CN102597741B - 用于测量船中易流动性材料的物理性质的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出用于非侵入式地同时测量非气态的易流动材料的密度和抗剪力的相关变量的方法和装置。在一个实例中，在船内以已知的或恒定的水平设置所述非气态的易流动的材料。依据这种实例，基于系统的测量，所述方法和装置利用可调节的数学模型来确定密度和抗剪力的相关变量，所述系统包括填充材料、船壁和与壁相互作用的动态测量仪器。

Description

用于测量船中易流动性材料的物理性质的方法和装置

本申请根据35U.S.C.§119(e)请求美国临时申请序列号No.61/230,803，标题为″METHOD AND APPARATUS FORMEASUREMENT OF PHYSICAL PROPERTIES OF FREEFLOWING MATERIALS IN VESSELS″，申请日为2009年8月3日优先权，通过引用将其全文包含于此。

技术领域

本发明的特征涉及用于非侵入式地测量船中非气态的、易流动性物质的机械性质的系统和方法，更特别地，涉及确定非气态的、易流动性物质的密度和抗剪力的相关变量。

背景技术

密度和粘度测量是许多工艺流程不可或缺的部分，遍及多个工业，比如包括化学制品、药品、石油和汽油、食品、建筑材料和废水。虽然经过几百年的工业发展，已经开发了大量测量密度和粘度的方法，但只有几个方法能够非侵入式地测量密度或粘度。

传统上，使用若干方法之一来检查船内非气态材料，从而执行所述材料的物理性质的非侵入式测量。这些方法中所使用的检查技术本质上可以是辐射测量的、重力的、光的或超声的。

基于辐射的方法监视辐射能穿过船壁和内部包含的材料的衰减。令人遗憾地是，基于辐射的方法有许多缺点。举例来说，这种方法典型地主要集中在密度上，这是因为基于辐射的方法一般不适用于测量与抗剪力相关的变量，比如液体的粘度或固体颗粒的聚结。此外，典型地，利用辐射的密度测量装置不是便携式的，因为这种设备的安装、校准和维护的准确性和精确性需要有经验的人员。另外，与轻型粉末材料(例如，汽相二氧化硅)相关的20到150g/L的密度范围内，这些系统执行起来的密度准确性减少。另外，要想保持足够的安全系数，基于辐射的系统典型地需要特定设计和努力操作。基于辐射、非侵入式的非气态材料的密度测量方法的实例包括由Berthold Technologies公司供应的Radiation Uni-Probe LG 491和下列美国专利中所描述的设备和方法：美国专利4292522(Okumoto)、4506541(Cunningham)、6738720(Robins)和7469033(Kulik等)。

用于测量非气态材料的密度的重力系统需要针对空船的重量和内部尺寸进行调节。由于经常运用各种载荷单元配置的重量测量设备的安装问题，重力系统受限于它们的适用性。此外，重量测量系统不适用于粘度测量。

光学法适用于测量船内材料的密度，所述船装备有孔径，用于聚焦通过填充材料的光束。美国专利5110208(Sreepada等)描述了这样一种方法，其中所述填充材料是″...基本上透明的″，并可具有″...由基本上透明的具有光滑、圆形表面的泡沫、液滴或颗粒组成的分散相″。由于对要测量的材料有透光性要求，因此用于密度测量的光学、非侵入式方法的使用受到限制。

利用超声波的传播来测量填充船的材料的物理性质的方法有着特定的意义。基于超声的方法表现出辩别船内材料的各种性质的卓越能力。如果使用于液体，这些方法允许在预定这些性质之一之后测量密度或粘度。然而，利用超声波的传统测量方法具有一些缺点。

举例来说，基于超声的方法需要大量均匀的填充材料。因此，基于超声的技术不适用于松散的固体和非均匀的液体，例如泥浆、悬浮液、浆料或膏剂。在船中，各种搅动部件、混合器或起泡器的存在可以对密度或粘度测量的准确性产生相似的作用。此外，这些方法需要附着于船壁的超声发射器/接收器。典型地，这些附着需要对所述容器的表面进行特定处理，以便为由传送器发射入所述容器的超声波创建输送管。此外，基于超声的方法对影响介质中的声速的干扰非常敏感，例如温度和流的变化。因此，按照惯例，使用特定的补偿技术来提供输出变量对这些干扰的不变性。而且，超声换能器为提供足够的脉动所耗费的能量会限制这些方法的适用性。

各种超声密度或粘度测量的实现实例公开于下列美国专利和美国专利申请：美国专利申请20030089161，美国专利7059171(Gysling)，只用于测量流动液体的密度；美国专利5359541(Pope等)，其局限于用定位于船的相对侧的声学发射器和接收器来测量船内的液体密度；美国专利6945094(Eggen等)，只用于测量流动液体的流变性质；美国专利5686661(Singh)，用于测量高密度熔融材料的粘度；美国专利6194215(Rauh等)，用于测量和控制溶液的成分。一些基于超声的方法包括用于在测量密度时将填充材料的抗剪力影响最小化的操作(和一些利用所述方法的设备，包括装置)。

