專利名稱：用于超聲波傳感器的自測試設備的制作方法
背景技術：
本發明涉及一種超聲波傳感器，它用來測量位于一個空間中的材料的物理性質，更確切地說，涉及這樣一個傳感器的自測試。
已知的設置在容器中的超聲波液位傳感器包括一個傳感器殼體，該殼體圍繞其外側上的一個間隙或槽口布置。當容器中的液位升高時，液體流進該間隙并通過穿過間隙中的液體來發射超聲波能以此加以檢測。殼體中的一對超聲波換能器或晶體經一個樹脂發射層并穿過間隙中的液體來發射聲能，該樹脂發射層把晶體粘接于殼體內側并提供用來提高發射效率的聲學阻抗匹配。在嚴酷的使用條件下，晶體可能失效或者發射層的粘接可能失效，所以有必要對這些失效進行測試。
除了穿過間隙中的液體這一發射路徑外，還有在晶體之間經過殼體本身的第二發射路徑。過去，沿著圍繞間隙穿過金屬殼體的這個第二路徑的測試發射，曾是當間隙中沒有提供發射的液體時用來測試傳感器工作狀態的滿意手段。在屬于Silvermetz等人的美國專利4,299,114中描述了這樣一種自測試。
然而，當使用諸如聚合物、樹脂之類(通常稱為“塑料”)的非金屬材料制作殼體時，用殼體本身作為測試發射路徑就有問題了。這些非金屬材料作為溫度的函數而改變其聲發射性質。這種變化可能很大，而且從某一批生產的塑料到下一批是相當不可預測的，使得難以開發對這種變化的可靠的電子補償。
穿過該塑料所發射的測試信號在極端的溫度下是不可預測的，會給出傳感器有毛病的錯誤指示。因而在超聲波傳感器中有必要提供一種可靠的測試配置，該配置不依賴圍繞間隙并穿過塑料殼體的測試信號的發射。
發明內容
本發明是一種用于超聲波液位傳感器的自測試設備。該傳感器包括一個殼體，該殼體形成一個間隙。超聲波耦合材料設置在鄰近該間隙的殼體內側，并承裝第一和第二換能器。諸換能器通過跨越間隙的第一路徑并通過第二路徑發射超聲波能。該第二路徑包括一個金屬元件，該元件在該第一和第二換能器之間提供超聲波耦合。該第二路徑用作傳感器工作的自測試。
附圖概述
圖1是一種先有技術超聲波液位傳感器的剖視圖；圖2是一種按照本發明的超聲波液位傳感器的剖視圖；以及圖3是按照本發明的超聲波液位傳感器的支撐結構的詳細剖視圖。
本發明的最佳實施方式圖1是一種先有技術超聲波液位傳感器10的剖視圖。傳感器10包括支撐結構12、超聲波發射換能器(晶體)14和超聲波接收換能器(晶體)16。換能器14和16這樣安裝于支撐結構12，以使它們跨越間隙20發射和接收超聲波信號22，并沿桿18發射和接收超聲波信號23。傳感器14與間隙20之間及傳感器16與間隙20之間的界面稱為傳感器體窗口。
發射換能器14經由電氣引線32連接于發射器30。發射器30向換能器14周期性地供給電子發射脈沖。當發射器30向換能器14發出一個發射脈沖時，該脈沖給換能器14賦能，使它按其固有頻率諧振。換能器14發出分別穿過間隙20和桿18的超聲波信號22和23。穿過間隙20的超聲波信號是用來檢測液體的主波形而穿過桿18的信號是自測試波形。接收換能器16把超聲波信號22和23轉換成一些電信號，這些電信號經電氣引線36供給接收器34。
當間隙20沒有液體時，主波形的衰減明顯地大于有液體時的衰減。在超過幾kHz的高頻下吸收特別大。當間隙20是空的時候，穿過該間隙的信號基本上為零。當間隙20充滿液體時，換能器16收到該主波形。該主波形使換能器16諧振并產生電氣信號。因而，在接收換能器16處有無該主波形就代表著間隙20中有無液體。
