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
阅读：1008发布：2020-08-06
专利汇可以提供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检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了用于测量容器中物质的物理性质的方法和装置。在一个示例中，该方法包括捕获对于由与容器机械连通的源引发的振动的响应，基于所述响应生成振动响应 频谱 ，以及基于至少一个物理性质和所述振动响应频谱的一个或多个特性之间的至少一个预先建立的关系，计算所述物质的至少一个物理性质的至少一个值。，下面是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的具体信息内容。
1.一种用于测量容器中物质的物理性质的方法，该方法包括：
捕获对于由与所述容器机械连通的源引发的振动的响应；
基于所述响应生成振动响应频谱；以及
基于至少一个物理性质和所述振动响应频谱的一个或多个特性之间的至少一个预先建立的关系，计算所述物质的至少一个物理性质的至少一个值。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述容器的壁上引发振动。
3.如权利要求2所述的方法，其中，引发所述振动包括以下至少之一：引发与所述壁的固体相互作用、引发与所述壁的流体动力相互作用、引发与所述壁的弹道敲击相互作用以及引发与所述壁的电动力相互作用。
4.如权利要求2所述的方法，其中，引发所述振动包括将机械载荷施加到所述容器的外壁。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述机械载荷包括单脉冲、脉冲串和周期性脉冲中的至少一个。
6.如权利要求5所述的方法，其中，根据振幅调制、频率调制、脉冲调制、脉码调制和脉宽调制中的至少一个调制所述机械载荷。
7.如权利要求1所述的方法，其中，捕获所述响应包括：
将振荡转换成数字信号；以及
分析所述数字信号以计算壁响应时间、阻尼因子、信号谐波频谱和表征所述振荡的振幅的变量中的至少一个。
8.如权利要求7所述的方法，其中，捕获所述响应包括调整施加到所述响应的增益。
9.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述容器的配置和所述容器与另一物体之间的附着类型确定所述预先建立的关系。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在所述振动响应频谱内确定搜索域。
11.如权利要求1所述的方法，还包括对所述至少一个值计算修正。
12.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述容器预先定义的接近范围内测量外界温度；
确定所述外界温度和处理温度之间的差；以及
基于所述差将所述至少一个值变换为补偿值。
13.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述至少一个值包括计算所述物质的物质堆积密度和所述物质的粘度中的至少一个的至少一个值。
14.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述至少一个值包括计算均质液体、异构液体和松散固体中的至少一个的至少一个物理性质的至少一个值。
15.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述至少一个值包括计算移动物质和静止物质中的至少一个的至少一个物理性质的至少一个值。
16.如权利要求1所述的方法，其中，捕获所述响应包括捕获对于由与圆仓、箱和管道中的至少一个机械连通的源引发的振动的响应。
17.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述至少一个值包括基于所述至少一个物理性质和频谱基谐波的频率之间的至少一个预先建立的关系来计算所述物质的至少一个物理性质的至少一个值。
18.如权利要求1所述的方法，其中，捕获所述响应包括捕获对于由外部源和内部源中的至少一个引发的振动的响应。
19.一种用于测量容器中物质的物理性质的装置，该装置包括外壳，所述外壳包括：
击打器，配置为在所述容器的壁上引发振动；
传感器，配置为捕获对于所述振动的响应；
隔离器，配置为防止由所述装置的运动或所述装置内的运动引起的噪声；以及分析器，配置为基于从所述响应生成的数据确定所述物质的至少一个物理性质的至少一个值。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述至少一个物理性质包括自由流动的非气态物质的密度、粘度、水平偏差、质量流率和存在中的至少一个。
