CN1277350A - 容器的标高测量方法和实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续进行容器标高测量的方法,通过布置在容器壁(1)上的拉姆波激励器(6),在容器壁(1)内触发一系列a₀模式拉姆波脉冲,并且确定对于容器(4)中现时标高在拉姆波激励器(6)和拉姆波接收器(7)之间的这些a₀模式拉姆波脉冲的传播时间(T₂)与当容器(4)空时该拉姆波脉冲在相同路径上的传播时间(T₁)之间的传播时间差(ΔT),此传播时间差(ΔT)用来推出现时标高,该现时标高与该传播时间差(ΔT)成正比。

Description

容器的标高测量方法和实施该方法的装置

本发明涉及容器的标高测量方法和实施该方法的装置。

对容器的标高测量或标高监控来讲，已经知道通过将成电声换能器形式的拉姆波激励器装配到容器壁外侧可在容器壁内产生拉姆波。拉姆波在容器壁的两个表面上呈周期性正弦变形传播，该拉姆波由拉姆波接收器接受，该拉姆波接收器装配在离拉姆波激励器一定距离的同一容器壁上，并且被转换回到电信号。根据容器壁的厚度可以激励不同顺序的波。然而只有零序列或基本模式(零模式)到达表面并导致两个表面的变形。变形可以相对于中心平面对称或不对称(超声技术，一系列专论，总编Lewis Balamuth，Cavitron Corporation，纽约，N.Y.，瑞利波和拉姆波，物理理论和应用，I.A.Viktorov，第3章第69，70和82页)。

直到现在仅零序列对称拉姆波对于在标高测量设备中使用拉姆波来说具有实际重要性。零序列对称拉姆波被称为s₀模式(零对称模式)或对称的基本模式。具体来讲，一旦容器壁的一侧接触不同的介质，这些波的振幅就显著地衰减。这样，如果相应的标高测量装置的拉姆波激励器和拉姆波接收器相互以一定距离安装到容器壁上的标高被监控的区域中，那么由拉姆波接收器接收的信号可以用来指示容器中没有材料位于测量范围内，而信号缺乏或振幅大大衰减的信号表示标高已经超出测量范围。这样，这种装置可用作限定开关，以监控最大和/或最小标高。测量装置或部分测量装置都不会接触容器中的材料，这样甚至可能用在例如爆炸性或刺激性材料的情况。

但是，这些公知的装置不能进行连续的标高测量和监控。

本发明的一个目的是提供连续测量和监控包括管道在内的各种类型的容器中的材料标高的方法和装置。

根据本发明的一种方法可实现上述目的，该方法通过布置在容器壁上的拉姆波激励器，在容器壁内触发一系列a₀模式拉姆波脉冲(零级不对称模式)，并且确定对于容器中现时标高在拉姆波激励器和拉姆波接收器(在容器壁上，该拉姆波接收器与拉姆波激励器保持一定距离)之间的这些a₀模式拉姆波脉冲的传播时间T₂与当容器空时该拉姆波脉冲在相同路径上的传播时间T₁之间的传播时间差ΔT，此时间差用来推出现时标高，该现时标高与该传播时间差ΔT成正比。

因为当不同介质接触容器壁时，在容器壁中被触发的a₀模式拉姆波在它们的振幅中无任何改变，但是，事实上，在两个限定点之间的传播时间发生了变化，根据本发明的方法允许连续监控容器中的标高，该标高具有很高的精度；已经发现测量精度的误差小于1厘米。

在这种情况下，在容器空时a₀模式拉姆波在拉姆波激励器和拉姆波接收器之间的传播时间T₁(适用于具体容器或应用)作为一个参考变量可以储存，以便确定传播时间差ΔT。

因为已经发现a₀模式拉姆波的传播时间是与温度无关的，可能有利的是，可以使用由温度测量传感器记录的测量值对在容器壁中该a₀模式拉姆波的传播时间的变化(该变化由温度波动而导致)进行补偿。

根据本发明，补偿a₀模式拉姆波的传播时间对温度依赖性的另一种选择方法是，连续测量拉姆波在容器的装填范围内延伸的测量路径上的传播时间T₂(随容器中的标高变化而变化)和拉姆波超出装填范围之外延伸的参考路径的传播时间T₁(适用于空容器)。这样，并非是由于标高变化而导致的传播时间的波动可对在每个测量过程中和被测变量的估计值进行自动补偿。

