用于測量容器中自由流動物質(zhì)的物理性質(zhì)的非侵入性方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求根據(jù)35U.S.C§ 119(e)于2013年2月6日提交的題為"N0N-INVASIVE METHODFORMEASUREMENTOFPHYSICALPROPERTIESOFFREEFLOWINGMATERIALSIN VESSELS(用于測量容器中自由流動物質(zhì)的物理性質(zhì)的非侵入性方法）"的美國臨時申請 61/761543的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其全部內(nèi)容并入此處。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本文公開的方面涉及用于非侵入性地測量容器中非氣態(tài)自由流動物質(zhì)的物理性 質(zhì)的系統(tǒng)和方法，并且更具體地，涉及確定非氣態(tài)自由流動物質(zhì)的密度、粘度、體積流量和 剪切阻力相關(guān)的變量。
【背景技術(shù)】
[0004] 通過引用將其全部內(nèi)容并入此處的2010年8月3日提交的題為"METHODAND APPARATUSFORMEASUREMENTOFPHYSICALPROPERTIESOFFREEFLOWINGMATERIALSIN VESSELS(用于測量容器中自由流動物質(zhì)的物理性質(zhì)的方法和裝置）"的PCT申請No.PCT/ US10/44292,描述了測量容器中非氣態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)的敲擊方法。PCT申請No.PCT/ US10/44292中公開的一些示例實(shí)時地求解方程。這些方程包括至少兩個應(yīng)被正確地識別 為估計變量的變量。此外，很像Navier-Stokes和Burger方程，這些方程屬于以最一般的 方式描述自由流動物質(zhì)運(yùn)動的那類方程。數(shù)值求解這些方程需要強(qiáng)大的計算設(shè)備，占用大 量的運(yùn)行時間且基于特定的計算技術(shù)（例如全局收斂的Broyden算法、Newton-Krylov(牛 頓-克雷洛夫）算法、信賴域折線算法、非線性最小二乘Levenberg-Marquardt法、非線性 最小二乘高斯_牛頓法），所述特定的計算技術(shù)一旦應(yīng)用于具有顯式隨機(jī)分量的函數(shù)可能 不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本公開的重點(diǎn)是進(jìn)一步提高Ultimo品牌的PercussionTechnology(敲擊技術(shù)）， 其應(yīng)用包括水平測量、密度測量、粘度測量和質(zhì)量流量測量。在一些示例中，當(dāng)敲擊技術(shù)與 體積流量測量技術(shù)結(jié)合時能夠進(jìn)行質(zhì)量流量測量。在另外一些示例中，描述了用于非侵入 性地測量容器中的自由流動物質(zhì)的物理性質(zhì)的新方法。該方法不需要實(shí)時或近實(shí)時地求解 任何基于估計變量的方程并且不包括為了校準(zhǔn)測量儀器的目的而準(zhǔn)備和測量物質(zhì)樣品的 步驟。
[0006] 通過本文公開的方面和示例應(yīng)認(rèn)識到，在快速且沒有校準(zhǔn)設(shè)備的情況下執(zhí)行對內(nèi) 容物質(zhì)的物理變量（例如，密度、異構(gòu)液體的粘度、在容器內(nèi)容中攜帶的空氣量、水平偏差 等）的測量時，所述對內(nèi)容物質(zhì)的物理變量的測量為測量非氣態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)的敲擊方 法提供了獲得寬廣的適用性、提高的準(zhǔn)確度和更好的穩(wěn)定性的機(jī)會。
