專利名稱：用于準(zhǔn)確測量器皿中流體液位的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及流體傳感器，尤其涉及能平衡多種情況以提供準(zhǔn)確流體液位讀數(shù)的流體液位傳感器。
背景技術(shù)：
在很多不同領(lǐng)域，需要知道器皿內(nèi)流體的當(dāng)前液位。確定器皿內(nèi)流體的當(dāng)前液位 的一種方法是使用時(shí)域反射計(jì)(TDR)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，TDR分析包括使用具有 陡沿的能量階躍或脈沖的傳播，也稱為詢問或激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)沿波導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)，還包括對 該系統(tǒng)反射的能量隨后進(jìn)行觀測。通過分析反射的波導(dǎo)的幅值、持續(xù)時(shí)間和形狀，可確定傳 播系統(tǒng)中阻抗變化的特性。遺憾的是，保持流體液位的準(zhǔn)確測量很難。如前所述，在TDR系統(tǒng)中詢問信號(hào)沿傳 輸線傳播。穿過不同介質(zhì)的傳輸線將在各部分含有不同的電介質(zhì)。因此，反射的波形將會(huì) 有中斷，這些中斷發(fā)生時(shí)表示沿傳輸線的電介質(zhì)發(fā)生改變。此外，傳統(tǒng)的TDR系統(tǒng)在某一時(shí) 段連續(xù)掃過整條傳輸線，所述時(shí)段對應(yīng)接收到始發(fā)信號(hào)的反射的時(shí)間，其中該始發(fā)信號(hào)是 從傳輸線的一端傳播到另一端。每當(dāng)需要新的液位指示時(shí)，就重復(fù)這個(gè)過程，這是一種處理 負(fù)擔(dān)，由此會(huì)產(chǎn)生要求使用額外能源的高耗費(fèi)系統(tǒng)。當(dāng)前，需要一種準(zhǔn)確、可靠并安全地測量容器中流體量的方法。這樣的流體可包 括，例如，燃油箱里面包含的揮發(fā)性流體。因此，工業(yè)中存在此前未被解決的需求，以解決上 述缺陷與不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種準(zhǔn)確測量器皿中流體液位的系統(tǒng)和方法。從結(jié)構(gòu)上簡 述，該系統(tǒng)的眾多實(shí)施例中的一個(gè)可實(shí)現(xiàn)如下。該系統(tǒng)含有延長部，同軸形狀的臂，以及包 含發(fā)射器和接收器的傳感器，其中所述延長部是中空的同軸管，所述發(fā)射器能產(chǎn)生并發(fā)射 穿過所述延長部和所述臂的激勵(lì)電磁脈沖，所述接收器用于接收反射脈沖，所述延長部的 近端以一種方式連接所述臂的遠(yuǎn)端，從而為所述傳感器提供的電磁脈沖產(chǎn)生波導(dǎo)。本系統(tǒng)與方法還提供了一種使用帶有傳輸線和傳感器的裝置來準(zhǔn)確測量流體液 位的方法，其中傳感器包括能產(chǎn)生并發(fā)射穿過傳輸線的激勵(lì)電磁脈沖的發(fā)射器，以及將高 速反射波形轉(zhuǎn)換為較低速“等時(shí)”波形以進(jìn)行處理的混疊采樣接收器，使用的方法包含以下 步驟掃描部分或全部位于流體內(nèi)的傳輸線的長度，以確定流體沿傳輸線所在的位置，也稱 為流體當(dāng)前液位；通過識(shí)別流體液位檢測點(diǎn)來跟蹤流體液位，所述流體液位檢測點(diǎn)位于混疊采樣接收器的掃描窗口輸出的較低速“等時(shí)”波形中；以及調(diào)整混疊采樣接收器的掃描窗 口以跟蹤脈沖反射等時(shí)表示內(nèi)的檢測點(diǎn)，其中所述反射波形中的檢測點(diǎn)代表在表示流體液 位的脈沖反射波形中的位置。在研讀以下附圖和詳細(xì)說明后，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方 法、特性以及優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。所有這些其他的系統(tǒng)、方法、特性和優(yōu)點(diǎn)均包含在本說明 書和本發(fā)明范圍內(nèi)，受所附權(quán)利要求的保護(hù)。


