本申请享有2003年12月23日申请的美国临时专利申请号码60/532,747之利 益及优先权利，在此以引用其整体的方式合并于本文中。
对容器内填充物质的存在及容器内填充物质所占空间量信息的了解，其必要 性在很多工业及家庭应用中都十分明显。因此，在科技文献中已记载有各种各样 的方法和设备。填充物料水平高度测量方法可以根据以下五种因素进行分类：
1.内置的对非内置的
2.方法对于容器物料的依赖性
3.方法对于填充物料的依赖性
4.对环境影响的恒定性
5.安全性
其中，首要的因素即内置对非内置，因为此因素是对测量方法及实施该方法 的测量工具的最严重限制。因此，首先将从非内置的角度来讨论过往技术方法。 内置方法需要测量设备元件位于容器内；而非内置方法仅限于不需要将测量设备 元件置于容器内的情况。内置方法的数量明显大于非内置方法的数量。前述方法 可以利用非常短的电脉冲的时域反射计量(TDR)的原理，其“……延一部分没 于所测物料中的传输线或导波线(guide wire)传播……由于介电常数的改变而在 物料分界面产生反射脉冲……”如美国专利号码5,610,611，6,452,467及 6,481,276中所示，用发射脉冲与反射脉冲之间的时间差来确定物料水平高度。此 方法可用于连续及定点水平高度测量应用中。
如美国专利号码5,631,633，4,896,536，6,105,425及5,862,431中所示，另一 已知的物料存在探测及填充物料水平高度测量方法是基于对一机械系统的动力特 性所进行的监视，其包括一直接与填充物料接触的振动结构。一些方法建议使用 一机械臂，将其一端固定于一预定水平高度并将其另一端连至一开关，以对填充 物料进行一水平高度继电器控制或定点水平高度测量。Dziedzic等人享有的美国 专利6,111,211即为上述内置方法用于定点水平高度测量的一项实例。在利用对机 械系统的动力特性所进行的监视的方法中，Dieulesaint等享有的美国专利号码 4,954,977提出一定点液体水平高度测量方法，其对检测板中的蓝姆弹性波(Lamb elastic waves)参数的变化进行监视。这些波由一发射机产生，并由测量系统的一 个接收器接收。该检测板被安装在一池内的一预定水平高度。检测板一接触到填 充液体，蓝姆波参数即发生显著变化，因此可以进行定点水平高度测量。科技公 司(Scientific Technologies，Inc.)，制造另一振动水平高度传感器，VBS系列。 公司网站www.stiautomationproducts.com中对该传感器的描述如下：“VBS系列特 别为在非常小，不足3英尺(1米)高的送料斗中所进行的固体水平高度探测而 设计。VBS为一用于常压下对干燥固体使用的小巧的膜振动开关。”“其敏感度 可依粉末的表观比重及流动性而改变，”因此探测敏感度依赖于膜在纵向上没入 的部分。
有大量方法是基于填充物料的电容特性的。根据这些方法，将测量电容器的 至少一个元件置于容器内部。测量电容器的电容依填充物料的量而变化且其可以 对其计算得出与所测得的水平高度相对应的值。美国专利号码5,207,098及 4,574,328显示出此等内置电容方法。
尽管受到一些特殊应用的限制，每种用于距离测量的超声、电磁及激光方法 及其组合都可用于测量容器内填充物料的水平高度。在美国专利号码5,877,997， 5,793,704，6,122,602，5,822,275，5,699,151，6,128,982及5,892,576中揭示了一 些此等方法并显示出基于波序的内置式容器内填充物料水平高度测量的方法。
关于非内置水平高度测量方法，已知下列常用方法：
■放射性的
■电容性的
■超声的
■重力的
放射性方法是基于放射能量在穿过容器壁及填充物料后会减弱的事实。很明 显地，放射系统依赖于容器物料及填充物料。这些系统不能用于连续水平高度测 量且这些系统需要特殊设计及小心操作才可保证足够的安全。一可用于定点水平 高度测量的放射系统的实例为Endress+Hauser制造的幅射测量系统DG57。
重力系统需要确知空的容器的重量及其尺寸，包括内部尺寸。重量测量设备 的安装及填充物料实际水平高度的计算依容器内部的拓扑结构、填充物料的机械 性能及环境条件，例如物料粘性或温度而变化，由于这些问题，重力系统在其适 用性上受到限制。瑞典的Vishay Nobel制造一种此等重力系统。
用于容器内物料水平高度测量的非内置电容方法受到非常严重的限制。为获 得令人满意的测量精确度，一传感电容器的各导电元件之间的距离必须大大小于 其面积。事实上，在基本的略计分析下，两平行四边形板的电容如一著名公式所 述：
$C=\frac{{\mathrm{kϵ}}_{o}A}{d}---\left(1\right)$
其中，C表示电容；εo表示电常数；k表示相对电容率；A表示一扁平长方形导电 元件的面积；及d表示各导电元件之间的距离。注意本专利申请中所有数学符号 均为标准符号(参照www.mathworld.wolfram.com)。假设d＝0.01m，A＝1.00 m2，k＝2.5(介电材料的典型取值)，C＝2.5·8.85·10-12·1.00/0.01＝22.125·10-4μF. 导电板面积10％的变化将引起电容221.25pF的变化。该值几近于用于一印刷电 路板的配线的电容。因此，用于水平高度测量的非内置电容方法在实践上仅适用 于非常小且填有介电填充物料的容器。由于同样的原因，在填有导电填充物料的 应用中，非内置电容方法仅可用于壁相对较薄且不导电的容器。因此，用于容器 内填充物料水平高度测量的非内置电容方法仅具有一较窄的应用范围。美国专利 号码6,448,782及6,472,887提供了对用于容器内填充物料水平高度测量的非内置 电容方法的设备进行利用的详细描述；前者适用于导电填充物料，后者适用于介 电填充物料。
用于水平高度测量的超声非内置方法需在一容器外壁上装附一个或多个传感 器，用于将声能传向将填充物料与容器内余留空间分开的分界面。测量系统的接 收器获得反射超声波序并将其传送给设备的回声处理电子器。因此，除外部附加 传感器外，这些方法具有用于距离或水平高度测量的著名内置超声方法的所有优 点。然而，超声非内置方法由于其非内置性而较为有利。但同时，填充物料水平 高度测量的超声非内置方法亦受到填充物料均质性的限制。典型地，此方法的测 量系统被用于均一的液体填充物料。不可以用于散纤维或带有内含物的液体。另 外，由于声音脉冲减弱、反射及传感器的尺寸等问题，此方法不适用于尺寸相对 较小的容器。加之，该方法对温度具有依赖性，因此在测量过程中需要进行温度 补偿。如果用于定点水平高度测量或物料存在探测，该方法倾向于因为有一定体 积的粘性填充物料粘在容器内部表面上而产生错误警报。最后，基于超声的非内 置技术需要对容器表面进行特殊处理以形成一导管，用以用一传感器将超声波发 射进入容器内。此等技术的一项实施例为英国Cannongate技术公司的 VesselCheck ST及SpotCheck。www.cannongatetechnology.co.uk网站上公布的 VesselCheck行销材料说：“使用VesselCheck ST，不用在容器上开孔。”该独特 的VesselCheck ST可以毋需衔接步骤进行连续测量，即在安装过程中无停机时 间。将两个小的超声传感器夹在容器外壁上。一个安设在容器底部，另一个安设 在侧面，以对温度及密度的变化进行补偿。“SpotCheck使用超声“足迹”来确 定一池或管内是否有液体存在。……为保证SpotCheck可以令人满意地进行操 作，该池或管的表面必须经过正确地准备。”例如需要将安装传感器的区域的壁 面除去表面缺陷并胶化。
美国高科科技公司(HiTECH Technologies，Inc.)亦发表了一相似的方法。此 公司在市场上销售基于其渗透脉冲技术(PPT)[www.hightechtech.com网站上的 在线文献：《渗透脉冲技术》]的连续及定点设备，其与英国Cannongate技术有限 公司开发的方法类似。PPT的独特性在于其产生一单一的短超声脉冲，朝向填充 物料穿透容器壁。高科科技开发的用于连续水平高度测量的SONOMETER及用于 定点水平高度测量的SONOCONTROL都是基于PPT的。该公司在网站 www.hitechtech.com上对其方法提供了全面的描述。对PPT方法的一分析显示 出，该项技术为超声并使用脉冲经行时间(Pulse Transit Time)范例或对超声波 减弱期间的监测来表示出容器外壁上装有特殊的声学传感器的平面内物料的存 在。PPT亦受到水平高度测量的超声方法的所有上述限制。
一相关技术分析显示出所有已知的内置或非内置水平高度测量技术都受到容 器物料、填充物料及环境因素的限制。亦请见：Burdik V.声纳系统分析.L.， 1988；Skoochik E.声学基本原理.M.，1976；及Krasilnikov V.A.，Krylov V.V.物理 声学介绍.M.，1984.

