用于测量容器中自由流动物质的物理性质的非侵入性方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求根据35U.S.C§ 119(e)于2013年2月6日提交的题为"N0N-INVASIVE METHODFORMEASUREMENTOFPHYSICALPROPERTIESOFFREEFLOWINGMATERIALSIN VESSELS(用于测量容器中自由流动物质的物理性质的非侵入性方法）"的美国临时申请 61/761543的优先权，通过引用将其全部内容并入此处。
技术领域
[0003] 本文公开的方面涉及用于非侵入性地测量容器中非气态自由流动物质的物理性 质的系统和方法，并且更具体地，涉及确定非气态自由流动物质的密度、粘度、体积流量和 剪切阻力相关的变量。
【背景技术】
[0004] 通过引用将其全部内容并入此处的2010年8月3日提交的题为"METHODAND APPARATUSFORMEASUREMENTOFPHYSICALPROPERTIESOFFREEFLOWINGMATERIALSIN VESSELS(用于测量容器中自由流动物质的物理性质的方法和装置）"的PCT申请No.PCT/ US10/44292,描述了测量容器中非气态物质的物理性质的敲击方法。PCT申请No.PCT/ US10/44292中公开的一些示例实时地求解方程。这些方程包括至少两个应被正确地识别 为估计变量的变量。此外，很像Navier-Stokes和Burger方程，这些方程属于以最一般的 方式描述自由流动物质运动的那类方程。数值求解这些方程需要强大的计算设备，占用大 量的运行时间且基于特定的计算技术（例如全局收敛的Broyden算法、Newton-Krylov(牛 顿-克雷洛夫）算法、信赖域折线算法、非线性最小二乘Levenberg-Marquardt法、非线性 最小二乘高斯_牛顿法），所述特定的计算技术一旦应用于具有显式随机分量的函数可能 不稳定。
【发明内容】
[0005] 本公开的重点是进一步提高Ultimo品牌的PercussionTechnology(敲击技术）， 其应用包括水平测量、密度测量、粘度测量和质量流量测量。在一些示例中，当敲击技术与 体积流量测量技术结合时能够进行质量流量测量。在另外一些示例中，描述了用于非侵入 性地测量容器中的自由流动物质的物理性质的新方法。该方法不需要实时或近实时地求解 任何基于估计变量的方程并且不包括为了校准测量仪器的目的而准备和测量物质样品的 步骤。
[0006] 通过本文公开的方面和示例应认识到，在快速且没有校准设备的情况下执行对内 容物质的物理变量（例如，密度、异构液体的粘度、在容器内容中携带的空气量、水平偏差 等）的测量时，所述对内容物质的物理变量的测量为测量非气态物质的物理性质的敲击方 法提供了获得宽广的适用性、提高的准确度和更好的稳定性的机会。
[0007] 根据一个实施例，提供了用于非侵入性地将填充容器的非气态自由流动物质的物 理性质测量到已知水平或恒定水平的方法。该方法包括如下动作：至少在用非气态自由流 动物质填充到预先确定水平的容器外壁上的单个预先确定的位置处引发振动，捕获对于机 械载荷的壁振荡响应，分析捕获的响应，生成振动响应频谱以及产生自由流动物质的至少 一个物理性质的值的读数。在一个示例中，测量基于测量的性质和振动频谱的至少一个性 质之间预先建立的关系。每个预先建立的关系可以由容器的配置和容器附着到不移动的平 面的类型来定义，所述不移动的平面的质量被认为基本上大于容器的总体质量。
[0008] 该方法允许测量至少均质液体的密度和异构液体（像乳剂、糊、浆）和松散固态物 质的堆积密度。
[0009] 与该方法结合使用的容器的示例包括圆仓、箱和管道等。在该方法中，填充物质可 以是均质液体、异构液体或松散固态物质。在该方法中，填充物质可以是静止的或可以流过 容器。此外，在该方法中，振动可以通过施加到容器外壁的机械瞬时载荷而产生。载荷由各 种机构致动，包括下列中的一个或多个：与壁的固态物质体相互作用（也称为固体相互作 用）、流体动力相互作用（包括空气剂和液体剂）、弹道敲击相互作用和电动相互作用。
[0010] 在该方法中，机械载荷可以包括单脉冲、一串脉冲（trainload pulses)(也称为脉 冲串）、周期脉冲和连续周期载荷（也称为连续周期脉冲）。此外，在该方法中，机械载荷可 以按照下列中的一个调制：振幅调制、频率调制、脉冲调制、脉码调制、脉宽调制及其组合； 而机械载荷可以由选自下列中的一个的驱动能量的源的转化产生：电磁驱动、用在弹簧中 的机械能、气动装置、液压装置和弹道敲击装置。驱动能量的源可以指示上述致动机构的类 型。例如，弹道敲击装置使施加到容器外壁的瞬时载荷和填充物质之间的弹道敲击相互作 用。