結(jié)合以下附圖，本發(fā)明的諸多方面能夠被更好地理解。附圖中的組件不是一定按 比例的，為了清楚地闡釋本發(fā)明的原理而做了些強(qiáng)調(diào)。此外，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代 表在各附圖中的相應(yīng)部件。圖1是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的探測器的示意圖；圖2是圖1探測器的剖視示意圖；圖3是探測器各部分在組裝前的分解剖視示意圖；圖4是進(jìn)一步說明被探測器的數(shù)字PCB定義的功能與邏輯的示意圖；圖5是進(jìn)一步說明被探測器的模擬PCB定義的功能與邏輯的示意圖；圖6是圖1探測器的延長部的示例示意圖，用于在流體溫度已知時(shí)確定流體的介 電常數(shù)；圖7是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的探測器掃描并鎖定流體液位的方法的流程 圖；圖8是低通濾波器的示例示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是一種能準(zhǔn)確確定器皿或容器中的流體液位的流體液位探測器。為示范目 的，本探測器被描述為能放置在燃油箱內(nèi)的燃油液位探測器。在本示例中，燃油液位探測器 可被用來提供箱內(nèi)燃?xì)饷婊蛴鸵何坏臏?zhǔn)確測量結(jié)果。但是，需要注意的是，流體類型和器皿 類型不限于當(dāng)前描述。圖1是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的探測器100的示意圖。如圖1所示，探測器 100包含延長部110、成形的臂120以及傳感器130。延長部110是一個(gè)中空的同軸管。延 長部110成形并延長從而能放置在燃油箱內(nèi)，其中延長部110的遠(yuǎn)端112伸入到燃油箱的 底部，此時(shí)延長部110的位置可確定。如下詳述，延長部110有中空部能使流體進(jìn)入延長部 110，流體通過遠(yuǎn)端112進(jìn)入中空部以確定流體液位。延長部110的近端114連接臂120的遠(yuǎn)端122。延長部110與臂120之間以一種 方式連接，使得臂120與延長部110的結(jié)合能為傳感器130提供的電磁脈沖產(chǎn)生波導(dǎo)。此 夕卜，延長部110與臂120的結(jié)合在形狀上是同軸的。圖1示出了本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例的 連接延長部110與臂120的連接器150，探測器100也可被制成延長部110與臂120為一體。延長部110與成形的臂120的外殼由阻抗已知的導(dǎo)電材料制成，例如，但不限于， 鋁。需要注意的是，也可使用其他金屬。臂120填充有電介質(zhì)，例如，但不限于，特氟綸(Teflon)。特氟綸填充物是固體電介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，使用特氟綸填充物有至少兩個(gè)目的。 第一，如下詳述，特氟綸填充物提供阻抗匹配，第二，特氟綸能防止流體進(jìn)入到探測器100 的非測量部，從而消除因探測器100內(nèi)的多個(gè)流體液位產(chǎn)生的多余反射。根據(jù)本發(fā)明，電磁激勵(lì)信號(hào)，在此也稱為詢問信號(hào)，由傳感器130發(fā)送到傳輸線， 其中傳輸線包括臂120與延長部110的結(jié)合，且一直延續(xù)到延長部110的遠(yuǎn)端112。傳輸 線具有三個(gè)部分。傳輸線的第一部分是從激勵(lì)源，例如傳感器130，至探測器100的頂部， 也稱為臂120的遠(yuǎn)端122 (也是可測量區(qū)的開始)。傳輸線的第二部分是從探測器100的 頂部(臂120的遠(yuǎn)端122)至探測器100的底部，也稱為延長部110的遠(yuǎn)端112。傳輸線的 第二部分也稱為可測量區(qū)。傳輸線的第三部分是從探測器100的底部至可測量區(qū)的傳輸盡 頭，該傳輸經(jīng)過該盡頭，或至可測量區(qū)的遠(yuǎn)端112。如下詳述，傳輸線的第三部分，可選擇性 地放置在此處以允許被測介質(zhì)阻抗匹配。需要注意的是，同軸形狀并部分地填充有特氟綸或類似物的探測器100具有多個(gè) 優(yōu)點(diǎn)，例如，但不限于，允許上至測量區(qū)的不變阻抗，并限定測量區(qū)。此外，這使得探測器100 能水平地設(shè)置在流體液位之下，而沒有來自流體的多個(gè)反射。進(jìn)一步地，這種配置提供了 濕一干面隔離。更進(jìn)一步地，這種配置還提供了將延長部Iio連接至傳感器130的機(jī)械機(jī) 制，從而提供了更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第一典型實(shí)施例，探測器100的臂120呈“S”狀。需要注意的是，臂 的形狀可與此處描述的不同。當(dāng)前揭示的形狀是有益的，因?yàn)楸?20的輪廓允許探測器100 放置在燃油箱的入口邊緣，例如在機(jī)翼上，同時(shí)探測器100的延長部110深入燃油箱內(nèi)部， 傳感器130則留在燃油箱的外面。然而，需要注意的是，臂120可為其他形狀以適應(yīng)探測器 100所應(yīng)用的燃油箱的位置。需要注意的是，臂120的曲線形狀使得探測器100在箱內(nèi)能側(cè) 面放置?？蛇x擇地，臂120可為金屬線，或者探測器100甚至可不包括臂120，而是傳感器 130至延長部110為直接連接。傳感器130連接至臂120的近端部124。