水平面监测，这已经被发明人认识到，提供一种用于在给定罐中的两个或更多个不同的不互溶液体的情况下检测流体水平面参数的接触方法，所述流体水平面参数包括点水平面、准连续水平面和多个界面。
与SAW或类似SAW的器件不同，BAW器件的剪切振动沿着压电晶体衬底的体和表面两者行进，并且不容易因装载液体而倾斜，这使得能够实现另外的测量，包括在不同的不互溶液体一起在给定罐中的情况下的准连续水平面和多个界面的测量。BAW器件可以包括水平剪切声板模式（SHAPM）器件或厚度剪切模式（TSM）器件。
附图说明
图1是根据实例实施例的用于感测罐中的至少一种液体的至少一个水平面参数的实例系统的功能框图描绘，所述罐在该罐内部包括多个BAW传感器。
图2A-B是包括图2A中的实例SHAPM器件的实例BAW器件的简化描绘，而图2B描绘了实例TSM器件。
图3A描绘了根据实例实施例的实例基于SHAPM的电子振荡器，其中SHAPM器件连接在放大器的反馈环路两端以提供正反馈来形成电子振荡器。
图3B是根据实例实施例的用于感测罐中的至少一种液体的至少一个水平面参数的多传感器系统的框图描绘，所述多传感器系统具有基于连接在放大器的反馈环路两端的BAW传感器的振荡器，至此基于由控制单元提供的唯一数字地址的多路复用器（MUX）将传感器阵列中的相应BAW传感器逐个地耦合到放大器的反馈环路。
图3C和图3D均示出根据实例实施例的包括矿物油和空气的具有所示的不同矿物油水平面的罐布置。
图4A示出根据一个实施实施例的罐中的十四（14）个公开的BAW器件的垂直堆叠，所述BAW器件垂直放置在部分地填充有液体的罐的垂直壁上。
图4B示出根据实例实施例的罐中的十四（14）个公开的BAW器件的垂直堆叠，所述BAW器件垂直放置于在其中具有三（3）种不同不互溶液体的罐的垂直壁上。
具体实施方式
参考附图描述公开的实施例，其中类似的参考数字贯穿附图用于指定类似或等效元件。附图没有按比例绘制，并且提供附图仅用于说明某些公开方面。下面参考用于说明的实例应用来描述几个公开方面。应当理解多个具体细节、关系和方法被阐明来提供对所公开实施例的完整理解。
然而，相关领域中的普通技术人员将容易认识到这里所公开的主题可以在没有所述具体细节中的一个或多个的情况下或者可以利用其它方法来实践。在其他情况下，公知的结构或操作没有被详细示出以避免使某些方面模糊不清。本公开不局限于动作或事件的所示排序，因为一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。而且，并不需要所有示出的动作或事件都来实施根据这里公开的实施例的方法。
另外，术语"耦合到"或"与……耦合"（以及诸如"连接到"等类似术语）在这里用于电气上下文中，在没有进一步限制的情况下旨在描述间接或直接电连接。由此，如果第一器件"耦合"到第二器件，那么该连接可以是通过直接电连接（其中在路径中仅存在寄生效应），或者是通过经由包括其他器件和连接的中间项目的间接电连接。对于间接耦合，该中间项目通常不修改信号的信息，但是可能调节其电流电平、电压电平和/或功率电平。
图1是根据实例实施例的用于感测罐110中的至少一种液体101的至少一个水平面参数的实例系统100的功能框图描绘，所述罐110在该罐内部包括多个BAW传感器111a、111b、111c和111d（BAW传感器阵列111）。尽管图1中所示的是SHAPM器件，但是BAW传感器阵列111中的BAW传感器可以是SHAPM器件或TSM器件。系统100被示为完全线连接系统。如在声学感测领域中已知的，声学感测通过当在电子振荡器电路两端的反馈环路中的声学器件对输入激励响应时监测该电子振荡器电路的振荡频率的变化来起作用。尽管无线或局部无线系统对于公开的系统是可以的，但是被浸入液体中的无线声传感器的操作通常将产生实施挑战，因为无线声传感器的天线将不被浸入液体中。
