CN106441507A - 在圆柱形容器中进行非侵入且连续液位测量的系统和方法 - Google Patents

在圆柱形容器中进行非侵入且连续液位测量的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了用于液体的非侵入且连续的液位测量的系统和方法，其中液体被水平放置的圆柱形容器的实心壁包围。系统包括安装在容器壁的外侧处以产生超声波且将其发射到容器壁中的超声波换能器，和用于控制换能器的操作且用于根据超声波的飞行时间确定液体液位的至少一个电子控制和数据处理单元。换能器为可调频换能器，其布置成将超声波作为初兰姆波发射到容器壁中，使得初兰姆波的一部分从容器壁以压力波的形式漏入液体。至少一个电子控制和数据处理单元适用于改变换能器的超声波频率直到换能器以压力波的反射的形式接收发射的超声波的反射，确定相应的飞行时间，和根据飞行时间且根据发射和反射的超声波的相应和预定行进长度确定液体液位。

Description

在圆柱形容器中进行非侵入且连续液位测量的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于在圆柱形容器中非侵入且连续的液位测量的系统和方法。
背景技术
液位传感器用于确定包含液体的容器的填充液位，其中一类通常使用的容器为水平放置的圆柱形槽，液体可在其中储存和/或运输。
当前，液位测量方法主要应用侵入式技术，这表示需要在容器的壁中的开口，以将液位传感器引入容器。
然而，在某些工业中，例如在食品或药用工业中，为了避免污染，使外来物体紧密地接近液体或甚至与液体接触是不合乎需要的。在甚至其他领域中，例如在化学或油气工业中，由于液体的爆炸性、易燃、腐蚀或经受极端温度而不可指定侵入式液位测量。
因此，在过去，开发非侵入式测量技术以测量未开口的容器的填充液位。这种非侵入式传感器例如可以基于X射线或γ射线技术。由于使用X射线或γ射线涉及一定的危险且因此不仅潜在地有害而且昂贵，所以只有不存在替代方案的情况下，才常常应用。
备选方案可以声学非侵入式方法的形式得到。
从US7694560B1和US20100242593A1，已知超声波液位传感器，其中将声信号从容器的底部下面发送到液位界面且以相同路径反射回去。术语“液位界面”是指液体表面。通过这些传感器发出的超声波信号直接经过容器的壁进入且在竖直方向上以直的路径经过液体。US7694560B1和US20100242593A1的测量方法的缺点在于它们需要在工业应用中常常无法提供的至容器或槽的底部的通道。
在JP2006322825A中，描述了非侵入式液体液位测量方法，其应用上述液位测量技术。大体设施在图1中显示。在此，容器1包含液体2和在所述液体4上方的气态介质3。所述液体2和所述气态介质3之间的界面称为液体表面4或液位界面。测量超声波脉冲8的飞行时间，其中超声波脉冲8通过第一超声波发射器-接收器5从容器1的底部的外侧发射并被液体表面4反射回来。为了计算液体2的填充液位，需要超声波的传播速度，即其在液体2中的声速。通过第二超声波发射器-接收器7确定声速，第二超声波发射器-接收器7定位在槽的侧壁处且其测量第二脉冲9沿着容器1的水平直径的飞行时间。在JP2006322825A中要求容器1的直径为已知的大小，使得直接计算超声波脉冲9的声速。
换而言之，在图1中，将声信号8发送向液位界面或液体表面4，在此，其反射回来且随后通过同一换能器5接收。测量声信号8的飞行时间t。从换能器5到液体表面4的距离L，和因此液体液位，随后通过使液体2中的信号的传播速度c介质(对于声信号为声速)乘以飞行时间t的一半来计算，即
L=(t*c介质)/2 (1)。
在US6925870B2中提议基于使用直接发射到液体中的超声波信号的另一种非侵入式解决方案。那里，发射器-接收器位于容器的侧壁处。一个超声波信号在水平方向上发射并从容器的相反的侧壁反射回来。该信号用于测量声速，即超声波束在液体中的行进速度。另一个超声波信号在成角度的方向上发射，使得其通过液体表面和容器的相反侧壁之间的相交部反射回来。根据该第二信号的飞行时间，确定液体表面相对于换能器的位置的高度。
