CN106482809A - 用于确定容器内液体高度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定容器内液体高度的方法和装置，该方法通过至少一个超声波传感器来确定容器，尤其是锥形容器内的液体高度，该容器树立于底面上，并借助调整装置让容器的底部以一定的角度倾斜于水平面。

Description

用于确定容器内液体高度的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定容器内液体高度的方法和装置，其至少借助一个超声波传感器确定容器，尤其是锥形容器内的液体高度。

背景技术

例如，在食品工业和其他领域中，经常面临着一个任务——需将存储于容器（也被称为桶）中的液体从容器中排出。为此需要使用（例如）柱塞泵。然而，当容器排空时，应避免泵入空气。

因此，基于现有技术，（例如）可使用从动盘式泵，其包含一个从动盘，搁置在液体表面上，确保密封。安装这样的从动盘很昂贵，延缓了容器的更换。同时，液体的补充也不方便。此外，从动盘式泵只适合圆柱形容器。

可选地，在容器中留下一些液体，以防止泵入空气。为此，（例如）可使用超声波传感器来测量容器中液体的高度。工业应用中的液体，例如粘合剂，通常包含挥发性物质，这些物质挥发并积聚在液体表面上方。因而，声音的速度在此区域被严重改变，导致超声波传感器出现严重的测量误差。此外声音的速度也依赖于温度、空气压力、空气湿度和空气成分。针对容器为空时不可向泵中泵入空气这一问题，必须保持一个相对较大的最低安全液位，或基于对（例如）空气成分的补充测量来确定实际的声速。然而，补充测量需要额外且昂贵的传感器。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可精确测量容器中液体高度的方法和装置。

这个目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。提供了一种通过超声波传感器来确定容器，尤其是锥形容器内液体高度的方法。所述容器的底部应以一定的角度倾斜于水平面。

通过超声波装置进行距离测量时，通常会向需测量的方向发射超声波脉冲，经最远的点反射，再次被超声波传感器捕捉到。基于已知的声音在介质内的传播速度，可通过超声波脉冲的传播时间来确定距离。若液体表面和容器底部平行，则很难断定被反射回的超声波脉冲的差别，因为容器底部通常会覆盖有剩余液体，会和液位较高时的液体表面一样反射超声波脉冲。容器倾斜时，“装满”和“清空”之间的过渡位置的反射面角度将改变。若液位下降直至底部和超声波传感器之间没有液体时，超声波脉冲在反射回超声波传感器时会突然消失。由此，反射的和检测到的超声波脉冲的信号明显变化，而所述变化可被检测，并且（例如）可用于检测允许的最小液位。

以这种方式，对允许的最小液位的检测更为准确，从而可以降低允许的最小液位，因此可以降低（例如）更换容器前所残留的液体的剩余量。

允许的最小液位的确定与传感器和液体表面之间的空气的性质无关，特别是与声速无关。因此，本方法基本上适用于对任何液体的液位进行监测。此外，可对基本上所有形状的容器的液位进行检测，但是需要容器的底部基本平整。本方法特别适用于圆锥形的容器，因为不需要筒状容器必需的从动盘。

这里无需为更准确测量传播时间而另外测量声速，将容器倾斜使用超声波传感器即可测量允许的最小液位。因此，使用本方法和装置进行液位测量廉价且准确。

有利的实施方案见附属的权利要求、说明书和附图。

根据一个实施例，超声波传感器基本上垂直于水平平面。由于原则上液体表面也是水平的，因而确保了超声波传感器垂直于倾斜容器中的液体表面。

根据另一个实施例，超声波传感器还有一个与声波主方向一致的测量轴，适当调整超声波传感器与容器的位置，使得在测量轴方向上超声波传感器和容器底部之间没有液体时，容器中还留存一定的剩余液体。剩余量可以防止空气进入所述的液体抽取装置。测量轴尤其要垂直于超声波传感器的一个辐射表面。