本发明的目的即为开发一不受以上划线部分限制的用于容器内填充物料水平 高度测量的非内置方法。
本文揭示一用于对一容器内填充物料水平高度进行非内置评估的方法。该方 法可包括以下步骤：在容器外壁上至少一个单一的预定点起始机械振动；执行一 近距离水平高度测量程序(CRMP)；执行一远距离水平高度测量程序 (LRMP)；分析CRMP结果；分析LRMP结果；及基于对CRMP及LRMP的结 果进行分析所得出的结论来评估容器内填充物料水平高度的值。
用于评估填充物料水平高度值的方法可包括对容器内填充物料水平高度的连 续测量，对容器内填充物料水平高度由一定点水平高度的偏离进行连续监测，对 容器内填充物料水平高度进行定点测量，容器内填充物料存在情况探测及基于填 充物料水平高度的转换其中之一。
该方法可包括联合执行CRMP及LRMP以进行填充物料水平高度评估，其中 在容器外表面上具有一个或多个点用于起始机械振动。
该方法可包括联合执行CRMP及LRMP以进行填充物料水平高度评估，其中 在容器外表面上具有一个或多个点用于接收一机械振动。
该方法可包括当已知机械振动起始点附近有填充物料存在时，基于对CRMP 的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度的值进行测量。
该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对机械振动起始点附近的填 充物料水平高度的偏离进行监测。
该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料定点水平 高度的值进行评估。
该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度 进行转换。
该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料的存在进 行探测。
该方法可包括当填充物料水平高度不在机械振动起始点附近时，基于对 LRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度的值进行测量。
该方法可包括使机械振动起始点与机械振动接收点共同位于容器顶部及容器 底部之一。
该方法可包括通过施加至容器壁外表面的临时机械载荷来起始机械振动，该 载荷通过一固态物体撞击，一气体动态撞击、一流体动态撞击、一弹道撞击及一 电动态撞击其中之一而获得促动；及该机械载荷的时间图采用一单脉冲、一系列 脉冲以及一连续的周期性载荷其中之一的形式。
该方法可包括使该时间图成为载荷调制的一函数，该调制为一调幅、一调 频、一调相、一脉码调制、一脉宽调制及其组合之一，且该机械载荷源于一由一 电磁驱动、一用于弹簧的机械能、一风动设备、一水力设备及一弹道撞击设备之 一选出的驱动能的源的转化。
该方法可包括使CRMP对在至少一个接收点获得的机械振动进行分析，使 LRMP对在至少一个接收点获得的机械振动进行分析，为其后的分析保存CRMP 的结果及LRMP的结果。
该方法可包括通过在机械振动接收点处装附振动传感装置来捕捉容器壁外表 面上的机械振动。
该方法可包括通过在机械振动接收点处使用远程振动传感装置来捕捉容器壁 外表面上的机械振动。
该方法可包括使CRMP的结果包括一变量或多个变量的一矢量，其可决定 CRMP的有效性；使LRMP的结果包括一变量或多个变量的一矢量，其可决定 LRMP的有效性；与CRMP相关的变量包括一标为ψC的矢量，及与LRMP相关的 变量包括一标为ψL的矢量。
该方法可包括产生时域的评估二进制变量，标为ξ1及ξ2，其中变量ξ1表示在机 械振动起始点附近有无填充物料存在及变量ξ2表示LRMP生成一有效还是无效的 结果。
该方法可包括使用矢量ψC来产生变量ξ1及使用矢量ψL来产生变量ξ2。
该方法可包括使矢量ψC包括一于机械振动接收点处获得的机械振动的振幅函 数，该函数由一预定的时间间隔定义及使矢量ψC包括一于机械振动接收点处获得 的机械振动周期数的函数，且该函数由该时间间隔定义。
该方法可包括使CRMP通过提供在至少一个预定的机械振动起始点附近填充 物料存在与否的信息来控制LRMP。
该方法可包括通过以下公式对容器内填充物料水平高度的值进行计算：

$\begin{array}{cc}{\xi }_1=1& \Rightarrow y=f\left(y_C\right)\end{array}$
Lfm＝H-y，
其中ξ1＝0表示填充物料超出机械振动起始点附近的范围，ξ1＝1表示填充物料处 于机械振动起始点附近的范围内，ξ2＝0表示LRMP产生一有效结果，ξ2＝1表示 LRMP产生一无效结果，y表示一机械振动起始点与一容器内填充物料分界面之 间的距离；yL表示LRMP与水平高度相关的一输出；yC表示CRMP与水平高度相 关的一输出；Lfm表示容器内填充物料的水平高度；及H表示机械振动起始点的 一已知高度。
该方法可包括通过实施两项操作来执行CRMP，其中第一项操作为一校准操 作及第二项操作为一测量操作。
该方法可包括使校准操作包括以下步骤：在容器内物料分界面附近的上方定 位一机械振动起始点；通过重复执行一基本测量程序(BMP)获取CRMP结果的 一统计样本；由与一测量系统的静态传递算子的一上部饱和状态相关的统计样本 取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ1；在容器内填充物料分界面附近的下方定位 机械振动起始点；通过重复执行BMP获取一CRMP输出的一统计样本；及由与 测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的一统计样本取一评估变量ψ的 值，标为ψ2。
该方法可以进一步包括将机械振动起始点的位置逐步朝向容器内填充物料分 界面移动；在每次变动机械振动起始点位置后重复如上段中所揭示的步骤及如果 机械振动起始点的开始位置位于容器内填充物料分界面附近的上方，则存储评估 变量最新的值ψ＝ψ1及机械振动起始点与填充物料分界面之间的距离y＝y1及如 果机械振动起始点的开始位置位于容器内填充物料分界面附近的下方则存储评估 变量最新的值ψ＝ψ2及机械振动起始点与填充物料分界面之间的距离y＝y2；及通 过以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：
$K=\frac{{\psi }_1-{\psi }_2}{y_{1\min }-y_{2\min }}$
${\psi }^0=\frac{(y_{1\min }-y_{2\min }){\psi }_2-y_{2\min }\left({\psi }_1{-\psi }_2\right)}{y_{1\min }-y_{2\min }}$
其中，K表示一比降(slope)，ψ0表示测量系统的静态线性传递算子的一截距 (intercept)，y1min表示在ψ1的两顺向读数之间差距达到预定差值的条件下所得 的y1最小值，及y2min表示在ψ2的两顺向读数之间差距达到预定差值的条件下所得 的y2最小值。
该校准操作可包括以下步骤：在容器内物料分界面附近的下方定位一机械振 动起始点；通过重复执行基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本； 由与一测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的统计样本取一标为ψ的 评估变量的值，标为ψ1；在容器内填充物料分界面附近的上方定们机械振动起始 点在容器内填充物料分界面附近的上方定位机械振动起始点；通过重复执行BMP 获取CRMP输出的一统计样本；及由与测量系统的静态传递算子的一下部饱和状 态相关的一统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ2。