发明内容

此处所公开的特征和实例表明这样的认识：同时测量密度和抗剪力的相关变量(例如，均质液体的粘度)为用于测量非气态材料的物理性质的超声方法拓宽测量范围、改进测量精度以及提供更大的灵活性创造了机会。另外，此处所公开的特征和实例表明这样的认识：所有已知的非侵入式的填充材料测量技术至少受限于填充材料、环境和不同的材料性质在相应的测量系统的输出变量上的联立效应的因素。因此，至少一些实例开发了基于振动的方法，用于非侵入式地同时测量船包含物的密度和抗剪力的相关变量，而不受上述限制。

根据一个实例，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船至已知水平或恒定水平的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的方法。所述方法包括下列操作：至少在船的外壁上的单个预定位置处将振动初始化，所述船由非气态的易流动的物质填充至预定水平，捕获壁对机械载荷的振荡响应，分析所述捕获的响应，由分析至少产生两个估计变量的值，用方程表示填充材料相关系统，包括至少一个与填充材料密度相关的变量和一个与抗剪力相关的变量作为未知数以及至少一个第一估计变量的值和一个第二估计变量的值，并求解方程组的所述未知数，从而提供与所述填充材料的密度相关的变量和与抗剪力相关的变量的非侵入式的同时测量，所述填充材料处于施加给船壁的机械载荷的中心附近的有关容积内。

根据另一个实例，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船至已知水平或恒定水平的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的装置。所述装置包括用于在船的外壁产生瞬时的机械载荷的机构，用于控制瞬时载荷的动力学参数的机构，用于接收和指示以进一步处理壁的振荡响应的机构，用于分析振荡响应并由所述分析产生估计变量的机构，用于填写测量过程中涉及的方程的机构，用于求解所述方程并产生所要找的变量的测量值的机构，和用于输送所要找的变量的值和随所述装置之外的被测变量而定的任何附加变量值的机构。

所述方法和所述装置允许同时测量均质液体的密度和粘度、非均匀的液体的容积密度和粘度以及松散的固体材料的容积密度和抗剪力的相关变量。

根据另一个实例，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的方法。所述方法包括下列操作：确定随着在船壁施加瞬时的机械载荷的时刻之后，船外壁应该产生的动能的最优值；至少在船的外壁上的单个预定位置处将振动初始化，所述船由非气态的易流动的物质填充至预定水平；捕获壁对机械载荷的振荡响应；分析所捕获的响应；由分析至少产生两个估计变量的值；用方程表示填充材料相关系统，包括至少一个与填充材料密度相关的变量和一个与抗剪力相关的变量作为未知数和至少一个第一估计变量的值和一个第二估计变量的值作为所述方程的参数；并求解方程的所述未知数，从而提供与所述填充材料的密度相关的变量和与抗剪力相关的变量的非侵入式的同时测量，所述填充材料处于施加给船壁的机械载荷的中心附近的有关容积内。

在所述方法中，所述填充材料可以是均质液体、非均匀的液体或松散的固体材料。另外，在所述方法中，可通过施加于船的外壁上的机械瞬时载荷来产生所述振动；通过固体材料体与所述壁的相互作用、包括空气和液态附加剂的流体动力相互作用、发射撞击和电动力相互作用之一启动所述载荷。

在所述方法中，所述机械载荷可包括单个脉冲、脉冲的序列载荷和连续的周期性载荷。此外，在所述方法中，所述机械载荷可采用下列调制方法之一：调幅、调频、脉冲调制、脉冲编码调制、脉宽调制及其组合，并且所述机械载荷可由驱动能源的变换而产生，所述驱动能选自下列之一：电磁驱动、用于弹簧的机械能、风动装置、水力装置和发射撞击装置。

在所述方法中，捕获的操作可以包括将振荡转换为信号的操作，所述信号可由信号处理机构获得且可进一步由数据处理机构分析，从而创建一系列的信息变量，用于产生所述方法的估计变量的输入。在所述方法中，所捕获的信号分析的结果包括但不局限于下列表征壁对于击打的响应的强度的信息变量集中的至少一个：a)在大于采样周期的移动时间-窗口上获得的过滤的和整流的信号的最大值集合；b)所述最大值的和；c)相邻的最大值之间的差的和。此外，在所述方法中，所捕获的信号分析的结果可以是在捕获信号大于阈值集合的条件下所计算的壁响应时间。此外，在所述方法中，所捕获的信号分析的结果可以是信号对数衰减或阻尼因数。另外，在所述方法中，所捕获的信号分析的结果可以是信号谐波频谱。

在所述方法中，确定动能的最优值的操作可包括下列操作：通过以动能的某些初始值击打壁将壁的振动初始化；捕获传感器响应；针对信号表示的准则估计传感器输出信号；根据优化范例来调节击打器在壁上所产生的动能的值；如果没有获得优化则返回初始化振动的操作；并且使用测量中获得的动能的最优值。

在所述方法中，第一估计变量可以建立于表征壁的响应强度的信息变量集之上；而第二估计变量可以建立于表征所捕获的振荡响应的瞬时性质的信息变量集合之上。另外，在所述方法中，第一估计变量可涉及所捕获的壁的振动响应；而第二估计变量可涉及所捕获的振荡响应，其表示至少一个通过壁和填充材料而传播的弹性波，其中，所述船充满均质液体。

在所述方法中，至少一个估计变量可建立于表征壁的响应强度的信息变量集合之上。同时，根据所述方法，至少一个估计变量可建立于表征壁的振荡响应的瞬时性质的信息变量集合之上。此外，在所述方法中，至少一个估计变量可建立于表征所捕获的振荡响应的振幅和瞬时性质的组合的信息变量集合之上，包括但不局限于由壁在所捕获的振荡壁响应持续时间内产生的机械动力和机械作业。

