專利名稱：測量長度的方法和實施該方法的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以不接觸方式測定包含在一端封閉或兩端開放的管腔內(nèi)的液體或氣體物質(zhì)柱或固體棒的長度的方法，在柱或棒中產(chǎn)生具有已知頻率或波長并具有已知傳播速度的駐波，該駐波的一個波節(jié)安置在柱或棒的一端，特別是安置在與管腔的開放端相對的閉合端，或者是一個波腹安置在管腔的兩個開放端部之一處，而改變駐波的頻率。
至今為止已知的測量水位的方法，不管是水文學(xué)中的，是地表水或地下水區(qū)域中的，還是有關(guān)計算廢水通道或測量水庫充水水位的研究中的，絕大部分依靠傳統(tǒng)的或費錢的測量技術(shù)，例如使用壓力檢測器或浮體，或是基于測量傳輸時間(回波法)。
除了使用多年而且待測水位的高度函數(shù)是由齒輪傳感的浮體外，人們使用壓力檢測器，該法利用傳感器在壓力檢測器觸點處測量觸點和介質(zhì)表面之間的液柱。
此外，水文學(xué)中使用利用靜止系統(tǒng)的測量方法，這種系統(tǒng)通過稱重設(shè)備的壓力平衡利用所謂水泡接口測量水柱高度(例如由Kaufbeuren的SEBA水文測量法進(jìn)行的壓縮空氣水位Ω)。也使用光纜探測儀和深度探頭。就光纜探測儀而言，探測儀觸點浸入必須確定水位的地下水的浸入程度被顯示出來。光纜上的長度刻度能夠讀出至水面的高度。在深度測量設(shè)備中，當(dāng)探頭沖擊水面時計數(shù)器就停止，這也能測定至水面的高度。
在已知的利用回波的傳輸時間測量法中，由脈沖發(fā)生器發(fā)射的脈沖從水面或其它物體反射回來，脈沖發(fā)射和反射脈沖返回之間的時間被取作通過路徑的度量。由于費用昂貴，此種脈沖-回波測量在水文學(xué)中很少使用。
已知機械度量裝置的一個缺點是測試值是由不精確的器械得來的。除了溫度波動引起的不精確以外，還存在其它困難，例如當(dāng)向用于地下水測量用的測量管插入浮體時，特別是當(dāng)這些經(jīng)常是很長的測量管被彎曲的時候。
在光纜探測儀和深度測量設(shè)備中也存在溫度引起的不精確性。這些測試設(shè)備由于其本身的重量而額外地引入光纜長度延伸的缺陷。固定的設(shè)備在水里長時間懸掛的探頭可能滲水。同時，探頭在拉出時可能破裂而損失。
法國專利2，185，095說明一種測定試驗物體尺寸的方法。為此試驗物體被移入高頻室，確定兩個頻率，是待測尺寸的試驗物體的諧振頻率。在法圖專利2，185，095中所述的方程式的基礎(chǔ)上，可以確定試驗物體的尺寸。由法國專利2，185，095提供的一種示例性的應(yīng)用是測定制造試驗物體的材料的熱膨脹系數(shù)。
從法國專利2，195，085中根本不能推出如何通過產(chǎn)生駐波和確定依次相連的最大值(或兩個最小值和一個最大值一個最小值)來測定充滿氣體或液體的空腔或棒的長度。
美國專利3，237，445基于利用待測厚度物體的基本頻率的諧振頻率來從方程式t＝c/f測出常規(guī)厚度。美國專利3，237，445還提到一種已知方法，就是假定在超聲波通過待測物體后基本頻率的諧振頻率將形成一個最大信號，就能利用連續(xù)改變超聲頻率來測定諧振頻率(物體對諧振頻率或其諧波特別透明)。為了避免在諧振頻率達(dá)到之前變化頻率，美國專利3，237，445提出將具有許多個頻率的超聲波同時指向試驗物體，并在超聲波通過物體后再一次測定頻率。因為試驗物體對諧振頻率特別透明，所以具有諧振頻率的超聲波將特別顯著，因為當(dāng)該頻率通過物體時該頻率受到的阻尼最小。
英國專利842，241涉及用超聲法從公式f＝V/2T測定厚度，采用在頻譜預(yù)定范圍內(nèi)變化的振蕩器頻率。在振蕩器響應(yīng)的那些頻率(諧波頻率)測定諧波振蕩的半波長，直接按可以相互轉(zhuǎn)動的標(biāo)尺讀出試驗物體的厚度。英國專利842，241在用超聲法測定厚度時引證了駐波的存在。
