0是用于確定容器中的流體的液位的方法的一實(shí)施例的流程圖。
[0040]圖21是供共振傳感器系統(tǒng)中使用的處理器系統(tǒng)的一非限制性代表實(shí)施例的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]如下面詳細(xì)論述，本發(fā)明的實(shí)施例提供用于可靠準(zhǔn)確地測(cè)量流體處理容器中的流體液位的低成本系統(tǒng)。共振傳感器系統(tǒng)通過(guò)使用共振換能器、例如電感器-電容器-電阻器結(jié)構(gòu)(LCR)多變量共振換能器以及應(yīng)用于來(lái)自換能器的信號(hào)的多元數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用，來(lái)提供過(guò)渡或乳狀液層的液位的有效和準(zhǔn)確測(cè)量。共振傳感器系統(tǒng)還提供確定水和油混合物、油和水混合物以及適用時(shí)的乳狀液層的組成的能力。
[0042]共振換能器包括共振電路和拾取線圈。將浸入流體中的共振換能器的電響應(yīng)轉(zhuǎn)化為對(duì)多個(gè)參數(shù)的同時(shí)變更。這些參數(shù)可包括傳感器天線的阻抗響應(yīng)的復(fù)阻抗響應(yīng)、共振峰值位置、峰值寬度、峰值高度和峰值對(duì)稱(chēng)性、阻抗的實(shí)部的幅值、阻抗的虛部的共振頻率、阻抗的虛部的反共振頻率、零電抗頻率、相位角和阻抗的幅值以及如術(shù)語(yǔ)傳感器“譜參數(shù)”的定義中描述的其他參數(shù)。這些譜參數(shù)可根據(jù)周?chē)黧w的介電性質(zhì)而發(fā)生變化。共振換能器的典型配置可包括LCR共振電路和天線。共振換能器可與連接到檢測(cè)器讀取器(阻抗分析器)的拾取線圈配合操作，其中拾取線圈提供換能器的激勵(lì)和換能器響應(yīng)的檢測(cè)。當(dāng)換能器的激勵(lì)和檢測(cè)換能器響應(yīng)在換能器直接連接到檢測(cè)器讀取器(阻抗分析器)的時(shí)候執(zhí)行時(shí)，共振換能器也進(jìn)行操作。
[0043]共振換能器提供健壯傳感器中的高靈敏度、有利信噪比、高選擇性、高精度和高數(shù)據(jù)獲取速度的組合，而無(wú)需被分析流體和測(cè)量流路的透光性。代替跨寬頻率范圍(從幾分之一 Hz到數(shù)十MHz或GHz)進(jìn)行掃描的常規(guī)阻抗波譜，共振換能器用來(lái)快速地并且以高信噪比僅跨窄頻率范圍來(lái)獲取譜。通過(guò)將感測(cè)區(qū)放在構(gòu)成共振電路的電極之間，來(lái)增強(qiáng)感測(cè)能力。如在流體處理系統(tǒng)、例如脫鹽器或分離器中所實(shí)現(xiàn)，共振傳感器系統(tǒng)可包括取樣組合件以及耦合到流體取樣組合件的共振換能器。共振傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用于測(cè)量容器中的流體的混合物的液位的方法，并且還可實(shí)現(xiàn)用于確定容器中的油和水的混合物的組成的方法。共振換能器能夠在其最小和最大極限準(zhǔn)確地量化單獨(dú)分析物。共振傳感器系統(tǒng)甚至在流體之一處于低濃度時(shí)也能夠確定流體混合物的組成。
[0044]流體處理系統(tǒng)的非限制性示例包括反應(yīng)器、化學(xué)反應(yīng)器、生物反應(yīng)器、儲(chǔ)存容器、容器以及本領(lǐng)域已知的其他方面。
[0045]圖1所示的是共振傳感器系統(tǒng)11的一實(shí)施例的示意圖。共振傳感器系統(tǒng)11包括共振換能器12、取樣組合件13和阻抗分析器(分析器15)。分析器15耦合到處理器16、例如微型計(jì)算機(jī)。從分析器15所接收的數(shù)據(jù)使用多元分析來(lái)處理，以及輸出可經(jīng)過(guò)用戶(hù)接口17來(lái)提供。分析器15可以是阻抗分析器，其測(cè)量幅度和相位性質(zhì)，并且將阻抗的變化與感興趣物理參數(shù)相互關(guān)聯(lián)。分析器15掃描感興趣范圍(即，LCR電路的共振頻率范圍)的頻率，并且收集來(lái)自共振換能器12阻抗響應(yīng)。