21.如权利要求19所述的装置，还包括配置为将所述外壳耦合到所述容器的耦合器。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述外壳还包括耦合到所述击打器的驱动器，所述驱动器配置为将所述击打器移向所述容器。
23.如权利要求22所述的装置，其中，所述驱动器是电磁驱动器、弹簧驱动器、气动驱动器、液压驱动器和弹道敲击驱动器中的至少一个。
24.如权利要求22所述的装置，其中，所述外壳还包括配置为控制所述驱动器的控制器。
25.如权利要求24所述的装置，其中，所述外壳还包括信号获取器，所述信号获取器配置为：
获取代表所述响应的振荡信号；以及
调节所述振荡信号以用于进一步处理。
26.如权利要求25所述的装置，其中，所述外壳还包括配置为处理所述振荡信号以向所述分析器提供数据的处理器。
27.如权利要求26所述的装置，其中，所述外壳还包括配置为向外部实体提供所述至少一个值的接口。
28.如权利要求27所述的装置，还包括置于所述容器和所述耦合器之间的薄膜。
29.一种用于测量移动通过容器的物质的物理性质的装置，所述装置包括外壳，所述外壳包括：
传感器，配置为捕获对于振动的响应；
分析器，配置为基于从所述响应生成的数据确定所述物质的体积流量和密度；以及体积流量测量单元，配置为通过将所述密度乘以所述体积流量来计算所述物质的质量流率。
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
[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“NON-INVASIVE METHOD FOR MEASUREMENT OF PHYSICAL PROPERTIES OF FREE FLOWING MATERIALS IN 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
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“METHOD AND APPARATUS FOR MEASUREMENT OF PHYSICAL PROPERTIES OF FREE FLOWING MATERIALS IN 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Percussion Technology(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：
[0014]4 4
[0015] I＝q(D-d)
[0016]
[0017] 其中D–管道外直径(OD)；
[0018] d–管道内直径(ID)；
[0019] ρ–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
[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(例如工作泵或压缩机等)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，该温度补偿功能将在记录的温度处测量的物理性质的值转换成该物理性质在设置过的处理温度处将测得的值。该转换后的值可以被称为补偿值。该功能在各种化学工程测量应用中是重要的。
[0032] 根据另一示例，提供了用于非侵入性地测量包含在容器中的自由流动非气态物质的密度、粘度、水平偏差以及存在的基于敲击的设备。在一些实施例中，设备的移动部件的部分被动态地与振荡容器壁隔离，因此允许不受干扰地监控容器壁与附着到容器壁的包含物质的部分的组合振荡。使用这个方式，这些实施例比传统测量设备具有增强的测量敏感度、测量准确度和测量精度。
[0033] 根据一个示例，提供了用于非侵入性地测量包含在容器中的物质的物理性质或物理变量的设备。该设备可以测量的物理性质的示例的非限制列表包括：密度、粘度、水平偏差、自由流动非气态物质的存在及质量流率。该设备包括外壳、耦合器、击打器、驱动器、控制器、传感器、信号获取器、处理器、分析器、接口和稳定器。耦合器将外壳耦合到容器壁。驱动器使得击打器移向容器壁。控制器控制击打器的运动。在由击打器与容器壁进行动态接触而引发振荡后，传感器感测容器壁与包含在容器中的物质的组合振荡。信号获取器获取代表所述振荡的振荡信号以及调节所述振荡信号以用于进一步处理。处理器通过处理所述信号产生测量的内容物质物理变量相关的数据。分析器处理产生的数据以确定测量物理变量。接口向外部实体提供测量的变量。稳定器向设备提供长期测量稳定性。
[0034] 在一些示例中，设备的耦合器连接到位于容器壁开口上的薄膜，从而提供改进的测量敏感度、测量准确度和测量精度。在该示例中，薄膜可以放置于容器和耦合器之间。在容器是管道、筒或导管的其它示例中，耦合器连接到被容器包围的与容器结构相同的薄壁构件，从而提供改进的测量敏感度、测量准确度和测量精度。