液体101被示为在罐110中填充到水平面L。BAW传感器阵列111包括被示为垂直地沿罐110的垂直壁堆叠的BAW传感器111a、111b、111c和111d。每个BAW传感器111a-d具有输入交指型换能器（IDT）112和输出IDT 113，其代表SHAPM器件的电极配置。对于TSM器件，如下面提到的，相比之下它们具有相对简单的电极对，其中一个电极一般在衬底的顶面上并且一个电极在衬底的底面上。用于IDT 112和113的相应电极（或用于TSM器件的第一电极（例如顶部）和第二（例如底部）电极）可以包括铝（Al）或Al合金，并且它们的厚度可以被设置为大致是它们的线间距的（1/100）至1/20，但是通常不低于1μm。BAW传感器111a、111b、111c和111d之间的垂直间隔一般是恒定距离，然而这不是必要条件，因为通过感测系统100只需要针对每个BAW传感器的绝对垂直位置（例如相对于罐110的底部）来提供液体水平面计算。
系统100包括读出设备（电路）190、多路复用器（MUX）150和控制单元170。尽管没有示出，在读出设备190和控制单元170之间通常将存在模数转换器（ADC）和滤波器。控制单元170包括处理器171（例如，数字信号处理器（DSP）或微控制器单元（MCU））以及相关联的存储器172（一般是非易失性存储器），该存储器172可以存储包括程序/算法以及针对感测阵列111中的每个BAW传感器111a、111b、111c和111d的唯一数字地址的信息，以及其他信息，例如基于由设置在系统100中的温度传感器（未示出）提供的信息在不同温度与BAW传感器操作相关的校准系数。
对于2n个BAW传感器，将有n个地址线（例如，对于16个BAW传感器有4个线）。至MUX 150的输入耦合到BAW传感器阵列111中的BAW传感器111a、111b、111c和111d的相应输入IDT 113和输出IDT 112的电极之一。图1中的参考数字111a-d不用于代表/限制BAW传感器阵列111中的BAW传感器的数目。本领域技术人员可以根据这里提供的描述来推断其他布局结构的传感器阵列和传感器数目。
包括处理器171的控制单元170通过提供用于从BAW传感器阵列111的BAW传感器111a-111d选择目标BAW传感器的二进制选择地址以进行读取来控制MUX 150。读出设备190连接到控制单元170，其将从所得到的电子振荡器165的输出接收信息，该所得到的电子振荡器165可以包括放大器（图1中未示出，但是参见下面描述的图3A示出具有被具体实施为SHAPM器件的BAW传感器的以正反馈环路连接的放大器140）。例如，BAW传感器阵列111的BAW传感器111a-111d中的任何一个可以通过MUX 150连接到放大器的正反馈环路中以提供电子振荡器165，其中输入IDT 113的电极113' 连接到放大器的输出，并且输出IDT 112的电极112' 之一连接到放大器的输入。这种电子振荡器165可以由简单电路（例如单个晶体管）实现，或者由包括多个电路元件（晶体管、电阻器和/或电容器和电感器）的较复杂的电子电路实现。如在电子领域中已知的并且如在这里所用的，电子振荡器是一种当被加载有BAW传感器时产生重复的振荡电子信号（常常是正弦波或方波）的电子电路，例如在放大器的正反馈环路中加载有BAW传感器的放大器。
针对来自BAW传感器阵列111的每个BAW传感器的电子振荡器165的被MUX 150“促进（facilitated）”的振荡频率值被发送到控制单元170。在根据下面描述的水平面/界面测量的信号处理之后，水平面/界面值被发送到读出设备190，例如以允许工厂人员，例如操作员、技术员或工程师来查看该水平面/界面信息。在操作中，BAW传感器阵列111中的BAW传感器111a、111b、111c和111d可以如由控制单元170结合MUX 150所控制的一次被读出一个。
由于BAW传感器111a-111d（SHAPM或TSM）“被标记”有唯一数字地址，因此MUX 150允许各个地询问BAW传感器111a-111d（一次一个）。由此，响应于来自控制单元170的询问（地址选择）信号，特定的BAW传感器可以变成耦合在由电子振荡器165提供的放大器的反馈环路两端以改变所得到的电子振荡器165的谐振频率，由此使得控制单元170的处理器能够通过电子振荡器165的谐振频率的变化确定声波粘度的局部值。由此，对于图1中所示的系统100，在由电子振荡器165提供的放大器的正反馈环路内的特定的BAW传感器111a-111d的情况下，所报告的局部声波粘度可以与电子振荡器165的频移相关。
BAW器件被公认为能够检测液体的特性（例如，密度和粘度、因它们的剪切波产生的电-声交互）。如上面所提到的，实例BAW传感器包括SHAPM 器件和TSM器件。关于BAW器件电极，SHAPM器件具有如上所述的IDT对，而TSM器件具有下面关于图2B描述的相对简单的（一般是圆形的）第一和第二电极（一个电极在衬底的顶面上以及一个电极在底面上）。