圖2和圖3更好地示出了傳感器130，其 中圖2是探測器100的剖視示意圖，圖3是探測器100各部分組裝前的分解剖視示意圖。 根據(jù)本實(shí)施例，傳感器130通過軸環(huán)132連接至臂120的近端部124。軸環(huán)132連接臂120 的近端部124和傳感器130的外殼134。如圖3所示，軸環(huán)132可通過公/母連接而連接至 臂120，其間具有第一軸環(huán)0-圈138，用以在軸環(huán)132與臂120之間提供氣密密封，以防止 來自箱內(nèi)的流體進(jìn)入。當(dāng)然，在軸環(huán)132與臂120之間也可使用其他連接類型。軸環(huán)132連接至外殼134，從而完成外殼134與臂120之間的連接。軸環(huán)132與外 殼134之間的連接可通過多種方法來提供，例如，但不限于，使用一組軸環(huán)螺釘142和第二 軸環(huán)0-圈144。雖然外殼134的形狀并非功能性的，但外殼134的確覆蓋了多個(gè)物體。如圖2和 圖3所示，一組印刷電路板(PCB)位于外殼134內(nèi)。具體地，第一 PCB150，第PCB 170以及 第三PCB 190位于外殼134內(nèi)。第一 PCB 150是電源PCB。第一 PCB 150含有電源，因此可 為探測器100供電。第一 PCB 150上的電子元件被設(shè)計(jì)為防止高能信號(hào)傳播到流體。第二 PCB 170是其上具有數(shù)字邏輯的數(shù)字PCB，例如，但不限于，處理器，該處理器 例如，但不限于，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 172。下面參考圖4和其他附圖詳細(xì)描述DSP 172執(zhí) 行的功能和DSP 172內(nèi)的其他數(shù)字邏輯。需要注意的是，這里描述的是一種DSP的應(yīng)用，但這只是為了示范的目的，還可補(bǔ)充任何處理器。第三PCB 190是具有發(fā)射器和接收器模擬電路的模擬PCB，使探測器100能發(fā)射和 接收信號(hào)。下面將參考圖5詳述模擬電路執(zhí)行的功能。第一 PCB 150、第二 PCB 170以及第三PCB 190是堆疊排列的，一組堆疊螺絲146 將該P(yáng)CB 150、PCB 170和PCB 190定位在外殼134內(nèi)。還提供了蓋子160，用來將傳感器 130所容之物密封在外殼134內(nèi)。需要注意的是，傳感連接器162部分地位于傳感器的外殼 134內(nèi)。傳感連接器162為探測器100與航空器界面之間的連接提供了接口。根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例，電源電路、發(fā)射與接收邏輯以及數(shù)字邏輯均可位于同 一 PCB上，或者位于三塊以上或以下PCB上。如上所述，圖4是進(jìn)一步示出數(shù)字PCB 170定義的功能與邏輯的示意圖。此外，圖 5是進(jìn)一步示出模擬PCB 190定義的功能與邏輯的示意圖。下面是對傳感器130的描述，特 別是針對第二 PCB 170和第三PCB 190。
圖5示出了模擬發(fā)射與接收信道的基本實(shí)施例。如圖4所示，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 172用來掃描、跟蹤并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。提供來自DSP 172 (圖4)的時(shí)鐘信號(hào)給輸入 A(圖5)，用于發(fā)起發(fā)射脈沖并使模擬PCB 190上的接收器與發(fā)射脈沖同步。該信號(hào)觸發(fā)發(fā) 射器192發(fā)出沿臂120的激勵(lì)脈沖。該脈沖沿延長部110 —路傳播至延長部的遠(yuǎn)端112。 來自遠(yuǎn)端112的結(jié)果反射返回傳播并被接收器194捕獲。該信號(hào)被低頻緩沖器195過濾和 緩沖，并被送至DSP 172轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由輸出D進(jìn)行解析。向接收器194提供用于發(fā)起發(fā)射脈沖的相同時(shí)鐘信號(hào)。在接收器194處，該時(shí)鐘 信號(hào)被移相器196移相(延遲)一定量，延遲的量由輸入B上的DSP 172(圖4)控制。接 收器脈沖因此被DSP 172 (圖4)延遲，并對延長部110長度進(jìn)行空間掃描。發(fā)射器脈沖與接收器脈沖之間的實(shí)際延遲量被延遲檢測器198檢測，并作為直流 電壓通過輸出C送回至DSP 172。這能夠使DSP 172關(guān)閉環(huán)路從而對掃描功能完全控制。 這樣，可任意掃描或跟蹤特定的不連續(xù)。發(fā)射器192的功能由元件晶體管Q1、電阻器R48、電容器C5和電阻器R7執(zhí)行。這 里，晶體管Ql作為開關(guān)將電容器C5中存儲(chǔ)的能量耦合到傳輸線上。電阻器R7將發(fā)射器 192與接收器194分離。