[0035] 根据在图10中例示的另一示例，反作用力被导向管道壁。反作用力是由移动击打器并然后迅速停止移动击打器的惯性力引起的。在击打器不与容器壁进行动态接触的情况下，反作用力被用来引发容器体中的振荡。
[0036] 在图11和12中示出的另一示例中，容器结构的振动构件强迫容器体振动，所述振动构件是诸如马达、泵、压缩机或在物质内引起涡流的容器内的局部阻力。在该示例中，尽管设备的击打器是不移动的，但是设备的传感器获取容器体的振动。
[0037] 在针对测量移动通过管道的物质的质量流率的设备的应用中，所述设备装备有体积流量测量单元，该体积流量测量单元通过将测量的物质密度乘以测量的体积流量来测量管道内容的质量流量。在具有漩涡型体积流量的示例中，设备具有不移动的(或移除的)击打器。该设备利用位于设备外的源引发的管道体振动。具体地，当物质流动遇到来自如图13的功能框图中示出的涡流流量计排出构件的阻力时生成湍流，由所述湍流引发振动。
[0038] 根据至少一个实施例，提供了用于测量容器中物质的物理性质的方法。该方法包括以下动作：在容器壁上引发振动，捕获对于振动的响应，基于所述响应生成振动响应频谱以及基于物理性质和振动响应频谱的一个或多个特性之间的至少一个预先建立的关系产生至少一个物理性质的值的读数。
[0040] 根据另一实施例，提供了用于测量容器中物质的物理性质的设备。该设备包括配置为在容器的壁上引发振动的击打器、配置为捕获对于振动的响应的传感器以及配置为防止由装置的运动或装置内的运动引起的噪声的隔离器。
[0041] 根据一个示例，提供了用于测量容器中物质的物理性质的方法。该方法包括以下动作：捕获对于由与容器机械连通的源引发的振动的响应，基于所述响应生成振动响应频谱以及基于至少一个物理性质和所述振动响应频谱的一个或多个特性之间的至少一个预先建立的关系来计算所述物质的至少一个物理性质的至少一个值。
[0042] 在一个示例中，该方法还包括在所述容器的壁上引发振动。在进一步的示例中，引发振动包括以下至少之一：引发与壁的固体相互作用、引发与壁的流体动力相互作用、引发与壁的弹道敲击相互作用以及引发与壁的电动力相互作用。
[0043] 在另一示例中，引发振动包括向容器的外壁施加机械载荷。根据进一步的示例，机械载荷包括单脉冲、脉冲串和周期性脉冲中的至少一种。在至少一个示例中，机械载荷根据振幅调制、频率调制、脉冲调制、脉码调制和脉宽调制中的至少一个来调制。
[0044] 在一些示例中，捕获响应包括：将振荡转换成数字信号；以及分析所述数字信号以计算壁响应时间、阻尼因子、信号谐波频谱和表征振荡的振幅的变量中的至少一个。在进一步的示例中，捕获响应包括调整施加到响应的增益。
[0045] 根据至少一个示例，该方法还包括基于容器的配置和容器与另一物体之间的附着类型确定预先建立的关系。
[0046] 根据另一示例，该方法还包括在振动响应频谱内确定搜索域。
[0047] 还根据另一示例，该方法还包括对所述至少一个值计算修正。
[0048] 在至少一个示例中，该方法还包括在容器预先定义的接近范围内测量外界温度，确定外界温度和处理温度之间的差以及基于所述差将所述至少一个值转换为补偿值。
[0049] 在另一示例中，计算所述至少一个值包括计算所述物质的物质堆积密度和所述物质的粘度的至少一个的至少一个值。在进一步的示例中，计算所述至少一个值包括计算均质液体、异构液体和松散固体中的至少一个的至少一个物理性质的至少一个值。根据另一示例，计算所述至少一个值包括计算移动物质和静止物质中的至少一个的至少一个物理性质的至少一个值。根据另一示例，计算所述至少一个值包括基于至少一个物理性质和频谱基谐波的频率之间的至少一个预先建立的关系来计算所述物质的至少一个物理性质的至少一个值。
[0050] 在一个示例中，捕获所述响应包括捕获对于由与圆仓、箱和管道中的至少一个机械连通的源引发的振动的响应。根据另一示例，捕获所述响应包括捕获对于由外部源和内部源中的至少一个引发的振动的响应。
[0051] 根据一个示例，提供了用于测量容器中物质的物理性质的装置。该装置包括外壳。所述外壳包括：配置为在容器的壁上引发振动的击打器、配置为捕获对于振动的响应的传感器、配置为防止由装置的运动或装置内的运动引起的噪声的隔离器以及配置为基于从所述响应生成的数据确定所述物质的至少一个物理性质的至少一个值的分析器。
[0052] 根据一个示例，所述至少一个物理性质包括自由流动的非气态物质的密度、粘度、水平偏差、质量流率和存在中的至少一个。
[0053] 在另一示例中，该装置还包括配置为将外壳耦合到容器的耦合器。在至少一个示例中，所述外壳还包括耦合到所述击打器的驱动器，所述驱动器配置为将所述击打器移向所述容器。根据另一示例，所述驱动器是电磁驱动器、弹簧驱动器、气动驱动器、液压驱动器和弹道敲击驱动器中的至少一种。