下面关于图2A和图2B描述的BAW器件在操作期间由于它们的剪切波而能够检测液体的特性（例如，密度和粘度、电-声交互）。在SHAPM和TSM器件的情况下，发明人已经认识到人可以针对水平面/界面检测来测量液体的局部声波粘度，这被认为是BAW传感器的新应用。
BAW传感器测量声学密度（密度和粘度的乘积），如这里所公开的其可以用于区分它们之间不同的液相，或者用于指示BAW传感器被暴露于气体，一般是空气。作为例子，空气的声波粘度几乎等于零，而水的声波粘度是2.15 (g/cm3) Cp，并且润滑油的声波粘度约为735 (g/cm3)Cp。该数据证实如这里所公开的BAW器件可以在点水平面检测中用作开关，指示对于不同应用罐中的“过填充”或“空的”液体状态（参见下面描述的图3C和3D），或者甚至用作在不同类型液体（水、油等）之间进行区分的廉价液体谱仪。
图2A描绘了实例SHAPM器件210。SHAPM器件210包括压电晶体衬底205，其可以包括石英、钽酸锂、铌酸锂或其他压电材料。 SHAPM器件210包括输入IDT 211，该输入IDT 211包括相对于彼此互相交叉的电极211a、211b，用于响应于来自合适信号源（例如放大器）的输出的所接收的交流（AC）电信号来在压电晶体衬底205内部产生和启动声剪切波。
在典型操作中，施加到IDT 211的输入AC信号具有约5 MHz的频率，并且其电压电平由放大器或其他信号源的输出以可选的电压限制给定。输出IDT 201的电极201a、201b将所接收的剪切波捕获并转换成电信号。对于SHAPM器件210，在操作期间，声能以所描绘的截面位移分布在整个压电晶体衬底205内部的驻波上，如图2A所示。声波基本上仅包括原子的剪切振动，并且因此基本上不具有器件表面以上的位移的垂直分量。如也被描绘的，还存在原子的表面位移，其在板的平面内剪切。
SHAPM 器件210适合于液体水平面感测，虽然SAW器件的倾斜明显降低该能力，因为在SAW器件的情况下，存在垂直于其压电晶体衬底的表面的原子振动的垂直分量，其受到液体重量阻碍。对于图2A中的SHAPM器件210的情况，压电晶体衬底原子的最大位移发生在压电晶体衬底205的顶表面和底表面上。压电晶体衬底205的顶晶体表面和底晶体表面之间的连续能量传递允许在输入IDT 211和输出IDT 201的电极之间传播的声信号受到在压电晶体衬底205的相反表面上发生的环境变化的影响，所述环境变化包括质量负荷、粘弹性特性和电声交互。SHAPM 器件210具有其中这两个相反表面的声学耦合使得该器件对于苛刻流体中的水平面检测特别有用的优点，因为人可以将IDT 201、211的金属电极通过在与具有腐蚀性液体的一侧相反的侧来与该腐蚀性液体隔离。
图2B描绘了实例TSM器件220。TSM器件是BAW器件的一种形式，其中厚度剪切振动在晶体板的平面内，其中最大位移出现在图2B中被示为AT切割石英衬底205'的压电晶体衬底的各面上。在AT石英衬底205'的相反面（底部和顶部）上存在金属电极230和235。TSM器件220包括被示为255的流体单元，其包括在压电晶体衬底205'的顶表面上的O型环（例如氟弹性体（fluoroelastomeric）聚合物材料，诸如VITONTM）248上例如由塑料（例如聚氯乙烯，通常被称为PVC）制成的侧壁245，所述O型环248超过并由此围绕金属电极235。厚度剪切声振动行进穿过AT切割石英衬底205'的在两个电极230/235之间的主体。厚度剪切声振动基本上不具有垂直分量。最大原子位移出现在AT切割石英衬底205'的上晶体面和下晶体面上。TSM器件220适合于流体感测，但是在腐蚀性环境中可能具有较低可靠性，因为在操作期间电极之一（图2B中的电极235）被暴露于感测液体。由于这样的原因，贵金属电极，例如铂，可以用于针对TSM器件220的提高的传感器可靠性。
由于SHAPM和TSM器件可以测量大范围的声波粘度，因此这些器件可以测量液体之间的多个界面，例如水和油一起在相同的罐中。由此，因为人可以在其检测期间区分各种液体，所以可以利用BAW器件实现廉价的液体谱仪，相对于商业上可用的已知方法来说，其尤其对于工厂和炼油厂操作可能是重要的附加价值。下面描述这个方面。