在实施本发明方法的装置的第一实施例中，a₀模式拉姆波接收器或a₀拉姆波发送器可以布置在容器外壁上的最大允许装填标高处，并且a₀模式拉姆波接收器或a₀拉姆波发送器最好紧挨着布置在容器底部上方。这样允许在容器的整个装填标高上连续监测。测量装置的所有部件布置在容器外侧，并且不接触容器内的材料。

a₀模式拉姆波发送器可以经由脉冲发生器和时钟发送器连接到控制器上，并且a₀模式拉姆波接收器可以经由带通滤波器和放大器连接到控制器，同时空容器的a₀模式拉姆波的传播时间由控制器储存。

在容器装填到最大允许标高时，a₀模式拉姆波的传播时间也可由控制器储存。

在实施本发明方法和具有温度补偿的装置的一个实施例中，a₀模式拉姆波发送器可以布置在容器外壁的最大允许装填标高处，第一a₀模式拉姆波接收器可以布置在容器底部上方，并且第二a₀模式拉姆波接收器可以布置在装填范围的外侧，并离a₀模式拉姆波发送器一定距离，在这种情况下，该距离d用作当容器空时连续确定a₀模式拉姆波的传播时间T₁所用的参考测量路径。这样，对在容器壁内触发的每个a₀模式拉姆波脉冲而言，一方面，在一个方向上测量随装填标高变化的传播时间，与此同时，经由在其它方向上的参考路径测量适合空容器的传播时间，这样在形成时间差时，可自动地补偿传播时间的与温度无关的波动。

本发明的方法和实施该方法的装置非常经济同时又是可靠的。在拉姆波接收器或拉姆波传感器和容器壁之间不需要接触糊。而且，不用太复杂即可进行温度补偿。

现在参考附图根据下文的实例详细描述本发明，其中：

图1示意性表示通过传播s₀模式和a₀模式拉姆波容器壁的变形，

图2表示作为标高的函数的a₀模式拉姆波的不同传播时间的视图，

图2a表示容器壁中的a₀模式拉姆波的传播时间和容器中的标高之间的直接的关系图，

图3概要说明本发明的方法，

图4表示在容器上本发明的标高测量装置的第一实施例的主要部分的设置图，

图5表示在容器上本发明的标高测量装置的第二实施例的主要部分的设置图，

图6表示如图4所示的本发明的标高测量装置的框图，

图7表示测量具有如图4所示的测量装置的容器中的标高的流程图，

图8表示如图5所示的本发明的标高测量装置的框图，

图9表示测量在具有如图5所示的测量装置的容器中的标高的流程图。

尽管本发明容许作不同的修改和替换时，其典型实施例已经通过图中所示的实例显示，并将在这里详细描述。然而，应该理解本发明不应限制成所公开的具体形式，而是相反，本发明覆盖了包含在本发明的实质和范围内的如所附的权利要求书所限制的所有的修改，等价物和替代物。

图1示意性表示容器壁的变形，该变形一方面由零阶对称模式s₀拉姆波而另一方面由非对称零阶模式a₀拉姆波导致，以表面声波形式进行传播。这些拉姆波本身可以一种公知的方式由装配在容器壁上的电声换能器产生。为了获得希望的零阶模式s₀或a₀，激发频率必须与材料和容器壁的厚度匹配，其本身是公知的。已知在对称s₀模式的情况下，表面声波同时达到容器壁的两个表面上的最小量和最大量。这样两个表面声波相对于容器壁的中心线对称发送。另一方面，在对称的a₀模式的情况下，一个表面声波的最小量与另一个表面声波的最大量相符，反之亦然。发生的粒子位移由箭头指示。

通过实验已经发现，一旦容器壁的一个表面接触到容器中的材料与s₀模式拉姆波相反，在接触区中的a₀模式拉姆波的振幅不发生任何发声衰减，但是它们的传播时间显著变长。在它们的传播中的该延迟与容器壁和容器中的材料之间的接触区成正比，该材料最好是一种液体。这如图2和2a中的图所示。

图2表示对相应容器中的三个不同标高而言水平地一个在另一个之上并且都从同一点开始在容器壁内的a₀模式拉姆波的传播时间t₁，t₂，t₃(示例性)，在这种情况下短传播时间t₁代表容器空的状态，传播时间t₂代表材料在容器中的中间状态，而最长传播时间t₃代表容器满时的状态。在图2a中，a₀模式拉姆波在容器壁中的传播时间t在水平方向上绘制，并且在该容器中的标高绘制成在垂直方向上的百分比。可以看到a₀模式拉姆波的传播时间与标高成正比增加。