[0054] 在一个示例中，所述外壳还包括配置为控制所述驱动器的控制器。根据至少一个示例，所述外壳还包括信号获取器，所述信号获取器配置为：获取代表所述响应的振荡信号以及调节所述振荡信号以用于进一步处理。在至少一个示例中，所述外壳还包括配置为处理所述振荡信号以向所述分析器提供数据的处理器。在另一示例中，所述外壳还包括配置为向外部实体提供所述至少一个值的接口。
[0055] 在至少一个示例中，该装置还包括放置于所述容器和所述耦合器之间的薄膜。
[0056] 根据一个示例，提供了用于测量移动通过容器的物质的物理性质的装置。该装置包括外壳。所述外壳包括配置为捕获对于振动的响应的传感器，配置为基于从所述响应生成的数据确定物质的体积流量和密度的分析器，以及配置为通过将密度乘以体积流量来计算物质的质量流率的体积流量测量单元。
[0057] 在下文仍将详细讨论其它方面、实施例以及这些示例性方面和实施例的优点。此外，应当理解，前述信息和以下详细描述仅是各个方面和实施例的例示性示例，并且旨在提供用于理解所要保护的方面和实施例的本质和特征的概览或框架。本文公开的任何示例或实施例可以与任何其它示例或实施例结合。对“示例”、“一些实施例”、“替代示例”、“各种实施例”、“一个示例”、“至少一个实施例”、“这个和其它示例”等的提及不一定是互相排斥的，而旨在表示结合示例或实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个示例或实施例中。本文出现的这样的术语不一定都指的是相同的示例或实施例。附图说明
[0058] 参考附图在下文讨论了至少一个示例的各个方面，其中附图不旨在按比例绘制。附图包括为各个方面和示例提供说明和进一步的理解，并且并入该说明书中并构成该说明书的一部分，但是不意为对文本公开的示例的限制的定义。附图与本说明书的剩余部分一起用于解决所描述的和要求保护的方面和示例的原理和操作。在图中，在各个图中例示的每个相同或近似相同的组件由相似的附图标记表示。为了清楚的目的，不是每个组件在每个图中都被标记。在图中：
[0059] 图1是由诸如Ultimo DVM振动传感器的振动传感器捕获的管道振动响应的时序图；
[0060] 图2是图1中示出的信号的振动频谱的图：1-与管道的振动基谐波相关联的频谱线；2-用于基谐波频率追踪的频域上的搜寻域；
[0061] 图3是表示物质的堆积密度和管道的基波频率值之间的关系的曲线族的图；管道被加持在两侧；夹具之间的距离＝50英寸；管道OD＝3.5英寸；管道ID＝3.07英寸；
[0062] 图4是测量算法的一般化流程图；
[0063] 图5示出该设备的功能框图；
[0064] 图6描绘了实施例的机械设计的分解三维图；
[0065] 图7、图8是实施例的机械设计的装配图；
[0066] 图9例示实施例的侧视图；
[0067] 图10例示了实施例中基于惯性力的容器体的致动；
[0068] 图11例示经由容器的构造的振动构件的致动；
[0069] 图12例示由于管道对移动的内容物质的局部阻力引起的致动；
[0070] 图13例示使用敲击密度计和体积流量计的组合测量质量流的设备的功能图；
[0071] 图14例示用于监控外界空气温度并且计算管道或容器内的处理温度的热传感器的定位，从而提供设备对外界温度改变的不变性以及提供在不同于瞬时处理温度的设置过的温度测量内容物质的物理性质；以及
[0072] 图15例示用于高准确度地监控管道或容器内的处理温度的热传感器的定位，目的为在不同于瞬时处理温度的设置过的温度处测量内容物质的物理性质。
具体实施方式
[0073] 本文公开的方面和示例涉及用于确定容纳在容器内的物质的物理性质的装置和流程。例如，根据一个示例，装置包括击打器、振动传感器和控制器，其配置为确定属于表征容器内容的一组测量的物理变量的密度。在一些示例中，非气态物质是流体。在其它示例中，非气态物质是固体。根据另一示例，装置(诸如以上描述的装置)执行用于确定容纳在容器内的物质的物理性质的方法。在执行示例性方法的同时，使用密度和装备有振动传感器的容器的测量的振动频谱的性质之间的预先建立的关系，通过计算瞬时密度值，该装置确定置于容器内非气态物质的密度。
[0074] 应当认识到，本文讨论的方法和装置的示例不局限于应用于在以下说明书中阐述的或在附图中例示的构造的细节和组件的布置。该方法能够在其它示例中实现并以各种方式实践或执行。本文提供的具体的实现方式的示例仅用于例示的目的而并不旨在于限制。特别地，所讨论的与任何一个或多个示例相关的动作、元件和特征不旨在从任何其它示例中相似的地位被排除。
