[其他]利用弹性波测量液面高度的方法及其所用装置

说明书

本发明涉及一种测量液面高度的方法。更确切地说，本发明的目的是利用弹性波测量液面高度，该弹性波最好是超声波频率，它在一个沿纵向运动的管子内，每一个灌满液体的容器都是由这个管子做成的。

本发明还涉及采用这种测量方法的装置。本发明不只限于这种应用，它还能用来测量装在各种不同型式容器里的任何液体表面的高度。

例如，本发明的一个典型应用可以是涉及装牛奶的容器或其它由软合成材料制造的容器方面的。

在本发明明确涉及的特殊方法中，这种容器是在它们被灌装液体的同时做成的，也就是说，合成材料管（下文称之为“卡片管”）是由这种材料的带材做成的。

用已知的方法沿着母线将这种卡片管焊好，并将液体灌入到事先定好的高度，保持不变。

一个适当的装置在低于液面的地方把卡片管切割成单个容器，并用已知的方法将其密封。

本发明的明确目标是测量用合成材料带材料做成的卡片管内的液面高度，如前所述，卡片管是沿纵向运动的。

这种测量的重要就在于如果要使液体不溢出卡片管，液面高度就绝对不能超过某一预置的最大值。本发明特别适用于在无菌条件下测量液面高度。

迄今为止，对于这种应用，现有技术采用的是在无菌区域内使用动态插入元件（例如浮体）或静态元件（例如传导探头），这种随之而来的问题是维修保养和无菌操作。

因此，本发明的目的就是提供一种液面高度测量装置，它不需要任何与液面接触的工作元件，象浮体或类似的液面传感器。本发明进一步的目的是将灌装厂通常所用的进料管作为测量信号传输回路的一个元件。

已经发现由于通过卡片管的信号衰减太大，用传统的传输方法进行这种测量是不可能的。

事实上，在这种测量方法中，在卡片管相对的两侧面分别放置了一个信号发射器和一个信号接收器。因为卡片管是沿纵向连续运动的，所以发射器和接收器都不能与卡片管相接触。

因此，在振荡源（例如超声波）、空气、卡片管、液体、又一层卡片管和空气之间的通路中没有适当的声阻抗匹配。

声阻抗的这种不匹配导致信号衰减120分贝的数量级。因此，以这种方式工作，无法进行任何测量。

本发明的目的就是要获得声波，特别是超声波振荡的一种传播方法，其衰减后的信号值可以被测量并且保持可接受的信噪比。

在较佳实施例中，将进料管本身作为传输回路中的一个元件，达到了这一目的。

在这种方法中可以获得适当的声阻抗匹配，以使完成测量所需的足够幅度的信号能够传输。事实上，通过一个适当的传感器，弹性波振荡可以直接传输给进料管。

根据本发明，通过放置在传感器和进料管之间的阻抗匹配器，从传感器到进料管的传输声阻抗很方便很好地匹配。

本发明依靠进料管自身的径向和挠性振荡模式实现通过进料管的信号传输。这使得信号很好地传输到灌装的液体上。

事实上，在液体中弹性场只沿纵向传播，因此，只有很小一部分能量由管子的纵向振荡模式传递给液体，除非进料管具有的特性阻抗非常接近于液体的特性阻抗。例如使用弹性材料可以得到这样的结果，但是这种材料不仅会产生很大的衰减而且也不适于制作进料管。

使进料管的表面径向变形，可以在液体中引起纵向振荡模。适当地选择进料管的振荡模式和声波的传播速度，可以获得固有阻抗匹配。

根据本发明，采用了一种可以在现有进料管内传输并能有效地将能量传输给液体的振荡模式。

可以做到改变进料管的几何尺寸，以使其阻抗几乎与液体的阻抗相等。如果阻抗是以这种方式匹配的话，就会减少反向散射的发生，并且所传输的大部分能量能够到达卡片管的外表面。

本发明还采取措施消除由于驻波的存在而对进料管产生的影响，这是通过频率调制来实现的，不过调制波限制在载波的百分之几的范围内，并且其目的是在进料管表面上，取代一个周期内驻波的最大值和最小值。用这种方式获得了与行波同样的平均结果。

卡片管发射的弹性场有很强的方向性。这一事实很重要，因为它能使测量具有很好的空间分辨率。

与空气和液体之间的不连续相一致，其声场强度的变化是非常急剧的，这时即使使用的接受器只是稍微具有一点儿方向性，也能得到精确的测量。

本发明以各种不同的方法接收卡片管发出的超声波振荡信号。

第一个较佳实施例是使用放置在卡片管附近的接收器阵;这种阵由许多平行于卡片管母线的单元组成。用这种方法获得的分辨率是这种单元相互之间距离的函数。

由阵单元检测到的信号，可以对阵的所有单元用并行方式处理，也可以用扫描方式处理。另外还可以使用二者结合的测量方法。