在a₀模式拉姆波的传播时间和容器标高之间的线性关系在本发明中用作容器中的连续标高测量。其原理以简化形式在图3中显示。1表示容器壁的一段，箭头P₁指向容器外壁上的点，a₀模式拉姆波脉冲在该点通过以电声换能器形式的拉姆波激励器触发，并且该拉姆波脉冲用2表示，成圆形在所有方向上传播。在箭头P₃指示的点上，由3表示拉姆波脉冲在容器壁1中在箭头P₂指示的方向上传播，拉姆波脉冲由拉姆波接收器接收并转换成电信号，与此同时确定它在P₁和P₃之间并在容器壁1内沿该最短路径的传播时间(由在容器壁1上的箭头P₂所示)。传播时间定义为在P₁和P₃之间的该(最短)传播路径和拉姆波或拉姆波脉冲的群速C之比。

图4表示横过壁1和容器4的底部8的一部分的横截面，该容器4用最好为一种液体的材料5装填到标高H。拉姆波激励器6和拉姆波接收器7布置在该容器4的外壁1a上的固定位置，并相互保持垂直距离L。通过实例，假设拉姆波激励器6定位在最大允许装填标高处，并且拉姆波接收器7紧挨着布置在容器底部8上。但是，还可能相反布置。

从上述可以得出，由在容器壁1中的拉姆波激励器6触发的a₀模式拉姆波脉冲在容器4中的材料5的(假定)现时标高和拉姆波接收器7之间的区域H中传播，也就是说在容器中的材料5以不同的群速C接触容器内壁1b，该群速C不同于(并且确切地讲低于)在拉姆波激励器6和容器中无材料时的现时标高之间的区域L-H中的群速；换句话说，拉姆波脉冲具有在两个上述区域中的不同传播时间，在区域L-H中的该时间短于在区域H中的该时间。还可以得出，当装填标高变化时，在拉姆波激励器6和拉姆波接收器7之间的拉姆波的整个传播时间同样以相应的方式变化，也就是说随标高上升而增加。

当容器空时或当在拉姆波激励器6和拉姆波接收器7之间的区域L中的容器中无材料时，拉姆波脉冲的传播时间是 $T=\frac{L}{C}$

如果在容器的该区域L中存在材料，则传播时间变化(增加)到T₂；这由在容器中没有任何材料的区域L-H内的传播时间T₁°和在容器中有材料的区域H内的T₂°共同组成，结果是

然后，T₁和T₂之间的时间差ΔT与绝对装料标高成正比，这样 $\mathrm{\ΔT}=T_2-T_1=H(\frac{1}{C_1}-\frac{1}{C_2})$

如果当容器4是空的时，拉姆波脉冲的传播时间T₁是固定的，而且用作测量装置中的校准系数，那么通过连续地测量a₀模式拉姆波脉冲的现时传播时间T₂，该脉冲施加到各容器4上并不断地重复，这样可以连续地监控容器4中的标高。

但是，因为还发现a₀模式拉姆波的传播时间T是与温度无关的，建议例如通过温度传感器校准测量装置。对温度波动补偿和使测量结果与温度无关的另一种方法可包括在保持无材料的容器区域内提供参考测量路径。

图5表示如图4所示的测量装置的这种改进的原理。根据该原理，一个第二拉姆波接收器7’装配到容器4的外壁1a上，并位于最大允许装填标高L上方，而且与拉姆波激励器6保持一个特定的距离d。这样，距离d定义了参考测量路径d。因为在容器4的该区域中从没有任何材料5，所以在这种情况下，在拉姆波激励器6和第二拉姆波接收器7’之间测量的传播时间T_ref总是对应于当容器4空时的传播时间T₁，这样可以用作参考变量，以便当容器4空时，当发生温度波动且群速C₁最终改变时，从它推出分别适用的传播时间T₁，在这种情况下：

和

；也就是说

因此，为了获得与温度无关的测量结果，在校准测量装置时，必须考虑系数L/d。传播时间T₂和由拉姆波发送器6发送的拉姆波脉冲参考传播时间T_ref在指向拉姆波接收器7和7’的两个方向上确定，在瞬时条件下，在空容器中的适用的传播时间T₁由使用系数L/d的参考传播时间T_ref导出，时间差ΔT＝T₂-T₁形成测量变量，该测量变量与现时标高成正比，并且在测量装置的本实施例中，该测量变量与温度无关。在具有温度补偿的测量装置的本实施例中，拉姆波接收器6布置在容器壁1上的最大允许装填标高处(或者高于该标高一个容许量处)，以便在两个方向上进行传播时间测量，这是必不可少的。