[0075] 还有，本文使用的措辞和术语是用于说明目的而不应被视为限制。本文以单数形式提及的任何对系统和方法的示例或元件或动作的参照也可以包含包括多个这些元素的示例，而本文以复数形式提及的对任何示例或元素或动作的任何参照也可以包含仅包括单个元件的示例。以单数或复数形式提及不旨在限制当前公开的系统或方法，及其组件、动作或元件。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变形意味着包含其后列出的项和其等同物以及额外的项。提及“或”可以理解为包容性的以使得任何使用“或”描述的项可以表示单个所述项、多于一个所述项和所有描述的项中的任何一个。此外，在本文档和通过引用并入本文的文档之间术语的用法不一致的情况下，在并入的参考文献中术语的用法是对本文档中术语的用法的补充；对于不可调和的不一致，以本文档中这类术语的用法为主。此外，为了读者的方便，可能在说明书中使用标题或副标题，这应当对本文公开的实施例的范围没有影响。
[0076] 测量装置
[0077] 本文公开的一些示例对PCT申请号PCT/US10/44292中描述的设备加以改进、与该设备一起操作或适应于该设备。根据一个示例，提供了用于非侵入性地测量包含在容器中的自由流动的非气态物质的物理性质的设备。该设备包括使得击打器移向容器壁并物理地碰撞容器壁的驱动器。该设备被布置为将设备的质量和运动(以及设备的内部和外部组件的质量和运动)与容器壁和包含在容器内的物质的组合振荡机械地隔离(在已经将击打施加到容器壁之后)。然而，应当认识到，这样的机械隔离不包括设备的任何感测组件或耦合组件。这些组件在已经施加击打后保持与容器壁的机械连通。该隔离将减小(或消除)对由设备及其组件的质量和运动引起的对振荡的干扰。
[0078] 图6-8例示包括被设计为在设备施加击打后将该设备(除了其感测组件和耦合组件)从容器机械地隔离的组件的实施例。设备包括安装在支撑板50上的外壳40、体盖24和端盖20。安装板68与物体(诸如容器)壁相连并且具有用于安装支架66的孔。安装支架66、导杆52和顶部支撑板26通过螺钉(或任何其它合适的紧固件)相连，并形成外壳40的导向架。外壳40和支撑板50具有用于直线轴承38、46和48的孔，所述直线轴承允许外壳40在导杆52上的滑动移动。
[0079] 安装在外壳40的中心的击打器直线轴承作为击打器轴58的导轨。轴58的第一端有弹性击打器尖端64，而第二端与横梁34相连。横梁34与一对螺线管36的铁芯和一对减振器44相连。减振器44的杆与支撑板50相连。一对减振器42通过第一端与顶部支撑板26相连并且通过第二端与外壳40相连。一对缓冲器32用作外壳40的前挡块。一对缓冲器30用作横梁34的前挡块，该横梁34与螺线管铁芯和击打器轴58相连。体盖24有通气孔27。传感器28与示出的实施例的静止部分牢固地连接。密封件22安装在端盖20和支撑板50上。复位弹簧56安装在导杆52和击打器轴58上。这些弹簧由弹簧支撑垫圈60支撑并由调整环59调整。缓冲器垫圈62用作支撑板50的挡块。电气导管54还可以与支撑板50附着或与支撑板50连通。
[0080] 在当驱动电压脉冲激励驱动器的螺线管时的时刻，螺线管的铁芯开始移向容器壁从而使击打器加速，导致在容器壁处产生碰撞。在击打器向容器壁的运动期间，该运动的反作用力使得构件40、20、24和50在与击打器运动方向相反的方向上运动。在该过程中，阻尼器42、44缓和设备的所有移动的构件的相互振荡。每次击打之后，复进簧将移动的构件带到其初始位置。测量壁振荡的传感器(在一个实施例中为加速度计)通过导杆52、顶部支撑板26和安装支架66牢固地链接到容器壁。因为在已经将击打施加到容器壁之后紧接着，击打器58的可移动块和外壳40牵涉到通过在导杆52上滑动的相对运动的衰减振荡过程中，其对容器壁振荡的影响被最小化，由此允许对容器壁和附着到容器内壁的物质的部分的组合振荡的无干扰监控。
[0081] 根据在图10中例示的另一示例，反作用力被导向管道壁。反作用力是由移动击打器然后迅速停止移动击打器的惯性力引起的。在击打器不与容器壁进行动态接触的情况下，反作用力被用来引发容器体中的振荡。
[0082] 在图11和12中示出的另一示例中，容器构造的振动构件强迫容器体振动，所述振动构件诸如是马达、泵、压缩机或在物质内引起涡流的容器内的局部阻力。在该示例中，尽管设备的击打器是不移动的，但是设备的传感器获取容器体的振动。
[0083] 在针对测量移动通过管道的物质的质量流率的设备的应用中，所述设备装备有体积流量测量单元，该体积流量测量单元通过将测量的物质密度乘以测量的体积流量来测量管道内容的质量流量。在具有漩涡型体积流量的示例中，设备具有不移动的(或移除的)击打器。该设备利用位于设备外的源引发的管道体的振动。特别地，当物质流动遇到来自如图13的功能框图中示出的涡流流量计排出构件时，由此生成的湍流引发振动。
[0084] 在另一示例中，如图14所示，支撑板50被修改为容纳热传感器，所述热传感器的位置高度接近支撑板的外壁，从而允许监控外界空气温度变化。如下进一步所描述的，来自该热传感器的信号被用于创建到设备的输出的关联，该设备的输出在宽泛变化的外界空气温度下提供高稳定性的测量。