在所述方法中，预定的方程组可包括所述估计变量和计算变量的匹配数，以便每个估计变量与对应的计算变量配对；变量对的两个成分由相等的维量单位描述。此外，在所述方法中，至少一个计算变量可以是与密度相关的变量的函数，而至少一个计算变量可以是与抗剪力相关的变量的函数。

在所述方法中，预定的方程组可具有下列结构：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_m-S_c\left[F(\mathrm{\ρ},\mathrm{\μ})\right]=0\\ Q_m-Q_c\left[U(\mathrm{\ρ},\mathrm{\μ})\right]=0\end{array}\right.$

其中，S_m表示第一测量估计变量值；Q_m表示第二测量估计变量值；S_c表示第一计算估计变量；Q_c表示第二计算变量；通过由ρ表示的密度相关变量和用μ表示的抗剪力相关变量，函数F(ρ，μ)和U(ρ，μ)代表调节变量(S_m，Q_m)和要找的变量(ρ，μ)之间关系的自然法则。函数F(ρ，μ)和U(ρ，μ)代表由产生与船壁相互作用的元素的机械影响和与填充材料有相互作用的壁组成的动态系统的数学模型。

所述方法可进一步包括数学模型中的纳维尔-斯托克斯系统，其中，填充材料是液体。所述方法可进一步包括数学模型中的夹层式方程组，其中，填充材料是松散的固体。

在所述方法中，未知的要找变量(ρ，μ)之一被预定，所述方法可包括求解单个方程：

W_m-W_c[N(λ)]＝0

其中，W_m表示估计变量的测量值；W_c表示所计算的估计变量；函数N(λ)表示调节变量W_m和要找的变量变量λ＝ρ∨μ之间的关系的自然法则。在所述方法中，如果得不到数学模型W_c＝[N(λ)]，则所述方法可包括通过运行含有两个操作的测量程序来执行测量所述要找变量的操作。根据所述方法，第一操作可包括用由W_ce({λ^*)，{λ^*}∈[λ′，λ″]表示的实验曲线和由{λ^＊}表示的变量λ的预测量值的集合来代替所述数学模型W_c＝[N(λ)]，而第二操作可包括针对所述未知的要找变量λ＝ρ∨μ求解方程W_m-W_ce(λ)＝0。此外，第一操作的测量程序操作可以是多点的测量过程，其最小测量数等于2，并且所述操作由下列代数方程组的系统描述：

${\stackrel{\→}{W}}_m^{*}-W_{\mathrm{ce}}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\right)=0$

$W_{\mathrm{ce}}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\right)}^{\left(i\right)}$

${\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\⋐\left\{{\mathrm{\λ}}^{*}\right\},K\≥2$

其中，

表示测量估计变量W的值的向量列；

表示所要找的变量λ＝ρ∨μ的预测值的向量列。

根据另一个方面，提供一种用于非侵入式地同时测量与填充船的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力相关的变量的装置。所述装置包括用于在船的外壁产生瞬时的机械载荷的机构；用于控制瞬时载荷的动力学参数的机构；用于接收和指示以进一步处理壁的振荡响应的机构；用于分析振荡响应并由所述分析产生估计变量的机构；用于填写测量过程中涉及的方程的机构；用于求解所述方程并产生所要找的变量的测量值的机构；和用于输送所要找的变量值和随所述装置之外的被测变量而定的任何附加变量值的机构。

所述装置的机构可包括多个旨在创建计算机可读环境的机械的、电的、电子的硬件和软件单元，提供测量系统或测量机构的运行，以实现非侵入式地同时测量与填充船的易流动物质的密度和抗剪力相关的变量。下面，参考图14进一步论述一个包括硬件和软件单元的计算机系统的实例。此外，在船的外壁产生瞬时的机械载荷的功能可归于测量机构的击打器单元。而且，用于控制瞬时载荷的动力学参数的功能可归于测量机构的击打器控制单元。此外，用于接收和指示以进一步处理壁的振荡响应的功能归于测量机构的接收器单元。另外，用于分析振荡响应并所述分析产生估计变量的功能可归于测量机构的分析器单元。更进一步的，用于填写测量过程中涉及的方程的功能可归于测量机构的方程发生器单元。同时，用于求解所述方程并产生要找变量的测量值的功能可归于测量机构的方程求解器单元，而用于输送要找变量的值和随上述之外的要找变量而定的任何附加变量值的功能可归于测量机构的装置输出接口单元。

在所述装置中，接收器单元的输出可连接至分析器单元的输入，并且；分析器单元的第一输出可连接至击打器控制单元的第一输入，其第一输出可连接至击打器单元的第一输入，而第二输出可以连接至击打器单元的第二输入；分析器单元的第二输出可连接至击打器控制单元的第二输入，其第二输出可连接至击打器的第二输入，而第二输出可连接至击打器的第二输入；分析器单元的第三输出可连接至方程发生器单元的第一输入，并且密度变量预定估值可以是方程发生器单元的第二输入，而抗剪力相关变量的预定估值可以是方程发生器单元的第三输入；方程发生器单元的输出可连接至方程求解器单元的输入，其第一输出可以是测量的密度变量，而其第二输出可以是测量的抗剪力的相关变量；方程求解器单元的第一输出可连接至输出接口单元的第一输入，而方程求解器单元的第二输出可连接至输出接口单元的第二输入，并且；输出接口单元的第一输出输送关于所述装置以外的测量的密度的信息，输出接口单元的第二输出输送关于所述装置以外的测量的抗剪力相关变量的信息，而输出接口的第三输出可以是用于各种形式的开/关控制的二进制提醒的矢量。