US6925870B2的方法起作用的先决条件为液体表面(即液位界面)和容器壁限定直角拐角。换而言之，所述方法只适用于具有竖直壁的容器。对于非竖直排列的壁，超声波信号将不被反射回到发射器而反射回到不同位置，这取决于发射的声束的角度和壁的角度。
在DE68903015T2、RU2112221C1和Sakharov等人在Ultrasonics 41 (2003)的第319-322页的“Liquid level sensor using ultrasonic lamb waves(使用超声兰姆波的液体液位传感器)”中描述了非侵入式液体液位测量的不同技术。其中描述的技术是基于使用沿着一个容器壁或多个容器壁传播的超声兰姆波，且并不适用于液位高度的连续测量，但相反却适用于检测预定液位是否被液体表面超过。而且，与之前描述的其中超声波信号直接发射到液体中的超声波传感器相反，产生超声兰姆波且其在很大程度上保持在包围液体的壁内。换而言之，当直接发射和反射的超声波信号被连续液位传感器使用时，行进在容器壁内部的超声兰姆波被点液位传感器使用。甚至进一步，当在连续液位传感器中超声波信号在传播通过液体之后被立即反射回来使得发射器和接收器放置在容器壁的外侧处的相同位置时，兰姆波传感器具有放置在相同高度但在不同水平位置的成对的发射器和相应的接收器。
兰姆波(或还称为板波)为在板中产生的机械波，其中波传播受波在壁的侧部反射影响且因此受有限传播空间的影响。它们因此显示与波导中传播的波类似的性质。兰姆波以不同模式传播且具有不同性质，特别是不同传播速度以及不同衰减。通常在低频率下，会出现对称模式S0和非对称模式A0，如图4中所述。理想地，波在板的侧部全部反射且因此保持在板的内部。对于气态介质中或真空中的板来说，这是一次近似而有效的。
在使板与液体接触的情况下，界面的反射率降低且兰姆波可以发射声能量到周围的液体介质中。尤其对于在低频率下的非对称模式，会出现这种情况。由于声能量发射到周围介质中，它们还称为漏兰姆波。这种声能量发射到液体中导致波的强衰减，其效应尤其在DE68903015T2、RU2112221C1和Sakharov的文献中用于检测液体存在的点液位传感器。
虽然DE68903015T2和Sakharov的文献的点液位传感器纯粹基于行进在容器壁内部的兰姆波，RU2112221C1的点液位传感器既发射兰姆波到容器壁中又发射纵向超声波到液体中。两种波水平且平行传播到液体表面。通过测量两种信号的衰减，获得更可靠和正确的结果。
在Sakharov的文献中，描述了为了产生和检测兰姆波，声换能器连接到由聚氨酯制得的声楔。声换能器将产生大纵波，其将随后通过聚氨酯楔转化成兰姆波。选择容器壁的表面和发射和接收的兰姆波的方向之间的楔角θ以满足条件 ，其中vB为楔中的大纵波的速度，且vL为容器壁中的兰姆波的速度。
本发明的目的在于提供用于非侵入且连续的测量水平放置的圆柱形容器中的液体表面的高度的备选方法和备选系统。
发明内容
该目的通过根据独立权利要求的系统和方法获得。
如从上述技术已知，所述系统包括安装在容器壁的外侧处以产生超声波且将其发射到容器壁中的超声波换能器；和用于控制所述换能器的操作和用于根据所述超声波的飞行时间确定液体液位的至少一个电子控制和数据处理单元。
根据本发明，所述换能器为可调频换能器，其布置成将超声波作为初兰姆波发射到所述容器壁中，使得所述初兰姆波的一部分从所述容器壁以压力波的形式漏入所述液体。所述至少一个电子控制和数据处理单元适用于：
● 改变所述换能器的超声波频率直到所述换能器以所述压力波的反射的形式接收发射的超声波的反射，
● 确定相应的飞行时间，和
● 根据飞行时间和根据发射和反射的超声波的相应和预定行进长度确定所述液体液位，其中考虑在壁中的预定声速、在液体中的预定声速、容器的横截面的几何尺寸和行进长度必须包括所述压力波被容器壁以垂直向上方向反射到液体的表面所处的通道的事实。
从上文来看，应当理解术语“飞行时间”涉及信号的发射和接收之间消耗的时间，其中在该具体应用中，“飞行时间”表示在从换能器发射初兰姆波和通过同一换能器接收反射的压力波之间消耗的时间。
容器的横截面的几何尺寸可以例如为容器的圆柱形的横截面的半径、直径或周长。
术语“换能器”涉及其中结合发射器和接收器的设备。
