本發(fā)明涉及一種用于確定容器內(nèi)液體高度的方法和裝置，其至少借助一個超聲波傳感器確定容器，尤其是錐形容器內(nèi)的液體高度。

背景技術(shù)：

例如，在食品工業(yè)和其他領(lǐng)域中，經(jīng)常面臨著一個任務(wù)——需將存儲于容器（也被稱為桶）中的液體從容器中排出。為此需要使用（例如）柱塞泵。然而，當(dāng)容器排空時，應(yīng)避免泵入空氣。

因此，基于現(xiàn)有技術(shù)，（例如）可使用從動盤式泵，其包含一個從動盤，擱置在液體表面上，確保密封。安裝這樣的從動盤很昂貴，延緩了容器的更換。同時，液體的補充也不方便。此外，從動盤式泵只適合圓柱形容器。

可選地，在容器中留下一些液體，以防止泵入空氣。為此，（例如）可使用超聲波傳感器來測量容器中液體的高度。工業(yè)應(yīng)用中的液體，例如粘合劑，通常包含揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)揮發(fā)并積聚在液體表面上方。因而，聲音的速度在此區(qū)域被嚴(yán)重改變，導(dǎo)致超聲波傳感器出現(xiàn)嚴(yán)重的測量誤差。此外聲音的速度也依賴于溫度、空氣壓力、空氣濕度和空氣成分。針對容器為空時不可向泵中泵入空氣這一問題，必須保持一個相對較大的最低安全液位，或基于對（例如）空氣成分的補充測量來確定實際的聲速。然而，補充測量需要額外且昂貴的傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種可精確測量容器中液體高度的方法和裝置。

這個目的通過具有權(quán)利要求1的特征的方法來實現(xiàn)。提供了一種通過超聲波傳感器來確定容器，尤其是錐形容器內(nèi)液體高度的方法。所述容器的底部應(yīng)以一定的角度傾斜于水平面。

通過超聲波裝置進行距離測量時，通常會向需測量的方向發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)最遠(yuǎn)的點反射，再次被超聲波傳感器捕捉到?；谝阎穆曇粼诮橘|(zhì)內(nèi)的傳播速度，可通過超聲波脈沖的傳播時間來確定距離。若液體表面和容器底部平行，則很難斷定被反射回的超聲波脈沖的差別，因為容器底部通常會覆蓋有剩余液體，會和液位較高時的液體表面一樣反射超聲波脈沖。容器傾斜時，“裝滿”和“清空”之間的過渡位置的反射面角度將改變。若液位下降直至底部和超聲波傳感器之間沒有液體時，超聲波脈沖在反射回超聲波傳感器時會突然消失。由此，反射的和檢測到的超聲波脈沖的信號明顯變化，而所述變化可被檢測，并且（例如）可用于檢測允許的最小液位。

以這種方式，對允許的最小液位的檢測更為準(zhǔn)確，從而可以降低允許的最小液位，因此可以降低（例如）更換容器前所殘留的液體的剩余量。

允許的最小液位的確定與傳感器和液體表面之間的空氣的性質(zhì)無關(guān)，特別是與聲速無關(guān)。因此，本方法基本上適用于對任何液體的液位進行監(jiān)測。此外，可對基本上所有形狀的容器的液位進行檢測，但是需要容器的底部基本平整。本方法特別適用于圓錐形的容器，因為不需要筒狀容器必需的從動盤。

這里無需為更準(zhǔn)確測量傳播時間而另外測量聲速，將容器傾斜使用超聲波傳感器即可測量允許的最小液位。因此，使用本方法和裝置進行液位測量廉價且準(zhǔn)確。