现在描述针对公开的BAW传感器的几个实例应用。第一个应用是针对接触方法使用BAW器件作为开关的点水平面的测量。图3A描绘了包括放大器140的电子振荡器165的实例，该放大器具有上面关于图2A描述的位于放大器140的正反馈环路中（在放大器140的输出及其输入之间）的SHAPM器件210，其中输入IDT 211的电极之一连接到放大器140的输出，并且输出IDT 201的电极之一连接到放大器140的输入，以使得放大器140和SHAPM器件210一起成为所示的电子振荡器165。输出IDT 201和输入IDT 211的其他电极（201a和211a）连接在一起，并且被示为耦合到系统地（被示为GND）。所得到的电子振荡器165可以在放大器140的输出处测量由于流体变化（例如浸入在流体中）产生的频移。
图3B示出了根据实例实施例的具有放大器140的多传感器（传感器阵列）系统350的框图描绘，至此MUX 150将罐110内的传感器阵列111中的相应BAW传感器111a-d逐个地耦合到放大器140的反馈环路以提供电子振荡器165。每个传感器111a-d在其唯一二进制地址（高达2n个BAW传感器）由控制单元170通过“n”个地址线提供给MUX 150时，变成连接到放大器140的反馈环路中，这将确定所得到的振荡器165的振荡频率，所得到的振荡器165使其输出通过ADC 185耦合到控制单元170。
振荡频率和相对于空气（或其他气体）的振荡频移承载关于其中浸入了特定的BAW传感器111a-111d 的介质（例如液体）的声波粘度的信息，被控制单元170的处理器171处理，并且通过读出设备190关于水平面和（多个）界面信息被显示。空气的声波粘度对于该应用可能是重要的，因为作为通用状态，声波粘度相对于空气的任何增加将指示特定传感器被浸入液体中，而任何相对于空气没有改变的值将指示特定传感器仍“浸入”在空气中。
点水平面检测可以由上面描述的BAW传感器提供。作为例子，参考在每个罐中包括矿物油和空气的具有图3C和图3D中所示的不同矿物油水平面的两个罐布置，如果人想要将罐110中的液体水平面控制在两个位置（这里分别被称为“过填充”和“空的”，如图3C和3D中所示）之间，那么人可以使用两个（或更多个）BAW传感器301和302，其中BAW传感器301被放置在被认为是处于“过填充”位置的高度处，而BAW传感器302被放置在被认为是“空的”位置的高度处。
在BAW传感器的情况下，在图3C中所示的“过填充”状态，BAW传感器301和302都被浸入在矿物油中，并且由每个BAW传感器301、302测量的声波粘度是高的。在“空的”状态，如图3D中所示，被暴露于空气而不是矿物油的BAW传感器301、302都将指示零声波粘度。在“正常”状态，上部BAW传感器301将暴露于空气并且由此将指示零声波粘度，而下部BAW传感器302将暴露于矿物油并且所测量的声波粘度将是高的，指示罐中的“正常”状态。尽管SAW器件可以执行该点水平面检测功能，但是SAW器件不能执行下面描述的其他液体水平面应用。
另一实例应用是通过BAW器件与液体接触的准连续水平面和单个界面的测量。该测量利用BAW传感器对液体的声波粘度的高灵敏度。为了获得水平面信息，多个公开的BAW传感器沿着罐的垂直方向（高度）定位，例如在它们之间隔开恒定距离，并且它们的位置和二进制地址可以被系统记录（例如参见图1及其描述）。另外，待检测的最大液体高度可以是两个BAW传感器之间的距离的倍数。在知道所有BAW传感器的响应、将它们的响应分组为两组之后可以通过简单的计算给出液体水平面，一组BAW传感器具有对空气特定的相同响应，另一组BAW传感器具有对液体特定的相同响应。在对每组中的BAW传感器的数目计数之后，可以计算液体水平面。对于多个液体和界面，将响应数据分组到更多BAW传感器组中是可以的。
再一个应用是通过BAW器件与液体状态接触的准连续水平面和多个界面的测量。BAW传感器被公认为适合于该应用，因为它们对于声波粘度检测展示出良好的精确度，这有助于通过它们的声波粘度来区分空气和不同的液体。考虑到例如SHAPM传感器的范围（其是从零到4000）和每（声波粘度）1/2 224ppm的频移灵敏度，可以通过跟随如上所述的过程来提供相同罐中多个类型的液体之间的区分。更多关于该准连续水平面和多个界面应用的信息在下面的实例中提供。