[0007] 根據(jù)一個實(shí)施例，提供了用于非侵入性地將填充容器的非氣態(tài)自由流動物質(zhì)的物 理性質(zhì)測量到已知水平或恒定水平的方法。該方法包括如下動作：至少在用非氣態(tài)自由流 動物質(zhì)填充到預(yù)先確定水平的容器外壁上的單個預(yù)先確定的位置處引發(fā)振動，捕獲對于機(jī) 械載荷的壁振蕩響應(yīng)，分析捕獲的響應(yīng)，生成振動響應(yīng)頻譜以及產(chǎn)生自由流動物質(zhì)的至少 一個物理性質(zhì)的值的讀數(shù)。在一個示例中，測量基于測量的性質(zhì)和振動頻譜的至少一個性 質(zhì)之間預(yù)先建立的關(guān)系。每個預(yù)先建立的關(guān)系可以由容器的配置和容器附著到不移動的平 面的類型來定義，所述不移動的平面的質(zhì)量被認(rèn)為基本上大于容器的總體質(zhì)量。
[0008] 該方法允許測量至少均質(zhì)液體的密度和異構(gòu)液體（像乳劑、糊、漿）和松散固態(tài)物 質(zhì)的堆積密度。
[0009] 與該方法結(jié)合使用的容器的示例包括圓倉、箱和管道等。在該方法中，填充物質(zhì)可 以是均質(zhì)液體、異構(gòu)液體或松散固態(tài)物質(zhì)。在該方法中，填充物質(zhì)可以是靜止的或可以流過 容器。此外，在該方法中，振動可以通過施加到容器外壁的機(jī)械瞬時載荷而產(chǎn)生。載荷由各 種機(jī)構(gòu)致動，包括下列中的一個或多個：與壁的固態(tài)物質(zhì)體相互作用（也稱為固體相互作 用）、流體動力相互作用（包括空氣劑和液體劑）、彈道敲擊相互作用和電動相互作用。
[0010] 在該方法中，機(jī)械載荷可以包括單脈沖、一串脈沖（trainload pulses)(也稱為脈 沖串）、周期脈沖和連續(xù)周期載荷（也稱為連續(xù)周期脈沖）。此外，在該方法中，機(jī)械載荷可 以按照下列中的一個調(diào)制：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈沖調(diào)制、脈碼調(diào)制、脈寬調(diào)制及其組合； 而機(jī)械載荷可以由選自下列中的一個的驅(qū)動能量的源的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生：電磁驅(qū)動、用在彈簧中 的機(jī)械能、氣動裝置、液壓裝置和彈道敲擊裝置。驅(qū)動能量的源可以指示上述致動機(jī)構(gòu)的類 型。例如，彈道敲擊裝置使施加到容器外壁的瞬時載荷和填充物質(zhì)之間的彈道敲擊相互作 用。
[0011] 在該方法中，捕獲的動作可以包括將振蕩轉(zhuǎn)換成諸如數(shù)字信號之類的信號的動 作，該信號可以由信號處理機(jī)構(gòu)獲取并且可以進(jìn)一步由數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)分析，從而創(chuàng)建一組 作為生成該方法的評估變量的輸入的信息變量。在該方法中，捕獲的信號分析的結(jié)果包括 但不限于以下表征對于擊打的壁響應(yīng)的強(qiáng)度的信息變量組中的至少一組（即表征由擊打 引發(fā)的振蕩的振幅的變量）：a)在大于采樣周期的移動時間窗口上獲得的過濾并整流過的 信號的一組最大值；b)最大值的和；c)相鄰最大值之間的差的和。此外，在該方法中，捕獲 的信號分析的結(jié)果可以包括在大于采樣周期的時間窗口上獲得的一組最大值。此外，在該 方法中，捕獲的信號分析的結(jié)果可以是在捕獲的信號大于設(shè)置過的閾值的情況下計算的壁 響應(yīng)時間。另外，在該方法中，捕獲的信號分析的結(jié)果可以是信號對數(shù)衰減或阻尼因子。此 外，在該方法中，捕獲的信號分析的結(jié)果可以是信號諧波頻譜。
[0012] 根據(jù)另一示例，提供了用于非侵入性地測量移動通過填滿的容器的非氣態(tài)自由流 動物質(zhì)的物理性質(zhì)的方法。該方法包括以下動作：至少在容器外壁上的單個預(yù)先確定的位 置處引發(fā)振動；捕獲對于機(jī)械載荷的壁振蕩響應(yīng)；分析捕獲的響應(yīng)；生成振動響應(yīng)頻譜以 及產(chǎn)生自由流動物質(zhì)的至少一個物理性質(zhì)的值的讀數(shù)。在一個示例中，測量基于測量的性 質(zhì)和振動頻譜的至少一個性質(zhì)之間預(yù)先建立的關(guān)系。每個預(yù)先建立的關(guān)系可以由容器的配 置和容器附著到不移動的平面的類型來定義，所述不移動的平面的質(zhì)量被認(rèn)為基本上大于 容器的總體質(zhì)量。在該方法的一個示例中，振動頻譜的性質(zhì)被選作頻譜基諧波的頻率以增 強(qiáng)該方法對環(huán)境改變（包括外界溫度變化和物質(zhì)流率的改變）的不變性。