该方法可包括使校准操作包括以下步骤：在机械振动起始点附近的上方定位 一机械振动接收点；通过重复执行基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统 计样本；由与一测量系统的静态传递算子的一上部饱和状态相关的一统计样本取 一值ψ1；通过一公式ψ2＝f(ψ1)来计算评估变量ψ的一个值ψ2，其中f(ψ1)的最简单 表达式为f(ψ1)＝ψ1+δ1；ψ2与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态相关，其 中即为一实数。
该方法可包括使校准操作包括以下步骤：在机械振动起始点附近的下方定位 一机械振动接收点；通过重复执行BMP获取CRMP输出的一统计样本；由与测 量系统的静态传递算子的下部饱和状态相关的统计样本取一值ψ2；通过一公式 来计算评估变量ψ的一值ψ1，其中的最简单表达式为 ψ1与测量系统的静态传递算子的上部饱和状态相关，其中即为一实数。
该方法可包括在机械振动起始点附近的上方定位一第一机械振动接收点；在 机械振动起始点附近的下方定位一第二机械振动接收点；通过在第一机械振动接 收点及第二机械振动接收点重复执行一基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的 一统计样本；由一于第一机械振动接收点处获取的统计样本取一评估变量；由一 于第二机械振动接收点处获取的统计样本取一评估变量；根据以下公式计算一测 量系统的静态传递算子的一测量系统的上部及下部饱和状态的值ψ1，ψ2：
$\forall j=\left(\mathrm{1,2}\right):\Delta {\psi }_j={\psi }_j\left(t_i\right)-{\psi }_j\left(t_{i-1}\right)$
$|\Delta {\psi }_j-\Delta {{\psi }_j}^{*}|<{ϵ}_j\Rightarrow {\psi }_j={\psi }_j\left(t_i\right)$
其中j＝1表示第一机械振动接收点，j＝2表示第二机械振动接收点，i表示统计 样本获取的瞬间，及ψj表示与机械振动接收点的第j个位置相对应的评估变量； 及通过以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：
$K=\frac{{\psi }_1-{\psi }_2}{y_1-y_2}$
${\psi }^0=\frac{(y_1-y_2){\psi }_2-y_2({\psi }_1-{\psi }_2)}{y_1-y_2}$
其中，K表示一比降，ψ0表示测量系统的静态线性传递算子的截距，y1表示接收 器与测量系统静态传递算子的下部饱和点之间的距离，及y2表示接收器与测量系 统的静态传递算子的上部饱和点之间的距离。
该方法可包括设置一测量系统的传递算子的参数，该些参数由ψ1’ψ2’y1’ y2’K’ψ0及其一组合其中之一选出。
该方法可包括使测量操作包括以下步骤：执行一基本测量程序(BMP)，其 输出为一评估变量ψ(t)的一值及通过以下公式计算容器内填充物料水平高度的 值：
Δy(t)＝K-1[ψ(t)-ψ0]
Lfm＝f[ya，Δy(t)]
其中，Δy(t)表示一填充物料分界面与一机械振动起始点之间一通过计算得出的距 离，矢量ya表示定位于容器上的机械振动起始点的座标，及Lfm表示容器内填充 物料的水平高度。
该方法可包括通过以下公式计算填充物料水平高度的值：
Lfm＝H*±Δy(t)
其中，H*表示机械振动起始点与容器底部之间的一已知的距离，及如果填充物料 水平高度大于或等于H*时使用算术符号“+”及如果填充物料水平高度小于H*时 则使用算术符号“-”。
该方法可包括使一基本测量程序(BMP)包括以下步骤：通过非切向对向容 器外壁施加一机械载荷来起始机械振动；捕捉机械振动起始瞬间；接收由于起始 机械振动而在容器壁一外表面上发生的一机械振动；获取机械振动的一些参数， 其包括与所捕捉到的振动过程中至少一些周期相对应的振幅及频率；及通过将该 些机械振动参数作为一输入来计算一标为ψ的评估变量的值。
该方法可包括监测机械振动的参数；存储进行校准操作时每一瞬间的参数 值；将所监测的机械振动参数值与存储的参数值进行比较；建立一个反映机械振 动的参数的监测值与存储值之间差距的值的矢量，标为近似矢量；及当近似矢量 的组成部分显示出机械振动受监测参数的值超出了机械振动参数的监测值与机械 振动参数的存储值之间差距的预定幅度，则实施校准操作。
该方法可包括为增进测量的有效性执行多于一次的BMP。
该方法可包括通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[A1，A2]表示一满足不受干扰的机械振动过程的标准的预定振幅范围，n表 示由 $\forall A_i\in [A_1,A_2],$ i＝1，n & t＞t0条件决定的机械振动频率fi的次数，t0表示施加 载荷的瞬间。
该方法可包括通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[ω1，ω2]表示满足不产生机械弹性波的条件的频率范围，Ti表示于t0 瞬间开始的第i个所观察到的振动全周。
该方法可包括使测量具有一高可重复性及高准确性，并进一步包括：
$\psi \left(t\right)=q^{-1}\underset{i-1}{\overset{i=q}{\Sigma }}{b}_i{\psi }_i\left(t\right)$
其中，ψi(t)表示通过第i次执行BMP获得的评估变量，及bi表示与BMP的第i次 执行相对应的权重因数。
该方法可包括将评估变量ψi(t)作为在一预定的时间间隔内于机械振动接收点 处获得的机械振动振幅的函数，在一预定的时间间隔内于机械振动接收点处获得 的机械振动周期数的函数，及在预定的机械振动起始点附近填充物料有无的函数 之一。
该方法可包括监测在容器表面上至少两个不同点的机械振动，其中这些点依 次被标为p1，p2，……，pr，其中r表示点的数量；及基于来自每个机械振动接 收点的输出形成评估变量ψ(t)。
该方法可包括为机械振动接收设置两个点并进一步包括通过以下公式计算评 估变量ψ(t)：
yp1(ti)＝K-1[ψp1(t)-ψ0]
yp2(ti)＝K-1[ψp2(t)-ψ0]
$y_{p1}\left(t_i\right)-y_{p2}\left(t_i\right)=\mathrm{const}\iff \psi \left(t\right)=f[{\psi }_{p1}\left(t\right),{\psi }_{p2}\left(t\right)]$
其中，yp1，yp2表示由p1，p2每一点至填充物料分界面的距离。
该方法可包括在每次测量中对容器外壁施加一系列机械载荷，从而每个机械 载荷的施加都为一次撞击；该系列里的每次撞击生成一评估变量；确证每个与撞 击相关的评估变量从而每个评估变量被认为或有效或无效；每个系列的撞击生成 一个有效评估变量的数组；选择长度大于或等于一预定值的数组；为确定机械振 动起始点附近有无填充物料存在的目的对每个数组进行统计学处理；形成一独立 时域(discrete time domain)的二进制状态变量，标为s(t)，其表示机械振动起始 点附近填充物料的有无；及包括进入CRMP的一矢量输出的状态变量。