实例
公开的实施例进一步通过下面的具体实例来说明，所述具体实例无论如何不应被理解为限制本公开的范围或内容。
实例1
关于点水平面检测，通过BAW传感器的点水平面检测的灵敏度通过直接接触声波粘度测量来提供。如上面提到的，点水平面测量可以通过BAW（例如SHAMP、TSM）器件来实施。读取器可以是在正反馈环路中具有BAW传感器的电子振荡器电路，其中由于流体变化产生的频移可以用于测量水平面/界面（参见图3A）。所提取的参数是声波粘度=密度(g/cm3)和粘度(cP)的乘积。在该方法中，利用比空气的声波粘度高得多的液体的声波粘度。
例如，对于在20℃的空气：
空气密度=1.18 Kg/m3=1.18 * 1000g/1000000 cm3= 1.18 * 10-3 g/cm3
空气粘度=17.9 μPa*s = 17.9  *10-3 mPa*s=17.9 * 10-3  cP  (动态粘度) (1 cP = 1 mPa·s = 0.001 Pa·s)
声波粘度=1.18*10-3g/cm3 * 17.9 * 10-3  cP * cP=1.18* 17.9 *10-6(g/cm3)*cP=21.12*10-6  g/cm3* cP
测量这种声波粘度的值的BAW器件将与暴露于空气的传感器相关联。
针对在20℃的润滑油的另一实例
油密度=920 Kg/m3=0.92 g/cm3
油粘度=799 × 10-3 Pa-s =799 cP (动态粘度)
声波粘度=735.08 (g/cm3) * cP ，其比空气的声波粘度高得多。
测量这种声速的值的BAW传感器将与浸入在油中的传感器相关联。如果流体密度是已知的，那么可以测量“纯”粘度，但是这对于点水平面测量不是必需的。由BAW传感器测量的油的声波粘度可以比空气的声波粘度高得多。
在20℃的水的实例
水密度= 0.998 g/cm3
粘度=2.18 * 10-3 Pa* s=2.18 cP
声波粘度=2.175 (g/cm3) cP
当使用公开的BAW传感器测量声波粘度时，空气、油和水之间的区分是简单且准确的。可以由此进行通过BAW传感器的可靠的点水平面测量。例如，来自Vectron International的VISMARTTM  SHAPM传感器可以测量从零（空气）到10000cP（不同矿物油）、或者甚至100000cP（对于不同类型的印刷墨）的粘度。
实例2
该实例是针对通过BAW传感器的与流体直接接触的点水平面测量以使用“过填充”和“空的”状态进行监测。（参见图3C和3D）。在罐110中的润滑油处于“过填充”状态的情况下，两个BAW传感器301和302将指示声波粘度的高值，如上面所提到的。声音报警或其他指示（例如闪光灯）可以响应于感测到过填充状态被触发。
在罐中的润滑油处于“空的”状态的情况下，两个BAW传感器301和302将指示声波粘度的低值，如上面所提到的。报警或其他指示将因该“空的”状态被触发。
在罐中的润滑油处于正常水平面级的情况下，BAW传感器301将指示声波粘度的低值，而BAW传感器302将指示声波粘度的高值。正常水平级的指示将通过电子读取器示出。
实例3 准连续水平面测量的原理
多个BAW传感器被放置在罐的垂直壁上，其中两个连续BAW传感器之间以及最后一个传感器和罐的底部之间、以及从最大可测量高度到第一传感器之间是相等的距离。每个BAW传感器具有已定义的二进制地址，并由此在罐中具有已知的记录的（存储在存储器中）垂直位置。
图4A示出部分填充有被示为液体1的液体的罐110中的14个所公开的BAW传感器的垂直堆叠。更高数目的BAW传感器将提高水平面确定过程中的精确度。每个BAW传感器的尺寸可能最终限制水平面精确度。由此，可以被监测的高度是
H= (n+1) * d=15d（在该实例中），其中“n”是BAW传感器的数目，“d”是两个连续BAW传感器之间的距离，如右侧图中所示的。
在BAW传感器的系统被通电之后，它们将根据它们的类型作出响应，提供在BAW的情况下的声波粘度。在该实例中，BAW传感器1-4将指示空气的声波粘度，而BAW传感器5-14将指示液体的声波粘度（ρ1 *                                                 1）。在控制单元170内的处理器171将由此“知道”所有类似读数意味着那些BAW传感器不是被暴露于空气就是被浸入液体中。
