CN102239392A - 对水平传感器或关于水平传感器的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水平传感器，优选地提供了一种水平开关，其在使用中被安装在要监测流体水平的位置处，以及使用相对低分辨TDR电路仅在湿状态与干状态之间进行区分。

Description

对水平传感器或关于水平传感器的改进
技术领域
本发明涉及水平传感器。
背景技术
对能够指示容器(tank)中内容的水平的设备存在正在发生的需求。这些分成两个基本的组。第一组包括能够在连续基础上指示水平的设备。这包括这样的设备：该设备使得从内容的水平上方向内容发射超声脉冲或雷达脉冲，然后分析来自内容的表面的反射脉冲以确定该水平到发射器的距离。该第一组还包括根据时域反射测试(TDR)原理工作的装置，其中电磁脉冲沿向下延伸到容器中并在容器内容的水平以下的波导传播。在波导一般以钢条或电缆的形式进入内容的位置处，部分脉冲能量沿波导反射回去。能够分析来自内容的表面的反射脉冲以确定内容的水平。
连续水平测量涉及相对复杂和潜在昂贵的电子硬件，以确保测量准确度。
第二组包括被称为水平开关的装置。这些仅指示容器内容的预定义的流体水平。该组包括浮标(float)，当内容上升到定义的水平或从定义的水平下降时，该浮标漂浮在内容的表面上并提供信号以操作截止阀(cut-off valve)。该组中的其它装置包括振动叉(vibrating fork)装置，使该振动叉装置以其自然的振动频率振动。监视该工作频率，以及当工作频率由于液体水平正上升时叉开始与液体接触而下降时，或者当工作频率由于液体水平下降时叉变为无覆盖而上升时，内容的水平已知。
振动叉装置被广泛使用，并且大部分是便宜的和可靠的。但是，振动叉装置具有限制，最大的一个限制是使用这些装置局限于工作在大约250℃以下的温度的环境。在250℃以上的温度，用来将振动分给叉的压电晶体通常遭受破坏。随着振动叉装置的制造会出现另一问题，其中，振动叉装置需要包括长的延伸管(extension tube)，使得能够关于要监控的流体正确地定位叉组合件。制造具有长的延伸管的装置是困难的，因为在制造期间引入到叉结构中的不平衡将极大地减小检测灵敏度。最后，压电晶体通常包含铅(lead)，因此不被认为是环境友好的。
本发明的目的是提供一种方法和/或设备，其解决以上提及的缺点中的至少一些，或者其将至少提供新颖的和有用的选择。
发明内容
相应地，在一个方面，本发明提供一种确定第一介电常数的第一流体与第二介电常数的第二流体之间的界面何时位于定义的水平处的方法，该方法包括：提供具有外端的电磁传输线；通过时域反射测试(TDR)技术使电磁脉冲沿该传输线传播以及沿该传输线反射回去；以及检测初始时间参考与反射脉冲的接收时间之间的时间间隔，该方法特征在于包括：
将该传输线安装在该定义的水平处；以及
根据对该初始时间参考与从该外端反射的脉冲的接收之间的时间间隔的观测，仅评估该传输线是在该第一流体中还是在该第二流体中。
优选地，该传输线从壳体延伸，该方法还包括通过使该传输线在该壳体内或在安装到该壳体的连接器内的阻抗发生阶跃改变(step change)，来确立该初始参考时间。
本文中定义的方法特别适合于需要将传输线安装在延伸管上的应用。
该方法可被应用来确定在其上方具有空气或另一气体的液体的水平。该方法还可被应用来确定在其上方具有空气或另一气体的可流动固体的水平，其中，可流动固体例如为颗粒和粉末。另外，该方法可被应用来确定不同介电常数的两个液体之间的界面的水平。
该方法可被应用来确定导电液体的水平，其中，评估该传输线是否在该导电流体中的步骤包括搜索使该传输线短路的液体所生成的正反射信号的步骤。
在第二方面，该方法提供了一种用于确定第一介电常数的第一流体与第二介电常数的第二流体之间的界面何时位于定义的水平处的水平传感器，该传感器包括：具有外端的电磁传输线；电磁脉冲生成器，其用于通过时域反射测试(TDR)技术使电磁脉冲沿该传输线传播和沿该传输线反射回去；以及检测装置，其用于检测初始时间参考与反射脉冲的接收时间之间的时间间隔，该传感器特征在于：
在使用中将该传输线安装在该定义的水平处；以及