该方法可包括通过运用主算法(Major Algorithm)来对有效评估变量的每一 数组进行统计学处理。
该方法可包括通过以下公式形成该二进制状态变量：
$\forall t_i,i=\overline{1,r}:$
$\psi \left(t_i\right)\in {\psi }_{\mathrm{valid}}\Rightarrow y\left(t_i\right)=K^{-1}[\psi \left(t_i\right)-{\psi }^0]$
s(t)＝F[ψ(t1)，ψ(t2)，...，ψ(tr)，t]
其中，F[]表示多个评估变量的一函数。
该方法可包括根据以下公式计算函数F[]：
$F[\psi \left(t_1\right),\psi \left(t_2\right),...,\psi \left(t_r\right),t]=r^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=r}{\Sigma }}\psi \left(t_i\right).$
该方法可包括利用CRMP以改良的测量操作执行一定点水平高度测量。
该方法可包括使改良的测量操作包括以下步骤：执行一基本测量程序 (BMP)，其输出为于执行BMP的瞬间获取的一评估变量ψ(t)的值；及通过以下 公式计算与容器内填充物料水平高度相关的状态变量s(t)：
$\forall \psi \left(t\right)>0,\exists s\left(t\right):$


其中，标为ψ1s，ψ2s的参数定义一定点测量的死区。
该方法可包括使该死区参数ψ1s及ψ2s为饱和点ψ1及ψ2的函数。
该方法可包括使一评估变量的一标为ψ’s的值与一二进制状态变量的一已知的 值相关联；对与该状态变量的反二进制(opposite binary)结果相关的评估变量的 一标为ψ”s的值进行计算，从而 $s\left({{\psi }^{,,}}_s\right)=⫬s\left({{\psi }^{,}}_s\right);$ 存储ψ’s及ψ”s的值以在定点水平 高度测量应用中的测量操作中进一步使用及用于水平高度定点附近物料存在探测 及水平高度转换应用中；及根据BMP的执行时间表来更新ψ’s及ψ”s的值。
该方法可包括对容器外壁多于一个点施用CRMP及执行一重复的CRMP (RCRMP)，从而可以在多个点测量填充物料的水平高度。
该方法可进一步包括在容器外壁上延纵轴定位多个点；由容器外壁上的一起 始位置开始朝向容器外壁上的一终止位置对这些点中的每一点依次施用一基本测 量程序(BMP)直到满足以下条件：
$\exists j\in [1,m]\subseteq \aleph :{\psi }_j\left(t\right)\in ({{\psi }^{*}}_1,{{\psi }^{*}}_2)\Rightarrow \psi \left(t\right){=\psi }_j\left(t\right),$
其中，ψj(t)表示用于BMP的一第j次执行的一评估变量；ψ* 1、ψ* 2及K*分别表 示一分布式测量系统或设备的一总计传递算子(aggregated transfer operator)的上 部及下部饱和点及一增益系数；及通过以下公式计算水平高度：
y*＝(ψ* 1-ψ* 2)/K*
yj(t)＝[ψ(t)-ψ0]/K*
y(t)＝(j-1)y*±yj(t)


其中，y*表示与分布式测量系统的传递算子的一线性部分相对应的一分散距离； H表示开始位置的高，及“±”符号中的“+”用于表示一起始点位于容器的下半 部分及“±”符号中的“-”用来表示一起始点位于容器的上半部分。
该方法可包括在容器外壁上延纵轴定位多个点；由容器外壁上的一起始位置 开始朝向容器外壁上的一终止位置对这些点中的至少两个点同时施用基本测量程 序(BMP)及探测满足以下条件的点的序号(ordering number)：
$\exists j\in [1,m]\subseteq \aleph :{\psi }_j\left(t\right)\in ({{\psi }^{*}}_1,{{\psi }^{*}}_2)\Rightarrow \psi \left(t\right){=\psi }_j\left(t\right);$
及通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[ω1，ω2]表示满足不产生机械弹性波的条件的一频率范围，Ti表示于t0瞬间 开始的第i个所观察到的振动全周。
对于带有多层密度不同的结构的填充物料的应用，为测量容器内多层结构的 每一层的尺寸，该方法可包括施用一重复的CRMP(RCRMP)。
该方法可在起始机械振动之前，可包括将元件安装在容器壁上从而为机械振 动引起的弹性波在容器内的传播设置边界条件，以定义一水平高度测量系统的静 态传递算子的一线性部分。
该方法可包括接收由在基本测量程序(BMP)的操作顺序中实施的至少一次 撞击引起的至少一个声音信号及用一经测量的机械振动及一经测量的与机械振动 相关的声音信号来计算BMP所得的一评估变量。
该方法可包括通过执行两项操作来执行LRMP，其中第一项操作为一校准操 作及第二项操作为一测量操作。
用于LRMP的校准操作可包括以下步骤：设置一容器内填充物料水平高度的 起始值；在一预定点对容器外壁非切向地施加机械振动以起始一横断波；在一预 定的横断波接收点捕捉横断波的发生；及测量并存储在横断波起始的瞬间与捕捉 到波发生的瞬间两者之间的标为ΔT*的时间间隔的值，从而时间间隔ΔT*与横断波 起始点与填充物料分界面之间的标为y*的距离相关联。
用于LRMP的测量操作可包括以下步骤：在横断波起始点对容器外壁非切向 地施加机械振动；在一预定的横断波接收点捕捉横断波的发生；测量并存储横断 波起始的瞬间及捕捉到波发生的瞬间两者之间标为ΔT的一时间间隔的一值，从而 时间间隔ΔT与横断波起始点及填充物料分界面之间一标为y的距离相关联；及通 过以下公式计算标为Lfm的所测水平高度：
$y=\frac{\mathrm{\Delta T}}{\Delta T^{*}}·y^{*}$
Lfm＝H-y-d
其中，d表示容器一顶部与横断波起始点之间的一已知距离。
执行LRMP可包括以下步骤：安排在容器外壁上多个接收点处监测横断波的 存在以补偿所监测的波在通过容器壁物质时其传播速度的可能变化；在横断波起 始点对容器外壁非切向地施加机械振动；在该多个波的接收点中的每一点处捕捉 横断波的存在；测量并存储横断波起始的瞬间及在这些点中第i个点处捕捉到波 的瞬间两者之间标为ΔTi的时间间隔的每一个值，从而每一时间间隔ΔTi与第i个 接收点及填充物料分界面之间标为yi的距离相关联；及通过解以下次序m的数学 等式体系来计算水平高度：
F(Lfm，H，ΔT，d)＝0
其中，Lfm表示容器内填充物料的水平高度；H表示容器高度；ΔT表示横断波起 始瞬间及在这些点中第i个点处捕捉到波的瞬间两者之间的时间间隔的一矢量；d 表示容器一顶部与横断波起始点之间的一已知距离；m表示横断波接收点的数 量。
该方法可包括通过以下公式计算所测量的水平高度：
$y=\frac{\mathrm{\Delta T}}{{\overline{\mathrm{\Delta T}}}^{*}}·\overline{y^{*}}$