[0046]如圖2所示，共振換能器12包括設(shè)置在襯底22上的天線20。共振換能器可采用介電層21與周?chē)h(huán)境分離。在一些實(shí)施例中，介電層21的厚度的范圍可從2 nm至50 cm、更具體從5 nm至20 cm以及甚至更具體從10 nm至10 cm。在一些應(yīng)用中，共振換能器12可包括沉積到換能器上的感測(cè)膜。響應(yīng)環(huán)境參數(shù)，電磁場(chǎng)23可在天線20中生成，其從共振換能器12的平面伸出。電磁場(chǎng)23可通過(guò)周?chē)h(huán)境的介電性質(zhì)來(lái)影響，從而提供測(cè)量物理參數(shù)的時(shí)機(jī)。共振換能器12響應(yīng)環(huán)境的復(fù)電容率的變化。流體的復(fù)電容率的實(shí)部稱(chēng)作“介電常數(shù)”。流體的復(fù)電容率的虛部稱(chēng)作“介電損耗因子”。流體的復(fù)電容率的虛部與流體的導(dǎo)電率成正比。
[0047]流體的測(cè)量能夠使用保護(hù)層(其將導(dǎo)電介質(zhì)與天線20分離)來(lái)執(zhí)行。共振換能器12對(duì)流體的組成的響應(yīng)可涉及共振換能器12的介電和維度性質(zhì)的變化。這些變化與被分析環(huán)境(其與共振換能器12進(jìn)行交互)相關(guān)。共振換能器12中的流體感應(yīng)變化經(jīng)過(guò)天線線匝之間的材料電阻和電容的變化來(lái)影響天線電路的復(fù)阻抗。
[0048]對(duì)于使用共振換能器12的選擇性流體表征，傳感器天線20的復(fù)阻抗譜如圖3所示來(lái)測(cè)量。測(cè)量乳狀液的阻抗譜的至少三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)測(cè)量乳狀液的阻抗譜的至少五個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，可取得更好的結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量的非限制性示例為8、16、32、64、101、128、201、256、501、512、901、1024、2048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。譜可作為阻抗譜的實(shí)部或者阻抗譜的虛部或者阻抗譜的兩個(gè)部分來(lái)測(cè)量。LCR共振電路參數(shù)的非限制性示例包括阻抗譜、阻抗譜的實(shí)部、阻抗譜的虛部、阻抗譜的實(shí)部和虛部、復(fù)阻抗的實(shí)部的最大數(shù)的頻率(Fp)、復(fù)阻抗的實(shí)部的幅值(Zp)、復(fù)阻抗的虛部的共振頻率(Fl)及其幅值(Zl)以及復(fù)阻抗的虛部的反共振頻率(F2)及其幅值(Z2)。
[0049]附加參數(shù)可從共振換能器12的等效電路的響應(yīng)來(lái)提取。共振電路參數(shù)的非限制性示例可包括共振的質(zhì)量因子、零電抗頻率、相位角以及共振換能器12的共振電路響應(yīng)的阻抗的幅值。所應(yīng)用的多元分析將共振換能器12的多元響應(yīng)的維度減小到用于不同的感興趣環(huán)境參數(shù)的選擇性量化的多維空間的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。多變量分析工具的非限制性示例是典型相關(guān)分析、回歸分析、非線性回歸分析、主成分分析、區(qū)別函數(shù)分析、多維定標(biāo)、線性區(qū)別分析、對(duì)數(shù)回歸和/或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析。通過(guò)應(yīng)用所計(jì)算譜參數(shù)的全復(fù)阻抗譜的多元分析，分析物及其與干擾的混合物的量化可采用共振換能器12來(lái)執(zhí)行。除了復(fù)阻抗譜參數(shù)的測(cè)量之外,還有可能測(cè)量與復(fù)阻抗譜相關(guān)的其他譜參數(shù)。示例包括但不限于S參數(shù)(散射參數(shù))和Y參數(shù)(導(dǎo)納參數(shù))。使用來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)的多元分析，有可能采用單個(gè)共振換能器12取得多個(gè)感興趣參數(shù)的同時(shí)量化。
