CN106687778A - 用于检测介质的方法和设备 - Google Patents

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苏雷·哈鲁特尼扬
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Abstract

披露了一种用于检测例如沉淀物等具有较低介电常数的第一介质的设备，其中所述第一介质位于例如水等具有较高介电常数的第二介质的下方。所述设备包括探针，该探针适用于在其下端发射脉冲信号，使所述脉冲信号在被传递或传输至所述第二介质之前进入所述第一介质。所述第一介质位于或靠近容器的底部，而且所述第二介质位于所述第一介质的上方。还披露了一种用于检测位于第二介质下方的第一介质的方法。

Description

用于检测介质的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于检测介质的方法和设备，并且尤其涉及一种用于检测例如沉淀物等具有较低介电常数的介质的方法和设备，当所述介质位于例如水等具有较高介电常数的另一介质的下方。所述低介电介质(沉淀物)可以比所述高介电介质(水)相对更加稠密。本发明可以利用时域反射法(TDR)或其他技术检测介质。
背景技术
通过传感元件引导信号
时域反射法是一种沿探针的传感元件注入相对较短时间的脉冲信号以使用反射信号沿路径或介质识别与不同目标的距离的技术。信号引导所涵盖的物理学首先是如何在探针的传感元件和容器或包含介质的水槽之间建立起来静电场。电场线通常始于高电势，沿着最小阻力路径到达低电势。电场线总是通过最短路径垂直于导体表面进出。
如图1a所示，为了说明本概念，沿圆柱形金属槽11的中心安装探针的传感元件10，假设传感元件10上有正电势。从地面电位点沿电场线的路径积分给出传感元件10任意一点的电压。通过注入脉冲信号，传感元件10起始点的电压暂时增大，干扰相应点的电场。如图1a-c所示，电磁理论可以表明这样的干扰(粗体所示)随着时间推移沿介质传递，还能表明传递的方向垂直于电场的方向。因此，传感元件10可以引导信号传递的路径。
信号传播的速度
TDR信号传播的速度由传播信号的介质的性质决定。相对介电常数(Dk)和特性阻抗(Z)是描述介质的两个参数。信号在具有较低相对介电常数Dk的材料中传播较快，在具有较高介电常数Dk的材料中传播较慢。对于非磁性材料，等式1给出了传播速度之间的关系，其中Co为自由空间中的信号速度，Dk为有效介电常数。Co约等于300mm/ns。
特性阻抗
特性阻抗是相关路径的几何结构和材料的特性的函数。而对于简单几何图形，特性阻抗可以通过分析计算得到，在大多数情况下不能轻易得到封闭形式解。然后即使在这种情况下，使用较为常规的几何图形可以定性分析一般特性。例如，图2所示，圆柱形槽20和定中心的传感元件21可以被认为是共轴电缆，等式(2)给出了共轴电缆的特性阻抗，其中DTank和DProbe分别表示槽20和传感元件21的直径。例如，通过公式(2)可以计算出图2所示传感元件21，水22和沉淀物23的特征阻抗指示值。
信号在介质界面的传播
参考图3a至3c，在一种介质中传播的信号Vincident可以作为单一实体传播，只要该信号当前位置的介质的特征阻抗与信号下一时间段的位置的介质的特征阻抗相同。然而，如果所述阻抗不同，例如，当穿过材料界面24时，信号Vincident可以分为两部分。第一部分VTrans1可以通过界面24传递或传输，而另一部分VReflect1可以从界面24反射回来。被传递和反射的信号的强度由当前介质的特征阻抗(Z1)和定义材料界面24的下一种介质(Z2)决定。通过公式(3)和(4)计算反射和传递的信号的强度。可以通过观察得到经材料界面24传递的信号VTrans1可具有相同的极性，而当反射信号VReflect1进入低特征阻抗Z2时，反射信号可以具有相反的极性。
类似地，发射信号VTrans1可以分为两部分。第一部分VTrans2通过界面25传递或传输，而另一部分VReflect2从界面25反射回来。类似地，被传递和反射的信号的强度由当前介质的特征阻抗(Z2)和定义材料界面25的下一种介质(Z3)决定。
应用TDR技术检测高介电介质下方的低介电介质(检测水下沉淀物)
参考图4a和4b,检查给定应用的TDR响应，如图4b所示，传感元件44模拟具有不同特征阻抗Z1，Z2和Z3的传输线44a,44b和44c.传感元件44的末端作为开放电路。TDR仪器40包括电子元件，例如短时间内脉冲信号发生器和探测器。通常特征阻抗为50欧姆的系统具备这些元件。
而实际介质会有一定的损耗，如果损耗忽略不计，则更容易计算发射信号的强度。针对TDR仪器40发射的初始信号计算强度。下文描述的反射信号可以在传感元件44的起始点测量和/或计算，并且包括指示极性的标识。
i.来自气体/水界面24的反射信号具有较大的强度和相反的极性。