控制单元170的处理器171将通过对具有最小声波粘度（几乎为零）的BAW传感器计数并且进行下面描述的（根据图4A）计算来提供水平面（液体和空气之间的界面I1的位置）：
水平面 = H-4 * d=15 d -4d=11 d。准连续水平面测量的精确度与两个连续BAW传感器之间的距离“d”相等。
值得注意的是如果在界面处存在泡沫，那么该泡沫可以通过“看到”该泡沫的BAW传感器的声波粘度的值被检测到。泡沫的声波粘度应当是空气的声波粘度和体液体的声波粘度之间的中间值。
实例4  通过BAW器件的与液体直接接触的准连续水平面和多个界面测量的实例：
图4B示出被垂直地放置于在其中具有多个不同不互溶液体的罐110的垂直壁上的多个BAW传感器。一般，在两个连续BAW传感器之间以及在最后一个BAW传感器和罐的底部之间存在相等距离，例如在图4B中所示的。每个BAW传感器具有唯一二进制地址和在罐中的被记录在控制单元170的存储器172中的相对位置。例如，根据图4A，对于BAW传感器的总数小于或等于16，传感器4可以具有二进制地址0100并且其是从顶部开始的第四个传感器，在位置H- 4 *d处，其中H是在控制下的总长度，其是H=15d。对于水平面和界面评估，数值的计算将总是从顶部开始到底部，传感器的位置是公知的。
尽管在图4A和4B中示出了14个传感器，但是更高数目的BAW传感器将在水平面确定过程中提供提高的精确度。每个传感器的尺寸可能最终限制水平面精确度。由此，可以被监测的高度是 H=(n+1) *d，其中“n”是传感器的数目，“d”是两个连续传感器之间、以及从顶部到第一传感器、以及从第14个BAW传感器到罐的底部的距离，如在右侧图中所示的。
在传感器的系统被通电后，它们中的每一个将提供局部声波粘度。在这个与图4B相关的实例中，BAW传感器1-4将指示空气的声波粘度，BAW传感器5-7将指示液体1的声波粘度（ρ1 *  1 ），BAW传感器8-11将指示液体2的声波粘度（ρ2 *  2），以及BAW传感器12-14将指示液体3的声波粘度（ρ3 *  3）。
处理器171由此将知道所有类似读数意味着那些传感器不是被暴露于空气就是被浸入特定液体中。处理器171将通过对具有最小声波粘度（几乎为零）的BAW传感器的数目计数（在我们的例子中该数目等于4）并且进行下面的计算来提供水平面（在液体和空气之间的界面I1的位置）：
水平面 = H-4d=15 d-4d=11d。
界面I2可以着眼于具有类似声波粘度（比零高）的下一组BAW传感器（在图4B中的BAW传感器5、6、7）的声波粘度来被标识。在对它们计数之后，界面I2的位置被给定：
I2=H-4d-3d=15d-7d=8d。
类似地，界面I3的位置可以被给定为：
I3= H-4d-3d-4d=H-11d=15d-11d=4d。
该方法的误差等于+/- d，两个连续BAW传感器之间的距离。
值得注意的是，如果从上面在界面I1、I2或I3之一处存在泡沫，那么该泡沫将具有应当为在空气的声波粘度值和上部及下部周围液体的声波粘度值之间的中间值的声波粘度。另一算法可以用于从流体的总体积减去泡沫的体积，其可以得自于水平面和界面位置。例如，如果泡沫覆盖图4A中的BAW传感器3和4，那么它们的声波粘度将不比空气高得多，而是比BAW传感器5-14（其被暴露于液体）的声波粘度低得多。由此，人可以通过这两个BAW传感器之间的距离来确定泡沫高度。
尽管上面描述了各种公开的实施例，但是应当理解它们仅作为实例被呈现，而并不是限制。在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以根据本公开进行对这里公开的主题的多种改变。另外，尽管已经关于几个实施方式中的仅一个实施方式公开了特定特征，但是这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，这可能是期望的并且对于任何给定的或特定的应用是有利的。

Claims (15)

1.一种用于感测罐中的至少一种液体的至少一个水平面参数的方法，包括：
提供定位在所述罐内部的至少一个体声波（BAW）传感器，其中所述BAW传感器的电极至少可切换地连接到跨越放大器的正反馈环路以提供电子振荡器；