[0050]共振換能器12可表征為一維、二維或三維。一維共振換能器12可包括兩個(gè)導(dǎo)線，其中一個(gè)導(dǎo)線設(shè)置成與另一導(dǎo)線相鄰，并且可包括附加組件。
[0051]圖4所示的是具有換能器天線27的二維共振換能器25。二維共振換能器25是包括LCR電路的共振電路。在一些實(shí)施例中，二維共振換能器25可涂敷有施加到電極之間的感測(cè)區(qū)上的感測(cè)膜21。換能器天線27可采取設(shè)置在平面中的線圈導(dǎo)線的形式。二維共振換能器25可以是有線或無(wú)線的。在一些實(shí)施例中，二維共振換能器25還可包括耦合到換能器天線27的IC芯片29。IC芯片29可存儲(chǔ)制造、用戶(hù)、校準(zhǔn)和/或其他數(shù)據(jù)。IC芯片29是集成電路裝置，并且包括可使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)過(guò)程所制造的RF信號(hào)調(diào)制電路以及非易失性存儲(chǔ)器。RF信號(hào)調(diào)制電路組件可包括二極管整流器、電源電壓控制、調(diào)制器、解調(diào)器、時(shí)鐘發(fā)生器和其他組件。
[0052]感測(cè)經(jīng)由如通過(guò)換能器天線27中生成的電磁場(chǎng)23所探測(cè)的二維共振換能器25的復(fù)阻抗譜的變化的監(jiān)測(cè)來(lái)執(zhí)行。在換能器天線27中生成的電磁場(chǎng)23從二維共振換能器25的平面伸出，并且通過(guò)周?chē)h(huán)境的介電性質(zhì)來(lái)影響，從而提供測(cè)量物理、化學(xué)和生物參數(shù)的時(shí)機(jī)。
[0053]圖5所示的是三維共振換能器31。三維共振換能器31包括頂部繞組33以及耦合到電容器37的底部繞組35。頂部繞組33卷繞取樣管的上部，以及底部繞組35卷繞取樣管39的下部。取樣管39例如可由耐受污垢的材料(例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯的合成含氟聚合物)來(lái)制成。
[0054]三維共振換能器31利用頂部繞組33的互感來(lái)感測(cè)底部繞組35。圖6所示的是等效電路41，其中包括電流源43、RO電阻器45、CO電容器47和LO電感器49。等效電路41還包括LI電感器51、Rl電阻器53和Cl電容器55。該電路還包括Cp電容器57和Rp電阻器59。等效電路41的帶圓圈部分示出敏感部分61，其對(duì)周?chē)鷾y(cè)試流體的性質(zhì)敏感。共振換能器12對(duì)油和水的變化混合物的典型Rp響應(yīng)和Cp響應(yīng)分別在圖7和圖8中示出。
[0055]三維共振換能器31可如圖9所示來(lái)屏蔽。共振換能器組合件63包括包圍取樣管39的射頻吸收器(RF吸收器層67)、頂部繞組33和底部繞組35。隔離片69可設(shè)置成由金屬屏蔽71來(lái)包圍。金屬屏蔽71是可選的，并且不是換能器31的組成部分。金屬屏蔽71允許金屬物體和管道內(nèi)部或附近的操作，降低噪聲，并且創(chuàng)建穩(wěn)定環(huán)境，使得傳感器響應(yīng)的任何變化直接歸因于測(cè)試流體的變化。為了將傳感器成功地封裝在金屬屏蔽71中，RF吸收器層67可放置在傳感器與金屬屏蔽71之間。這防止RF場(chǎng)干擾金屬并且弱化傳感器的響應(yīng)。金屬屏蔽71可卷繞有適當(dāng)材料的覆蓋73。RF吸收器層67能夠吸收不同頻率范圍(其中非限制性示例為千赫茲、兆赫茲、千兆赫茲、太赫茲頻率范圍，這取決于換能器