通過檢查穿過桿18的超聲波信號23，能監測超聲波傳感器10的狀態。如果換能器16和18工作并正確地耦合于支撐結構12，則自測試信號23應具有某種預定的特性(例如超過一預定的最小值的信號強度)。如果桿18由金屬構成，則該預定特性是相對恒定的。然而，如果用諸如聚合物、樹脂等(即“塑料”)非金屬材料來構成結構12，則該結構的聲學性質遭受由于諸如溫度之類外部影響的很大變化。這些變化不僅大，而且從某一批生產的材料到另一批是相當不可預測的，使得難于對這些變化進行可靠的補償。
本發明提供一種超聲波自測試信號波導，該波導經傳感器殼體的橋部延伸，并在聲學上把該發射換能器與該接收換能器耦合。
圖2是一種按照本發明的超聲波傳感器40的剖視圖。傳感器40的許多元件與傳感器10的相同，圖2的標號反映了這種相同性。然而，支撐結構12可以是非金屬的，這并不有損于該傳感器的自測試操作。傳感器40包括經橋部18在換能器14和換能器16之間延伸的超聲波耦合元件42。超聲波耦合元件42超波導的作用并在換能器14與16及兩個傳感器體窗口之間傳送超聲波信號。在一個最佳實施例中，超聲波耦合元件42是由一種具有超聲波信號傳送特性的材料制成的，該特性在應用的溫度范圍內就諸如溫度之類的外部影響而言是相當穩定的。金屬就是這樣的一種耦合元件。在其中支撐構件12為諸如聚合物、樹脂之類(即塑料)非金屬的場合，超聲波耦合元件42為自測試期間的使用在換能器14和換能器16之間提供可靠而穩定的超聲波耦合。
圖3表示超聲波傳感器40的支撐結構12的詳細剖視圖。引線32和36是屏蔽的，一般為同軸電纜。換能器14和16分別用聲學匹配層44和46耦合于間隙20。一般來說，層44和46由環氧樹脂組成。
按照本發明的超聲波耦合元件42在換能器14與16之間提供聲學耦合。元件42以很低的衰減在換能器14與16之間傳送超聲波信號。元件42包括金屬元件48和聲學隔離層50。在一個最佳實施例中，金屬元件48為由例如銅制成的導線而隔離層50為環繞元件48的特氟隆管層(tubing)。金屬元件48伸進聲學匹配層44和46中并有位于換能器14與間隙20之間的第一端和位于換能器16與間隙20之間的第二端。支撐結構12充以絕緣材料52，如環氧樹脂或硅合成(syntactic)泡沫塑料。聲學隔離層50將能吸收自測試信號的絕緣材料52與元件48的中間部分分離開。在一個實施例中，聲學隔離層50由聚四氟乙烯聚合物組成。
在操作中，超聲波耦合元件42在換能器14與16之間提供超聲波耦合。耦合元件42在換能器14與16之間傳送超聲波信號。
本發明在一個超聲波液位傳感器的換能器之間提供自測試波形的可靠傳送。該超聲波耦合元件在換能器之間提供穩定的超聲波耦合，以使自測試不被諸如溫度之類的外部影響所損壞。這使得該傳感器的支撐結構可以由塑料之類的具有無法預測的聲學特性的材料制成。
雖然已經對照一些最佳實施例描述了本發明，但是本專業的技術人員將會明白，可以在形式上或細節上進行改動而不脫離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種超聲波液體傳感器，它包括一個殼體，該殼體圍繞該殼體外側的一個間隙布置，液體能流進該間隙以便檢測；在鄰近該間隙的殼體內側隔開布置的第一和第二超聲波耦合材料層；第一和第二換能器，這些換能器分別與該第一和第二層接觸，并沿穿過該間隙的第一路徑傳送聲能以檢測液體，以及沿該殼體內的第二路徑傳送聲能以測試換能器功能；其中該第二路徑包括在該殼體內的一個金屬元件，該元件從其在該第一層中的第一端經該元件的中間段到其在該第二層中的第二端之間耦合聲能；以及一個聲學隔離層，該隔離層將該中間段從與該殼體和絕緣材料的接觸中分開來。