接收器194的功能由元件接收器R36、二極管D2、電容器C6、電阻 器R8、電容器C7、晶體管Q2和電阻器R55執(zhí)行。電阻器R55和電阻器R8為電容器C6提供 充電路徑。晶體管Q2作為開關(guān)將電容器C6中存儲(chǔ)的能量耦合到電阻器R8上，從而通過電 容器C7打開二極管D2。反過來，電容器C7充電并存儲(chǔ)傳輸線上的電壓，也稱為對傳輸線采 樣。圖4示出了數(shù)字PCB 170。DSP 172發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，通過輸出A觸發(fā)發(fā)射器192和 接收器194。延遲量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 180信號(hào)由DSP 172控制，所述信號(hào)通過輸出B 送至模擬PCB 190。接收器194與發(fā)射器192脈沖間的延遲量通過進(jìn)入輸入C的電壓被模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 1(175)感知，并被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值由DSP 172讀取。DSP 172用該信號(hào)確定發(fā)射器192 與接收器194間的延遲，并為閉環(huán)跟蹤目的調(diào)整延遲控制輸出。反饋給DSP 172的另一個(gè)模擬信號(hào)含有來自探測器(輸入D)延長部110的反射 波。該信號(hào)反饋進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 2(174)。該信號(hào)從該轉(zhuǎn)換器數(shù)字化地饋入DSP 172以用于分析。采樣接收器自動(dòng)增益調(diào)整應(yīng)當(dāng)注意到，因?yàn)椴煌沫h(huán)境因素，接收器194的信號(hào)幅值可能會(huì)受到不利的影響。這將導(dǎo)致液位檢測不準(zhǔn)確。根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例，這些效果可以通過隨發(fā)射器192 的輸出成比例增加激勵(lì)響應(yīng)的幅值得以補(bǔ)償。具體地，如圖8中示例所示，將D處輸出信號(hào) (圖5)饋入低通濾波器193，該信號(hào)為在對已知值采樣過程中所獲。較佳地，低通濾波器 193與接收器194和發(fā)射器192分開放置，但仍位于傳感器130內(nèi)。將得到的DC值加入到 一個(gè)預(yù)定的偏差，放大，然后加上(或減去)-Vee，如圖5所示。通過變換-Vee，我們可以改 變發(fā)射脈沖的幅值，從而補(bǔ)償D處信號(hào)因二極管變換而引起的減弱(增強(qiáng))。用于匹配TDR級(jí)測量探測器的阻抗的分割電介質(zhì)如上所述，探測器100的臂120由阻抗已知的電介質(zhì)填充。由阻抗已知電介質(zhì)填 充的探測器100的臂120阻止被測流體進(jìn)入探測器100的臂120。另外，如果流體可以進(jìn)入 該探測器的臂120，那么從傳感器130中傳到臂120和探測器100的延長部110的激勵(lì)信號(hào) 將會(huì)不連續(xù)。具體地，每次當(dāng)流體遇到激勵(lì)信號(hào)時(shí)，信號(hào)中就會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)。因此，確保沒 有流體進(jìn)入探測器100的臂120有助于將不連續(xù)最小化。根據(jù)本發(fā)明，將不連續(xù)最小化可 以通過用已知阻抗的電介質(zhì)填充臂120來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，電介質(zhì)阻 抗與空氣阻抗或液位尚待確定的流體的阻抗相似。根據(jù)本探測器100，激勵(lì)信號(hào)首先從傳感器130傳輸?shù)教綔y器100可測量部分的頂 端。如果傳輸線第一部分的阻抗，即探測器100的臂120，與第一介質(zhì)的阻抗相匹配，例如空 氣阻抗，那么探測器第一部分和探測器第二部分之間，即延長部110，就不會(huì)有不想要的不連續(xù)。介質(zhì)間邊緣處的不連續(xù)，例如在空氣和液位尚待確定的流體之間，將引起激勵(lì)信 號(hào)的期待反射由傳感器130處理。如上所述，按計(jì)劃，該反射不會(huì)在阻抗匹配的探測器100 的頂端和底部產(chǎn)生任何不想要的額外反射。部分激勵(lì)信號(hào)繼續(xù)傳輸?shù)降诙橘|(zhì)，也就是液 位尚待確定的流體，然后進(jìn)入流體中延長部110的遠(yuǎn)端112。傳輸線第三部分的阻抗可以調(diào)整到與第二介質(zhì)阻抗值，也就是流體阻抗，相匹配。 總而言之，探測器100頂端處的阻抗與空氣阻抗匹配，探測器100底部的阻抗與液位尚待確 定的流體阻抗匹配。