德國專利2312062公開了一種按超聲浸入諧振法原理工作的壁厚試驗裝置，一個超聲發(fā)生器通過耦合液體從聲學(xué)上耦合到要確定壁厚的物體上。超聲發(fā)生器的頻率受高頻振蕩器的穩(wěn)定調(diào)制，由此在耦合液體中形成許多依次相連諧波的快速序列的瞬時駐波(具體見德國專利2312062的第7欄第46行至第8欄第6行)。
德國專利3117236使用駐波確定監(jiān)測空間中物體的存在和該物體是否正在移動。頻率并不變化。不需進(jìn)行任何種類的距離測定，相反，必須使聲波運動的壓電陶瓷發(fā)生器安裝在離試驗物體特定的距離。
至于德國專利2144472中公開的測定金屬部件厚度的方法，是在兩個天線之間產(chǎn)生駐波，而試驗物體置于兩個天線之間。頻率保持恒定，并不試圖利用物體內(nèi)部的波長變化的駐波來測量該物體的厚度。
本發(fā)明的目的是提供一種簡單而準(zhǔn)確的測量待測路徑長度或路徑端點之間距離的方法。
這個問題在本發(fā)明中是這樣解決的，就是在波被送入的柱或棒的端部測定駐波的振幅，改變波的頻率直到至少檢測到駐波的兩個依次相連的最大值(振蕩波腹)、兩個依次相連的最小值(波節(jié))或一個最大值隨后一個最小值，棒或柱的長度用下列公式計算出L＝σC/〔2(fu-fn)〕(3)式中L為棒或柱的長度，C為波的傳播速度，fn為第一個測到的最大值或最小值處的駐波頻率，fu為最后測到的最大值或最小值處的駐波頻率，σ為從第n個到第u個最大值或最小值的被測量大值或最小值的數(shù)目(σ＝u-n);或者，如果波長λ已知，可以從下列公式算出L＝σ(λuλn)/〔2(λn-λu)〕(5)式中L為棒或柱的長度，λn為第一個測定的最大值或最小值處的駐波波長，λu為最后測定的最大值或最小值的波長，σ為從第n個到第u個最大值或最小值的被測最大值或最小值的數(shù)目(σ＝u-n)。
最好是在本發(fā)明中使用縱波。
最好在本發(fā)明中在柱或棒中產(chǎn)生聲學(xué)駐波。
本發(fā)明還應(yīng)用于在柱中(特別是在氣態(tài)物質(zhì)柱中)或在棒中產(chǎn)生聲學(xué)駐波的情況。
在本發(fā)明的一個實用實施例中，柱或棒中的駐波是從檢測駐波振幅的那端產(chǎn)生的。
對于一端封閉的管腔的柱的情況和在實際中有利的是，駐波應(yīng)當(dāng)從腔的開放端產(chǎn)生，或者為了產(chǎn)生駐波，應(yīng)當(dāng)使用聲波發(fā)生器如聲頻發(fā)生器。
本發(fā)明還擴展到以在介質(zhì)柱中產(chǎn)生的駐波的已知頻率和波速從下列公式中計算出介質(zhì)柱的長度L＝C/(2(fn-fn-1)〕(1)式中L為介質(zhì)柱的長度，C為波速，fn為第n個最大值的頻率，fn-1為第(n-1)個最大值的頻率。這是當(dāng)σ＝1時用公式(3)計算的特定情況。
本發(fā)明的方法比起已知的試驗方法來在準(zhǔn)確度和實施費用方面占有優(yōu)勢，并且易于數(shù)字化。
本發(fā)明的另一目的是實現(xiàn)上述方法的設(shè)備，用于在一端封閉或兩端開放的腔內(nèi)測定液體或氣體柱的長度，并提供實施本發(fā)明方法的設(shè)計簡單的此種設(shè)備。
該問題由本發(fā)明用具有下列特征的設(shè)備解決，這種特征是有一個擴音器連接到一個隔套上，隔套的另一端可以靠著包含氣體或液體物質(zhì)的特種管腔的一端或開放端安置，采用一個接收微音器作為聲波檢測器。
在兩端開放的柱的情況下，可以將有利于聲波吸收的材料安裝在產(chǎn)生駐波的柱端，使得可以避免干涉反射。
本發(fā)明設(shè)備的另一種優(yōu)選設(shè)計構(gòu)成權(quán)利要求10至18的內(nèi)容。