$y^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\Sigma }}{-}_{{y_i}^{*}}$
$\Delta T^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\Sigma }}\bar{\Delta }{T_i}^{*}$
Lfm＝H-y-d
其中，y*及ΔT*表示一总计校准距离及一通过监测在这些多横断波接收点中的n 个接收点处所捕捉到的波的反应而获得的总计校准波传播时间，及ΔT表示横断波 延容器壁的传播时间。
该方法可包括使一由LRMP生成的评估变量ψL∈ψL包括一变量ΔT，表示横 断波延容器壁的传播时间，评估变量ψL为变量ΔT的一函数，从而ψL＝F(ΔT)，及 实施一过滤或总计或统计处理以获取用于LRMP的评估变量。
该方法可包括通过以下公式计算变量ΔT：
$\mathrm{\Delta T}=m^{-1}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\Sigma }}\Delta T_j$
其中，ΔTj表示m次测量的系列中于第j次测量获得的传播时间。
该方法亦可包括在容器一外壁上的一预定负载点设置一第一冲击载荷，以在 容器壁及在容器内填充物料中起始一第一振动；在第一预定接收点接收第一振动 的测量；分析在第一预定接收点接收的第一振动的测量以确定第一评估变量；及 基于第一评估变量确定容器内填充物料的水平高度。
本发明此等及其他目标、特征及优点根据下面提供的本发明各实施例的附图 及详细描述将会变得更加清晰。

图1a为一本发明一实施例的系统的执行方法的示意图，其中撞击器及接收器 呈平面内位置及填充物料分界面位于冲击中心的下方；
图1b为一本发明另一实施例的系统的执行方法的示意图，其中撞击器及接收 器呈同轴位置；
图2描述了一与本发明方法的近距离水平高度测量程序相关的简化的非线性 动态弹性体模型；
图3显示出一部分填有物料的管的纵截面；
图4显示出所测验的图3中的测量系统的非线性静态传递特征；
图5a描述了一用于一直径3.175厘米(1.25英寸)及壁厚3毫米填有水的玻 璃纤维管的图3中的实验性设置中的机械振动的示波图；
图5b描述了一用于一直径3.175厘米(1.25英寸)及壁厚3毫米的空玻璃纤 维管的图3中的实验性设置中的机械振动的示波图；
图6a描述了用于一填有水的管的机械振动的一示波图，其显示时间，频率及 振幅；及
图6b描述了用于一空管的机械振动的一示波图，其显示时间，频率及振幅。

本发明的方法基于对容器外壁的振动动作的监测；该动作，例如，通过对向 容器壁施加一机械载荷而起始。
一方面，该方法利用一近距离水平高度测量程序(CRMP)以非内置地对容 器内填充物料的水平高度进行测量。CRMP开发机械动力系统的特性，其包括容 器壁及临近负载点的填充物料。在负载点及填充物料分界面之间一相对较短的距 离，机械动力系统的振动，即“瞬间关联填充物料质量及瞬间关联容器壁质 量”，被用来获得填充物料测量的水平高度。
另一方面，该方法利用一远距离水平高度测量程序(LRMP)对填充物料水 平高度进行测量。LRMP开发一用于距离测量的基于弹性波的方法。
再另一个方面，本发明的方法在进行测量的同时可自动进行由CRMP输出至 LRMP输出及反向的转换。对哪个程序输出形成一有效的水平高度读数的决定依 赖于对CRMP输出及LRMP输出的联合评估。该开发的方法可包括以下顺序的步 骤：
1.在容器外壁上至少一个单一预定位置起始振动；
2.基本同时执行CRMP及LRMP；
3.对CRMP的输出及LRMP的输出进行评估；及
4.基于对CRMP及LRMP的输出进行联合评估的结果来计算容器内填充物 料水平高度的值。
下面，以一单一振动源的该方法最小限度形式对所提出的方法的每一步骤进行详 细描述。
步骤1包括在容器外壁上至少一个单一的预定位置起始振动。该振动可在一 机械冲击的相邻位置起始，其中心位于容器外壁上。该冲击载荷的时间图可以采 取各种形式，包括一单脉冲，一系列脉冲或一连续的周期性载荷。第一步的每一 冲击载荷类型都可以利用任何一种调制，例如，调幅、调频、脉码调制或其组 合。对载荷产生振动的实现依赖于该方法的测量程序(LRMP/CRMP)。位于容 器壁的一机械冲击可以依该指定测量项目的技术要求而通过任何适合的动力源来 起始。冲击源的实例包括，但不限于，基于一螺线管、一弹簧、一液压及一气压 的驱动。
步骤2包括基本同时执行CRMP及LRMP。一由测量系统的接收器捕捉到的 机械振动为CRMP及LRMP的输入。每个程序都独立执行。联合应用CRMP及 LRMP的输出来决定该方法的控制变量。
步骤3包括评估CRMP的输出及LRMP的输出。用于评估的CRMP输出及 LRMP输出，可为一与程序相关的变量或多个变量的一矢量，其可决定程序的敏 感度。使与CRMP相关的多个变量组成一标为ψC的矢量及使与LRMP相关的多 个变量组成一标为ψL的矢量。对输出ψC及ψL的评估包括产生二进制评估变量ξ1及 ξ2，从而：
$\forall t\in [t_1,t_2],\exists {\xi }_1\underset{.}{\in }\left\{\mathrm{0,1}\right\},{\xi }_2\underset{.}{\in }\{0,1\}:$




(2)
其中，ΨCe’表示与CRMP相关的多个矢量ψC的子集，其与冲击中心附近无填充 物料相关联；ΨCf’表示与CRMP相关的多个矢量ψC的子集，其与冲击中心附近 有填充物料相关联；ΨLv表示与LRMP相关的多个矢量ψL的子集，其与接收器及 填充物料分界面之间的一有效距离测量相关联；ΨLn表示与LRMP相关的多个矢 量ψL的子集，其与接收器及填充物料分界面之间的一无效距离测量相关联。
步骤4包括基于对CRMP及LRMP的输出的联合评估结果对容器内填充物料 水平高度的值进行计算。为了计算所测量的水平高度的值，本发明的方法需要知 道振动接收器及填充物料分界面之间的距离；该距离标为y。一旦获得该距离y， 即可通过由容器壁上接收器位置的标为H的已知高度减去此距离来得到标为Lfm 的填充物料水平高度。通过执行CRMP所获得的距离y标为yC。通过执行LRMP 所获得的距离y标为yL。基于以上定义，容器内填充物料水平高度的值可以依以 下进行计算：

$\begin{array}{cc}{\xi }_1=1& \Rightarrow y=y_C---\left(3\right)\end{array}$
Lfm＝H-y.
近距离水平高度测量程序(CRMP)
该近距离水平高度测量程序由对本发明作者进行的相关填充物料质量及相关 容器壁质量系统中动力宏观过程(dynamic macro processes)的研究而得出。“相 关”一词反应出如下观察：在对容器壁施加机械冲击之后的振动过程中影响到的 物质的量是有限的及其依赖于冲击中心周围空间中的机械能量损耗。冲击中心周 围空间包括容器壁及容器内物质。此空间亦包括任何冲击的机械源体及传感元件 体如果前者被用于机械振动起始的一些方法的应用中及后者被用于通过被加附于 容器外壁的用于机械振动接收的其他方法的应用中。冲击源具有一机械源对于本 发明的方法并不重要。将传感元件加附于容器壁上对于本发明的方法亦不重要。 然而，为了一般化，将进一步假定通过一质量为ms的小的移动体对容器外壁施加 一与时间相关的机械载荷；该移动体被称为撞击器。另外，假定将接收由冲击引 起的机械振动的传感元件加附至容器外表面及其质量为mr。