[0085] 在另一示例中，来自位于支撑板50内的第一温度传感器的输出被连接到微处理器。位于接近振动感测机构的第二温度传感器的输出也被连接到微处理器。第二温度传感器测量振动感测装置电子器件周围的温度。如下进一步所描述的，同时使用两个热传感器提供了在设备内建立高度有效的热稳定性关联。此外，第一热传感器的输出可被用于计算管道或容器内的处理温度的值。
[0086] 在另一设备中，如图15所示，至少一个热传感器被并入到设备的安装支架中，所述安装支架用于使设备附着到管道或容器。当需要在不同于瞬时处理温度的设置过的温度处测量内容物质物理性质时，该传感器的输出用于对在上述情况下要求的处理温度的准确计算。
[0087] 测量过程
[0088] 本文公开的示例性方法基于监控容器的区段的振荡运动，所述容器的区段由将容器固定到相对于容器基本上不移动的刚性平面的机械构件来定义。这样的运动可能是由向着壁施加的瞬时机械载荷引发的。这样的运动可能是由诸如工作泵、马达、压缩机和类似物体的外部振动源引发的。在这方面，零阶近似机械系统(本方法利用其性质)可以归类为具有均衡分布的质量的梁和附着到所述梁的集中质量。在这个模型或近似模型中，空管道区段的质量和物质质量一起构成了填满该物质的管道的质量，所述填满该物质的管道的质量被用在容器的近似梁模型中。所述梁的振荡被用来获得用于确定填充管道区段的物质的几个物理性质的信息，包括该物质的密度等等。测量方法能够应用到至少以下的两种基本类型的非气态自由流动容器内容：均质的和非均质的液体物质；松散固体，包括粉末和其它粒状物质。由于梁模型的本质，该方法提供对这些物质的堆积密度的测量。
[0089] 整体而言，如图4所示，一个示例处理1300是下列动作序列。该方法的流程图是由描绘两个子方法的两个分支组成。子方法的选择取决于给容器传递振荡运动的方式。以下，将按照其一般形式描述包括两个子方法的方法。处理1300由输入表征容器和填充容器的物质的数据的动作在1302处开始。在1304处，选择传递到容器的振荡运动的方式。如果选择击打，那么在1306处测量装置确定可接受的击打力和振动传感器增益的值。如果不选择击打，那么在1308处测量装置确定振动传感器增益的可接受的值。在1310处，测量装置至少在用非气态自由流动物质填充到已知水平的容器外壁上的单个预先确定的位置处引发振动。在1312处，测量装置捕获对于机械载荷的壁振荡响应。在1314处，测量装置生成振动响应信号频谱(也称为振动响应频谱)。在1316处，测量装置选择将用于生成测量的振动频谱的参数。在1318处，测量装置使用选择的振动频谱的性质和关于在1302处插入的测量应用数据而获得的测量变量之间的预先确定的关系来计算测量变量的值。处理1300在1320处结束。
[0090] 以下，详细描述提出的方法的每个动作，作为所述方法的示例，使用单个振动源和单个测量值。在以下方法描述中，为了清楚起见，单个测量变量将会是填充容器的物质的密度并且容器的类型将会是管道。
[0091] 动作1302：输入表征容器和填充容器的物质的数据。由术语“测量应用数据”集体描述的容器和填充物质的参数应足以在单个自由度动态系统“具有均衡分布的质量的梁和附着到所述梁的集中质量”的情况下数学地生成振动频谱。与该动态系统对应的测量应用数据的列表呈现在下面。
[0092] 1.管道外直径(OD)
[0093] 2.管道内直径(ID)或壁厚
[0094] 3.包围测量装置的管道支撑之间的管道长度。
[0095] 4.管道的物质
[0096] 5.期望的填充物质的密度的平均值
[0097] 6.管道支撑的类型，例如“两端仅被支撑”或“两端被夹紧”
[0098] 7.集中质量的位置，例如“跨距中点”或“自由端”
[0099] 动作1306：确定为了容器致动而应施加到容器壁的击打力的可接受的值以及振动传感器增益的可接受的值。
[0100] 如果选择击打作为将振荡运动传递到容器的方式，则处理1306执行。根据公开的通过击打测量的方法的物理现象，点位测量、密度测量或粘度测量要求传感器输出信号满足信号表示的某些条件。该条件可以包括动态范围值、基于时间窗口的观测值和信号衰减行为。建议使用自适应击打控制处理来支持传感器输出信号对信号表示条件的满足而不管道测量应用的参数。处理执行搜索击打力和振动传感器增益的可接受的值并且包括执行以下操作：
[0101] ·通过以一定开始值的击打力和一定开始值的振动传感器增益在壁上击打来引发容器的振动
[0102] ·捕获传感器响应
[0103] ·针对信号表示的标准评估传感器输出信号
[0104] ·使用两个嵌套循环的逻辑调整击打力和振动传感器增益的值；击打力和增益的开始值和结束值通过测量装置的设计预先确定
[0105] ·当力和增益不产生满足上述信号表示条件的传感器输出信号时，在这种情况下，发出“未能获得可接受的击打力和振动传感器增益”的消息