本發(fā)明的設(shè)備用于將測量特定管腔長度的聲波所需的聲源耦合到該管腔上。氣體或液體柱的激勵是這樣完成的，使得能保證明確的諧振，因此用本發(fā)明的方法進(jìn)行的測量既簡單又準(zhǔn)確。用本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行的發(fā)射波的耦合采取這樣的方式，使得反射波可以自由地射出入口孔徑。因此不會發(fā)生入射波與反射駐波的重疊。從而避免了在接收微音器處的可能會導(dǎo)至虛假解釋的最大值或最小值的差異。
如果在擴音器的諧振空間中附加地測量聲壓并使聲壓通過控制電路反饋回去并保持恒定的話，那么即使在本發(fā)明設(shè)備的操作中變化頻率/波長，也能保證由聲頻發(fā)生器產(chǎn)生的聲波的恒定聲量(聲壓)。
本發(fā)明的方法和設(shè)備的應(yīng)用是水文學(xué)中水位的測量以及水庫的充水狀態(tài)。此外本發(fā)明可以被用于測量壓力計量中的壓力波動和監(jiān)測消耗量。本發(fā)明設(shè)備的操作基本上沒有機械部件，如此得到的試驗值馬上可以進(jìn)一步處理，因為已經(jīng)以數(shù)字形式存在。任何液體如油或液態(tài)氣體的貯存池液位可以準(zhǔn)確地測量和顯示。
本發(fā)明的其它應(yīng)用為航空動力學(xué)、氣象學(xué)和真空技術(shù)，也就是，在進(jìn)行壓力液柱(如汞柱)測量的任何地方。
因為本發(fā)明的方法和設(shè)備是非常準(zhǔn)確的，所以通過測量新舊液位可以測定從貯存庫流走的液體量。在這種應(yīng)用中可以免去已知的復(fù)雜的機械的或誘導(dǎo)式的流量計。
舉例說，本發(fā)明的測量可以通過在管子的開放端或一個開放端安裝一個聲波(聲頻)發(fā)生器而后再安裝一個聲波接收器(微音器)來進(jìn)行。聲波發(fā)生器發(fā)射(比如說)頻率已知因而波長已知的聲波進(jìn)入管子。聲波接收器連續(xù)地感知管子開放端或一個開放端處的聲波強度。
由聲波發(fā)生器發(fā)射的聲波的已知頻率(或波長)連續(xù)地(或步進(jìn)地)變化(比如說不斷增大)。因此，在聲波接收器(微音器)附近產(chǎn)生聲波強度的波動。聲波強度是駐波振幅的度量。在管子中靠近聲波接收器(微音器)的地方存在由聲波發(fā)生器產(chǎn)生的聲波波腹，該處的聲波強度經(jīng)常達(dá)到最大值。如果恒定管長對一端封閉的管子是每次由聲波發(fā)生器產(chǎn)生的波長的四分之一、四分之三、四分之五或四分之七等等，而對兩端開放的管子是波長的四分之二、四分之四、四分之六或四分之八等等，那就是上述情況。作為規(guī)律，如果管長(氣體或液體柱或棒的長度)對于一端封閉的管子來說是四倍管長的奇數(shù)因子，或?qū)啥碎_放的管子來說是四倍管長的偶數(shù)因子，或者換句話說，當(dāng)管長對一端開放的管子是四分之一波長的奇數(shù)個四倍時，在開放端或在一個開放端就出現(xiàn)波腹(振幅最大值)。
在本發(fā)明的測量方法中，聲波發(fā)生器的(已知)頻率發(fā)生變化，諧振強度被確定，而后由此測定兩個依次相連的聲波振幅(波腹)。不需要知道最大值的數(shù)目。在介質(zhì)柱中產(chǎn)生的駐波的已知頻率和波速下，可以從下列方程式中計算出介質(zhì)柱的待測波長L＝C/〔2(fn-fn-1)〕(1)式中L是介質(zhì)柱的長度(在上述例子中是豎井中的水位)，C為波速(在例子中為聲速)，fn為第n個最大值的頻率而fn-1為第(n-1)個最大值的頻率。
代入空氣中的聲速C＝331.3+0.6tm/s，方程(1)可以轉(zhuǎn)變?nèi)缦翷＝〔331.3+0.6t〕/〔2(fn-fn-1)〕(2)式中t為待測介質(zhì)的溫度(℃)。
方程(1)是從兩個方程式中推出的，也就是(a)L＝(2n-1)λn/4＝(2n-1)C/4fn用于一端封閉管子的第n個最大值，或