图1a及图1b中显示出该所研究的系统的一机械草图。在图1a中，一具有一 壁的容器16包含有填充物料12。撞击器18被显示为与容器壁外表面相接触。该 撞击器质量为ms。一接收器20被显示为附于容器壁外表面。该接收器质量为 mr。填充撞击器18的冲击中心周围被振动的空间的有效相关质量的物质标为 10。冲击中心用一虚线表示。箭头表示冲击中心及填充物料分界面之间的距离。 在图1b中，接收器20被显示为与撞击器18位于同一条直线上。
图2中表示的是系统的简化弹性体模型。在此模型中，C1表示质量ms及质量 me之间的支段(leg)的刚度；me表示填充冲击中心周围被振动的空间的物质的 相关有效质量。me的值依赖于容器的形状，壁的密度及在振动过程中受到影响的 空间内的物质的密度。me的值亦依赖于通过容器壁被导入填充物料内的机械能的 总量。C2表示质量mr及质量me之间支段的刚度。β1及β2分别表示与刚度C1及C2 相并联的阻尼系数。
一方面，通过分开撞击器与容器壁之间的机械接触的可能性，及另一方面， 通过分开容器壁与机械振动接收器之间的机械接触的可能性，可产生模型实质上 的非线性。另外，非线性可由于填充物料本身对机械媒介连贯性的违反而引起， 例如粒状物料。以上所提到的非线性在图2中的弹性体模型中以两条平行线22的 形式表示，其接附于每条弹簧体24的起始端。受振动的空间尺寸及填充物料的能 量驰豫特性具有强烈的相反关系，从而填充物料机械能量损耗越高，机械振动所 影响的空间的尺寸越小。另一重要观察为填充物料典型地包括两种主要成分：气 态的及非气态的。在许多工业应用中，气态成分为空气及非气态成分为液体或散 纤维/固体物料，在固体颗粒之间有填有空气的空隙。此等散纤维的实例包括棉网 或棉球，聚氯乙烯小球或颗粒。
容器内振动物质的总量与冲击中心相关及其实际上依赖于填充物料水平高度 及物料的种类。例如，如果容器16为一内径2·r及壁厚δ的管26，如图3所示。图 3显示出一部分为物料12及空气28填充的管26的纵截面。图中显示出对有效相 关质量概念进行理解所需要的冲击中心14的位置及管与填充物料的所有几何尺 寸。图3中所示的对机械系统的动力分析得出一个结论即容器内振动物质的总量 与冲击中心相关及其实际上且清晰地依赖于填充物料的水平高度及填充物料的类 型。有效质量me可通过以下公式表达：
me＝mw+ma+mf；
he＝ha+hf；
mw＝ρwVw，Vw＝πδh(2r+δ)；
                                      (4)
ma＝ρaVa(ha)；
mf＝ρfVf(hf)；
其中，mw，ma，及mf分别表示管物料的质量、与冲击导致的振动过程相关的管 内空气的质量及与冲击导致的机械振动过程相关的管内填充物料的质量；Vw，Va 及Vf分别表示管物料的体积、与冲击导致的振动过程相关的管内空气的体积及与 冲击导致的机械振动过程相关的管内填充物料的体积；ρw，ρa及ρf分别表示管物 料的密度、空气的密度及填充物料的密度，其为求该所示方法的简单性被视为是 均质的；h表示与冲击导致的振动过程相关的管的部分的高度；ha表示高度h的与 管内空气相关的一部分，其与冲击导致的振动过程相关；hf表示高度h的与管内 填充物料相关的一部分，其与冲击导致的振动过程相关。
考虑到ma＜＜mf，可得出有效相关质量me与高度hf呈直接比例的结论。此理 解支持了如果填充物料分界面位于距离冲击中心±he的范围以内，则管内或任何其 他容器内填充物料水平高度可通过对由朝向容器壁的冲击引起的机械振动的监测 来获得测量的观点。
上面讨论的实施例为通过在图2中所示的3-质量弹性体模型的帮助而计算的 MathCAD。模型的参数如下：
■管物料    -    玻璃纤维或钢
■内径      -    2.54毫米
■长度      -    600毫米
■壁厚      -    3毫米
■填充物料  -    水
利用由一空管(ω1)及一填有水的管(ω2)所获得的一单一脉冲载荷驰豫过 程的自然频率的比例η＝ω1/ω2来评估模拟结果。在此例中，η＝1.5.模拟数据与由 我们使用相似尺寸的玻璃纤维及金属管并在相似条件下所做的实验得到的数据之 间的比较，见图1b，显示出两组数据具有12％的近似性。由模拟及实验数据获得 的重要观察为在填有水的管中与自然频率相关的评估变量比在空管中的低。对于 这一现像的解释基于以下理解。机械冲击之后受到管的横断波振动过程影响的空 气的质量ma，比填充临近冲击中心并参与在振动过程中的空间的水的质量小很多 个数量级。因为液体持续与(在无气穴现象的条件下)装液体的容器壁保持机械 接触，所研究的带有水的振动系统的结合质量比此不带有水的系统的质量大。这 造成所研究的机械系统的主频减弱。
用一粒状物料填充管道则产生相反的效果：所研究的机械系统的主频相对于 所振动的空管的主频有所上升。对所观察到的该现象的物理解释较复杂且其需要 对所研究的机械系统在对机械媒介进行干扰及典型地在散纤维中的高度机械能量 损耗条件下进行分析[Yavorski B.M.，Detlaf A.A.，物理手册Moscow，Nauka， 1990；地壳研究：地球物理学方法；纵览：www.astronet.ru，11/21/2003； Olshevsky B.M.水力测距的统计学方法L.，1983；Yakovlev A.H.，Κ a blov G.P. 短程声纳.L.，1983；及Golubkov A.G.专用声纳系统.L.，1987]。
由于管壁的明显硬度，管的一相对小的部分受到由冲击引起的振动过程影 响。由此，图3中的值h，为冲击后填充物料的振动空间划界，则h的值对有效 质量me的值有限制作用。当管中填有粒状物料时，有一定的颗粒在振动过程存在 的每一瞬间都与振动的管壁相撞，因此增加容器壁外表面上所观察到的机械振动 的频率及对数减量。一些颗粒由于颗粒之间的高相互摩擦而不振动，其产生一 “Oscillon”现象并且分别减少包括管壁及填充物料在内的有效振动空间及增加振 动频率。除此之外，在冲击附近的压缩粒状物料的存在使得振动空间中的该部分 不能活动，因此产生严密的附着作用，其使得机械系统以高频率振动。因此，由 粒状物料填充的容器的振动系统中的不同的物理过程的结合产生一可重复的可见 效果：容器壁机械振动的主振动的对数衰减的下降伴随着其主频的上升。
受到振动的管道的自然频率清晰地依赖于填充物料类型来实际地增进本发明 方法的实用性。
在图1b中所描述的实验性装置上所测得的频率范围处于1200-2000赫兹范围 内。由于所有的观察都是在所监测的信号的多个阶段上做出的，声驻波的存在可 被视为所观察到的现象的另一可能的解释。但是，考虑到在空气、水及粒状物料 中声音传播速度的平均值[地壳研究：地球物理学方法；纵览：www.astronet.ru， 11/21/2003；及马克机械工程标准手册，第十版Eugene A.Avallone及Theodore Baumeister 3rd：McGraw-Hill，NY]，可确定我们的实验性装置中的声驻波频率的预 计值在上面指定的范围内不会下降[John William Strutt，the 3rd Baron Rayleigh.声理 论.M.，1955]：
f＝cm/2x
其中cm表示介质中声音的速度；及x表示到达第一个波腹的距离。当x＝25.4 mm，下列声驻波频率可以计算为：
情况1：空管。
ca＝331.8m/s，f＝6,531.5Hz.
情况2：管内装有水。
cfl＝1461.0m/s，f＝28,759.8Hz.
情况3：管内装有粒状物料。
cg＝500.0-1,000.0m/s，f＝9,842.5-19,685.1Hz.