该检测装置用于根据对该初始时间参考与从该外端反射的脉冲的接收之间的时间间隔的观测，仅评估该传输线是在该第一流体中还是在该第二流体中。
优选地，该传感器包括生成该初始时间参考的阻抗阶跃改变。该阶跃改变可定义在形成传感器的部分的壳体内或在安装到该壳体的连接器内。
优选地，该传输线由叉组合件的分叉(tine)来定义。
优选地，该叉组合件包括两个分叉。
替选地，该叉组合件包括三个分叉。上述分叉可覆有薄塑料层，无论数目上是两个或三个。
优选地，这些分叉至少之一包括在其根部附近的绝缘体。
优选地，该传输线从壳体(body)延伸。优选地，该壳体由不锈钢形成。
优选地，通过塑料或陶瓷绝缘材料将该传输线定位在该壳体之内。更优选地，该绝缘材料包括聚醚醚酮PEEK。
优选地，在该绝缘材料与该壳体之间提供一个或更多个密封(seal)。
本领域技术人员会想到执行本发明的方式的许多变型。以下的说明旨在仅示出执行本发明的一种方式，而且缺少对变型或等同物的描述不应被认为是限制。尽可能的，对具体元件的描述应当被视为包括现在或将来存在的其任意等同物或全部等同物。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出根据本发明的水平传感器的典型安装；
图2示出穿过根据本发明的水平传感器的第一实施例的横截面图；
图3示出图2中示出的传感器的工作电路方框图；
图4示出图2中示出的传感器在空气中工作的信号轨迹；
图5示出图2中示出的传感器在水中工作的信号轨迹；
图6示出图2中示出的传感器在植物油中工作的信号轨迹；
图7示出穿过根据本发明的水平传感器的第二实施例的横截面图；
图8示出图7中示出的传感器在空气中工作的信号轨迹；
图9示出图7中示出的传感器在水中工作的信号轨迹；
图10示出图7中示出的传感器在植物油中工作的信号轨迹；
图11是示出用于确立本发明中使用的阈值的技术的图。
具体实施方式
本发明提供了一种方法和/或设备，其用于确定流体界面在定义的水平处的存在。在该上下文中，“流体”应当以其最宽的解释来考虑，而且可包括气体/液体界面、和气体/液化固体界面、和/或液体/液体界面。
本发明执行与传统的音叉(tuning fork)水平检测器相同的通用功能。但是，在这种情况下，取代正被安装在要检测的水平处的震动叉，安装电磁传输线。在使用中，通过时域反射测试(TDR)技术使电磁脉冲沿传输线传播以及沿传输线反射回去，检测发射脉冲与反射脉冲之间的时间间隔。但是，与传统的TDR水平测量装置不同，我们仅对来自传输线末端的反射感兴趣，相应地，以仅到确定传输线与紧邻界面的流体中的哪个相接触的程度，分析时间间隔。因此，能避免通常与TDR水平测量相关联的高准确度和高成本的电子硬件。
参考图1，如同传统的振动叉水平传感器一样，电磁传输线水平传感器可以以多种不同的方式安装在容器T上，以便监视第一流体F1与第二流体F2之间的界面I的水平。因此，将传感器S1水平安装在容器壁的下部，以便检测界面I的下部位置。从容器的上部边缘或盖子垂直安装传感器S2，以检测界面I的上部位置。也垂直地但是在延伸管E的下端上安装传感器S3，以再次检测界面I的上部位置，虽然是在比传感器S2检测的位置更低的位置处。由于当与安装在延伸管上的振动叉相比时，没有由叉不平衡引起的检测灵敏度的损失，因此根据本实发明的传感器特别适合与延伸管联合使用。
如以下将更详细描述的，本发明依靠具有不同介电常数的流体F1和流体F2，以及具有传感器电子部件SE的传感器S1、S2或S3，仅当流体F2的水平L上升到与传感器的水平相接触或下降到传感器的水平以下时，传感器S1、S2或S3才响应。当传感器在湿和干之间的状态中变化时，传感器电子部件SE检测该变化，以及生成适当的信号，例如警报信号或开关信号。
如能从图2中看出的，通过具有分叉10的对的叉组合件来定义传输线水平传感器。分叉10从杆11的对延伸，杆11包在绝缘材料12的体内，绝缘材料12保持在外壳体或壳体13中。杆11的内端14连接到在15处的TDR电路。分叉的根部16(其中，分叉10进入绝缘材料并连接到杆11)可由绝缘涂层或套管17包围。这防止当传感器在使用中时使两个分叉短路的任何水冷凝。