L=［2n-1］2 (λn)/4 = (2n-1)/2 · (c)/(fn)用于兩端開放管子的第n個最大值(b)L＝〔2(n-1)-1〕λn-1/4＝(2n-3)C/〔4fn-1〕用于一端封閉管子的第(n-1)個最大值，或L=［2(n-1)-1］2 (λn-1)/4 = (2n-3)/2 · (c)/(fn-1)用于兩端開放管子的第(n-1)個最大值，而此處λ是第n個最大值的波長;fn是第n個最大值的頻率;λn-1是第(n-1)個最大值的波長;fn-1是第(n-1)個最大值的頻率;n＝方程式中最大值下降的順序號，因此不需要知道;C＝聲波在介質(zhì)中的傳播速度，而L＝測得的波長。
本方法的實施并不一定要兩個直接依次相連的最大值或最小值。相反，也可使用任意已知數(shù)目的最大值或最小值兩端的最大值或最小值。
如果兩個最大值并不直接依次相連，那末長度L由下式計算L＝σC/〔2(fu-fn)〕(3)式中σ為通過的波腹數(shù)目(略去第一個);fu為第u個最大值的頻率;fn為第n個最大值的頻率;λu為第u個最大值的波長;λn為第n個最大值的波長;u＝最后記錄到的最大值的順序號，而n＝第一個記錄到的最大值的順序號。
n和u都不需要知道，但是兩者之差σ＝u-n必須知道，也就是，在測量時必須計數(shù)，此處u必須大于n，即，當(dāng)逐漸地增大頻率時，第一個為第n個頻率，而后為第(n+1)個，而后將通過第(n+2)個頻率，等等，而最后為第u個頻率。
如果聲波的傳播速度對空氣計算，即C＝331.3+0.6t，那么L＝σ〔331.3+0.6t〕/〔2(fu-fn)〕(4)方程(3)從下列兩個條件中計算出來最后記錄的最大值，L＝(2u-1)λu/4＝(2u-1)C/4fu或L＝(2u-1(2λu)/4＝(2u-1)C/2fu，第一個記錄的最大值，L＝(2n-1)λn/4＝(2n-1)C/4fn或L＝(2n-1)(2λn)/4＝(2n-1)C/2fn如果波長和波速已知，長度可以從下式計算出來L＝σλuλn/〔2(λu-λn)〕(5)在方程(5)中，L為棒或柱的長度，C為聲波的傳播速度，λn為第一個確定的最大值或最小值處的駐波波長，λu為最后測定的最大值或最小值，而σ為第u個和第n個最大值或最小值之間確定的最大值或最小值的數(shù)目。
本發(fā)明的方法和(或)設(shè)備也可以用于監(jiān)測和控制水庫的充水。首先以上述方法確定水位。而后向水庫充水并同時發(fā)射此時以恒定頻率發(fā)射的聲波。測定波腹的數(shù)目，在記錄到對應(yīng)于較早測定的水位和要達(dá)到的水位之間的差異的波腹(或最小值)的數(shù)目之后，就停止水庫的充水。
此外我們還發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的方法和設(shè)備的接收微音器不需要精確地安裝在柱子的端部。只要微音器安裝在柱端內(nèi)外八分之一波長的范圍內(nèi)，就可以進(jìn)行滿足要求的長度測量。
如果在方程(3)和(5)內(nèi)fn大于fu或λu大于λn，那么長度將對應(yīng)于計算結(jié)果的絕對值。
當(dāng)必須利用本發(fā)明的方法和設(shè)備來測定固體棒的長度時，最好在與聲波發(fā)生器和接收器相對的棒端形成一個振蕩波節(jié)，而后，利用存在棒內(nèi)產(chǎn)生的波節(jié)的那一端，使棒靠在一個聲波較難穿透的材料制成的物體上，從而使聲波在棒內(nèi)在其端部處受到強有力的反射。
下面結(jié)合附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明。


圖1a和1b示意地表示柱子中的各種駐波;
圖2是本發(fā)明設(shè)備的功能圖解;
圖3是本發(fā)明設(shè)備的一個實施例，設(shè)備安置在部分填充液體的管子上;
圖4是圖3設(shè)備的放大細(xì)部;
圖5是本發(fā)明設(shè)備的調(diào)節(jié)裝置的方框流程圖;