有效高度he的值不是常数。除已讨论的外，其尚依赖于许多因素。事实上， he如有效质量me一样为一随机变量。在所研究的机械系统中瞬时有效质量的随机 性使水平高度测量复杂化。为提高此测量的准确性及可重复性，我们为测量系统 装设了两个支架(未显示)。这些支架为冲击中心附近的机械振动创造可预测且 稳定的边界条件。在所测验的实施例中，这些支架具有一延管的纵轴切开的半管 形。每个支架长为150mm。支架的使用保证了测量的可重复性及准确性并使水平 高度测量具有线性。为所测实施例所获取的静态传递算子为一线性函数，其于h* ≈±Lb处饱和，Lb表示支架的长度。图4中显示出所测测量系统的静态传递特 征。大体上，图4显示出通过本发明方法所获得的一系统的典型的非线性静态传 递特征，其中容器直径大大小于容器长度。
上面讨论的理论上及实验上的研究导致用于容器内填充物料水平高度测量的 发明性非内置程序的产生。下面为对CRMP的详细描述，其包括计算评估变量值 的多个可能性实施例。
CRMP包括两项主要操作：校准及测量。校准包括下面五个步骤。(自此， 为简化数学符号，变量ψc的下标“c”将被省略。)
a.由位于冲击中心的填充物料分界面开始至远离冲击中心对向容器底部的填 充物料分界面按步骤执行基本测量程序(BMP)。每一次BMP的输出都为 标为ψ(y)的评估变量的值，其直接且清晰地与相对于冲击中心的填充物料 分界面位置相联系。由冲击中心至填充物料分界面的距离标为y。
b.计录与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态的开始相关的评估变量的 值ψ1＝ψ(y1)。
c.由位于冲击中心的填充物料分界面开始至远离冲击中心朝向容器顶部的填 充物料分界面按步骤执行BMP。
d.记录与测量系统的静态传递算子的上部饱和状态的开始相关的评估变量的 值ψ2＝ψ(y2)。
e.用以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：
$K=\frac{{\psi }_1{-\psi }_2}{y_1-y_2}---\left(9\right)$
${\psi }^0=\frac{(y_1-y_2){\psi }_2-y_2({\psi }_1-{\psi }_2)}{y_1-y_2}---\left(10\right)$
其中，K表示比降及ψ0表示测量系统的静态线性传递算子的截距。
CRMP的测量操作包括以下两个步骤：
a.执行BMP，其输出为在执行BMP的时间中的瞬间t获得的评估变量ψ(t)的 值。
b.用以下公式计算容器内填充物料水平高度：
y(t)＝K-1[ψ(t)-ψ0]           (11)
Lfm＝H-y(t)                    (12)
其中，y(t)表示在冲击中心与接收器处于一同轴位置的情况下(见图1b)在填充 物料分界面与接收器之间的经计算的距离；及H表示冲击中心的高度；Lfm表示 容器内填充物料的水平高度。
CRMP以上列出的校准及测量操作都利用一基本测量程序(BMP)。BMP包 括以下四个步骤：
a.对容器外壁表面施加一冲击载荷，从而冲击的方向与容器外壁表面不成切 向，其穿过冲击中心并表示出冲击的瞬间；
b.接收一发生在容器壁外表面上的由冲击造成的机械振动；
c.在冲击的瞬间之后实施一预定的延迟后测量振动的基本参数，包括，例 如，振幅及频率；及
d.将振动基本参数作为输入计算评估变量的值。
可选择各种变量作为BMP第(d)步中计算的评估变量。在第一实施例中，评 估变量ψ(t)可为在预定振幅范围内的平均频率：

其中，[A1，A2]表示一满足不受干扰的振动过程的条件的预定振幅范围；n表示在 $\forall A_i\in [A_1,A_2],$ i＝1，n & t＞t0条件下决定的振动频率fi的数量；t0表示施加载荷的 瞬间。
在第二实施例中，评估变量可为在一预定频率范围内的振动全周的正弦的 和。

其中，[ω1，ω2]表示一满足不产生机械驻波的条件的一预定的频率范围；m表示在 $\{\forall {\omega }_i\in [{\omega }_1,{\omega }_2],i=1,m\}$ & t＞t0条件下决定的振动全周的数量；及Ti表示在开始 瞬间t0观察到的第i个振动全周。
在第三实施例中不同评估变量的结合应用，例如表达式(13)中的变量ψm1(t) ＝ψ(t)及表达式(14)中的变量ψm2(t)＝ψ(t)，可以提高测量的可重复性及准确 性。在基本情况中，此测量方法可用以下表达式描述：
$\psi \left(t\right)=q^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=q}{\Sigma }}{b}_{\mathrm{mi}}{\psi }_{\mathrm{mi}}\left(t\right)---\left(15\right)$
其中，ψmi(t)表示通过BMP的第i次执行获得的评估变量；bmi表示与BMP的第i 次执行相对应的权重因数；及q表示BMP的执行次数。权重因数的值依赖于所实 施方法的技术应用。
在第四实施例中，可对容器外表面上的至少两个不同点上的机械振动进行监 测。这些点用p1，p2，...pr表示，其中r表示该些点的个数。此方法亦可增加测量 的准确性及可重复性。在此实施例中，评估变量的计算包括来自位于每个点pi的 每个接收器的输出，其中i＝1，r。在两接收器装设在两分开的点p1及p2的特定情 况中，评估变量的确认可以基于所测的由每一点至填充物料分界面之间的所测到 的距离yp1，yp2之间的差距的恒定性标准。因此，在测量水平高度计算中仅使用 有效的ψ(t)：
yp1(ti)＝K-1[ψp1(t)-ψ0]
                                       (16)
yp2(ti)＝K-1[ψp2(t)-ψ0]
$y_{p1}\left(t_i\right)-y_{p2}\left(t_i\right)=\mathrm{const}\iff \psi \left(t\right)=F[{\psi }_{p1}\left(t\right),{\psi }_{p2}\left(t\right)].$
根据一第五实施例，通过在每个测量中对容器壁施加多于一个的冲击载荷亦 可大大提高水平高度测量的准确性及可重复性。在此情况中，本发明的方法需 要：
a.计算每个冲击的评估变量并将其值存储为评估变量数列的一个元素以进行 进一步处理；
b.对所得到的评估变量数列进行统计学处理并选择至少一个有效的数列；
c.确定在每个冲击的冲击中心附近范围以内是否有填充物料存在；
d.对每个有效的评估变量数列使用主算法来确定在冲击中心附近是否有填充 物料存在；
e.形成一表示冲击中心附近有无填充物料存在的状态变量并且在定点水平高 度测量或在定点水平高度上的物料存在探测情况中使该状态变量作为 CRMP的输出；及
f.使该状态变量表示冲击中心附近有无填充物料存在，并用以下公式计算与 评估变量相关的有效数列：
$\forall t_i,i=\overline{1,r}:$
$\psi \left(t_i\right)\in {\psi }_{\mathrm{valid}}\Rightarrow y\left(t_i\right)=K^{-1}[\psi \left(t_i\right)-{\psi }^0]$
ψ(t)＝F[ψ(t1)，ψ(t2)，...，ψ(tr)，t]
其中，F[]表示由有效数列中的评估变量定义的一函数，其输出为CRMP所得的评 估变量。在一可能性实施例中，可利用一总计函数计算变量ψ(t)，从而：
$F[\psi \left(t_1\right),\psi \left(t_2\right),...,\psi \left(t_r\right),t]=r^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=r}{\Sigma }}\psi \left(t_i\right)---\left(17\right)$
在公式(17)中，F[]表示基于在有r次冲击的有效序列中的每个第i次冲击 处获取的一组评估变量定义的总计函数。
通过以上的解释可以看出定点水平高度测量为连续水平高度测量的特例。该 定点水平高度测量可以利用CRMP以不变的BMP及一改良的测量操作而得到， 如下：
a.执行BMP，其输出为于所执行的BMP的瞬间t时所获取的评估变量ψ(t)的 值；及
b.通过以下公式计算关于容器内填充物料水平高度的状态变量：
$\forall \psi \left(t\right)>0,{ϵ}_1>0,{ϵ}_2>0,\exists s\left(t\right):$


其中，标为ψ1s及ψ2s的该方法预定的死区参数为饱和点ψ1及ψ2的函数；s(t)表 示状态变量。在最简单的情况中，可以如下计算饱和点：ψ1s＝b1ψ1及ψ2s＝b2ψ2， 其中b1，b2为预定的系数。条件|ψ(t)-ψ1s|＝ε1或|ψ(t)-ψ2s|＝ε2可来自任何依赖于 该方法的应用的技术规格的状态变量s(t)的二进制值。
很清楚的是有许多形式可以用于连续及定点测量应用中评估变量ψ(t)及状态 变量s(t)的执行，包括表达式(13)至(18)中的那些。然而，所有的评估及状态 变量都与本发明的方法的概念及范围相对应。公式(13)至(18)中定义的评估 变量可作为本发明方法的整个描述中矢量ψC的成份；参照表达式(2)。