分叉优选地由不锈钢形成，而且能够覆有诸如TEFLON的塑料材料的薄层。分叉的形状，以及分叉之间的间隔，可被设计成确保对与分叉相接触的介质的高灵敏度，以及沿分叉的长度保持基本上不变的阻抗。绝缘材料12优选地为聚醚醚酮(PEEK)，同时外壳体13方便地由不锈钢形成。但是，能够想到的是，可使用替选材料，其包括(但不限于)用于绝缘材料的陶瓷以及用于壳体13的钢和合金。
尽管对本领域技术人员来说，密封的替选形式是很容易想到的，可在绝缘材料12与外壳体13的内表面之间、以及绝缘材料12与杆11之间设置诸如O形圈的密封。
为了以节省成本的方式根据TDR原理来工作，必须生成初始时间参考。在示出的形式中，这是通过在20处的阻抗阶跃变化来实现的。应该将该阶跃变化20定位在离分叉根部16大约20到100mm处。作为对阶跃变化20的替换，能够修改杆11的直径和/或间距，在杆的内端14的附近使用不同的绝缘体，或者能够设计连接器15以生成所需要的阻抗。
短的、细的杆11的使用，以及分叉10附连到杆11之处的直径的改变，确保使在分叉根部16处的阻抗失配最小。这反过来减少参考信号和反射(或检测)信号中的干扰。
如上所述，本发明中具体化的TDR设备被配置成仅确定分叉10是湿还是干。
湿情形和干情形之间的时间差可通过以下公式来计算：
δt＝2*L*(εr-1)/(con*co)
其中，L是分叉的长度
εr是流体的相对介电常数
co是光在真空中的速度
con是略小于1且取决于传输线类型的常数
能够想到的是，如果假设con等于1，这将得出时间差计算的最小情况或最差情况。
表1示出了针对不同叉长度和具有不同介电常数的介质而观测的最小时间差。假设现有的商业TDR水平测量设备能够准确地测量下至5ps的时间差，则使用TDR原理来仅确立湿情形或干情形的可行性是明显的。
根据本发明的传感器与具有低介电常数的介质一起工作的能力将取决于分叉的长度和TDR电路的质量。但是，如果假设时间差的阈值为100ps，以及允许如以下更详细描述的在100ps附近的一些余量，从表1能够看出，具有60nm长度的分叉的传感器将能够检测具有最小介电常数1.75的介质的湿情形或干情形。这包括大量的工业流体介质。
能够以许多不同的方式来实现适合于在本发明中使用的TDR电子电路，其中之一示出在图3中。特别地，所提出的方法使得不需要美国专利5,345,471(McEwan)中描述的那种类型的精度采样电路。
参考图3，晶体振荡器50生成提供到微控制器51的时间参考，以实现等同时间采样。本文中提出的技术是美国专利3,010,071(Carlson)中描述的双斜波(dual ramping)技术。微控制器51生成两个控制脉冲，短时间间隔脉冲和长时间间隔脉冲。将短时间间隔脉冲提供到产生短的、陡峭的波形的快斜波生成器52，同时将长时间间隔脉冲提供到产生阶梯波形的慢斜波生成器53。将两个波形提供到比较器54，该比较器54控制延迟的接收门55的功能。接收门55使用阶跃恢复二极管(step recoverydiode)和快速逻辑开关(fast logic switch)的组合来生成接收脉冲。
微控制器51还将短时间间隔脉冲提供到发送脉冲生成器56，与接收脉冲生成器55一样，该发送脉冲生成器56使用阶跃恢复二极管和快速逻辑开关的组合来生成发送脉冲。
将发送信号和接收信号均施加到全二极管桥式解耦器(full diodebridge decoupler)57，该全二极管桥式解耦器57生成表示参考信号与反射信号之间的时间间隔的信号。美国专利3,597,633(Hirano)中更详细地描述了全二极管桥式解耦器。分离器57的输出在58处被放大，接着在59处经过信号处理。特别地，信号处理步骤涉及将阈值施加到测量的时间差上，以确定测量的时间差是表示湿情形还是干情形。
阈值时间差或表示湿与干之间的状态的改变的时间差是取决于分叉长度的预定义值。例如，该值可通过时间间隔来定义，该时间间隔是分叉的一半长度浸没在具有例如1.75的最小工作介电常数的流体中的时间间隔。因此，阈值(Tthreshold)能通过以下来确定：
Tthreshold＝(εr-1)*L/co+To＝0.75*L/co+2*L/co
其中，To是空气中的时间间隔
εr是流体的相对介电常数
L是分叉长度
co是光在真空中的速度