图6表示图4所示的标高测量装置的框图。拉姆波发送器6布置在容器4(该容器部分装填有材料5)的外壁1a上的最大允许装填标高处，拉姆波接收器7布置在容器4的外壁1a上，紧挨着布置在容器底部8上方。拉姆波发送器6与脉冲发生器9连接，该脉冲发生器9例如采用电声换能器形式，并且其脉冲输出或脉冲重复频率由控制器11经由时钟发送器10控制。特别使用该软件来储存用于激励容器壁1中的a₀模式拉姆波的数据，并且在一些情况下(例如因为它们取决于材料)对每种应用该数据是由经验确定的。例如，超声波信号的频率f可由经验决定，该超声波信号由拉姆波激励器6施加到容器壁。通过改变超声波信号的频率并通过搜寻拉姆波，该拉姆波的振幅变化ΔA在容器4装填期间是最小的，与此同时，该拉姆波的传播时间变化ΔT是最大的，因此，可以最佳设置a₀模式拉姆波。拉姆波接收器7记录了拉姆波脉冲在容器壁1的直达路径上传播，并且将它们转化回到电信号。在信号经过放大器13发送到控制器11前，可以有利地将副干扰波从带通滤波器12中的该信号截去，以便估计和确定传播时间差ΔT。为达此目的，当容器4空时必须储存拉姆波脉冲的传播时间T₁(该传播时间T₁适用相关的应用)，而且，当容器4中装填的材料5达到最大允许标高时必须储存容器4的传播时间。瞬时标高可以直接从传播时间差ΔT读到。

建议从电声换能器以波长的一半λ/2拾取脉冲，以使测量装置对外部影响，例如摇动和外部振动不敏感。

图7表示测量容器中的标高的流程图。其中使用如图4所示的测量装置。

图8表示如图5所示的本发明的标高测量装置的框图。

图9表示测量容器中的标高的流程图。其中使用如图5所示的测量装置。

尽管已经在附图和前述说明书中图示和描述了本发明，这种图示和说明被认为是典型的而非限定其特征的，可以理解上面仅图示和说明了典型的实施例，在本发明的实质范围内作出的所有改变和修改都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.容器的标高测量方法，根据该方法，通过布置在容器壁(1)上的拉姆波激励器(6)在容器壁(1)内触发一系列a₀模式拉姆波脉冲，并且确定对于容器(4)中现时标高在拉姆波激励器(6)和拉姆波接收器(7)(设置在容器壁(1)上与拉姆波激励器(6)保持一定距离)之间这些a₀模式拉姆波脉冲的传播时间(T₂)与当容器(4)空时该拉姆波脉冲在相同路径上的传播时间(T₁)之间的传播时间差(ΔT)，而且此时间差(ΔT)用来推出现时标高，该现时标高与该传播时间差(ΔT)成正比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当容器空时，在拉姆波激励器(6)和拉姆波接收器(7)之间的a₀模式拉姆波的传播时间(T₁)作为参考变量储存在软件(11)中，以便确定传播时间差(ΔT)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在容器壁(1)中的a₀模式拉姆波的传播时间中的变化(由温度波动引起)受到补偿做为由温度测量传感器所测值的函数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在容器(4)的装填范围内延伸的测量路径(L)测量拉姆波的传播时间(T₂)(该传播时间随容器(4)内的标高而变化)，并在超过装填范围之外延伸的参考路径(d)测量经过该路径(d)的拉姆波的传播时间(T₁)(适用于空容器(4))。

5.一种实施如权利要求1至3中任意一个所述的方法的装置，其中a₀模式拉姆波发送器(6)或a₀模式拉姆波接收器(7)布置在容器(4)的外壁(1a)上的最大允许装填标高(L)处，并且a₀模式拉姆波接收器(7)或a₀拉姆波发送器(6)紧挨着布置在容器底部(8)上方。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，a₀模式拉姆波发送器(6)经由脉冲发生器(9)和时钟发送器(10)与软件(11)连接，并且a₀模式拉姆波接收器(7)经由带通滤波器(12)和放大器(13)与软件(11)连接，其中空容器(4)的a₀模式拉姆波的传播时间(T1)在该软件中储存。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，当容器(4)装填到最大允许标高时，a₀模式拉姆波的传播时间(T₃)也储存在软件(11)中。

8.实施如权利要求4所述的方法的装置，其特征在于，a₀模式拉姆波发送器(6)布置在容器(4)的外壁(1a)上的最大允许装填标高(L)处，第一a₀模式拉姆波接收器(7)紧挨着布置在容器底部(8)上方，而第二a₀模式拉姆波接收器(7’)布置在装填范围的外部，并离a₀模式拉姆波发送器(6)保持一定距离(d)，在这种情况下，该距离(d)用作参考测量路径，以便当容器(4)空时连续确定a₀模式拉姆波的传播时间(T₁)。

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