图5a及5b分别描述了用于一填有水的及一空的玻璃纤维管的机械振动的示 波图例样。图6a及6b提供了利用上述使用玻璃纤维管的实验性设置中的机械振 动示波图来形成评估变量ψ(t)的示例。在图6a中，用于填有水的管的下列值可依 此确定：f1＝1.538KHz，f2＝1.538KHz，及f3＝1.0KHz，及评估变量可以如此计 算：ψ＝(f1+f2+f3)/3＝1.304KHz。在图6b中，用于一空管的下列值可以依此确 定：f1＝1.429KHz，f2＝5.5KHz，f3＝1.538KHz，及f4＝1.25KHz，及评估变量可 以依此计算：ψ＝(f1+f2+f3+f4)/4＝1.5686KHz。
在容器外壁上多于一个点处执行CRMP可以在冲击中心附近范围以外进行水 平高度测量。在此情况中，依本发明的执行方法在m个点同时或依次对填充物料 水平高度进行测量。该方法的这两种实现方式都基于一观察，即在填充物料分界 面位于m个可能的冲击中心的其中一个附近的条件下评估变量ψ(t)会改变。换句 话说，由于测量系统的静态传递算子的饱和特性：
ψj(t)≈ψ1j orψj(t)≈ψ2j
${\psi }_{1j}\to {\psi }_1^{*},{\psi }_{2j}\to {\psi }_2^{*},j=\overline{1,q}$
其中，由于测量系统的静态传递算子的饱和特性，q≤m；及ψ1 *，ψ2 *分别为分布系 统的总计静态传递算子的上部及下部饱和参数。
用于远程水平高度测量的方法基于CRMP的重复执行，标为RCRMP，且其 可通过一分布测量系统实现。在初始校准之后，分布测量系统可利用一顺序的方 法或一并行的方法来测定所测量的水平高度。顺序方法可包括如下操作顺序：
a.安装一可在延容器纵轴上的m个预定点处起始并监测容器壁上振动的一单 一测量系统；
b.由容器外壁上的预定起始点开始，按步骤实施BMP直到满足下列条件：
$\exists j\in [1,m]\subseteq \aleph :{\psi }_j\left(t\right)\in ({\psi }_1^{*},{\psi }_1^{*})\Rightarrow \psi \left(t\right){=\psi }_j\left(t\right);$ 及
c.通过下列公式计算所测量的水平高度：
$y^{*}=({\psi }_1^{*}-{\psi }_2^{*})/K^{*}$
yj(t)＝[ψ(t)-ψ0]/K*
y(t)＝(j-1)y*±yj(t)
Lfm＝H-y(t)
其中，ψ1 *，ψ2 *及K*分别表示执行RCRMP的分布式测量系统的总计传递算子的上 部及下部饱和点及增益系数；y*表示与测量系统的传递算子的线性部分相对应的 分散距离；H表示测量系统起始位置的高度；在计算y(t)的公式中，“±”号中的“+” 表示起始点位于容器的底部及“±”中的“-”表示起始点位于容器的顶部。
并行方法可包括以下操作顺序：
a.安装多个用于在延容器的纵轴的某些预定点处起始并监测容器壁的振动的 测量系统；
b.基本同时执行BMP并确定满足条件(19)的设备的序号(ordering number)；及
c.使用公式(20)计算所测水平高度，其中H表示用于第一测量系统的接收 器位置的高度。
除远程水平高度测量外，在用于不同密度的多层结构填充物料的应用中利用 执行RCRMP的分布式系统可在测量过程中进行可能的物料塑型。 远距离水平高度测量程序
一远距离水平高度测量程序(LRMP)亦已获得开发。LRMP基于一些弹性 波，包括延容器壁传播的横断波在介质的不连续处，会被反射这一概念。[Karl F. Graff.弹性固体中的波运动.牛津::克莱伦顿出版社，1975].在水平高度测量应用 中，此种不连续可能由于与容器壁内表面贴附的填充物料造成。延容器壁传播的 横断波遇到填充物料分界面高度上的不连续会被反射回接收器。因此，反射波传 递了关于容器内填充物料水平高度的信息。基于这一理解，LRMP可使用任何先 前技术的距离测量方法，包括，但不限于基于脉冲的及连续回声处理的技术，如 脉冲经行时间方法、相差方法及振幅变化方法，如美国专利号码5,793,704、 5,822,275、5,877,997、6,040,898及6,166,995及其他为地震分析而开发的非常成 熟的方法中所示[网上注释：折射地震方法www.mines.edu]。
下面假设测量技术基于脉冲经行时间范例来对LRMP进行描述。该技术似乎 尤其适合于高度超过1.0米的容器。LRMP可以分两步执行或一步执行。
两步LRMP包括两主要的操作，即校准和测量。校准可通过以下两步骤完 成：
1.在容器内填充物料分界面与振动接收器之间的已知距离标为y*，对该容器 外壁表面施加一机械载荷，从而冲击的方向不呈切向地穿过冲击中心且表 示出冲击的瞬间；及
2.监测反射波，测量并存储冲击瞬间与冲击的反应被表示出来的瞬间两者之 间的时间间隔ΔT*的值，从而时间间隔ΔT*清晰地与距离y*相关联。
用于两步LRMP的测量可通过以下三步完成：
1.对容器外壁表面施加一机械载荷，从而冲击方向不呈切向地穿过冲击中心 的切线并表示出冲击的瞬间；
2.监测反射波，测量并存储冲击的瞬间与冲击的反应被表示出来的瞬间两者 之间的时间间隔的值；及
3.通过以下公式计算所测的水平高度：
$y=\frac{\mathrm{\Delta T}}{\Delta T^{*}}·y^{*}---\left(21\right)$
Lfm＝H-y
其中H表示冲击中心与容器底部之间的距离。
该一步LRMP可通过以下四步完成：
1.在与冲击中心呈预定距离的一个或多个地方安装一个或多个额外的振动接 收器以补偿所监测的波在通过容器壁物料传播时其速度的可能变化。因此 可为执行该方法的测量系统安装一个主接收器及至少一个补偿接收器；
2.对容器外壁表面施加一机械载荷，从而冲击方向不呈切向地穿过冲击中心 并表示出冲击的瞬间；
3.基本同时通过测量及存储冲击瞬间与冲击的反应被主接收器(ΔT)及补偿接 收器(ΔT*)表现出来的瞬间两者之间的时间间隔的值来对反射波进行监 测；及
4.通过以下公式为一补偿接收器计算用公式(19)测得的水平高度：
f(ΔT，y)＝0；                            (22a)
f(ΔT＊，y＊)＝0，|ΔT＊|＝n，|y＊|＝n；  (22b)
Lfm＝H-y                                  (22c)
其中，第一个等式，(22a)，表示由主接收器至填充物料分界面的距离之间的关 系；第二个等式，(22b)，表示由多个补偿接收器至填充物料分界面的距离之间 的关系。上面的等式系统表示出使用补偿测量设备来测定一物理变量的多个著名 方法其中之一，并可作为举例说明。
在由补偿接收器提供已知距离y*及可测量的经行时间ΔT*的特定情况中，可 以通过以下公式来获得水平高度测量：
$y=\mathrm{\Delta T}·\frac{y^{*}}{\Delta T^{*}}$
Lfm＝H-y
用于一个补偿接收器或通过以下公式用于测量系统中多于一个的补偿接收器：
$y=\mathrm{\Delta T}·\frac{\overline{y^{*}}}{{\overline{\mathrm{\Delta T}}}^{*}}$
${\bar{y}}^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\Sigma }}{y_i}^{*},$ ${\overline{\mathrm{\Delta T}}}^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\Sigma }}\Delta {T_i}^{*}$
Lfm＝H-y
其中，y*及ΔT*表示用测量系统中n个补偿接收器来获得的总计校准距离及总计 校准波的传播时间。较清楚的是过滤或总计其中任何一种都可适用于LRMP的输 出。公式(21)及(23)中的变量ΔT与在CRMP中定义的评估变量ψ(t)起同样的 作用。因此为使测量更具准确性及可重复性，根据一可能性实施例，可以如下计 算ΔT：
$\mathrm{\Delta T}=m^{-1}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\Sigma }}\Delta T_j---\left(24\right)$
其中，ΔTj表示一系列m次的测量中于第j次测量时获得的传播时间。总计的方法 依赖于对其使用所提出的方法的特定应用，且不限于公式(24)。在公式 (21)、(23)及(24)中定义的评估变量可作为本发明的方法的整个描述中矢 量ψL的成份；参照表达式(2)。
上面所揭示的方法可对任何尺寸及物料以及装有任何物理属性的填充物质的 各种容器内的填充物料进行真正的非内置水平高度测量。此外，可以利用本发明 来测定其他填充物料的物理参数或特性，其对系统的机械振动产生影响，包括， 例如，填充物料的密度。
尽管本发明是就此处所示的详细实施例进行描述的，但此技术行业中专业人 员应可理解不脱离本发明的精神及范围而在其形式上或其详细内容上所作的各种 变化。