[0106] ·当力和增益产生满足上述信号表示条件的传感器输出信号时，在处理1306以外的测量中使用获得的击打力和振动传感器增益的可接受的值
[0107] 动作1308：确定振动传感器增益的可接受值。
[0108] 如果没有选择击打作为将振荡运动传递到容器致动的方式而是选择被动振动感测，则处理1308执行。该处理执行搜索振动传感器增益的可接受的值并且包括执行以下操作：
[0109] ·捕获传感器响应
[0110] ·针对信号表示的标准评估传感器输出信号
[0111] ·使用循环的逻辑调整振动传感器增益的值；振动传感器增益的开始值和结束值通过测量装置的设计来预先确定
[0112] ·当增益不产生满足上述信号表示条件的传感器输出信号时，在这种情况下，发出“未能获得振动传感器增益”的消息
[0113] ·当增益产生满足上述信号表示条件的传感器输出信号时，在处理1310以外的测量中使用获得的振动传感器增益的可接受的值
[0114] 动作1310：
[0115] 至少在用某种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。
[0116] 振动在机械碰撞的附近发生，所述机械碰撞的中心位于容器外壁上。碰撞载荷的时序图可以是各种形式，作为特定示例，包括单脉冲、一串脉冲(也称为脉冲串)或连续周期载荷(也称为连续周期脉冲)。每种载荷类型允许任何类型的调制，例如振幅调制、频率调制、脉冲调制、脉码调制或其组合。在一些示例中，取决于特定测量方案的技术要求，在壁上的机械碰撞可以经由施加任何合适的能量源来发生。合适的能量源可以包括螺线管、弹簧、液压驱动和基于气压的驱动。
[0117] 动作1312：捕获对于机械载荷的壁振荡响应。
[0118] 将由测量系统的接收器捕获的机械振动量化并存储在执行该方法的计算机构的数据存储器中。
[0119] 动作1314：产生振动传感器响应信号频谱。
[0120] 该存储的、量化的数据集是由耦合到数据存储器的控制器执行的随后的数据处理操作的输入。该数据处理操作通过应用传递定义在频率范围上的信号幅值频谱的快速傅里叶变换过程导致生成信号的谐波表的。
[0121] 振动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，并且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。
[0123] 被用作估计变量的振动频谱的特定性质取决于针对哪个物理变量进行测量。例如，为了测量填充物质的密度，应当使用振动频谱的基谐波频率。
[0124] 这是因为单自由度机械动态系统由基谐波频率和机械动态系统参数之间的以下关系来表征：
[0125]
[0126] 其中k表示刚度；M表示振荡质量。假设不存在任何附着到壁的额外质量，则支撑之间的管道区段的总质量的表达式可以按照以下来描述：
[0127] M＝Mp+Mc (2)
[0128] 在公式(2)中，Mp代表空管道区段的质量；Mc代表管道中的填充物质的质量。对于给定的空管道，空管道的质量是恒定值(不考虑磨损)。然而，管道内容的质量随时间变化。对于任何根据管道支撑标准(例如ASTM标准)支撑的长度(L)的管道区段，该区段的刚度不受环境改变(包括外界温度改变)的影响，而其可以是主要的测量干扰因素。因此2
填充物质的密度与基谐波的周期(T)的平方值成正比是正确的，ρc∝T 。在单自由度系统模型的情况下，该关系由以下公式描述：
填充物质的密度与基谐波的周期(T)的平方值成正比是正确的，ρc∝T 。在单自由度系统模型的情况下，该关系由以下公式描述：
[0129]
[0130] 其中，Vc表示在长度L的管道区段中由填充物质占据的体积。
[0131] 可以针对更加复杂的系统采用相似的方式，包括具有均衡分布的质量的梁和附着到管道的测量设备的集中质量的情况。取决于选择的测量变量，振动频谱的性质和测量变量之间的关系可以具有不同的视角(view)和不同的表示(例如公式或查找表)。振动频谱的更高次的谐波也可以加入这些关系。
[0132] 动作1318：使用选择的振动频谱的性质和关于在1302处输入的测量应用数据而获得的测量变量之间的预先确定的关系来计算测量变量的值。
[0133] 继续管道区段示例，可以使用以下公式来执行估计变量f到测量变量ρc的转换。
[0134]
[0135] I＝q(D4-d4) (3)
[0136]
[0137] 其中D–管道OD；
[0138] d–管道ID；
[0139] ρ–管道壁物质密度
[0140] E–管道壁物质的杨氏模数
[0141] I–管道剖面区域的惯性矩
[0142] g–重力常数
[0143] Ws–用于产生振动频谱的振动传感器的重量
[0144] Ms–振动传感器的质量
[0145] B,c测量应用相关的参数
[0146] q–测量单位转换因子
