CN1129977A - 用于超声波传感器的自测试设备 - Google Patents

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劳伦斯·琼斯
伯里斯·若塞尔森
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    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Abstract

一种超声波液位传感器(40)包括一个用于自测试的耦合元件(42)。该传感器(40)包括一个间隙(20)和一对由该间隙(26)隔开的换能器(14，16)。该传感器(40)检测该间隙(20)中液体的存在。超声波耦合元件(42)在这两个换能器(14，16)之间延伸并在声学上把它们耦合在一起。该耦合元件(42)用来测试超声波传感器的完整性。

Description

用于超声波传感器的自测试设备
发明背景
本发明涉及一种超声波传感器，它用来测量位于一个空间中的材料的物理性质，更确切地说，涉及这样一个传感器的自测试。
已知的设置在容器中的超声波液位传感器包括一个传感器壳体，该壳体围绕其外侧上的一个间隙或槽口布置。当容器中的液位升高时，液体流进该间隙并通过穿过间隙中的液体来发射超声波能以此加以检测。壳体中的一对超声波换能器或晶体经一个树脂发射层并穿过间隙中的液体来发射声能，该树脂发射层把晶体粘接于壳体内侧并提供用来提高发射效率的声学阻抗匹配。在严酷的使用条件下，晶体可能失效或者发射层的粘接可能失效，所以有必要对这些失效进行测试。
除了穿过间隙中的液体这一发射路径外，还有在晶体之间经过壳体本身的第二发射路径。过去，沿着围绕间隙穿过金属壳体的这个第二路径的测试发射，曾是当间隙中没有提供发射的液体时用来测试传感器工作状态的满意手段。在属于Silvermetz等人的美国专利4,299,114中描述了这样一种自测试。
然而，当使用诸如聚合物、树脂之类(通常称为“塑料”)的非金属材料制作壳体时，用壳体本身作为测试发射路径就有问题了。这些非金属材料作为温度的函数而改变其声发射性质。这种变化可能很大，而且从某一批生产的塑料到下一批是相当不可预测的，使得难以开发对这种变化的可靠的电子补偿。
穿过该塑料所发射的测试信号在极端的温度下是不可预测的，会给出传感器有毛病的错误指示。因而在超声波传感器中有必要提供一种可靠的测试配置，该配置不依赖围绕间隙并穿过塑料壳体的测试信号的发射。
发明内容
本发明是一种用于超声波液位传感器的自测试设备。该传感器包括一个壳体，该壳体形成一个间隙。超声波耦合材料设置在邻近该间隙的壳体内侧，并承装第一和第二换能器。诸换能器通过跨越间隙的第一路径并通过第二路径发射超声波能。该第二路径包括一个金属元件，该元件在该第一和第二换能器之间提供超声波耦合。该第二路径用作传感器工作的自测试。
附图概述
图1是一种先有技术超声波液位传感器的剖视图；
图2是一种按照本发明的超声波液位传感器的剖视图；以及
图3是按照本发明的超声波液位传感器的支撑结构的详细剖视图。
本发明的最佳实施方式
图1是一种先有技术超声波液位传感器10的剖视图。传感器10包括支撑结构12、超声波发射换能器(晶体)14和超声波接收换能器(晶体)16。换能器14和16这样安装于支撑结构12，以使它们跨越间隙20发射和接收超声波信号22，并沿杆18发射和接收超声波信号23。传感器14与间隙20之间及传感器16与间隙20之间的界面称为传感器体窗口。
发射换能器14经由电气引线32连接于发射器30。发射器30向换能器14周期性地供给电子发射脉冲。当发射器30向换能器14发出一个发射脉冲时，该脉冲给换能器14赋能，使它按其固有频率谐振。换能器14发出分别穿过间隙20和杆18的超声波信号22和23。穿过间隙20的超声波信号是用来检测液体的主波形而穿过杆18的信号是自测试波形。接收换能器16把超声波信号22和23转换成一些电信号，这些电信号经电气引线36供给接收器34。
当间隙20没有液体时，主波形的衰减明显地大于有液体时的衰减。在超过几kHz的高频下吸收特别大。当间隙20是空的时候，穿过该间隙的信号基本上为零。当间隙20充满液体时，换能器16收到该主波形。该主波形使换能器16谐振并产生电气信号。因而，在接收换能器16处有无该主波形就代表着间隙20中有无液体。
通过检查穿过杆18的超声波信号23，能监测超声波传感器10的状态。如果换能器16和18工作并正确地耦合于支撑结构12，则自测试信号23应具有某种预定的特性(例如超过一预定的最小值的信号强度)。如果杆18由金属构成，则该预定特性是相对恒定的。然而，如果用诸如聚合物、树脂等(即“塑料”)非金属材料来构成结构12，则该结构的声学性质遭受由于诸如温度之类外部影响的很大变化。这些变化不仅大，而且从某一批生产的材料到另一批是相当不可预测的，使得难于对这些变化进行可靠的补偿。
本发明提供一种超声波自测试信号波导，该波导经传感器壳体的桥部延伸，并在声学上把该发射换能器与该接收换能器耦合。