應(yīng)當(dāng)注意到阻抗匹配可以通過傳感器130、探測器100的幾何形狀或電 介質(zhì)材料調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。該激勵(lì)信號(hào)在無任何不連續(xù)的情況下傳輸?shù)絺鬏斁€第三部分，模糊 液位的檢測。因此，在探測器100的設(shè)計(jì)中，用于填充臂120、空氣和流體的材料最好都具備相 似的電介質(zhì)。電介質(zhì)的相似性能減少激勵(lì)信號(hào)的不連續(xù)，該激勵(lì)信號(hào)是由傳感器130發(fā)射， 經(jīng)探測器100的臂120傳輸?shù)教綔y器100的延長部110，然后進(jìn)入液位尚待確定的流體中。使用行稈時(shí)間講行流體溫度測量當(dāng)前探測器100的物理屬性和功能允許探測器100提供流體的溫度測量。此過程 在此詳細(xì)描述并通過DSP 172執(zhí)行。具體地，在流體液位測量監(jiān)控過程中，通常最好還要知 道流體溫度。知道流體溫度可有助于過程控制或調(diào)整自身流體液位讀數(shù)，以用于補(bǔ)償因溫 度導(dǎo)致的流體體積變化。當(dāng)前探測器100減少了使用分離的獨(dú)立的溫度傳感器的先驗(yàn)需 要，相應(yīng)地，集成了溫度測量傳感器的屬性和探測器100的液位測量屬性，使得探測器擁有較少的配線，并且對該過程較少干涉，從而更加可靠。通過已知流體(例如空氣或燃?xì)?在不同溫度下的介電常數(shù)，被測流體的溫度可 以通過測量流體實(shí)際介電常數(shù)和通過將所測量實(shí)際介電常數(shù)與已知介電常數(shù)值表做對比 而被推算出來。舉例來說，例如，考慮一種碳?xì)浠衔锪黧w。信號(hào)在某一溫度下介電常數(shù)為 ε！的流體中的傳輸速度如方程1所示。<formula>formula see original document page 9</formula>方程1中，C為光速。當(dāng)流體溫度改變時(shí)，它的介電常數(shù)也改變至ε2。傳輸速度間的關(guān)系可以通過方程2表示。(方程 2)<formula>formula see original document page 9</formula>在方程2中，ε工例如是在25°C時(shí)的介電常數(shù)，ε 2是在未知溫度T時(shí)的介電常數(shù)。 方程2可以重寫為如方程3所示。<formula>formula see original document page 9</formula>已知ε工和V1，然后通過使用含有該特定流體在不同溫度下的ε .值的查找表格， 可找到流體的實(shí)際溫度Τ。選擇性地，如方程4所示，如果已知流體列L的真實(shí)長度和感知 的長度L’(測量到的從流體表面到箱底的行程時(shí)間)，可以計(jì)算出流體在當(dāng)前溫度(不管 溫度為何)的介電常數(shù)ετ:<formula>formula see original document page 9</formula>方程 4)通過在查找表格中查找、和ε (ε是該流體在25°C時(shí)的介電常數(shù))，可以判斷 出流體的溫度。應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明的可選實(shí)施例可在原位溫度進(jìn)行測量以補(bǔ)償因溫度變化而導(dǎo) 致的電介質(zhì)改變。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明第二典型實(shí)施例，熱敏電阻可放置于探測器100的 測量部分直接與被測量流體接觸。熱敏電阻的主要特性是其能夠隨著所經(jīng)受溫度的改變而 改變阻抗。探測器100的傳感器130則檢測熱敏電阻的阻抗變化，并且將這種阻抗變化與 流體溫度關(guān)聯(lián)起來?？蛇x地，根據(jù)本發(fā)明第三典型實(shí)施例，熱敏電阻還可以放置在測量部分內(nèi)，但是， 感知熱敏電阻阻抗的電路需要與探測器100相連。通過流體內(nèi)行程的脈沖時(shí)間對流體液位進(jìn)行判斷無論傳輸線的特征阻抗何時(shí)改變，傳輸?shù)絺鬏斁€的脈沖將部分或全部地被反射回 傳輸口。傳輸線的特征阻抗將隨著電介質(zhì)改變。不同的傳輸線幾何結(jié)構(gòu)(同軸、平行線等) 對不同電介質(zhì)中的特征阻抗變化有不同的關(guān)聯(lián)。對給定的一種傳輸線幾何結(jié)構(gòu)，傳輸線中 的電介質(zhì)改變會(huì)弓I起特征阻抗可以預(yù)見的改變。一種液位測量系統(tǒng)，探測器100被設(shè)計(jì)為擁有穿過不同電介質(zhì)的傳輸線。該傳輸 線在它的末端(斷路或短路)有非常大的阻抗改變。傳輸線中這種非常大的阻抗改變會(huì)在其末端引起非常強(qiáng)的反射。一種液位測量系統(tǒng)可以在放置于已知電介質(zhì)的介質(zhì)中的傳輸線內(nèi)傳輸脈沖。該 脈沖部分距離的傳輸會(huì)在空氣中(空氣電介質(zhì))進(jìn)行，另一部分距離的傳輸會(huì)在一種介質(zhì) 中(介質(zhì)電介質(zhì))進(jìn)行。利用方程1可以確定每一種介質(zhì)的傳播速度。已知傳輸?shù)目偩嚯x (傳輸線長度)。通過分析反射的波形，可以測量出從傳輸線開始經(jīng)兩類電介質(zhì)到傳輸線末 端大阻抗失配處的傳輸時(shí)間。介質(zhì)中的傳輸距離可以通過下面方程5推導(dǎo)獲得，該方程假 定該速度在空氣中是C。IHI = [D-C ⑴]/[Ι-sqrt ( ε J ](方程 5)