圖6a和6b表示兩種不同的情況下振幅A作為頻率f的函數(shù)的圖形;
圖7是表示頻率測量點之間距離的圖形。
圖1a圖解表示長度為L的管子6中的駐波，管子的開放端聯(lián)結(jié)了聲波(聲頻)發(fā)生器1和聲波接收器(微音器)7。對于圖1a的第一個例子，波長λ＝4L，在第二個例子中，波長λ＝4/3L，在第三個例子中λ＝4/5L，而在第四個例子中λ＝4/7L。
通常，λn＝4L/(2n-1)，由此L＝(2n-1)λn/4。
圖1a中表示的例子每個都在聲波發(fā)生器1處顯示波腹而在靜止(封閉)管端處顯示波節(jié)。
圖1b表示長度為L的兩端開放的管子6中的駐波的幾個例子，管子的一個開放端聯(lián)結(jié)了聲波發(fā)生器(聲頻發(fā)生器1)和聲波接收器(微音器7)。在圖1b中所示的第一個圖中，波長λ＝4/2L，在第二個圖中，λ＝4/4L，在第三個圖中λ＝4/6L，而在第四個圖中，λ＝4/8L。
通常，λn＝2L/(2n-1)，因此L＝(2n-1)λn/2圖1b表示，在提供的例子中，在聲波發(fā)生器處和相對的開放管端處始終都是波腹。
當(dāng)聲波發(fā)生器發(fā)射的波長為長度L四倍的奇數(shù)分?jǐn)?shù)即管子長度L的4/1、4/3、4/5、4/7……等等時，也即當(dāng)管長為發(fā)射波長的1/4、3/4、5/4、7/4……等等即四分之一波長的奇數(shù)倍時，微音器處的振幅及由此產(chǎn)生的聲波強度始終是最大的(圖1a)。
同樣的考慮也適用于圖1b。
圖2中所示的設(shè)備裝有形式為擴音器的聲波發(fā)生器1，安裝在具有收縮的管狀聲波輸出孔3的諧振室2中。
諧振室2的座罩裝有隔套4，安置在待測長度L的管子6的開放端部5上。
聲波接收器(在本實施例中為微音器7)也安裝在管子6的開放端5上。接收微音器7可以安裝在擱置于管子6的端部上的隔套4的部分8上。
隔套4的設(shè)計要使得從反射波來的輻射9盡可能不受阻礙。為此，隔套橫切輻射9的部分要制造得窄一些。在需要的場合，輻射波可以利用阻尼材料進(jìn)一步衰減。
一個控制微音器10安裝在諧振室2內(nèi)，例如在其座罩上。該控制微音器10通過調(diào)節(jié)器11耦合到擴音器1上，它控制擴音器1的聲波輸出，由此在諧振室2內(nèi)將在每個頻率(波長)上存在同樣的聲壓。
用以實現(xiàn)本發(fā)明方法的設(shè)備可以以這樣的方式設(shè)計，使得它能夠部分地或完全地自動操作，因此操作人員只需要讀出結(jié)果即測出的長度。
圖3的設(shè)備包括座罩21、隔套22(包括隔套短管40、支承棒41和緊固環(huán)42)、擴音器23、接收微音器24、控制微音器25、調(diào)節(jié)器裝置26和正弦波發(fā)生器27。
座罩21在聲波出口處的形狀是以這樣的方式選擇的，就是使得反射的波前9不再能夠被反射回來進(jìn)入管子29中。此處可以再一次采用附加的阻尼材料來防止反射。
隔套22的目的是使擴音器23與管子29的開放端隔開，并使接收微音器24保持在管子的開口處。隔套22的部件(特別是它的支承棒41)被設(shè)計成這樣一種方式，就是使得在發(fā)射和接收的波前9中盡可能不產(chǎn)生干擾輻射(在圖4中用箭頭指示)。如同時在圖4中詳細(xì)表示的，有利的幾何圖形為圓棒和帶圓形端面的環(huán)。
調(diào)節(jié)器裝置26包括控制微音器25、預(yù)放大器30、其通過頻率在發(fā)射頻率范圍內(nèi)的數(shù)字濾波器31、整流器32、振幅調(diào)制器33、輸出放大器36、石英振蕩器34、也給濾波器31計時的頻率放大器35，以及方形脈沖/正弦波轉(zhuǎn)按器27。調(diào)節(jié)器裝置的方框流程圖示于圖5。