有利的實施方案見附屬的權(quán)利要求、說明書和附圖。

根據(jù)一個實施例，超聲波傳感器基本上垂直于水平平面。由于原則上液體表面也是水平的，因而確保了超聲波傳感器垂直于傾斜容器中的液體表面。

根據(jù)另一個實施例，超聲波傳感器還有一個與聲波主方向一致的測量軸，適當(dāng)調(diào)整超聲波傳感器與容器的位置，使得在測量軸方向上超聲波傳感器和容器底部之間沒有液體時，容器中還留存一定的剩余液體。剩余量可以防止空氣進入所述的液體抽取裝置。測量軸尤其要垂直于超聲波傳感器的一個輻射表面。

可為容器設(shè)計一個蓋子，將超聲波傳感器安裝于所述蓋子上。蓋子可保護液體不受外部影響，例如不受外部污染；可維持液體性質(zhì)和/或防止（特別是有害的）液體成分不受控制的揮發(fā)。通過超聲波傳感器與蓋子的一體化，超聲波傳感器可相對于容器有效固定，并以所定義的方式對齊。

傾斜角度可大于從超聲波傳感器發(fā)射出的主聲束的張角。這確保了當(dāng)超聲波傳感器的測量軸碰到容器的傾斜底部時基本上不會檢測到回聲。這種狀態(tài)可以標(biāo)記出低于所允許的最小液位的情況。

如果所使用的超聲波傳感器聚焦良好，即具有一個張角小的、比較窄的主聲束，這是有利的。因為如若這樣，在液位下降時，當(dāng)測量軸方向上沒有液體時，或者說對于超聲波傳感器來說底部直接可見時，檢測到的回聲幾乎會突然減小。窄的主聲束首先在與測量軸和確定傾斜角的底部切線相平行的面上是有利的。因此，具有象散的聲音特性的超聲波傳感器是特別有利的。主聲束不是明顯的旋轉(zhuǎn)對稱，而是如蛋形或橢圓形。這就可以利用聚焦極其顯著的平面上的良好聚焦。垂直于所述平面并平行于測量軸的平面的聚焦（即較大的主聲束張角）可稍遜色。

在對每次發(fā)射超聲波脈沖和接受超聲波脈沖回波之間的傳播時間進行反復(fù)檢測的基礎(chǔ)上，可對液位進行持續(xù)監(jiān)測。還可設(shè)想由不止一個超聲波傳感器負(fù)責(zé)發(fā)射脈沖并接受回波，即設(shè)計兩個或多個超聲波傳感器。

在一種升級方案中，當(dāng)通過超聲波傳感器未檢測到或只檢測到很少的超聲波脈沖回波時，向液體抽取裝置發(fā)射信號，容器中僅剩預(yù)設(shè)的液體剩余量。本方法的特征在于不僅限于對脈沖和回波之間的傳播時間的測量，這容易受到聲速變化影響。到達(dá)的剩余量后，在更換或重新灌滿容器之前可（例如）再抽出設(shè)定好的一定量的液體。

在另一種升級方案中，適當(dāng)調(diào)整容器相對于液體抽取裝置的位置，使液體抽取裝置基本上在容器傾斜時的最深位置點抽取液體。這樣可減少為防止空氣進入液體抽取裝置而在容器中留存的剩余量，以此避免更換容器時造成的浪費。

有利的傾斜角度大約在10°和20°之間，多介于12°和18°之間。從而在可靠地探測允許的最小液體量和容器中可保留的最大液體量之間找到了最佳平衡點，因為它們的平衡受到較陡的傾斜角度的限制。已證實15°的值是有利的。

所述問題的進一步解決由一種具有權(quán)利要求10所描述特征的、用于確定容器內(nèi)，尤其是錐形容器內(nèi)的液體高度的裝置來完成。所述裝置包含一個用于確定容器中液體高度的超聲波傳感器，以及一個調(diào)整裝置，借助這個裝置，使容器的底部以一定的角度傾斜于水平面。