而且，应当注意到所提议的系统的至少一个电子控制和数据处理单元适用于进行下文所述的所有步骤，用于获得测量值且用于确定各种幅度，这随后用于产生水平放置的圆柱形容器中的液体液位，作为输出结果。所述至少一个电子控制和数据处理单元可与换能器x1结合在同一外壳中，或其可以布置在换能器x1外部并经由无线或有线连接与换能器x1连接。
以不同方式表达，根据本发明的系统以以下方式使用声发射器/接收器传感器：超声信号在水平放置的圆柱形槽或容器的壁中通过超声波换能器激发，所述换能器可以例如为压电换能器或电磁声换能器(EMAT)。所述换能器布置在容器壁的外侧处，略微高于容器的最大填充液位或特别地直接在容器的顶部。兰姆波在槽或容器壁中激发且在壁中行进向液体/气体界面。换能器为可调频的以改变初始兰姆波的声速。选择该频率使得声能量高效地辐射到液体中且该声束直接反射到液体的表面。在这种构造中，反射的声束将以同一路径行进回到换能器且可以通过测量脉冲的飞行时间确定填充液位。
采用所提议的系统和方法，可以确定水平放置的圆柱形容器中的液体液位，而不需要在容器的底部下面布置发射器或换能器，即不必具有至容器的底部的通道。另外，由于其为非侵入式方法，测量还可以对其中需要避免与其直接接触的液体进行。换而言之，该解决方案是较安全的，容器的内部可以更易于清洁，且测量系统更易于安装和置换。
附图说明
基于上述大意，提出不同的实施方案，在下文结合附图中所示的实施例讨论不同的实施方案。其中：
图1示出用于在容器中的液位测量(包括测量液体中的声速)的先前已知的设施的侧视图；
图2示出用于在圆柱形槽中的液位测量的第一实施方案；
图3示出用于在圆柱形槽中的液位测量的第二实施方案；
图4示出兰姆波的两种零阶模式的例示行为；
图5示出在壁中行进的漏兰姆波；
图6示出用于在圆柱形槽中的液位测量的第三实施方案。
具体实施方式
图2显示用于在水平放置的圆柱形容器20中的液位测量的第一实施方案。容器20包含液体22，高达填充液位或液体液位H。液体22和液体22上方的空气或另一种气体之间的界面称为液位界面21。可调频换能器x1布置在容器20的壁的外侧处，且在该实施例中直接在容器20的顶部。换能器x1包括超声波发射器以及超声波接收器。
换能器x1布置成将超声波作为初兰姆波(s1、s2)发射到容器壁中，使得初兰姆波的一部分从容器壁以压力波s3、s4的形式漏入液体。至少一个电子控制和数据处理单元6适用于改变换能器x1的超声波频率直到换能器以压力波s3、s4的反射的形式接收发射的超声波的反射；确定相应的飞行时间；和根据飞行时间且根据发射和反射的超声波的相应和预定行进长度确定液体液位H，其中考虑在壁中的预定声速、在液体中的预定声速、容器的横截面的几何尺寸和行进长度必须包括压力波s3、s4被容器壁以垂直向上方向(s4)反射到液体表面(液位界面21)所处的通道的事实。
换能器x1为压电换能器或电磁声换能器(EMAT)。
如上文所解释，通过换能器x1发射的兰姆波s1为机械波，其以不同模式传播且具有不同性质，特别是不同传播速度以及不同衰减。通常在低频率下，会出现对称S0和非对称或反对称A0模式，如在图4中针对具有厚度d的容器壁所述。理想地，波在壁的侧部全部反射且因此保持在壁的内部，这为图4的情况。对于被气态介质包围或在真空中的壁来说，这是一次近似而有效的。
当容器壁与液体接触时，壁界面的反射率降低且兰姆波可以发射声能量到周围的液体介质中。尤其对于低频率下的非对称模式A0，会出现这种情况。由于发射声能量到周围介质中，这些波还称为漏兰姆波，如图5中所示，其中壁50与液体52接触。
因此，出于上述液位测量目的，零阶非对称模式A0是良好的选择，由于其确保声能量在宽范围的频率下高效辐射到液体中。除此之外，A0-模式的传播速度具有强的频率依赖性。但还可以使用其他模式，如果它们具有这些相同性质。
通过改变换能器x1的激发频率，液体22中的发射压力波s3的方向可以基于漏兰姆模式的频率依赖性相速度而改变。如可以从图5发现，声束的方向通过以下给出：
cos(α) = cL/(cW (f))， (2)
其中α为壁50和压力波s3之间的角度，cL为液体52中的声速，而cW (f)为壁中的兰姆波s2的频率依赖性相速度。