ii.来自气体/水界面24的后续反射信号较迟到达，且和第一反射信号相比强度降低。然而，与来自气体/水界面24下方的介质的发射信号相比，该强度仍不可忽视并且会干扰其他信号。
iii.信号到达水/沉淀物界面25后，进入水的信号量最少且该信号具有正极性。
iv.因此，来自气体/水界面24的多个反射信号与来自水/沉淀物界面25的小强度信号互相干扰/相互抵消。
v.另外，由于进入水和后续进入沉淀物的信号量强度更小，传感元件44末端的反射信号微弱，而且与界面24和25的多个反射信号相互干扰和/或抵消。因此，相对而言难以作为检测沉淀物级的推断性测量。
本发明应用广泛，包括检测水下沉淀物的级。能够看出，传统TDR供给系统可以表明可靠检测沉淀物级中存在问题，至少有以下原因：
i.从水/沉淀物界面25反射的信号相对较弱；而且/或
ii.从气体/水界面24反射的多个信号相对较强并与从水/沉淀物界面25反射的信号相互干扰。
虽然传统TDR可以应用在容器或水槽底部来解决上述问题，但是这种做法并不令人满意，原因是：
i.安装限制，大部分水槽设计有顶部支架以避免材料/危险材料泄露；
ii.大部分水槽置于地面，很难进入底部；
iii.维修和安装要求使水槽无法继续使用；
iv.由于反射信号的干扰/抵消，水/气界面不能可靠的测量；
v.信号在沉淀物/水介质中的传播速度的变化导致测量不精确。
可选的，部署两个单独的TDR级测量仪器，即，一个安装于水槽底部来检测沉淀物/水界面，另一个安装于水槽顶部来测量气体/水界面的级。然而，由于成本增加和上述的缺点，这样的布置并非首选。
图5所示为传统TDR探针。由于内侧传感元件51和外部导体或护罩50之间存在空挡52，因此异物会堆积并在内侧传感元件51和外部导体或护罩50之间形成桥。异物的堆积会减少反射信号并造成错误的级检测。本发明通过部分填充空挡52和/或通过使探针的导体/护罩50采用部分开放的几何结构缓解上述桥接或异物堆积。
本发明可以减少现有技术的缺点或至少为消费者提供了一种选择。
在本文任何公开内容或权利要求的优先权日，参考专利文件或其他物品作为现有技术并不能表明该文件或物品广为人知或其包含的信息为澳大利亚或其他任何地方的公知常识的一部分。根据发明人的知识和经验，本发明书关于现有技术的讨论用来解释本发明的背景。
在说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”或“包括(include)”及其各种变形，例如“包括(comprises)”，“包括(includes)”和“包括(comprising)”或“包括(including)”,并非旨在排除其他附加事物、部件、整体或步骤。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于检测具有较低介电常数的第一介质的设备，其中所述第一介质位于具有较高介电常数的第二介质的下方，所述设备包括探针，该探针适用于在其下端发射脉冲信号，使所述脉冲信号在被传递或传输至所述第二介质之前进入所述第一介质。
所述第一介质位于或靠近容器的底部，而且所述第二介质位于所述第一介质的上方。所述探针适用于穿过所述容器的顶部被安装。所述第一介质较稠密而且包括沉淀物，而所述第二介质较不稠密而且包括水和/或气体。
所述探针包括传感元件和用于位于或接近其下端时与所述传感元件连接的信号供给线。所述传感元件包括不锈钢棒和导电护罩，而且所述供给线包括共轴电缆。所述探针包括非导电芯并且所述护罩包括几何结构，其横截面适用于消除或至少减少异物在所述棒和所述护罩之间堆积。所述探针包括所述不锈钢棒和所述共轴电缆之间的阻抗匹配电路。所述设备包括连接至所述探针底端的用于测量多个界面级的多个供给线。
所述设备包括连接至所述探针顶端的用于进行低介电界面到高介电界面的测量的一个或多个附加供给线。
所述设备适于应用时域反射法(TDR,Time Domain Reflectometry)、调频连续波(FMCW,Frequency Modulated Continuous Wave)和/或步进频连续波技术(SFCW,SteppedFrequency Continuous Wave)的一种或多种。
所述设备包括发射器/接收器，其与可控开关相结合，所述可控开关与所述信号供给线匹配用于发射所述脉冲信号。
所述设备适于测量单个或多个级/界面并且分别输出单个或多个级/界面的测量结果。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于检测具有较低介电常数的第一介质的方法，其中所述第一介质位于具有较高介电常数的第二介质的下方，所述方法包括提供探针；并且设置所述探针在其下端发射脉冲信号，使得所述脉冲信号在被传递或传输至所述第二介质之前进入所述第一介质。
本发明更可靠的表明水下沉淀物的级和/或气体/水界面的附加级。
附图说明
图1a到1c示出了沿与探针相关的传感元件进行TDR信号引导；