在方程4中D =在空氣和介質(zhì)中的傳輸總距離，此為介質(zhì)的長度或高度；C=光速；ε m=介質(zhì)的介電常數(shù)；T=脈沖或信號(hào)從傳輸線空氣電介質(zhì)部分和傳輸線介質(zhì)電介質(zhì)部分傳輸?shù)剿鰝?輸線末端的傳輸總時(shí)間；H =介質(zhì)高度=只在傳輸線介質(zhì)電介質(zhì)部分的傳輸距離；sqrt =平方根。溫度已知的情況下獲得TDR中的介電常數(shù)圖6是探測器100的延長部110的示例示意圖，其目的是確定流體的介電常數(shù)，其 中該流體的溫度為已知。已知長度L，即延長部110的長度，同時(shí)通過反射時(shí)間，在此或稱為 行程時(shí)間，來測量長度Li，即其中有空氣的延長部110的長度，和長度L2，即其中有流體的 延長部110的長度。根據(jù)本發(fā)明，探測器100還可以用于確定流體的介電常數(shù)，其中流體溫度為已知。 這個(gè)過程在此詳細(xì)描述并由DSP 172執(zhí)行。如果流體溫度已知，則流體的介電常數(shù)可通過 測量浸在流體中的同軸管(延長部110)的感知長度被推算出來。因?yàn)樵摴?，或延長部110 的真實(shí)長度是已知的，此溫度下的流體介電常數(shù)可根據(jù)感知長度與流體列(圖6中的L2) 的真實(shí)長度之比計(jì)算獲得。方程4可以用于進(jìn)一步解釋。使用針對此特定流體的溫度和介電常數(shù)ε t查找表，可以確定在25°C時(shí)的介電常 數(shù)ε。此外，如果理論介電常數(shù)ε與上面實(shí)際的介電常數(shù)ετ不同，可將二者相比較以檢 測出流體中可能的雜質(zhì)。獲得并鎖定液位根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例，為了提供快速流體液位掃描同時(shí)縮短傳感器處理時(shí) 間，探測器100能夠跟蹤流體液位。具體地，在目前的流體液位測量中，探測器100具有非 常高速的反射波形，需要對它們進(jìn)行分析以確定因液位變化引起的電介質(zhì)材料中位置的變 化。圖7是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的探測器100掃描和鎖定流體液位的方法的流程圖 300。應(yīng)當(dāng)注意的是，任何過程描述或流程圖方框應(yīng)視為代表模塊、片段、代碼部，或包 含用于該過程中執(zhí)行特定邏輯功能的一個(gè)或多個(gè)指令的步驟，并且其他替換實(shí)施方式也包 含在本發(fā)明范圍中，如本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，在這些實(shí)施方式中可不以所顯 示或討論的順序來執(zhí)行功能，包括可大體上同時(shí)執(zhí)行或以相反順序執(zhí)行，這取決于所涉及的功能性。與連續(xù)掃描延長部110的總長度來做液位檢測不同，如方框302所示，本探測器 100通過使用激勵(lì)信號(hào)對延長部100的總長度進(jìn)行一次掃描，以確定流體在探測器100的延 長部110的位置，也稱為流體當(dāng)前液位。一種分析高速波形，如傳感器130提供的詢問(激 勵(lì))信號(hào)的方法，是使用混疊采樣系統(tǒng)來產(chǎn)生較低速“等時(shí)”波形。探測器100可以保留原 始的非?？焖俚闹芷诓ㄐ涡螤畈⒁苑浅５偷乃俾食尸F(xiàn)該波形。沿著一個(gè)重復(fù)波形掃過一個(gè) 很狹窄的采樣點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)此效果。每當(dāng)高速波形重復(fù)時(shí)，傳感器130便可獲得該波形的一 個(gè)狹窄樣本。每隔固定時(shí)間，采樣窗口及時(shí)延遲以便對高速波形的下一片段進(jìn)行采樣。經(jīng) 過多個(gè)波形后，樣本由傳感器130合并成一個(gè)較慢的代表了原始高速波形的形式，此波形 適宜由DSP 172處理。通過分析等時(shí)波形，可以定位感興趣的反射位置。感興趣的反射代表了探測器100 的延長部Iio上的流體當(dāng)前液位。如方框304所示，一旦當(dāng)前液位確定，可通過只在位于前 面周期的感興趣反射附近創(chuàng)建高速波形的等時(shí)表示對流體液位進(jìn)行跟蹤。