在所述装置中，所述击打器单元可由来自击打器控制单元的输入信号的组合来驱动，并且所述击打器单元可以以单个脉冲、脉冲序列或调制的连续的周期性载荷的方式对船壁施加机械影响。另外，在所述装置中，所述击打器单元可包括两个功能元件，第一功能元件可负责根据某个速度-时间图产生瞬时载荷，而第二功能元件可负责根据某个击打量-时间图产生瞬时载荷，并且两个信道可以同步工作，从而允许瞬态控制由瞬时的机械载荷产生的动能的量。

在所述装置中，所述功能的信道可利用电磁线圈或电动机的电磁能。另外，在所述装置中，所述功能的信道可利用水力或风力驱动系统。更进一步的，在所述装置中，所述功能元件利用磁致伸缩驱动。此外，所述功能元件可利用压电换能器驱动。而且，所述功能元件利用发射驱动。此外，所述功能元件利用基于其可能组合的驱动。

在所述装置中，捕获壁的振荡响应的接收器单元可由机械振荡接收机构和均衡响应信号(response-proportional signal)成型机构组成，并且所述均衡响应信号成型机构可以执行信号调整、定量、存储及其它向分析器单元输送信号所需要的操作。

在所述装置中，所述分析器单元可执行均衡响应信号上的操作，形成至少三种类型的变量：意在优化由接收器单元捕获的信号的质量的第一种变量可与分析器单元的第一总线输出相关联，意在优化由接收器单元捕获的信号的质量的第二种变量可与分析器单元的第二总线输出相关联，而第三种变量可与分析器单元的第三总线输出相关联，其包括至少两个意在供给方程发生器单元的估计变量。

在所述装置中，所述击打器控制单元可根据动能优化方法通过控制优化击打器单元的功能元件的驱动系统来优化由击打器单元在所述壁产生的动能的量，并且所述击打器控制单元的第一输出可以启动击打器单元的速度控制，而击打器控制单元的第二输出启动击打器单元的有效量的控制。

在所述装置中，所述方程发生器单元可从分析器单元的第三总线输出接受估计变量，以填写所述方法的控制方程组，并且，与方程发生器单元的第二输入相关的要找密度变量的估值对和与方程发生器单元的第三输入相关的要找抗剪力有关变量可创建猜测矢量，该猜测矢量是对控制方程组进行数值求解所需要的，而且，所述猜测矢量的分量可保存在方程发生器单元的可管理数据库中，并且，方程发生器单元的总线输出可以是意在由所述方程求解器单元求解的、数值填写的控制方程组。

在所述装置中，在接收器单元的输出已经被捕获的时候，所述方程求解器单元可执行至少一个适用于求解由方程发生器单元提供的那类方程的方法，产生与填充材料瞬态的实例相关联的密度和抗剪力的相关变量的数值。

在所述装置中，当被配置为处理均质液体时，所述方程求解器单元的输出总线可包括密度和动态粘度。另外，当被配置为处理非均匀的液体时，所述方程求解器单元的输出总线可包括容积密度(bulkdensity)。此外，当被配置为处理松散的固体时，方程求解器单元的输出总线可包括容积密度和抗剪力的相关变量。

所述装置可以包括模拟或数字输入接口，并且，在所述装置中，任何模拟或数字输入接口或模拟或数字输出接口可由硬件或软件或硬件与软件的组合组成。此外，所述接口可表示计算和控制机构内的向量数据通信的功能及所述装置的其它功能单元。所述功能单元和接口可具有多个包括单部分设计的实现方式，所述功能单元和接口可具有多个包括两部分设计的实现方式，其中，击打器单元、击打器控制单元和接收器单元位于一个外壳中，而所述装置的其余部分位于另一个外壳中。

根据另一个方面，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的质量流(mass flow)、密度和抗剪力相关变量的装置。所述装置包括用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的质量流、密度和抗剪力的相关变量的装置和用于非侵入式地测量穿过船的非气态的易流动的物质的容积流量(volumetricflow)的装置，从而允许同时测量质量流、密度和抗剪力的相关变量，方式是通过将所测量的密度与所测量的容积流量相乘来产生质量流测量。所述装置可进一步包括基于超声多普勒效应的流量计，用于容积流量测量。

根据另一个实例，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的方法。所述方法包括下列操作：确定随着在壁施加瞬时的机械载荷时船外壁应该产生的机械能的最优值；至少在船外壁上的单个预定位置处将振动初始化，所述船由非气态的易流动的物质填充至已知的水平；捕获对于机械载荷的壁的振荡响应；分析所捕获的响应；由分析产生至少两个估计变量的值，填写填充材料的相关方程组，其包括至少一个与填充材料密度相关的变量和一个与抗剪力相关的变量作为未知数和至少一个第一估计变量的值和一个第二估计变量的值，并针对所述未知数求解所述方程组，从而提供与所述填充材料的密度相关的变量和与抗剪力相关的变量的非侵入式的同时测量，所述填充材料处于施加给船壁的机械载荷的中心附近的有关容积内。