图2示出了与不同介质相关的特征阻抗(气体，水和沉淀物)；
图3a到3c示出了不同介质Z1,Z2,Z3之间的界面的信号反射；
图4a到4b示出了用于TDR的传统(自上而下)探针模型；
图5示出了传统共轴TDR探针；
图6a到6b示出了体现本发明的实施例的用于TDR的由下至上的探针模型；
图7a到7c分别示出了TDR探针安装，具有单个传感元件的探针和具有多个传感元件的探针；和
图8示出了向多个传感元件发射脉冲的仪器。
具体实施方式
本发明提供一种图4a所示的传统TDR探针的替代方法。本发明尤其利用图6所示的“由下至上”的供给设置。在图6a所示的“由下至上”的供给设置中，来自TDR仪器67的与阻抗匹配的第一信号供给61通过共轴电缆63扩展到传感元件62的底部，并从容器60的底部朝顶部发射。适宜的阻抗匹配电路(未示出)设置于共轴电缆63和传感元件62之间。传感元件62可以是不锈钢棒等任何适宜的形式。参考图4b的描述，传感元件62模拟如图6b所示的具有不同特征阻抗Z1，Z2和Z3的一系列传输线62a、62b和62c。来自TDR仪器62的与阻抗匹配的第二信号供给65通过共轴电缆66连接至传感元件67的顶部。
在图7a中示出了仪器68和相关TDR探针69的安装方式，探针69位于包括顶部和底部并包含气体、高介电介质的存储槽上方，低介电介质位于高介电介质的下方。探针69包括传感元件和位于或靠近其底端72的用于发射TDR信号的信号供给线。这样的配置适于检测位于高介电介质下方的低介电介质。
传感元件可包括图7b所示的单个传感元件或相关供给线。传感元件包括细长不锈钢棒74和外罩75，供给线包括自下而上传感的共轴电缆70和自上而下传感的共轴电缆76。传感元件包括不锈钢棒74和共轴电缆70(未示出)之间的阻抗匹配电路。
可选的，图7c所示的多个传感元件和相关供给线SE1至SEn可以连接至探针69的顶端79来测量多个界面级。该配置便于通过传统TDR技术测量气体/水(低介电至高介电)界面。
如上所述，本发明的探针可降低异物堆积趋势或者在内侧传感元件51和图5所示的与传统TDR相关的外部导体/护罩50之间的空挡52形成桥。
通过部分填充空挡52和/或通过使外部导体/护罩50采用部分开放的几何结构可减少或至少缓解桥接。为此，参考图7b所示的剖面图，探针69包括部分开放或拱形外部导体/护罩75。一种形式的导体/护罩75为半环形或横截面为半环形。
探针69包括例如铁氟龙等半导体、低介电材料制成的大体为圆柱形的芯73。芯73位于导体/护罩75和不锈钢棒74之间，使得棒74至少部分或大体与介质接触。
棒74和护罩75之间保持至少10mm的距离为宜。芯73包括容纳共轴电缆70的纵向槽78。芯73包括用于容纳部分不锈钢棒74的纵向凹槽71，使得棒74大体上接触介质。图7b包括传感元件的几何结构的透视图。
图8示出了电子器械80，其与用于向多个传感元件SE1至SEn发射脉冲的仪器68相关联。电子器械80包括用于产生脉冲的发射器81和用于接受脉冲反射的接收器82。
本发明提供了一种改进的TDR供给设置，包括屏蔽线路用来从一个或更多传感元件的底部或顶部发射TDR脉冲信号。特别是电子器械80可与电控开关83结合，电控开关83与所述屏蔽线路或每条屏蔽线路匹配来从传感元件SE1至SEn的底部或顶部发射脉冲信号。该技术的优点是从底部发射的信号可减少反射信号从低介电界面到高介电界面的衰减(例如，沉淀物/水界面)，而从顶端发射的信号允许气/水界面的检测。
如上所述，可选的，通过使用单个传感元件并将发射信号从底部切换到顶部，本发明的探针可避免需要两个单独的仪器来测量介质级。
由下至上的供给设置产生的反射信号可按如下步骤检测低介电/高介电(沉淀物/水)界面：
i.由于信号被发射到低介电介质中，其具有高度匹配的供给阻抗。由于探针尺寸可控，所产生的阻抗可更好的匹配而且不受制于水槽尺寸；
ii.由于信号在介质内的传播距离最小，其不会发生严重衰减；
iii.因此与传统方法相比，较强的信号由低介电界面向高介电界面进行反射，而且由于这样的反射首先被电子仪器80接收，其不会与多个反射干扰。
由以上分析可以看出由下至上的供给设置具有以下几个优点：
i.来自沉淀物/水界面的反射信号首先到达，因此不会与其他信号反射干扰；
ii.来自沉淀物/水界面的反射信号的衰减相对较少；
iii.来自沉淀物/水界面的反射信号具有负极性，而水/气体界面会产生具有正极性的反射信号。因此，两种界面差异更大。
虽然本发明的优选实施例利用TDR技术检测高介电介质下面的低介电介质，但是本发明并不局限于此技术，而且还可以利用除了TDR技术以外的技术，包括但不限于调频连续波(FMCW,Frequency Modulated Continuous Wave)和步进频连续波技术(SFCW,SteppedFrequency Continuous Wave)。
最后，需要了解的是在不违背本发明的精神或公开范围的情况下，可对上文所述结构和设置进行修改，改进和/或补充。