在图2的测量程序的期间，改变换能器x1的激发频率，直到在到达液位界面21之前的最后的反射s4垂直于液体表面(液位界面21)送出。直到那时，信号可以沿着相同路径s4-> s3 -> s2 -> s1行进返回。优选将换能器x1布置成使得避免接收从背面到达所结合的接收器的信号。测量通过换能器x1发射兰姆波s1和通过换能器x1接收压力波s4的反射之间的超声波信号的飞行时间。基于飞行时间，通过进一步考虑容器20的壁中的声速、液体22中的声速以及容器20的半径可以确定容器20中的填充或液体液位H。后三个参数需要预定。
反射脉冲(s4)的行进时间或飞行时间由行进距离的不同部分的飞行时间组成。
第一部分对应于初兰姆波s1在容器20的壁的干燥或不湿润部分中的传播：
t1=d1/cw， (3)
其中d1为壁的不湿润部分中的传播距离而cw为壁中的初兰姆波s1的传播速度(声速)。
距离d1取决于换能器x1的实际位置。对于正好安装在顶部的换能器，通过以下提供：
d1=D/2*arcos (2H/D-11) (4)。
在图3中，换能器x1置于容器30的壁外部，在高于容器30的最大填充液位、但低于水平放置的容器的顶部的位置。对于换能器x1的这种较低位置(与图2相比)，将基于方程(4)计算距离d1，其中必须相应减去换能器x1的位置距顶部位置的距离。
飞行时间的第二部分对应于初兰姆波s2在容器30的壁的湿润部分中的传播：
t2=s2/cw， (5)
其中d2为在壁湿润部分中在声(压力波s3)辐射到液体22中之前的传播距离。该距离d2通过传播模式、壁几何形状和液体性质给出，且对于某些设施通常是不变的。
飞行时间的第三部分对应于液体中的发射的声(压力波s3)的传播：
t3=n*d3/cl=n*D*sin(α)/cl (6)
其中d3=D*sin(α)为发射的声(压力波s3)在下一个反射之前的传播距离，cl为液体中的传播速度(声速)且n为声被向上反射到液位界面21之前的反射的数目，相应地为段的数目。D为容器20的圆柱形的直径且α为相对于壁的切线的发射角度。上文限定的角度α通过两个给定的传播速度确定。
飞行时间的第四部分对应于压力波s4的传播，即对应于压力波s3向上反射到液位界面21的传播：
t4=d4/cl (7)
其中s4=H-D/2+D/2*cos(2*(d1+d2)/D+2*n*α)为从最后的反射向上到液位界面21的传播距离。
在在液位界面21处反射且返回到换能器21之前的全部飞行时间或行进时间通过飞行时间的上述单个部分的和乘以2给出：
t=2*(t1+t2+t3+t4) (8)
由此可以反向计算出液位H。
参数D、α、d2、cl和cw通过设施给出且待预定，例如校准。参数α和d2取决于所用的兰姆模式和声速的性质，且还可以因此确定出频率和壁特征。
在壁的反射数目n，取决于实际填充液位H和发射角度α。可以通过可信度检查例如通过用不同的n值计算液位H并检查所得的液位H中哪一个是合理的来检查。对于某些液位H和某些角度α，只存在一个有效的n值。
在换能器x1不安装到容器的顶部的情况下(参见图3)，行进路径距离由此必须通过减少(如图3中所示)或减去路径d1来适用。
在换能器x1安装到低于液体液位的情况下，如图6中所示，行进路径距离必须通过减去路径d1和减少路径d2来适用。在其他设施中，还可能需要减少用于漏压力波s3的反射的数目。
根据方程(2)，必须选择频率f和相应的传播速度cw(f)使得产生发射角度α以得到所述的传播路径。对于该传播路径，发射角度α必须满足以下条件：
α = (π+arcos(1-2H/D)-d2/D)/(2n+1) (9)。
在实际应用中，压力波s3将不以非常精确的角度α发射。相反，还可以认为是声束的压力波s3将具有一定的张开角度，且因此该声将在一定范围的不同角度而不只在单独的角度下发射。
因此，发射角度不需要精确设定为由以上条件(9)所述的角度，相反以上的角度只需要包含在发射角度范围中。但接收信号，即压力波s3、s4的反射，将随后根据以上角度(9)的路径行进。这个角度可以随后用于分别计算行进时间和液体液位。
因此为了实际的液位测量，产生在第一频率下的超声波信号，其将产生相应的发射角度α。记录该信号并确定反射的飞行时间。根据飞行时间，根据对于不同数目的反射的公式(3)-(8)确定相应的液体液位H。随后检查不同的确定的液位H的可信度，例如如果0<=H<=D或n< (tmeas-t2)/(D*sin(α))*cl，其中tmeas为测量的行进时间。如果在所预期的时间段中没有出现反射信号或如果没有确定可信液位H，试验产生下一个相应的发射角度α的下一个频率。