在所述方法中，所述填充材料可以是非均质材料，并且所述非均质材料可以是液体和固体材料的混合或多相液体，其组分材料之间有或没有清楚的分界面。此外，可通过施加于船的外壁上的机械瞬时载荷来产生所述振动；通过固体材料体与所述壁的相互作用、包括空气和液态媒介的流体动力相互作用、发射撞击和电动力相互作用之一可启动所述载荷。更进一步的，所捕获的信号分析的结果可包括但不局限于下列表征壁对于所述击打的响应的所述信息变量集中的至少一个：a)在大于采样周期的移动时间-窗口上获得的过滤的和整流的交变信号的最大值集合；b)所述最大值的和；c)相邻的最大值之间的差的和。此外，所捕获的信号分析的结果可包括信号谐波频谱。

在所述方法中，可通过执行下列操作执行在壁产生的机械能的量的优化：设置振动传感机构的动态范围的起始和最终值及敏感度，从而创建击打控制的外回路；以某起始值动能击打所述壁，以将壁的振动初始化，从而创建击打控制的内回路；捕获传感器响应；根据信号表示的准则估计传感器输出信号；验证已实现击打优化；如果实现了击打优化，则在测量中使用所获得的动能最优值；如果没有实现击打优化，那么根据优化范例调节击打在壁中所产生的动能的值；返回到所述初始化振动步骤，从而关闭击打控制的内回路；如果用所述内回路没有实现击打优化，则改变振动传感设备的动态范围和/或敏感度，从而关闭击打控制的外回路；执行击打控制方法的第二步，并且如果实现击打优化则在测量中使用所获得的动能的最优值。

根据另一个实例，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的装置。所述装置包括用于在船的外壁产生瞬时的机械载荷的机构；用于控制所述瞬时载荷的动力学参数的机构；用于接收和指示以进一步处理所述壁的振荡响应的机构；用于分析所述振荡响应并由所述分析产生估计变量的机构；用于填写测量过程中涉及的方程的机构；用于求解所述方程并产生要找变量的测量值的机构，和用于输送所述要找变量的值和随所述装置之外的被测变量而定的任何附加变量值的机构。

在所述装置中，接收器单元的输出可连接至分析器单元的输入；分析器的第一输出可连接至击打器控制单元的第一输入，其输出连接至击打器单元的输入；分析器单元的第二输出可连接至方程发生器单元的第一输入；分析器单元的第三输出可连接至接收器单元的第二输入；用于所述密度变量的预定估值包括所述方程发生器单元的第二输入，并且抗剪力的相关变量的预定估值包括所述方程发生器单元的第三输入；方程发生单元器的输出可连接至方程求解器单元的输入，其第一输出包括测量的密度变量，而其第二输出包括测量的抗剪力的相关变量；方程求解器单元的第一输出可连接至输出接口单元的第一输入，而方程求解器单元的第二输出可连接至输出接口单元的第二输入；输出接口单元的第一输出可输送关于本发明的所述装置以外的测量的密度的信息，输出接口单元的第二输出可输送关于本发明的所述装置以外的测量的抗剪力相关变量的信息，而输出接口的第三输出包括各种形式的开/关控制的二进制提醒的矢量。

在所述装置中，所述分析器单元可在均衡响应信号上执行操作，以形成至少三种变量；意在优化由接收器单元捕获的信号的质量的第一种变量可与分析器单元的第一输出相关联；第二种变量可与分析器单元的第二总线输出相关联，包括至少两个意在供给方程发生器单元的估计变量；意在通过控制所述振动接收机构的设定参数的选择来优化由接收器单元捕获的信号的质量的第三种变量可与分析器单元的第三输出相关联。而且，所述击打器控制单元可根据动能优化方法通过控制击打器单元的所述功能元件的驱动系统来优化击打器单元在壁上产生的动能的值。更进一步的，所述方程求解器单元的输出总线可包含密度和动态粘度；所述方程求解器单元的输出总线可包含密度和粘度的容积值；并且，所述方程求解器单元的输出总线可包含容积密度和抗剪力的相关变量。

根据另一个实例，提供一种用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的质量流、密度和抗剪力的相关变量的装置。所述装置包括用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的质量流、密度和抗剪力的相关变量的装置和用于非侵入式地测量穿过船的非气态的易流动的物质的容积流量的装置，从而允许同时测量质量流、密度和抗剪力的相关变量，方式是通过将所测量的密度与所测量的容积流量相乘来产生质量流测量。所述装置还可包括一种应用，其中，通过基于超声多普勒效应的流量计来实现所述容积流量的测量。

根据另一个实例，提供一种用于非侵入式地逐层测量填充船的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的装置。所述装置包括用于非侵入式地同时测量填充船的非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量的装置和同轴地位于船的相对端的声换能器系统。在所述装置中，所述第一转换器可放射弹性波，穿过船壁和船内物质；所述第二转换器可接收由第一转换器发射的所述弹性波，并且，所述弹性波的产生可与用于同时非侵入式地同时测量密度和抗剪力的相关变量的所述装置的击打同步。而且，所述装置可进一步促使所述击打的机械能的连续修改，以逐渐提高参与垂直于壁表面的方向上的振荡的船内材料的相关量，造成弹性波与所述相关量的船内材料的振荡的叠加，从而允许逐层测量内部材料(content material)的密度和抗剪力变量。