可为容器设计一个盖子，将超声波传感器安装于所述盖子上。盖子可保护液体不受外部影响，例如不受外部污染；可维持液体性质和/或防止（特别是有害的）液体成分不受控制的挥发。通过超声波传感器与盖子的一体化，超声波传感器可相对于容器有效固定，并以所定义的方式对齐。

倾斜角度可大于从超声波传感器发射出的主声束的张角。这确保了当超声波传感器的测量轴碰到容器的倾斜底部时基本上不会检测到回声。这种状态可以标记出低于所允许的最小液位的情况。

如果所使用的超声波传感器聚焦良好，即具有一个张角小的、比较窄的主声束，这是有利的。因为如若这样，在液位下降时，当测量轴方向上没有液体时，或者说对于超声波传感器来说底部直接可见时，检测到的回声几乎会突然减小。窄的主声束首先在与测量轴和确定倾斜角的底部切线相平行的面上是有利的。因此，具有象散的声音特性的超声波传感器是特别有利的。主声束不是明显的旋转对称，而是如蛋形或椭圆形。这就可以利用聚焦极其显著的平面上的良好聚焦。垂直于所述平面并平行于测量轴的平面的聚焦（即较大的主声束张角）可稍逊色。

在对每次发射超声波脉冲和接受超声波脉冲回波之间的传播时间进行反复检测的基础上，可对液位进行持续监测。还可设想由不止一个超声波传感器负责发射脉冲并接受回波，即设计两个或多个超声波传感器。

在一种升级方案中，当通过超声波传感器未检测到或只检测到很少的超声波脉冲回波时，向液体抽取装置发射信号，容器中仅剩预设的液体剩余量。本方法的特征在于不仅限于对脉冲和回波之间的传播时间的测量，这容易受到声速变化影响。到达的剩余量后，在更换或重新灌满容器之前可（例如）再抽出设定好的一定量的液体。

在另一种升级方案中，适当调整容器相对于液体抽取装置的位置，使液体抽取装置基本上在容器倾斜时的最深位置点抽取液体。这样可减少为防止空气进入液体抽取装置而在容器中留存的剩余量，以此避免更换容器时造成的浪费。

有利的倾斜角度大约在10°和20°之间，多介于12°和18°之间。从而在可靠地探测允许的最小液体量和容器中可保留的最大液体量之间找到了最佳平衡点，因为它们的平衡受到较陡的倾斜角度的限制。已证实15°的值是有利的。

所述问题的进一步解决由一种具有权利要求10所描述特征的、用于确定容器内，尤其是锥形容器内的液体高度的装置来完成。所述装置包含一个用于确定容器中液体高度的超声波传感器，以及一个调整装置，借助这个装置，使容器的底部以一定的角度倾斜于水平面。

调整装置可设计为（例如）简单的可推到容器底部边缘下面的楔形或平行六面体。

根据一个有利实施例，调整装置包括用于所述容器的支撑件。由此可将容器的底部按照确定的固定角度对准，并保证系统中容器的稳固。所述支撑件除可用于斜向调整外，还有安全固定的功能，特别是可防止容器翻倒。

可为容器设计一个盖子，并将超声波传感器适当地安装于所述盖子上，使超声波传感器的声音的主方向和底部的法线之间有一个角度，该角度基本与倾斜角度相同。这确保了超声波传感器基本垂直于液体的表面，从而提高了测量精度。

在另一个实施方案中，容器可通过调整装置调整，当在超声波传感器的声音主方向所定义的测量轴方向上，超声波传感器和容器底部之间没有液体时，容器中还留存有一定的剩余液体。剩余液体防止了空气进入液体抽取装置中。

根据进一步实施例，超声波传感器悬挂在调整装置或容器盖上，这样，由于重力作用，超声波传感器基本上垂直于水平面。由此，超声波传感器可始终自行对准，倾斜角度会自动改变，而不会影响液位测量。