由所述电子振荡器的输出确定至少一个声波粘度测量，其中所述电子振荡器的所述输出在所述BAW传感器接触所述液体时与不同的在所述BAW传感器接触空气时相比是不同的，以及
由所述声波粘度测量确定所述水平面参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述BAW器件包括水平剪切声板模式（SHAPM）或厚度剪切模式（TSM）器件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个BAW传感器包括垂直地沿所述罐的垂直壁堆叠的多个BAW传感器，所述多个BAW传感器用于在沿着所述罐的高度的不同位置处检测所述声波粘度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述水平面参数包括点水平面。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述液体与上面的所述空气形成界面，所述方法还包括由来自所述多个BAW传感器的所述声波粘度测量来确定在所述界面处泡沫的存在。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一种液体包括多个不互溶液体，并且其中所述确定所述水平面参数包括确定一个或多个液体界面的准连续水平面和位置。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个BAW传感器均具有存储在与控制单元相关联的存储器中的唯一数字地址，所述控制单元将传感器选择信号提供给多路复用器（MUX），所述MUX各个地询问所述多个BAW传感器。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个BAW传感器之间的垂直间隔是恒定的。
9.一种用于感测罐中的至少一种液体的至少一个水平面参数的系统，包括：
定位在所述罐内部的至少一个体声波（BAW）传感器，其中所述BAW传感器的电极至少可切换地连接到跨越放大器的正反馈环路以提供电子振荡器，和
耦合到所述电子振荡器的输出的控制单元，其包括处理器和存储器，所述控制单元由所述电子振荡器的所述输出确定至少一个声波粘度测量，其中所述电子振荡器的所述输出在所述BAW传感器接触所述液体时与不同的在所述BAW传感器接触空气时相比是不同的，
其中所述控制单元由所述声波粘度测量确定所述水平面参数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述BAW器件包括水平剪切声板模式（SHAPM）器件或厚度剪切模式（TSM）器件。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个BAW传感器包括垂直地沿所述罐的垂直壁堆叠的多个BAW传感器，所述多个BAW传感器用于在沿着所述罐的高度的不同位置处检测所述声波粘度。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括：
在所述多个BAW传感器和所述放大器之间的多路复用器（MUX），所述多个BAW传感器的每一个的电极耦合到所述MUX的输入；
其中所述存储器存储针对所述多个BAW传感器的每一个的唯一数字地址；
其中所述控制单元通过多个地址线耦合到所述MUX，用于在任何给定的时间将所选的数字地址提供给所述MUX，其中所述所选的地址对应于所述多个BAW传感器的所选一个BAW传感器的所述数字地址，所述所选一个BAW传感器在被选择时变成连接在所述放大器的所述正反馈环路两端。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述存储器包括与谐振频率对声波粘度的变化相关的被存储的校准曲线。
14.根据权利要求9所述的系统，其中所述液体与上面的所述空气形成界面，其中所述控制单元由来自所述多个BAW传感器的所述声波粘度测量来确定在所述界面处泡沫的存在。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一种液体包括多个不互溶液体，并且其中确定所述水平面参数的所述控制单元确定一个或多个液体界面的准连续水平面和位置。
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