[0011] 在该方法中，捕获的动作可以包括将振荡转换成诸如数字信号之类的信号的动 作，该信号可以由信号处理机构获取并且可以进一步由数据处理机构分析，从而创建一组 作为生成该方法的评估变量的输入的信息变量。在该方法中，捕获的信号分析的结果包括 但不限于以下表征对于击打的壁响应的强度的信息变量组中的至少一组（即表征由击打 引发的振荡的振幅的变量）：a)在大于采样周期的移动时间窗口上获得的过滤并整流过的 信号的一组最大值；b)最大值的和；c)相邻最大值之间的差的和。此外，在该方法中，捕获 的信号分析的结果可以包括在大于采样周期的时间窗口上获得的一组最大值。此外，在该 方法中，捕获的信号分析的结果可以是在捕获的信号大于设置过的阈值的情况下计算的壁 响应时间。另外，在该方法中，捕获的信号分析的结果可以是信号对数衰减或阻尼因子。此 外，在该方法中，捕获的信号分析的结果可以是信号谐波频谱。
[0012] 根据另一示例，提供了用于非侵入性地测量移动通过填满的容器的非气态自由流 动物质的物理性质的方法。该方法包括以下动作：至少在容器外壁上的单个预先确定的位 置处引发振动；捕获对于机械载荷的壁振荡响应；分析捕获的响应；生成振动响应频谱以 及产生自由流动物质的至少一个物理性质的值的读数。在一个示例中，测量基于测量的性 质和振动频谱的至少一个性质之间预先建立的关系。每个预先建立的关系可以由容器的配 置和容器附着到不移动的平面的类型来定义，所述不移动的平面的质量被认为基本上大于 容器的总体质量。在该方法的一个示例中，振动频谱的性质被选作频谱基谐波的频率以增 强该方法对环境改变（包括外界温度变化和物质流率的改变）的不变性。
[0013] 在针对管道的该方法的一个示例中，测量的自由流动物质的密度是由管道的支撑
[0014] 构件之间的物质占据的体积定义的堆积密度。在该示例中，预先建立的测量的性质和振动 频谱的至少一个性质之间的关系由以下公式表示：
[0015]
[0016]
[0017] 其中D-管道外直径（0D);
[0018] d-管道内直径（ID);
[0019] P_管道壁物质的密度
[0020] E-管道壁物质的杨氏模数
[0021] I-管道剖面区域的惯性矩
[0022] g_重力常数
[0023] Ws-用于产生振动频谱的振动传感器的重量
[0024] Ms-振动传感器的质量
[0025] B, c -测量应用相关的参数
[0026] q_测量单位转换因子
[0027] 根据另一示例，提供了用于非侵入性地测量非气态自由流动物质的物理性质的方 法。该方法包括以下动作：捕获对于由外部源（例如工作栗或压缩机等）产生的或在内部由 移动物质相对于管道的内表面的摩擦产生的机械干扰的壁振荡响应；分析捕获的响应；生 成振动响应频谱以及产生自由流动物质的至少一个物理性质的值的读数。在一个示例中， 测量基于预先建立的测量性质和振动频谱的至少一个性质之间的关系。每个预先建立的关 系可以由容器的配置和容器附着到不移动的平面的类型来定义，所述不移动的平面的质量 被认为基本上大于容器的总体质量。
[0028] 在该方法的一个示例中，捕获振动响应的动作由自动调整振动捕获机构的增益来 支持，从而提供生成振动频谱的随后动作的结果的稳定性和精确性。
[0029] 在针对测量自由流动物质的密度的示例中，监控振动频谱的基谐波是基于内容物 质的预期测量范围的先验知识的。振动响应频谱内的搜索域可以通过计算与已知密度范围 内的测量密度的上边界值和下边界值关联的基谐波频率的值来定义，而随后拓宽计算的频 率范围以解决单自由度机械模型的理论参数和实际测量应用的参数（例如，管道刚度）之 间的可能差异。
[0030] 在另一示例中，为了进一步提高测量方法的长期稳定性，该方法包括计算对测量 的变量值的修正以解决由于振动传感器的电子部件对热能的易感性而引起的噪声。在该示 例中，将修正作为振动传感器内部温度和测量的变量之间的关联的函数来计算。在另一示 例中，该方法包括计算对测量的变量值的另一修正以解决由于振动传感器的机械部件对热 能的易感性而引起的噪声。在该示例中，将修正作为外界温度和测量的变量之间的关联的 函数来计算。对所述关联的利用取决于环境条件，使得关联中的每个可以单独地并独立地 使用或者两个关联可以同时并且以某种相互关系使用。
[0031] 在本方法的另一示例中，当某些性质应当在设置过的处理温度处测量而无视存在 于测量时刻的温度值时，在容器的外表面的预先定义的接近范围内获得的外界温度数据可 以被用于实现处理温度补偿功能。当执行时，该温度补