根据另一个实例，提供一种用于测量船内材料的物理性质的方法。所述方法包括下列操作：初始化船壁上的振动；捕获对所述振动的响应；基于所述响应产生至少两个估计变量的值，并且，使用所述至少两个估计变量求解包括至少一个密度变量和至少一个抗剪力变量的方程组。

在所述方法中，初始化振动的操作可包括将机械载荷施加于船的外壁的操作。此外，施加机械载荷的操作可包括至少施加一个单个脉冲、脉冲序列载荷和连续的周期性载荷中的一个的操作。更进一步的，所述初始化振动的操作可包括初始化材料中的振动的操作，所述材料至少是一种均质液体、松散的固体材料以及包括液体和固体材料的混合物的非均质材料。此外，所述捕获响应的操作可包括捕获表征壁对所述振动的响应的信息变量的操作。

所述方法可以进一步包括分析所述响应的操作，以至少确定一个在大于采样周期的移动时间-窗口上获得的交变信号的最大值集合、该最大值集合的和以及该集合的相邻最大值之间的差的和中的一个。而且，所述方法可进一步包括分析所述响应以确定信号的对数衰减或阻尼因数的操作。而且，所述方法可进一步包括分析所述响应以确定信号的谐波频谱的操作。此外，所述方法可进一步包括通过分析所述响应来调节用于初始化所述振动的动能的量的操作。在所述方法中，所述调节动能的量的操作可包括验证动能的量导致对符合预定的阈值特征集合的振动的另一个响应的操作。

根据另一个实例，提供一种用于测量船内材料的物理性质的装置。所述装置包括击打器，其被配置为初始化船壁上的振动；传感器，其被配置为捕获对于所述振动的响应；控制器，其被配置为基于所述响应产生至少两个估计变量的值，并使用所述至少两个估计变量求解包括至少一个密度变量和至少一个抗剪力的相关变量的方程组。

在所述装置中，所述击打器可被配置为向船的外壁施加机械载荷。而且，所述机械载荷可包括单个脉冲、序列脉冲和连续的周期性载荷中的至少一个。此外，所述材料可包括均质液体、松散的固体材料以及包括液体和固体材料的混合物的非均质材料中的至少一个。而且，所述传感器可被配置为捕获表征壁对于所述振动的响应的信息变量。另外，所述控制器还可被配置为分析所述响应，以至少确定一个在大于采样周期的移动时间-窗口上获得的交变信号的最大值集合、该最大值集合的和以及该集合的相邻最大值之间的差的和中的一个。

在所述装置中，所述控制器可进一步被配置为分析所述响应以确定信号的对数衰减或阻尼因数。而且，所述控制器可被配置为分析所述响应以确定信号的谐波频谱。所述装置还可包括耦合至击打器和传感器的击打控制器，其被配置为通过分析所述响应来调节击打器用于初始化振动的动能的量。在此实例中，所述击打控制器还可以被配置为验证动能的量导致对符合预定的阈值特征集合的振动的另一个响应。

接下来，将详细地对其它方面、实例以及这些示例方面和实例的优点进行论述。而且，应当理解，上述信息及此后的详细说明仅仅是各个方面和实施例的说明性例子，其目的是提供概述或框架，用于理解所主张的方面和实施例的性质和特点。根据至少一个这里公开的目标、目的和需要，这里公开的任何实例可以以任何方式与任何其它实例结合，并且有关″实例″、″一些实例″、″变更的实例″、″不同实例″、″一个实例″、″至少一个实例″、″这个及其它实例″等等不一定是互相排斥的，而旨在表明结合所述实例描述的特定的特征、结构或性质可包括于至少一个实例中。这里，这样的术语的出现不一定全都指同样的实例。

附图说明

下面，参考附图论述至少一个实例的各个方面，所述附图不拟按比例绘制。包括附图是为了提供例图并进一步理解各个方面和实例，附图被并入并且构成本说明书的一部分，但是不旨在作为本发明的限制定义。所述图以及说明书的余下部分的目的是解释所描述的和所主张的方面和实例的原则与操作。在附图中，不同附图中的各个相同或几乎相同的成分是由相似的数字表示的。为了清楚起见，不是每个图中的每个成分都进行了标注。附图中：