所要求保护的方法可在所述实施例的框架内继续扩展，同样，所要求保护的装置也可按照所述实施例继续扩展。

下面将通过附图（仅作示例）对本发明进行说明。

附图说明

图1展示了一种用于确定容器内液体高度的装置。

图2展示了装置在液位较低时的状态。

图3展示了一个示例性的超声波传感器的声学特性。

图4展示了一个示例性的超声波传感器的测量动作。

图5展示了液位较低时的测量动作。

具体实施方式

在图1中，展示了一种用于确定容器10内液体高度的装置，其被设计为一个圆锥形的桶。所述装置包括一个超声波传感器12和一个调整装置26。容器10内有液体，例如高粘稠介质，构成了液体表面18。为抽取液体设计了一个柱塞泵作为液体抽取装置20，在其底端将容器10最深位置点的液体从容器10抽出。

调整装置26仅给出了平形六面体的图示，其垫在容器的一侧边缘，如图中左侧，使容器一边升高。此时，容器的另一边，如图中右侧，位于下部较低的衬垫上，即水平面16，因此容器倾斜。容器10的底部14和与平整的衬垫一致的水平面16之间形成了一个倾斜角A。

为容器10设计了盖子36，超声波传感器12以一定的角度固定于其上，超声波传感器12及其测量轴34（参照图3）垂直于液体表面18。超声波传感器12以及通过其声音主方向定义的测量轴34垂直于液体表面18。超声波传感器12相对于容器10的固定位置使得借助所述装置对倾斜角A状态下液位水平的测量成为可能。可选地，将超声波传感器12悬挂安置，这样其便可自动垂直于水平面16。

超声波传感器12的测量活动由两个箭头表示，代表由超声波传感器12发射出的脉冲22和回波24。脉冲22沿着其声音主方向，基本垂直于反射面从超声波传感器12发出。脉冲22在液体表面18处被反射为回波24。由于超声波传感器12垂直于液体表面18，回波24的声音主方向也垂直于液体表面18，超声波传感器12会检测到一个相对较强的回波24。

图2展示了图1的装置，图中，容器10内的液体高度很低，以至于沿着超声波传感器12的测量轴34的方向、在超声波传感器12和容器10的底部14之间没有液体。液体表面18因此低于超声波传感器12的测量轴34与底部14的相交点。

因此，从超声波传感器12发出的脉冲22碰到的是倾斜的底部14，而不是如图1所示的水平的液体表面。其结果是，回波24不再返回超声波传感器12，而是以大于零的反射角——大小等同于倾斜角A——被反射。这导致，当脉冲22碰到的是底部14而不是液体表面18时，超声波传感器12检测不到回波24或只能检测到很弱的回波24。这种效应被有效用于对允许的最小液位（如图2中所示的液体表面18）的更精确的检测中。因为一旦围绕测量轴34的底部14区域无液体覆盖，所检测到的回波24的水平突然下降，当低于回波24的水平限值时，可确定到达或低于所允许的最低液位，并向液体抽取装置发射信号。

图3展示了一个示例性的、适用于图1和图2所示装置的超声波传感器的声学特性。这里展示了基于与测量轴34的夹角的声级。超声波传感器12产生一个主声束28和两个次声束38，40。主声束28和次声束38，40在所展示的平面上相对于所述测量轴34对称。

上象限中的虚线所标示的是容器10倾斜角A的有利区域32，约在12°和18°之间。下方的虚线表示的是主声束28的张角B。因此，当倾斜角A在有利区域32的范围内，例如为15°，则倾斜角A大于张角B，由此基本避免了超声波传感器12检测到的回波。此外，倾斜角A的有利区域32也可位于图中上方的次声束40之外，若所发出的脉冲22碰到容器10的底部14，超声波传感器12也基本检测不到次声束40的回波24。

为了进行更直观的说明，图3还展示了一个有聚焦缺陷的超声波脉冲的声束30。若这样的脉冲在底部14处被反射，当沿着测量轴34的方向、在底部14和超声波传感器12之间没有液体时，超声波传感器仍能检测到相对较强的回波。因此，可良好聚焦的超声波传感器是有利的。例如，有利声束的张角小于12°，特别是小于10°。为了达到这样的值，可使用具有象散的声音特性的超声波传感器12，其（例如）在图1和图2所示的平面中具有较小的声束张角B，而在与测量轴34平行但与图1和图2所示平面垂直的的面上，声束的张角较大。