Claims (26)

1.一种用于检测具有较低介电常数的第一介质的设备，其中所述第一介质位于具有较高介电常数的第二介质的下方，所述设备包括探针，该探针适用于在其下端发射脉冲信号，使所述脉冲信号在被传递或传输至所述第二介质之前进入所述第一介质。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一介质位于或靠近容器的底部，以及所述第二介质位于所述第一介质的上方。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述探针适用于穿过所述容器的顶部被安装。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述第一介质较稠密而且包括沉淀物，而所述第二介质较不稠密而且包括水和/或气体。
5.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中，所述探针包括传感元件和用于位于或接近其下端时与所述传感元件连接的信号供给线。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述传感元件包括不锈钢棒和导电护罩，而且所述供给线包括共轴电缆。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其中，所述探针包括非导电芯并且所述护罩包括几何结构，其横截面适用于消除或至少减少异物在所述棒和所述护罩之间堆积。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述探针包括所述不锈钢棒和所述共轴电缆之间的阻抗匹配电路。
9.根据前述任一项权利要求所述的设备包括连接至所述探针底端的用于测量多个界面级的多个供给线。
10.根据前述任一项权利要求所述的设备包括连接至所述探针顶端的用于进行低介电界面到高介电界面的测量的一个或多个附加供给线。
11.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中所述设备适于应用时域反射法(TDR)、调频连续波(FMCW)和/或步进频连续波技术(SFCW)的一种或多种。
12.根据权利要求5到11任一项所述的设备包括发射器/接收器，其与可控开关相结合，所述可控开关与所述信号供给线匹配用于发射所述脉冲信号。
13.根据权利要求12所述的设备适于测量单个或多个级/界面并且分别输出单个或多个级/界面的测量结果。
14.一种用于检测具有较低介电常数的第一介质的方法，其中所述第一介质位于具有较高介电常数的第二介质的下方，所述方法包括：提供探针；以及设置所述探针使得在其下端发射脉冲信号，从而使得所述脉冲信号在被传递或传输至所述第二介质之前进入所述第一介质。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一介质位于或靠近容器的底部，以及所述第二介质位于所述第一介质的上方。
16.根据权利要求15所述的方法包括穿过所述容器的顶部安装所述传感元件。
17.根据权利要求14、15或16所述的方法，其中，所述第一介质较稠密而且包括沉淀物，而所述第二介质较不稠密而且包括水和/或气体。
18.根据权利要求14到17任一项所述的方法，其中，所述探针包括传感元件和用于处于或接近其下端时与所述传感元件连接的信号供给线。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述传感元件包括不锈钢棒和导电护罩，以及所述供给线包括共轴电缆。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述探针包括非导电芯并且所述护罩包括几何结构，其横截面适用于消除或至少减少异物在所述棒和所述罩之间堆积。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述探针包括所述不锈钢棒和所述共轴电缆之间的阻抗匹配电路。
22.根据权利要求14到21任一项所述的方法包括将多个供给线连接至所述探针底端来测量多个界面级。
23.根据权利要求14到22任一项所述的方法包括将一个或多个附加供给线连接至所述探针的顶端用于进行低介电界面到高介电界面的常规测量。
24.根据权利要求14到23任一项所述的方法包括应用时域反射法(TDR)、调频连续波(FMCW)和/或步进频连续波技术(SFCW)的一种或多种。
25.根据权利要求14到23任一项所述的方法包括使用发射器/接收器，其与可控开关相结合，所述可控开关与所述信号供给线匹配用于发射所述脉冲信号。
26.根据权利要求25所述的方法适用于测量单个或多个级/界面并且分别输出单个或多个级/界面的测量结果。
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