圖6a表示在管子6或29的開放端部或一個開放端部處的駐波的作為頻率f的函數(shù)的振幅A。測量準(zhǔn)確度取決于可以測定最大值或最小值的精度。圖6a中所示的最大值是可以明確地測量的，因此提供了準(zhǔn)確的結(jié)果。準(zhǔn)確度還直接取決于測量范圍中的最大值或最小值的數(shù)目。待測的最大值或最小值越多，與確定最大值或最小值的位置有關(guān)的百分誤差的重要性就越小。
圖6b表示一種振幅A由機附加反射而降低的情況。當(dāng)反射發(fā)生而造成聲量增大時，產(chǎn)生沿△f1距離的最大值。沿△f距離的聲量可能由于在座罩處或通過不適當(dāng)?shù)鸟詈隙l(fā)生下降。
本發(fā)明的設(shè)備提供測量的高度準(zhǔn)確性和可靠性。下面是有利的因素(a)座罩和隔套的設(shè)計不產(chǎn)生附加的反射(圖3、4);當(dāng)使用兩端開放的管子時，在需要的場合可以應(yīng)用阻尼材料;
(b)發(fā)射波的耦合程度在整個頻率范圍上保持恒定;
(c)控制微音器和接收微音器的最高靈敏度位于沒有環(huán)境噪聲的發(fā)射頻率上。
圖7表示分別在管子6和29的開放端或一個開放端處駐波的作為頻率f的函數(shù)的振幅A。測量頻率的采樣在初始范圍B1和最終范圍B3內(nèi)比中央范圍B2內(nèi)要緊密得多。因此在第一個和第二個最大值之間的距離f1以及第六個最大值可以確定得更為準(zhǔn)確，因而作為整體的測量也就更為準(zhǔn)確。
就準(zhǔn)確度和測量時間而言，本發(fā)明的方法可以優(yōu)化如下。問題在于在所有狀態(tài)下可靠地測定依次相連的最大值和最小值之間的平均距離△f(圖6a)。
就圖7而言，本發(fā)明的方法可以進(jìn)行如下(a)測定最大測量頻率與管子的直徑比較，最大頻率處的波長必須是大的，因為否則在管子內(nèi)就不會形成駐波。
(b)測定測量頻率的采樣距離dF它由最大的待測波長確定，在差頻最大值或最小值之間產(chǎn)生最小頻率差。對于良好的分析來說，在兩個最大值或最小值之間至少要測量12個頻率點。
dF≤C/〔12(2Lmax)〕(＝最小頻率差)。
(c)等待振蕩開始在頻率調(diào)置和掃描聲量之間有一個強制性的等待時間，至少等到在管端處反射的聲波已經(jīng)回到輸入處，換言之，等待時間為dt≥2Lmax/C(d)測量開始時的最低頻率可能產(chǎn)生極值的最小頻率給定如下fmin＝C/(4Lmin)因此在此該頻率低得多的地方很少存在開始測量的點。
(e)進(jìn)行測量-以最小采樣距離dF和最長等待時間dt從最低頻率開始，-以dF的增量增大頻率，直到產(chǎn)生第一和第二個最小值或最大值，-可以從兩個最小值/最大值之間的頻率差得到管子長度的第一次估算，從而對待測的管子長度可以匹配等待時間和頻率距離，換言之，由此Ⅰ.在最初粗略預(yù)測的管子長度的基礎(chǔ)上，等待時間可以被調(diào)整到特定的最短可預(yù)測值，Ⅱ.如此擴大dF，使得在兩個依次相連的最大值或最小值之間設(shè)定≥12的最少測量。
Ⅲ.所需要的必須確定的最大值或最小值的數(shù)目一方面依賴于所要求的準(zhǔn)確度，另一方面依賴于可以利用的測量時間。必須確定最大值或最小值的可能的最大數(shù)目(在容許的測量范圍Ⅰ和Ⅱ內(nèi))，以獲得最高準(zhǔn)確度。如果測量時間受限制，或者如果準(zhǔn)確度要求不太高，那么待確定的最大值或最小值數(shù)目可以降低到兩個依次相連的最大值或最小值的理論限度值。
Ⅳ.因為測量準(zhǔn)確度直接依賴于如何準(zhǔn)確地測定△f，所以在測量區(qū)間的末尾最好恢復(fù)到頻率距離dF的最小頻率差(圖7)。
Ⅴ.也可以從最高頻率開始測量，并逐步降低頻率繼續(xù)測量，而后必須相應(yīng)地修改所有實施步驟。
權(quán)利要求