調(diào)整裝置可設(shè)計為（例如）簡單的可推到容器底部邊緣下面的楔形或平行六面體。

根據(jù)一個有利實施例，調(diào)整裝置包括用于所述容器的支撐件。由此可將容器的底部按照確定的固定角度對準(zhǔn)，并保證系統(tǒng)中容器的穩(wěn)固。所述支撐件除可用于斜向調(diào)整外，還有安全固定的功能，特別是可防止容器翻倒。

可為容器設(shè)計一個蓋子，并將超聲波傳感器適當(dāng)?shù)匕惭b于所述蓋子上，使超聲波傳感器的聲音的主方向和底部的法線之間有一個角度，該角度基本與傾斜角度相同。這確保了超聲波傳感器基本垂直于液體的表面，從而提高了測量精度。

在另一個實施方案中，容器可通過調(diào)整裝置調(diào)整，當(dāng)在超聲波傳感器的聲音主方向所定義的測量軸方向上，超聲波傳感器和容器底部之間沒有液體時，容器中還留存有一定的剩余液體。剩余液體防止了空氣進入液體抽取裝置中。

根據(jù)進一步實施例，超聲波傳感器懸掛在調(diào)整裝置或容器蓋上，這樣，由于重力作用，超聲波傳感器基本上垂直于水平面。由此，超聲波傳感器可始終自行對準(zhǔn)，傾斜角度會自動改變，而不會影響液位測量。

所要求保護的方法可在所述實施例的框架內(nèi)繼續(xù)擴展，同樣，所要求保護的裝置也可按照所述實施例繼續(xù)擴展。

下面將通過附圖（僅作示例）對本發(fā)明進行說明。

附圖說明

圖1展示了一種用于確定容器內(nèi)液體高度的裝置。

圖2展示了裝置在液位較低時的狀態(tài)。

圖3展示了一個示例性的超聲波傳感器的聲學(xué)特性。

圖4展示了一個示例性的超聲波傳感器的測量動作。

圖5展示了液位較低時的測量動作。

具體實施方式

在圖1中，展示了一種用于確定容器10內(nèi)液體高度的裝置，其被設(shè)計為一個圓錐形的桶。所述裝置包括一個超聲波傳感器12和一個調(diào)整裝置26。容器10內(nèi)有液體，例如高粘稠介質(zhì)，構(gòu)成了液體表面18。為抽取液體設(shè)計了一個柱塞泵作為液體抽取裝置20，在其底端將容器10最深位置點的液體從容器10抽出。

調(diào)整裝置26僅給出了平形六面體的圖示，其墊在容器的一側(cè)邊緣，如圖中左側(cè)，使容器一邊升高。此時，容器的另一邊，如圖中右側(cè)，位于下部較低的襯墊上，即水平面16，因此容器傾斜。容器10的底部14和與平整的襯墊一致的水平面16之間形成了一個傾斜角A。

為容器10設(shè)計了蓋子36，超聲波傳感器12以一定的角度固定于其上，超聲波傳感器12及其測量軸34（參照圖3）垂直于液體表面18。超聲波傳感器12以及通過其聲音主方向定義的測量軸34垂直于液體表面18。超聲波傳感器12相對于容器10的固定位置使得借助所述裝置對傾斜角A狀態(tài)下液位水平的測量成為可能?？蛇x地，將超聲波傳感器12懸掛安置，這樣其便可自動垂直于水平面16。

超聲波傳感器12的測量活動由兩個箭頭表示，代表由超聲波傳感器12發(fā)射出的脈沖22和回波24。脈沖22沿著其聲音主方向，基本垂直于反射面從超聲波傳感器12發(fā)出。脈沖22在液體表面18處被反射為回波24。由于超聲波傳感器12垂直于液體表面18，回波24的聲音主方向也垂直于液體表面18，超聲波傳感器12會檢測到一個相對較強的回波24。

圖2展示了圖1的裝置，圖中，容器10內(nèi)的液體高度很低，以至于沿著超聲波傳感器12的測量軸34的方向、在超聲波傳感器12和容器10的底部14之間沒有液體。液體表面18因此低于超聲波傳感器12的測量軸34與底部14的相交點。