图1是描述当来自击打器的碰撞以垂直于壁的方向壁上触动船壁时壁内的非牛顿型液体的状态的一维方框图；

图2是描述当来自击打器的碰撞以垂直于壁的方向壁上触动船壁时壁内的松散的固体物质的状态的一维方框图；

图3是用于测试一种方法的实验装备的框图，所述方法用于确定液体填充材料的密度和抗剪力的相关变量；

图4a是以标准单位(s.u)测量的振荡监控装置(OMD)输出的测试箱壁的振荡响应与以cSt测量的试验液体的动态粘度的关系图；

图4b是以标准单位(s.u)测量的OMD输出的测试箱壁的振荡响应与以cSt测量的试验液体的动态粘度的关系图；

图5是装有OMD的测试导管的示意图；

图6是以标准单位(s.u)测量的OMD输出的测试箱壁的振荡响应与以g/L测量的粉末样品的容积密度的关系图；

图7是表现OMD与OMD在壁上的垂直位置和应用于测试船的外壳的非OMD产生的振动的存在性之间的依赖性的条形图；

图8是表现振动传感器的输出基谐波的模拟时间示意图，所述基谐波取决于粉末样品容积密度的变化程度。

图9是用于确定密度和抗剪力的相关变量的装置的功能框图；

图10是一种装置的自适应击打控制子系统的概括框图，其用于确定密度和抗剪力的相关变量；

图11是一种装置的自适应击打控制子系统的概括框图，其用于确定密度和抗剪力的相关变量；

图12是提供密度/粘度测量应用的横截面的工作原理的说明的示意图；

图13是用于确定密度和抗剪力的相关变量的方法的流程图；和

图14是可用来执行这里所公开的进程的计算机系统的一个实例的框图。

具体实施方式

这里所公开的方面和实例涉及用于确定船内包含的材料的物理性质的装置和流程。举例来说，根据一个实例，装置包括击打器、振动传感器和控制器，其被配置为确定位于船内的非气态的材料的密度和抗剪力的相关变量。在某些例子中，所述非气态材料是流体。在其它实例中，所述非气态材料是固体。根据另一个实例，装置(例如如上所述的装置)运行用于确定船内包含的材料的物理性质的方法。在运行所述示例的方法时，通过用经验数据填写方程组并求解所述方程组，所述装置确定设在船内的非气态材料的密度和抗剪力的相关变量。

应当理解的是，这里所论述的方法和装置不局限于下面的描述或附图中所示的构造细节和组件配置方面的应用。所述方法和装置能够在其它实例中实现，并且以多种方式实践或执行。这里仅为了说明性的目的而提供特定实现的实例，而不旨在进行限制。特别地，结合任何一个或多个实例而论述的操作、元件和特征并不旨在排除在其它任何实例的相似角色之外。

并且，这里所使用的措辞和术语的目的在于描述而不应当被认为是限制。这里的系统和方法的任何涉及单数的实例或单元或操作也可包含包括多个这些单元的实例，这里任何涉及复数的实例或单元或操作也可包含只包括单个单元的实例。单数或复数形式的论及并不旨在限制目前公开的系统或方法、它们的组件、操作或单元。这里使用的″包括″、″包含″、″具有″、″含有″、″涉及″及其变化意指拥有其后列出的项目和其等价物以及补充项。″或″的使用可以看做是相容，因此，任何使用″或″描述的术语可指示任何单个、一个以上和所有所描述的术语。

测量过程

这里所公开的示例性方法是基于对船的外壁的振荡运动的监视。可以通过对准所述壁施加瞬时的机械载荷来启动这样的运动。所述方法采用″船壁-填充材料″的双区动态系统(two-region dynamicsystem)的性质，这样，在载荷点(load point)之间的相对近距离处，机械动态系统的振荡″瞬间关联填充材料量-瞬间关联船壁量″被用来获得信息，该信息用于同时确定表征船内非气态的易流动的物质的密度和抗剪力的相关变量。所述测量方法适用于两种基本类型的非气态的易流动的船包含物，它们是均质和非均质的液体材料；以及包括粉末和其它成粒的材料的松散固体。在液体情况下，所述方法的抗剪力的相关变量与液体的粘度相关。在松散固体和非均质的液体的情况下，所述方法的密度变量表示这些材料的容积密度。

整体地，所开发的流程1300是一系列操作，如图13所示。流程1300开始于1302。在1304，测量装置确定动能的最优值，其将应随着对准壁施加瞬时机械载荷的时刻之后而产生于船壁。在1306，所述测量装置至少在船外壁上的单个预定位置启动振动，所述船由非气态的易流动的物质填充至已知水平。在1308，所述测量装置捕获壁对机械载荷的振荡响应。在1310，所述测量装置分析所捕获的响应。在1312，所述测量装置由所述分析至少产生两个估计变量值。在1314，所述测量装置填写理论方程组，其包括至少一个与填充材料密度相关的变量和一个与抗剪力相关的变量作为未知数和至少一个第一估计变量的值和一个第二估计变量的值。在1316，所述测量装置针对所述未知数求解所述方程组，从而提供与所述填充材料的密度相关的变量和与抗剪力相关的变量的非侵入式的同时测量，所述填充材料处于施加给船壁的机械载荷的中心附近的有关容积内。流程1300结束于1318。

下面，针对所提出的方法的单个振动源的最小型式详细描述该方法的每个操作。

操作1304：确定动能的最优值，其将应随着对准壁施加瞬时机械载荷的时刻之后而产生于船壁

根据通过撞击进行测量的公开方法的原理，所述点液位(pointlevel)、密度或粘度测量要求传感器的输出信号满足信号表示的某些条件。该条件可包括动态范围值、基于时间窗口的观测值和信号衰退性质。提出自适应的击打控制过程，以支持传感器的输出信号满足信号表示的条件，而不管测量应用的参数。所述流程执行由击打器产生于船壁的动能值的优化，并且在开始测量之前需要执行下列操作：

-通过以某个动能初始值击打壁来初始化壁的振动

-捕获传感器响应

-根据信号表示的准则来估计传感器输出信号

-根据例如最速下降法的优化范例来调节击打器在壁上产生的动能的值

-如果没有实现所述优化，则返回至初始化所述振动的操作

-在实现所述优化之后，使用测量中获得的动能的最优值

操作1306：至少在船的外壁上的单个预定位置处初始化振动，所述船由某些物质填充至预定水平。

所述振动产生于中心位于船外壁上的机械碰撞的附近。所述碰撞载荷的时间图可能具有不同的形式，包括单个脉冲、脉冲序列载荷或连续的周期性载荷，作为特定的实例。每种载荷允许任何类型的调制，例如调幅、调频、脉冲编码调制或它们的组合。在某些例子中，取决于特定的测量项目的技术要求，可通过应用任何适当的能源来产生对壁的机械碰撞。适当的能源可包括电磁线圈、弹簧、水力和基于气压的驱动。