1.一種以不接觸方式測定包含在一端封閉或兩端開放的管腔內(nèi)的液體或氣體物質(zhì)柱或固體棒的長度的方法，在該法中在上述柱或棒中產(chǎn)生已知傳播速度和已知頻率或波長的駐波，該駐波的一個波節(jié)存在于柱或棒的一端，特別是存在于與管腔的開放端相對的閉合端，或者是一個波腹安置在管腔的兩個開放端部之一處，在該法中駐波的頻率是變化的，該方法的特征在于，在波被送入的柱或棒的端部檢測駐波的振幅，改變波的頻率直到至少檢測到駐波的兩個依次相連的最大值(波腹)或一個最大值隨后一個振幅最小值(波節(jié))，柱或棒的長度角下列關(guān)系式根據(jù)駐波的已知頻率f算出；L=σC/[2(fu-fn)] (3)式中L為棒或柱的長度，C為波的傳播速度，fn為第一個測到的最大值或最小值處的駐波頻率，fu為最后測到的最大值或最小值處的駐波頻率，σ為從第n個到第u個最大值或最小值的被測量大值或最小值的數(shù)目(σ=u-n)，或者，根據(jù)已知波長λ利用下列關(guān)系式算出；L=σλuλn[2(λn-λu)] (5)式中L為棒或柱的長度，λn為第一個測定的最大值或最小值處的駐波波長，λu為最后測定的最大值或最小值的波長，σ為從第n個到第u個最大值或最小值的被測最大值或最小值的數(shù)目(σ=u-n)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在柱或棒中產(chǎn)生電磁駐波。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在柱中產(chǎn)生聲學(xué)駐波，特別是在氣態(tài)物質(zhì)的情況下。
4.如權(quán)利要求1至3中的一項所述的方法，其特征在于，柱或棒中的駐波是從檢測駐波振幅處的端部發(fā)生的。
5.如權(quán)利要求4中所述的方法，其特征在于，在包括一端封閉的管腔的柱的情況下，駐波是從管腔的開放端產(chǎn)生的，或者在兩端開放的管腔內(nèi)的柱的情況下，駐波是從管腔的一個開放端產(chǎn)生的。
6.如權(quán)利要求3至5中的一項所述的方法，其特征在于，比如說一個聲頻發(fā)生器被用作產(chǎn)生駐波用的聲波發(fā)生器。
7.如權(quán)利要求3至6中的一項所述的方法，其特征在于，一個聲波接收器如微音器用于測定介質(zhì)中產(chǎn)生的駐波的振幅。
8.如權(quán)利要求3至7中的一項所述的方法，其特征在于，介質(zhì)柱的長度是根據(jù)介質(zhì)柱中產(chǎn)生的駐波的已知頻率和波速利用下列公式計算的L＝C/〔2(fn-fn-1)〕(1)式中L為介質(zhì)柱的長度，C為波速，fn為第n個最大值的頻率，fn-1為第(n-1)個最大值的頻率。
9.如權(quán)利要求1至8中的一項所述的方法，其特征在于，使用頻率fmax的最大值聲波波長λ大于待測管腔的橫向尺寸。
10.如權(quán)利要求1至9中的一項所述的方法，其特征在于，測量頻率的最小頻率距離dF是由下列關(guān)系式?jīng)Q定的df≤C/〔K(2Lmax)〕式中C為聲波傳播速度，K為兩個最大值或最小值之間測量點的數(shù)目，最好大于或等于12，而Lmax為待測介質(zhì)柱的最大長度。
11.如權(quán)利要求1至10中的一項所述的方法，其特征在于發(fā)射和測量聲波之間的最小等待時間dt是從下列關(guān)系式測定的dt≥2Lmax/C式中Lmax為待測介質(zhì)柱的最大長度，C為聲波傳播速度。