2.權利要求1的超聲波液體傳感器，其中該殼體由一種非金屬材料制成。
3.權利要求2的超聲波液體傳感器，其中該非金屬材料是一種樹脂。
4.權利要求3的超聲波液體傳感器，其中該樹脂是特氟隆。
5.權利要求1的超聲波液體傳感器，其中該聲學隔離層由聚四氟乙烯樹脂制成。
6.權利要求1的超聲波液體傳感器，其中該金屬元件由銅制成。
7.權利要求1的超聲波液體傳感器，它包括用來給該第一換能器賦能的裝置；以及用來監測由該第二換能器所接收的該第一換能器所產生的超聲波信號的裝置。
8.權利要求7的超聲波液體傳感器，它包括自測試裝置，用于根據從該第一換能器經該金屬元件向該第二換能器發射的超聲波信號來測試該超聲波液體傳感器的完整性。
9.權利要求1的超聲波液體傳感器，其中該金屬元件的第一端位于該第一換能器與一個鄰近該間隙的傳感器體窗口之間，而該金屬元件的第二端位于該第二換能器與一個鄰近該間隙的傳感器體窗口之間。
10.一種超聲波液體傳感器，它包括一個殼體，該殼體圍繞一個間隙布置，液體能流進該間隙中以便檢測。一個第一超聲波換能器，該換能器被鄰近該間隙地裝在該殼體中；一個第二超聲波換能器，該換能器被鄰近該間隙地裝在該殼體中，該第一和第二超聲波換能器用于沿穿過該間隙的第一路徑傳送能量以檢測液體并用于沿該殼體內的第二路徑傳送能量以測試傳感器的完整性；以及一個超聲波耦合元件，該元件在該殼體內于該第一換能器與該第二換能器之間延伸，由此形成該第二路徑。
11.權利要求10的超聲波液體傳感器，其中該超聲波耦合元件包括一個金屬元件，該元件從該第一換能器經該元件的中間段到該第二換能器來耦合聲能；以及一個聲學隔離層，該隔離層將該中間段從與絕緣材料的接觸中分開來。
12.權利要求11的超聲波液體傳感器，其中該聲學隔離層由特氟隆制成。
13.權利要求11的超聲波液體傳感器，其中該金屬元件由銅制成。
14.權利要求10的超聲波液體傳感器，它包括分別在該間隙與該第一和第二換能器之間的第一和第二超聲波耦合材料層，其中該超聲波耦合元件在聲學上耦合于該第一和第二層。
15.權利要求10的超聲波液體傳感器，其中該殼體由一種非金屬材料制成。
16.權利要求10的超聲波液體傳感器，它包括用來給該第一換能器賦能的裝置；以及用來監測由該第二換能器所接收的該第一換能器所產生的超聲波信號的裝置。
17.權利要求16的超聲波液體傳感器，它包括自測試裝置，用于根據從該第一換能器經該超聲波耦合元件到該第二換能器發射的超聲波信號來測試超聲波傳感器的完整性。
全文摘要
一種超聲波液位傳感器(40)包括一個用于自測試的耦合元件(42)。該傳感器(40)包括一個間隙(20)和一對由該間隙(26)隔開的換能器(14，16)。該傳感器(40)檢測該間隙(20)中液體的存在。超聲波耦合元件(42)在這兩個換能器(14，16)之間延伸并在聲學上把它們耦合在一起。該耦合元件(42)用來測試超聲波傳感器的完整性。
文檔編號G01F25/00GK1129977SQ94193222
公開日1996年8月28日 申請日期1994年7月25日 優先權日1993年8月30日
發明者勞倫斯·瓊斯, 伯里斯·若塞爾森, 阿萊克斯·埃辛 申請人:基-雷/森索爾有限公司
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