如方框306所 示，周期性地調(diào)整掃描窗口計(jì)時(shí)以保持感興趣的反射在掃描窗口內(nèi)。只掃描流體液位可以預(yù)料的位置并跟蹤該液位大大縮短了所需的傳感器處理時(shí) 間。減少了傳感器處理時(shí)間，便可允許以更快的系統(tǒng)響應(yīng)速率來確定流體液位。這使得系 統(tǒng)花費(fèi)更少，功耗更低。航空應(yīng)用中具有低射頻(Radio Frequency, RF)發(fā)射/敏感性的本質(zhì)安全的同軸 TDR使用金屬同軸管(臂120和延長部110的組合)為TDR設(shè)備提供低射頻發(fā)射的獨(dú) 特優(yōu)勢。這對航空應(yīng)用而言是極其重要的，因?yàn)楹娇諆x器對輻射噪聲極為敏感。這也使得 TDR(易感性)不太可能接收射頻。這在浸沒于易燃流體的情況下還有另外一個(gè)好處。電火花可以點(diǎn)燃傳輸線所浸沒 的流體。通過將延長部110的內(nèi)導(dǎo)體籠罩在金屬外管內(nèi)，可以防止內(nèi)導(dǎo)體與裝有流體的箱 體間產(chǎn)生火花。通過將外管電連接到箱體上，可以防止箱體與延長部110間的電勢差，因 此，減少火花的可能性。傳送給被測燃料的能源量受限于電容器C5(圖5)。該電容器阻止直流電進(jìn)入燃料 中。唯一的能量傳送是以脈沖形式進(jìn)行的。這種脈沖能量有限，由C5的電容量決定。通過 保持低電容量，可保持進(jìn)入流體的能量在引燃所需能量的臨界值之下。另一個(gè)安全特性是添加了電壓浪涌抑制器給電源，該電源為探測器100提供能 量，并將輸入傳輸?shù)教綔y器100。這些限制了在短路或瞬態(tài)過電壓情況下可到達(dá)燃料的能源 量。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，本發(fā)明上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，只為清楚理解 本發(fā)明的各種原理。在不實(shí)質(zhì)偏離本發(fā)明精神和原理的情況下可對上述實(shí)施例做出多種變 化和修改。所有這些修改和變化均包括在本公開和本發(fā)明范圍內(nèi)并受權(quán)利要求的保護(hù)。
權(quán)利要求
一種用于準(zhǔn)確測量器皿中流體液位的系統(tǒng)，其特征在于，包括延長部，所述延長部為中空的同軸管；同軸形狀的臂；以及包含發(fā)射器和接收器的傳感器，所述發(fā)射器能產(chǎn)生和發(fā)射穿過所述延長部和所述臂的激勵(lì)電磁脈沖，所述接收器用于接收反射脈沖；其中所述延長部的近端以一種方式連接所述臂的遠(yuǎn)端，從而為所述傳感器提供的電磁脈沖產(chǎn)生波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延長部和所述臂的外殼由阻抗已知的 導(dǎo)電材料制成。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述臂填充有阻抗已知的電介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電介質(zhì)的阻抗與空氣阻抗或被測量的 所述流體的阻抗相似。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器還包括電源電路、數(shù)字邏輯和模 擬電路。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電源電路中包括的電子元件被設(shè)計(jì)為 防止高能信號(hào)傳播至所述系統(tǒng)測量的所述流體。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬電路進(jìn)一步包括所述發(fā)射器和所 述接收器。
8.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字邏輯還包括處理器，其中該處理器 進(jìn)一步包括為啟動(dòng)所述發(fā)射器發(fā)送所述激勵(lì)電磁脈沖而配置的邏輯；以及為使所述接收器與所述發(fā)射脈沖同步而配置的邏輯。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)送所述激勵(lì)電磁脈沖的所述發(fā)射器的啟 動(dòng)是通過所述處理器中的時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，其中發(fā)送相同的時(shí)鐘信號(hào)給所述接收器。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器進(jìn)一步包括為確定所述流體的 溫度而配置的邏輯，所述流體的溫度通過測量所述流體的實(shí)際介電常數(shù)并將所述流體的實(shí) 際測量介電常數(shù)與含有已知介電常數(shù)值的流體表進(jìn)行比較來確定。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括用以確定所述流體的溫度的熱 敏電阻，其中所述處理器能確定所述流體的所述介電常數(shù)并將所述介電常數(shù)與所述流體的 溫度相關(guān)聯(lián)。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器進(jìn)一步包括為確定所述流體的 液位而配置的邏輯，所述流體的液位通過所述激勵(lì)電磁脈沖到所述延長部的所述端的進(jìn)程 時(shí)間來確定。