参考实际中的图11，为了使传感器更可靠地执行，优选地在计算的Tthreshold的每一侧确立阈值区域，该阈值区域提供例如20％的余量。因此，传感器将在T1＝Tthreshold*(1-0.2)处检测从干到湿的状态，同时在T2＝Tthreshold*(1+0.2)处检测从湿到干的状态。
这会防止当液体水平刚好在开关点处时传感器呈现不稳定性。
另外，如果以上公式中的εr远大于1.75，则能够将以上公式中的εr调整到更接近于工作介质的介电常数。
示例I
如上所述，对具有以下尺寸的传感器的原型形式进行了一些实验：
Figure BPA00001382608000071
Figure BPA00001382608000081
外壳体13由不锈钢形成，而绝缘材料12由聚醚醚酮PEEK形成。
原型传感器由类似于图3所示的原型TDR电路激励，但是具有正通过双晶体振荡器而不是双斜波而实现的序列采样。双晶体振荡器在更长的范围内给出更好的线性，因此在更短的范围内与双斜波技术没有大的不同。
主晶体振荡器具有3.58MHz的频率。晶体振荡器的频率差是44Hz，该44MHz给出(giving)大约81363的时间扩展因子和大约3ps的等同脉冲重复率。
图4、图5和图6分别示出针对空气(εr＝1)、水(εr＝～80)和植物油(εr＝～3)观测到的信号轨迹。在每种情况中，以Ttx示出参考点的位置，而以Trx示出分叉末端处的反射的位置。在所有情况中的时间间隔为Trx-Ttx。
将观测到的是，在伸展的时基中的时间差(时间间隔的改变)针对空气/油为20μs，以及针对空气/水为298μs。这些读数分别对应于实际时间中的246ps和3663ps。
现在转向图7，示出传感器的第二实施例具有三个分叉，以及基于同轴传输线。如所能看出的，长的中央分叉31从中央杆32延伸，中央杆32被定位在绝缘块33中，与上述实例一样，绝缘块33优选地由聚醚醚酮PEEK形成，还可由陶瓷形成。块33又被稳固地定位在不锈钢外壳体34中。两个侧分叉35从壳体34的相对侧延伸，以及延伸到中央分叉31的相反侧。
中央分叉的根部用套管或涂层36环绕，以防止侧分叉与中央分叉之间的短路。O形圈37形成中央杆32与绝缘体33之间的密封，以及绝缘体33与外壳体34之间的密封。如果预期在危险环境中使用，则中央分叉31和侧分叉35可覆有诸如TEFLON的塑料材料的薄层。
与上述实施例一样，必须提供装置以生成发送信号中的参考点。在所示的形式中，这通过在38处、即在中央杆32的内端处提供突然的阻抗改变来实现。该阻抗改变的位置到中央分叉31的根部40为20到100mm。
应当指出的是，侧分叉35比中央分叉31更短。侧分叉35越长和越宽，则从中央分叉31的末端反射的信号越强。但是，当在包含高粘性液体的环境中使用传感器时，将侧分叉35变长和变宽也会增加覆盖的可能性。实际上，选择侧分叉的长度和宽度，以平衡信号大小和可靠性的要求。假定侧分叉的长度还影响在中央分叉的根部处的反射信号的大小，已经发现侧分叉的有效长度在中央分叉长度的三分之一与三分之二之间。
传感器的该实施例由图3所示的TDR电路来驱动。
实施例II
如上所述，对具有以下尺寸的传感器的原型形式进行了一些实验：
Figure BPA00001382608000091
外壳体34由不锈钢形成，而绝缘材料33由聚醚醚酮PEEK形成。通过将杆32的直径减少到2mm以及提供在减少的直径附近的6.5mm直径的PTFE绝缘套管，来形成参考点生成器。
传感器由与以上示例I中描述的相同的原型TDR电路来驱动。
现在参考图8、图9和图10，这些分别示出传感器在空气中、在水中和在植物油中的信号轨迹。植物油与空气之间的时间差为20μs，以及空气与水之间的时间差为454μs。
当与以上两分叉示例相比时，两个传感器在空气/油环境中呈现相同的性能，但是在空气/水中，三分叉示例由于传输线结构的不同而示出时间差的显著增加。
在两个示例中，当传感器与诸如水的高导电液体一起工作时，使液体短路的液体生成大量的正反射信号。当存在导电介质时，还可使用正峰值与负峰值之间的时间间隔来检测传感器的湿条件。对于两分叉传感器，水中的正峰值与空气中的负峰值之间的时间间隔为44μs，而对于三分叉传感器，水中的正峰值与空气中的负峰值之间的时间间隔为30μs。