[0147] 应当认识到，本文公开的示例的另一重要特征是，使用动态系统“具有填充物质的容器-致动器”的适当数学模型允许通过管理测量设备设置所要求的测量应用数据的量来控制测量的准确度。在以下描述的填充物质密度测量的示例中，该方法通过在设备的安装和设置期间包括用于控制测量设备的准确度的动作来修改。在该示例中，处理在动作1318以外继续。
[0148] 动作1320：经由标准测量设备或标准方法从两种不同的物质样品获得测量变量的至少两个不同的值。
[0149] 测量变量的两个值必须充分不同以允许有效地提高该方法的准确度。在流过60英寸长的3英寸大小的管道的物质密度测量这个特定情况下，物质样品测量之间的差应大于或等于5％。
[0150] 动作1322：使用以下表达式计算公式中的参数B和c的修正值。
[0151]
[0152]*
[0153] fj≡fj(t,t) (4)*
[0154] ρcj≡ρcj(t,t)
[0155] j＝1,2* *
[0156] 其中fj≡fj(t,t),j＝1,2表示在时间t＝t的时刻获得的基谐波的测量设备* *生成的频率。ρcj≡ρcj(t,t),j＝1,2表示在相同时间t＝t的时刻获得的物质样品的密度。
[0157] 动作1324：将公式(3)中的参数B和c的值替代为使用公式(4)计算出的参数B和c的值。
[0158] 动作1326：使用公式(3)计算填充物质密度的修正值。
[0159] 动作1328：经由标准测量设备或标准方法从物质样品获得测量变量的至少一个值。物质样品测量可以是单个测量值或者是统计地处理过的测量值(例如，对在相同的物质样品进行若干次测量来取平均)。
[0160] 动作1328：如下计算测量变量的偏移值。
[0161]
[0162] 其中 代表通过标准设备或标准方法测量的物质样品的密度；测量时间标*记在t＝t处； 代表由本文所公开的方法的测量仪器使用公式(3)并且在时间
*
标记t＝t处产生的填充物质密度的测量值。
*
标记t＝t处产生的填充物质密度的测量值。
[0163] 动作1330：使用以下公式计算测量变量的修正值。
[0164]
[0165] 公式(6)背后的理论是：由公式(3)描述的密度是由一簇几乎平行的曲线表示，因此使得修正(6)有用。所述方法的该示例的处理1300在1332处结束。
[0166] 取决于测量应用的说明，在上述方法的示例中某些动作可以跳过。例如，在需要进行趋势分析的情况下，第二方法示例的动作1320-1332可以跳过且测量设备的结果将由测量方法的第一示例的动作1302-1320来支配。当测量设备的精度对于典型处理控制应用应该足够时，在这种情况下，动作1320-1326可以在测量方法的第二示例中跳过。第二示例的整个方法应被用于获得最佳的测量精度。
[0167] 在另一示例中，为了进一步增强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，修正作为振动传感器内部温度和测量变量之间的关联的函数来计算。在另一示例中，该方法包括计算测量的变量值的另一修正以解决由于振动传感器对机械部件的热能的易感性而引起的噪声。在该示例中，修正作为外界温度和测量变量之间的关联的函数来计算。关联的利用取决于环境条件以使得关联中的每个可以单独地和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。
[0168] 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时，在容器的外表面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施处理温度补偿功能。当执行时，该温度补偿功能将在记录的温度处测量的物理性质的值转换成该物理性质在设置过的处理温度处将测得的值(即，补偿值)。该功能在各种化学工程测量应用中是重要的。
[0169] 本文所描述的各种基于温度的修正和补偿是在之前描述的测量处理1300的一些示例内执行的额外的动作，其根据处理1300的动作修改生成的输出读数。
[0170] 处理1300描绘特定示例中的动作的一个特定序列。包括在处理1300中的动作可以由或使用一个或多个按照本文所述的专门配置的计算机系统执行。一些动作是可选的，因此，可以根据一个或多个示例而省略。此外，在不背离本文所述的系统和方法的范围的情况下，动作的顺序可以改变，或可以添加其它动作。此外，如上所述，在至少一个示例中，动作在特定的、专门配置的机器(即根据本文公开的示例配置的测量设备)上执行。
[0171] 至此已经描述至少一个实施例的若干方面，但是应当理解，各种改变、修改和改进对于本领域技术人员将是容易的。这样的改变、修改和改进旨在为本文公开的一部分，并且旨在在本文讨论的实施例的范围内。因此，前面的说明和附图仅是通过示例的方式。
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