13.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器能確定所述流體的介電常數(shù)， 其中所述流體的溫度已知，所述處理器進(jìn)一步包括為測量浸沒在所述流體中的所述延長部的感知長度而配置的邏輯；以及為通過所述感知長度與內(nèi)含所述流體的所述延長部的真實(shí)長度之比計(jì)算所述流體的 所述介電常數(shù)而配置的邏輯。
14.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器進(jìn)一步包括為確定流體當(dāng)前液位而配置的邏輯；以及為通過將所述流體當(dāng)前液位保持在掃描窗口中來跟蹤流體當(dāng)前液位而配置的邏輯，其 中調(diào)整該掃描窗口的計(jì)時(shí)將所述流體當(dāng)前液位保持所述窗口中。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括低通濾波器以及用于改變所述 激勵(lì)電磁脈沖的幅值以彌補(bǔ)因二極管變化而導(dǎo)致信號(hào)改變的相關(guān)邏輯。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述臂是S形。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述臂是同軸電纜。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括將所述系統(tǒng)連接至航 空器電路的連接器。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延長部，臂和傳感器包括用于減少輻 射敏感性或傳輸?shù)慕M件。
20.一種用于準(zhǔn)確測量器皿中流體液位的系統(tǒng)，其特征在于，包括 延長部，所述延長部為中空同軸管；以及傳感器，所述傳感器包括能產(chǎn)生和發(fā)射穿過所述延長部的激勵(lì)電磁脈沖的發(fā)射器，以 及接收反射脈沖的接收器，其中所述延長部的形狀為所述傳感器提供的電磁脈沖產(chǎn)生了波導(dǎo)。
21.一種使用帶有傳輸線和傳感器的裝置來準(zhǔn)確測量器皿中流體液位的方法，其特征 在于，所述傳感器包括能產(chǎn)生和發(fā)射穿過所述傳輸線的激勵(lì)電磁脈沖的發(fā)射器，和將高速 反射波形轉(zhuǎn)換為較低速“等時(shí)”波形以進(jìn)行處理的混疊采樣接收器，使用的方法包含以下步 驟掃描部分或全部位于流體內(nèi)的傳輸線長度，以確定流體沿傳輸線所在的位置，也稱為 流體當(dāng)前液位；通過識(shí)別流體液位檢測點(diǎn)來跟蹤所述流體液位，所述流體液位檢測點(diǎn)位于所述混疊采 樣接收器的掃描窗口輸出的所述較低速“等時(shí)”波形中；調(diào)整所述混疊采樣接收器的掃描窗口以跟蹤脈沖反射等時(shí)表示內(nèi)的檢測點(diǎn)， 其中所述反射波形中的所述檢測點(diǎn)代表在表示流體液位的所述脈沖反射波形中的位置。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，使用所述準(zhǔn)確測量流體液位的方法檢測 較低速時(shí)間波形上的其他興趣點(diǎn)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述其他興趣點(diǎn)是所述傳輸線的末端部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于準(zhǔn)確測量器皿中流體液位的系統(tǒng)和方法。一般來說，系統(tǒng)含有延長部，同軸形狀的臂，以及含有發(fā)射器和接收器的傳感器，其中所述延長部是中空的同軸管，所述發(fā)射器能產(chǎn)生并發(fā)射穿過延長部和所述臂的激勵(lì)電磁脈沖，所述接收器用于接收反射脈沖，所述延長部的近端以一種方式連接臂的遠(yuǎn)端，從而為所述傳感器提供的電磁脈沖產(chǎn)生波導(dǎo)。
文檔編號(hào)G01F23/00GK101836091SQ200880112699
公開日2010年9月15日 申請日期2008年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月1日
發(fā)明者卡羅斯·卡瓦略, 托馬斯·米斯克爾, 文森特·里佐, 羅尼·拉文 申請人:維伯-米特有限公司