Claims (8)

1. 一种用于液体的非侵入且连续的液位测量的系统，其中所述液体被水平放置的圆柱形容器(20、30、60)的实心壁包围，所述系统包括：
安装在所述容器壁的外侧处以产生超声波且将其发射到所述容器壁中的超声波换能器(x1)，和
用于控制所述换能器(x1)的操作且用于根据所述超声波的飞行时间确定液体液位(H)的至少一个电子控制和数据处理单元(6)，
特征在于
所述换能器(x1)为可调频换能器，其布置成将所述超声波作为初兰姆波(s1、s2)发射到所述容器壁中，使得所述初兰姆波的一部分从所述容器壁以压力波(s3、s4)的形式漏入所述液体(22、32、62)，
所述至少一个电子控制和数据处理单元(6)适用于：
改变所述换能器(x1)的超声波频率直到所述换能器以所述压力波(s3、s4)的反射的形式接收发射的超声波的反射，
确定相应的飞行时间，和
根据所述飞行时间且根据发射和反射的超声波的相应和预定行进长度确定所述液体液位(H)，其中考虑在所述壁中的预定声速、在所述液体中的预定声速、所述容器(20、30、60)的横截面的几何尺寸和行进长度必须包括所述压力波(s3、s4)被所述容器壁以垂直向上方向反射到液体表面(21、31、61)所处的通道的事实。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器(x1)布置成只接收所述压力波(s3、s4)的以所述初兰姆波(s1、s2)发射沿着的同一路径到达的那些反射。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述换能器(x1)为压电换能器或电磁声换能器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述换能器(x1)置于在所述容器壁的外侧处，高于所述容器的最大填充液位。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述换能器(x1)布置成接收零阶非对称模式(A0)的初兰姆波。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述换能器(x1)布置成使得阻止接收从背面到达所述换能器(x1)的信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个电子控制和数据处理单元(6)适用于通过在所述液体液位(H)是否具有在0和所述圆柱形容器的横截面的直径之间的范围中的值的意义上检查所确定的液体液位(H)是否可信，来检测所述换能器(x1)接收的反射是否实际上为所述压力波(s3、s4)的反射。
8. 一种用于液体的非侵入且连续的液位测量的方法，其中所述液体被水平放置的圆柱形容器的实心壁包围，所述方法包括以下步骤：
通过超声波换能器(x1)产生超声波，所述超声波换能器(x1)安装在所述容器壁的外侧处并发射所述超声波到所述容器壁中，和
通过至少一个电子控制和数据处理单元(6)控制所述换能器(x1)的操作并根据所述超声波的飞行时间确定液体液位，
特征在于以下步骤：
将所述超声波作为初兰姆波(s1、s2)发射到所述容器壁中，使得所述初兰姆波的一部分从所述容器壁以压力波(s3、s4)的形式漏入所述液体，
经由所述至少一个电子控制和数据处理单元(6)：
改变所述换能器(x1)的超声波频率直到所述换能器以所述压力波(s3、s4)的反射的形式接收发射的超声波的反射，
确定相应的飞行时间，和
根据所述飞行时间且根据发射和反射的超声波的相应和预定行进长度确定所述液体液位(H)，其中考虑在所述壁中的预定声速、在所述液体中的预定声速、所述容器的横截面的几何尺寸和行进长度必须包括所述压力波(s3、s4)被所述容器壁以垂直向上方向反射到液体表面(21、31、61)所处的通道的事实。
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