图4展示了一个示例性的超声波传感器12的测量动作。横坐标表示所经过的时间，纵轴表示声级。此前，超声波脉冲22被发射出。在距离脉冲22开始有一定的时间间隔后，超声波传感器12检测到回波24。基于此时间间隔，可通过已知的声速确定反射物体的距离，此处为液体表面18。

图5展示了测量动作，此时，按照图2所示，沿着测量轴34的方向、在倾斜的底部14和超声波传感器12之间没有液体。相对于图4，几乎不存在回波24。例如，在图5所示的测量中，本发明所涉及的装置可向液体抽取装置20发出有关达到或低于允许的最低液位的信号。

附图标记列表

10 容器

12 超声波传感器

14 底部

16 水平面

18 液体表面

20 液体抽取装置

22 脉冲

24 回波

26 调整装置

28 主声束

30 有聚焦缺陷的超声波传感器的声束

32 倾斜角的有利范围

34 测量轴

38 次声束

40 次声束

A 倾斜角度

B 张角

Claims (15)

1.一种用于确定容器（10）内的液体高度的方法，该容器可移动且可手动控制，该方法借助至少一个超声波传感器（12），并且，

为了更好地检测液位，将容器（10）树立于底面上，并借助调整装置（26）让容器的底部（14）以一定的角度（A）倾斜于水平面（16）。

2.如权利要求1所述的方法，

其特征在于：

桶被用作容器（10），所述容器特别是具有平坦的底部（14），并最好是有锥形壁。

3.如权利要求1或2所述的方法，

其特征在于：

超声波传感器（12）显示出通过声波主方向定义的测量轴（34），并且调整超声波传感器（12）相对于容器（10）的位置，使得当测量轴（34）方向上超声波传感器（12）和容器（10）底部（14）之间没有液体时，容器（10）中仍留存一定的剩余液体。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于：

为容器（10）设计有一个可拆开的盖子（36），超声波传感器（12）安装于其上。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于：

倾斜角度（A）大于从超声波传感器（12）发射出的主声束（28）的张角（B）。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于：

超声波传感器（12）具有象散的声音特性。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于：

当通过超声波传感器（12）未检测到或只检测到很少的超声波脉冲（22）回波（24）时，向液体抽取装置（20）发射信号，提示容器中（10）剩余所预设的液体量。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于：

将容器（10）相对于液体抽取装置（20）适当调整位置，使液体抽取装置（20）基本上在容器（10）倾斜时的最深位置点抽取液体。

9.如上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于：

倾斜角度（A）大约在10°和20°之间，多介于12°和18°之间。

10.一种用于确定容器（10）内的液体高度的装置，该容器可移动且可手动控制，该装置包括：

一个用于确定所述容器（10）中的液体高度的超声波传感器（12），和

一个调整装置（26），借助其在测量液位前调整容器（10），让容器（10）的底部（14）以一定的角度（A）倾斜于水平面（16）。

11.如权利要求10所述的装置，

其特征在于：

调整装置包括用于所述容器（10）的支撑件。

12.如权利要求10或者11所述的装置，

其特征在于：

为容器（10）设计了一个可取下的盖子（36），并将超声波传感器（12）适当地安装于所述盖子上，使超声波传感器（12）的声音的主方向和底部（14）的法线之间有一个角度，所述角度基本与倾斜角度（A）相同。

13.如权利要求10至12中任一项所述的装置，

其特征在于：

容器（10）可通过调整装置（26）调整，当沿着超声波传感器的声音主方向所定义的测量轴方向、在超声波传感器（12）和容器（10）底部（14）之间没有液体时，容器（10）中仍留存一定的剩余液体。

14.如权利要求10至13中任一项所述的装置，

其特征在于：

超声波传感器（12）悬挂安置，这样，由于重力作用，超声波传感器（12）基本上垂直于水平面（14）。

15.如权利要求10至14中任一项所述的装置，

其特征在于：

包括一个桶样设计的容器（10），所述容器尤其是具有平坦的底部（14），并最好是具有锥形壁。