12.如權(quán)利要求1至11中的一項所述的方法，其特征在于，極值可能產(chǎn)生的最小頻率fmin是從下列關(guān)系式?jīng)Q定的fmin＝C/〔4Lmin〕式中C為聲波傳播速度，Lmin為待測介質(zhì)柱的最小長度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于下列步驟(a)測量在最低頻率fmin開始，具有最小的頻率距離df和最長的等待時間dt;(b)頻率f按dF增量增加，直到產(chǎn)生第一個和第二個最小值或最大值;(c)從兩個最小值或最大值之間的頻率差與等待時間dt和頻率差值dF的修正估算出管長，等待時間dt是對最小可能值確立的，頻率差值dF是對最大可能值確立的;(d)按照希望的測量準(zhǔn)確度所要求的數(shù)目測量最大值或最小值。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在接近測量區(qū)間末尾時，系統(tǒng)返回到開始測量方式的最小頻率差值。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，測量是在最高頻率fmax開始的，而測量頻率f逐步下降。
16.實施權(quán)利要求1至15的方法用的設(shè)備，其特征在于，有一個連接到隔套(4、22)上的擴音器(1)和一個用作聲波接收器的接收微音器(7、24)，隔套(4、22)的另一端部(8)可以靠著含氣體或液體物質(zhì)的特制管腔(6、29)的開放端部或一個開放端部(5)安置。
17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，擴音器(1、23)安裝在一個以座罩(21)為界的諧振室(2)中。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，諧振室(2)的座罩(21)包括一個指向管腔(6、29)的開放端部或一個開放端部(5)的受限制的管狀聲波出口孔(3)。
19.如權(quán)利要求16至18中的一項所述的設(shè)備，其特征在于，檢測諧振室(2)中聲壓的控制微音器(10、25)通過調(diào)節(jié)裝置(11;26、27)聯(lián)結(jié)到擴音器(1、23)上，而后控制擴音器，使得諧振室(2)中的聲壓將隨變化的頻率而保持恒定。
20.如權(quán)利要求16至19中的一項所述的設(shè)備，其特征在于，接收微音器(7、24)的最高靈敏度是可以變化的，提供了一種裝置，使得接收微音器(7、24)的最高靈敏度可以與擴音器(1、23)產(chǎn)生的發(fā)射波的頻率相匹配。
21.如權(quán)利要求16至20中的一項所述的設(shè)備，其特征在于，隔套(22)包括一個環(huán)(42)，它具有支承棒(41)并通過棒(40)連接到諧振室(2)的座罩(21)上。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，支承棒(41)在環(huán)(42)內(nèi)部延伸并越過環(huán)(42)伸到外部。
23.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，管狀聲波出口孔(3)向著其自由端成錐形地縮小。
24.如權(quán)利要求16至23中的一項所述的設(shè)備，其特征在于，隔套(4、22)的面向管腔(6、29)的開放端的表面和特別是它的棒(41)和它的環(huán)(42)的表面是凸面的。
25.如權(quán)利要求16至24中的一項所述的設(shè)備，其特征在于，在兩端開放的管腔中包含的靜止柱的情況下，聲學(xué)阻尼材料被安裝在產(chǎn)生駐波的那個端部。
全文摘要
測定氣體柱或液體柱或固體棒的長度的方法和設(shè)備。在介質(zhì)柱中產(chǎn)生已知頻率和波速的駐波，變化頻率直至檢測到振幅的兩個相繼最大值或最小值或一大一小。介質(zhì)柱長度L＝C/[2(F
文檔編號G01S13/08GK1044529SQ90100100
公開日1990年8月8日 申請日期1990年1月10日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月16日
發(fā)明者阿明·W·赫德利卡, 沃爾夫?qū)て绽锉葼? 赫爾曼·施斯特, 克勞斯·洛布納, 哈拉德·科夫勒 申請人:阿明·W·赫德利卡