[0013] 在針對管道的該方法的一個示例中，測量的自由流動物質(zhì)的密度是由管道的支撐
[0014] 構(gòu)件之間的物質(zhì)占據(jù)的體積定義的堆積密度。在該示例中，預(yù)先建立的測量的性質(zhì)和振動 頻譜的至少一個性質(zhì)之間的關(guān)系由以下公式表示：
[0015]
[0016]
[0017] 其中D-管道外直徑（0D);
[0018] d-管道內(nèi)直徑（ID);
[0019] P_管道壁物質(zhì)的密度
[0020] E-管道壁物質(zhì)的楊氏模數(shù)
[0021] I-管道剖面區(qū)域的慣性矩
[0022] g_重力常數(shù)
[0023] Ws-用于產(chǎn)生振動頻譜的振動傳感器的重量
[0024] Ms-振動傳感器的質(zhì)量
[0025] B, c -測量應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)
[0026] q_測量單位轉(zhuǎn)換因子
[0027] 根據(jù)另一示例，提供了用于非侵入性地測量非氣態(tài)自由流動物質(zhì)的物理性質(zhì)的方 法。該方法包括以下動作：捕獲對于由外部源（例如工作栗或壓縮機(jī)等）產(chǎn)生的或在內(nèi)部由 移動物質(zhì)相對于管道的內(nèi)表面的摩擦產(chǎn)生的機(jī)械干擾的壁振蕩響應(yīng)；分析捕獲的響應(yīng)；生 成振動響應(yīng)頻譜以及產(chǎn)生自由流動物質(zhì)的至少一個物理性質(zhì)的值的讀數(shù)。在一個示例中， 測量基于預(yù)先建立的測量性質(zhì)和振動頻譜的至少一個性質(zhì)之間的關(guān)系。每個預(yù)先建立的關(guān) 系可以由容器的配置和容器附著到不移動的平面的類型來定義，所述不移動的平面的質(zhì)量 被認(rèn)為基本上大于容器的總體質(zhì)量。
[0028] 在該方法的一個示例中，捕獲振動響應(yīng)的動作由自動調(diào)整振動捕獲機(jī)構(gòu)的增益來 支持，從而提供生成振動頻譜的隨后動作的結(jié)果的穩(wěn)定性和精確性。
[0029] 在針對測量自由流動物質(zhì)的密度的示例中，監(jiān)控振動頻譜的基諧波是基于內(nèi)容物 質(zhì)的預(yù)期測量范圍的先驗(yàn)知識的。振動響應(yīng)頻譜內(nèi)的搜索域可以通過計算與已知密度范圍 內(nèi)的測量密度的上邊界值和下邊界值關(guān)聯(lián)的基諧波頻率的值來定義，而隨后拓寬計算的頻 率范圍以解決單自由度機(jī)械模型的理論參數(shù)和實(shí)際測量應(yīng)用的參數(shù)（例如，管道剛度）之 間的可能差異。
[0030] 在另一示例中，為了進(jìn)一步提高測量方法的長期穩(wěn)定性，該方法包括計算對測量 的變量值的修正以解決由于振動傳感器的電子部件對熱能的易感性而引起的噪聲。在該示 例中，將修正作為振動傳感器內(nèi)部溫度和測量的變量之間的關(guān)聯(lián)的函數(shù)來計算。在另一示 例中，該方法包括計算對測量的變量值的另一修正以解決由于振動傳感器的機(jī)械部件對熱 能的易感性而引起的噪聲。在該示例中，將修正作為外界溫度和測量的變量之間的關(guān)聯(lián)的 函數(shù)來計算。對所述關(guān)聯(lián)的利用取決于環(huán)境條件，使得關(guān)聯(lián)中的每個可以單獨(dú)地并獨(dú)立地 使用或者兩個關(guān)聯(lián)可以同時并且以某種相互關(guān)系使用。
[0031] 在本方法的另一示例中，當(dāng)某些性質(zhì)應(yīng)當(dāng)在設(shè)置過的處理溫度處測量而無視存在 于測量時刻的溫度值時，在容器的外表面的預(yù)先定義的接近范圍內(nèi)獲得的外界溫度數(shù)據(jù)可 以被用于實(shí)現(xiàn)處理溫度補(bǔ)償功能。當(dāng)執(zhí)行時，該溫度補(bǔ)