因此，從超聲波傳感器12發(fā)出的脈沖22碰到的是傾斜的底部14，而不是如圖1所示的水平的液體表面。其結(jié)果是，回波24不再返回超聲波傳感器12，而是以大于零的反射角——大小等同于傾斜角A——被反射。這導(dǎo)致，當(dāng)脈沖22碰到的是底部14而不是液體表面18時，超聲波傳感器12檢測不到回波24或只能檢測到很弱的回波24。這種效應(yīng)被有效用于對允許的最小液位（如圖2中所示的液體表面18）的更精確的檢測中。因為一旦圍繞測量軸34的底部14區(qū)域無液體覆蓋，所檢測到的回波24的水平突然下降，當(dāng)?shù)陀诨夭?4的水平限值時，可確定到達(dá)或低于所允許的最低液位，并向液體抽取裝置發(fā)射信號。

圖3展示了一個示例性的、適用于圖1和圖2所示裝置的超聲波傳感器的聲學(xué)特性。這里展示了基于與測量軸34的夾角的聲級。超聲波傳感器12產(chǎn)生一個主聲束28和兩個次聲束38，40。主聲束28和次聲束38，40在所展示的平面上相對于所述測量軸34對稱。

上象限中的虛線所標(biāo)示的是容器10傾斜角A的有利區(qū)域32，約在12°和18°之間。下方的虛線表示的是主聲束28的張角B。因此，當(dāng)傾斜角A在有利區(qū)域32的范圍內(nèi)，例如為15°，則傾斜角A大于張角B，由此基本避免了超聲波傳感器12檢測到的回波。此外，傾斜角A的有利區(qū)域32也可位于圖中上方的次聲束40之外，若所發(fā)出的脈沖22碰到容器10的底部14，超聲波傳感器12也基本檢測不到次聲束40的回波24。

為了進行更直觀的說明，圖3還展示了一個有聚焦缺陷的超聲波脈沖的聲束30。若這樣的脈沖在底部14處被反射，當(dāng)沿著測量軸34的方向、在底部14和超聲波傳感器12之間沒有液體時，超聲波傳感器仍能檢測到相對較強的回波。因此，可良好聚焦的超聲波傳感器是有利的。例如，有利聲束的張角小于12°，特別是小于10°。為了達(dá)到這樣的值，可使用具有象散的聲音特性的超聲波傳感器12，其（例如）在圖1和圖2所示的平面中具有較小的聲束張角B，而在與測量軸34平行但與圖1和圖2所示平面垂直的的面上，聲束的張角較大。

圖4展示了一個示例性的超聲波傳感器12的測量動作。橫坐標(biāo)表示所經(jīng)過的時間，縱軸表示聲級。此前，超聲波脈沖22被發(fā)射出。在距離脈沖22開始有一定的時間間隔后，超聲波傳感器12檢測到回波24。基于此時間間隔，可通過已知的聲速確定反射物體的距離，此處為液體表面18。

圖5展示了測量動作，此時，按照圖2所示，沿著測量軸34的方向、在傾斜的底部14和超聲波傳感器12之間沒有液體。相對于圖4，幾乎不存在回波24。例如，在圖5所示的測量中，本發(fā)明所涉及的裝置可向液體抽取裝置20發(fā)出有關(guān)達(dá)到或低于允許的最低液位的信號。

附圖標(biāo)記列表

10 容器

12 超聲波傳感器

14 底部

16 水平面

18 液體表面

20 液體抽取裝置

22 脈沖

24 回波

26 調(diào)整裝置

28 主聲束

30 有聚焦缺陷的超聲波傳感器的聲束

32 傾斜角的有利范圍

34 測量軸

38 次聲束

40 次聲束

A 傾斜角度

B 張角