应当能够想到的是，可调整三分叉传感器的侧传感器35的长度，以便改变点，该点是传感器指示湿/干情形的改变的点。这是三分叉传感器优于两分叉传感器的具体优点。
虽然参考确定空气中的液体水平已经描述了本文中的示例，但是本领域技术人员将很容易想到，本文中描述的方法和设备可被等同地应用来确定不同介电常数的材料(特别是液体)之间的界面水平。仅通过示例的方式，该方法和设备可被应用来检测油与水之间的界面的水平。
因此，本发明提供了水平传感器，以及更具体地提供了水平开关，其能够在高温环境中工作，能有效地安装在任意长度的延伸管上，以及具有非常简单的、无毒的感测部分。

Claims (19)

1.一种确定第一介电常数的第一流体与第二介电常数的第二流体之间的界面何时在定义的水平处的方法，该方法包括：提供具有外端的电磁传输线；通过时域反射测试(TDR)技术使电磁脉冲沿所述传输线传播以及沿所述传输线反射回去；以及检测初始时间参考与反射脉冲的接收时间之间的时间间隔，所述方法特征在于，包括：
将所述传输线安装在所述定义的水平处；以及
根据对所述初始时间参考与从所述外端反射的脉冲的接收之间的时间间隔的观测，仅评估所述传输线是在所述第一流体中还是在所述第二流体中。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述传输线从壳体延伸，所述方法还包括：通过使所述传输线在所述壳体内或在安装到所述壳体的连接器内的阻抗突然改变，来确立所述初始参考时间。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括将所述传输线安装在延伸管上。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述的方法，被应用来确定在其上方具有空气的液体的水平。
5.一种如权利要求1至3中任一项所述的方法，被应用来确定在两个液体之间的水平，其中，每个液体具有不同的介电常数。
6.一种如权利要求1至3中任一项所述的方法，被应用来确定在其上方具有空气的可流动固体的水平，其中，所述可流动固体例如是颗粒和粉末。
7.一种如权利要求1至4中任一项所述的方法，被应用来确定导电液体的水平，其中，评估所述传输线是否在所述导电液体中的步骤包括搜索使所述传输线短路的液体所生成的正反射信号的步骤。
8.一种用于确定第一介电常数的第一流体与第二介电常数的第二流体之间的界面何时位于定义的水平处的水平传感器，所述传感器包括：具有外端的电磁传输线；电磁脉冲生成器，其用于通过时域反射测试(TDR)技术使电磁脉冲沿所述传输线传播和沿所述传输线反射回去；以及检测装置，其用于检测初始时间参考与反射脉冲的接收时间之间的时间间隔，所述传感器特征在于：
在使用中所述传输线被安装在所述定义的水平处；以及
所述检测装置用于根据对所述初始时间参考与从所述外端反射的脉冲的接收之间的时间间隔的观测，来仅评估所述传输线是在所述第一流体中还是在所述第二流体中。
9.如权利要求8所述的水平传感器，包括生成所述初始时间参考的阻抗阶跃改变。
10.如权利要求9所述的水平传感器，其中，所述传感器部分地由壳体形成，所述阻抗阶跃改变形成在所述壳体内或在安装到所述壳体的连接器内。
11.如权利要求8至10中任一项所述的水平传感器，其中，所述传输线由叉组合件的分叉来定义。
12.如权利要求11所述的水平传感器，其中，所述叉组合件包括两个分叉。
13.如权利要求11所述的水平传感器，其中，所述叉组合件包括三个分叉。
14.如权利要求12或13所述的水平传感器，其中，所述分叉覆有薄塑料层。
15.如权利要求11至14中任一项所述的水平传感器，其中，所述分叉中的至少之一包括在其根部附近的绝缘体。
16.如权利要求10所述的水平传感器，其中，所述壳体由不锈钢形成。
17.如权利要求16所述的水平传感器，其中，通过塑料或陶瓷绝缘材料将所述传输线定位在所述壳体内。
18.如权利要求17所述的水平传感器，其中，所述绝缘材料包括聚醚醚酮PEEK。
19.如权利要求17或18所述的水平传感器，其中，在所述绝缘材料与所述壳体之间设置一个或更多个密封。
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