图2是一种按照本发明的超声波传感器40的剖视图。传感器40的许多元件与传感器10的相同，图2的标号反映了这种相同性。然而，支撑结构12可以是非金属的，这并不有损于该传感器的自测试操作。传感器40包括经桥部18在换能器14和换能器16之间延伸的超声波耦合元件42。超声波耦合元件42超波导的作用并在换能器14与16及两个传感器体窗口之间传送超声波信号。在一个最佳实施例中，超声波耦合元件42是由一种具有超声波信号传送特性的材料制成的，该特性在应用的温度范围内就诸如温度之类的外部影响而言是相当稳定的。金属就是这样的一种耦合元件。在其中支撑构件12为诸如聚合物、树脂之类(即塑料)非金属的场合，超声波耦合元件42为自测试期间的使用在换能器14和换能器16之间提供可靠而稳定的超声波耦合。
图3表示超声波传感器40的支撑结构12的详细剖视图。引线32和36是屏蔽的，一般为同轴电缆。换能器14和16分别用声学匹配层44和46耦合于间隙20。一般来说，层44和46由环氧树脂组成。
按照本发明的超声波耦合元件42在换能器14与16之间提供声学耦合。元件42以很低的衰减在换能器14与16之间传送超声波信号。元件42包括金属元件48和声学隔离层50。在一个最佳实施例中，金属元件48为由例如铜制成的导线而隔离层50为环绕元件48的特氟隆管层(tubing)。金属元件48伸进声学匹配层44和46中并有位于换能器14与间隙20之间的第一端和位于换能器16与间隙20之间的第二端。支撑结构12充以绝缘材料52，如环氧树脂或硅合成(syntactic)泡沫塑料。声学隔离层50将能吸收自测试信号的绝缘材料52与元件48的中间部分分离开。在一个实施例中，声学隔离层50由聚四氟乙烯聚合物组成。
在操作中，超声波耦合元件42在换能器14与16之间提供超声波耦合。耦合元件42在换能器14与16之间传送超声波信号。
本发明在一个超声波液位传感器的换能器之间提供自测试波形的可靠传送。该超声波耦合元件在换能器之间提供稳定的超声波耦合，以使自测试不被诸如温度之类的外部影响所损坏。这使得该传感器的支撑结构可以由塑料之类的具有无法预测的声学特性的材料制成。
虽然已经对照一些最佳实施例描述了本发明，但是本专业的技术人员将会明白，可以在形式上或细节上进行改动而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种超声波液体传感器，它包括：
一个壳体，该壳体围绕该壳体外侧的一个间隙布置，液体能流进该间隙以便检测；
在邻近该间隙的壳体内侧隔开布置的第一和第二超声波耦合材料层；
第一和第二换能器，这些换能器分别与该第一和第二层接触，并沿穿过该间隙的第一路径传送声能以检测液体，以及沿该壳体内的第二路径传送声能以测试换能器功能；
其中该第二路径包括：
在该壳体内的一个金属元件，该元件从其在该第一层中的第一端经该元件的中间段到其在该第二层中的第二端之间耦合声能；以及
一个声学隔离层，该隔离层将该中间段从与该壳体和绝缘材料的接触中分开来。
2.权利要求1的超声波液体传感器，其中该壳体由一种非金属材料制成。
3.权利要求2的超声波液体传感器，其中该非金属材料是一种树脂。
4.权利要求3的超声波液体传感器，其中该树脂是特氟隆。
5.权利要求1的超声波液体传感器，其中该声学隔离层由聚四氟乙烯树脂制成。
6.权利要求1的超声波液体传感器，其中该金属元件由铜制成。
7.权利要求1的超声波液体传感器，它包括：
用来给该第一换能器赋能的装置；以及
用来监测由该第二换能器所接收的该第一换能器所产生的超声波信号的装置。
8.权利要求7的超声波液体传感器，它包括自测试装置，用于根据从该第一换能器经该金属元件向该第二换能器发射的超声波信号来测试该超声波液体传感器的完整性。
9.权利要求1的超声波液体传感器，其中该金属元件的第一端位于该第一换能器与一个邻近该间隙的传感器体窗口之间，而该金属元件的第二端位于该第二换能器与一个邻近该间隙的传感器体窗口之间。
10.一种超声波液体传感器，它包括：
一个壳体，该壳体围绕一个间隙布置，液体能流进该间隙中以便检测。
一个第一超声波换能器，该换能器被邻近该间隙地装在该壳体中；
一个第二超声波换能器，该换能器被邻近该间隙地装在该壳体中，该第一和第二超声波换能器用于沿穿过该间隙的第一路径传送能量以检测液体并用于沿该壳体内的第二路径传送能量以测试传感器的完整性；以及
一个超声波耦合元件，该元件在该壳体内于该第一换能器与该第二换能器之间延伸，由此形成该第二路径。
11.权利要求10的超声波液体传感器，其中该超声波耦合元件包括：
一个金属元件，该元件从该第一换能器经该元件的中间段到该第二换能器来耦合声能；以及
一个声学隔离层，该隔离层将该中间段从与绝缘材料的接触中分开来。
12.权利要求11的超声波液体传感器，其中该声学隔离层由特氟隆制成。
13.权利要求11的超声波液体传感器，其中该金属元件由铜制成。
14.权利要求10的超声波液体传感器，它包括分别在该间隙与该第一和第二换能器之间的第一和第二超声波耦合材料层，其中该超声波耦合元件在声学上耦合于该第一和第二层。
15.权利要求10的超声波液体传感器，其中该壳体由一种非金属材料制成。
16.权利要求10的超声波液体传感器，它包括：
用来给该第一换能器赋能的装置；以及
用来监测由该第二换能器所接收的该第一换能器所产生的超声波信号的装置。
17.权利要求16的超声波液体传感器，它包括自测试装置，用于根据从该第一换能器经该超声波耦合元件到该第二换能器发射的超声波信号来测试超声波传感器的完整性。
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