操作1308：捕获壁对机械载荷的振荡响应。

量化由测量系统的接收器捕获的机械振动，并将其保存在数据存储器中，例如下面参考图12所述的数据存储器，以用于进一步分析。

操作1310：分析所捕获的响应

所存储、量化的数据集是耦合至数据存储器的控制器所执行的后续数据处理操作的输入。这个数据处理操作导致表征振动响应或信号能量、瞬时的和频谱性质的信息变量的向量的产生，通过下列实例对其进行描述而非限制。所述表征振动能的变量可以包括：a)在大于采样率的移动时间-窗口上获得的整流的振动信号的最大值集合；b)这些最大值的和；c)相邻的最大值之间的差的和。通过在所捕获信号大于设定集合的条件下计算的响应时间，可估计所述振动信号的瞬时性质。另一个表征信号的瞬时性质的变量是信号对数衰减或阻尼因数。通过应用作出定义在频带上的信号的振幅谱的快速傅里叶变换程序，可由信号的谐波表示来估计所述光谱频率性质。

操作1312：由分析产生至少两个估计变量的值

所述两个估计变量建立于操作1310中产生的信息变量的向量上。这个实例的目标是测量填充材料的至少两个机械性质；因此要求至少两个估计变量参与所述方程求解过程。从而由S_m、Q_m表示的两个估计变量必须与将要测量其值的两个变量中的每一个都有关系：

S_m＝S_m(ρ，μ)

Q_m＝Q_m(ρ，μ)(1.1)

其中，变量ρ表示所述填充材料密度的相关变量；变量μ表示所述填充材料抗剪力的相关变量，并且下标m代表″测量的″。例如，振动信号的对数衰减和基谐波二者均取决于满足条件(1.1)的(ρ，μ)。

操作1314：填写理论方程组，其包括至少一个填充材料密度的相关变量和一个抗剪力的相关变量作为未知数和至少一个第一估计变量的值和一个第二估计变量的值

预先确定的控制方程组包括被测变量S_m、Q_m和具有相同大小的经过计算的变量S_c、Q_c，如：

S_c＝S_c(ρ，μ)

Q_c＝Q_c(ρ，μ)(1.2)

$\left\{\begin{array}{c}{S}_m-S_c\left[F(\mathrm{\ρ},\mathrm{\μ})\right]=0\\ Q_m-Q_c\left[U(\mathrm{\ρ},\mathrm{\μ})\right]=0\end{array}\right.---\left(1.3\right)$

所述(1.3)的函数F()和U()表示调节变量(S_m，Q_m)和要找变量(ρ，μ)之间关系的自然法则。例如，在具有用牛顿性液体填充的船的实例中，函数F()和U()可以由图1所示的方程组说明。

图1示出动力学单元方框图的形式，其可见于Mathematic  Control Theory：Deterministic Finite Dimensional Systems.Second  Edition，Texts in Applied Mathematis/6，Eduardo D.Sontag，1998通过引用将其全文合并于此。这里，控制方程组(1.3)包括纳维叶-斯托克斯方程组，其说明船的有效体积中的液体包含物的动力学，其与来自击打器施加的基本对准的机械载荷所引起的船壁振荡的数学模型相关。

根据填充松散的固体材料的船的实例，函数F()和U()可以由图2所示的方框图说明一维情况。图2显示Dr.Loktionovad的文章中公开的颗粒材料数学模型，Analysis of dynamics of  vibration-based technologies and eguipment for processing  non-uniform loose solids：Loktionova O.G.，Dr.，Thesis Abstract，35页，通过引用将全文合并于此。其它用于松散的固体材料的数学模型实例可见下列文献″FREE-FLOWING MEDIA DYNAMICPROBLEMS″：V.M.Sadovskii，Mathematical Modeling Vol.13，No.5，2001/Institute of Computational Modeling of Rus.Acad，of Sci；″Kinematics of the motion of loose materials relative to rigidsurfaces″：S.B.Stazhevskii and A.F.Revuzhenko，Journal of MiningScience Vol.11，No.1，Jan.，1975，pp.78-80；″Particle sizesegregation in inclined chute flow of dry cohesionless granular solids″：S.B.Savage and C.K.K.Lun，Journal of Fluid Mechanics(1988)，189：311-335 Cambridge University Press；″A three-phase mixturetheory for particle size segregation in shallow granular free-surfaceflows″：A.R，THORNTON.J.M.N，T.GRAY and A.J.HOGG，Journal of Fluid Mechanics(2006).550：1-25 Cambridge UniversityPress，上述文献均通过引用合并于此。

松散固体的动态性质的数学描述是非常多元的并依赖于测量项目的特定性，因此除了列举的模型以外，动态系统″船壁-填充材料″的不同的数理模型还可以用于实现本发明的操作1314。特定的意义是使用密度和抗剪力的相关变量二者的模型，″a paradigm here isprovided by the famous Burgers equalion″[Dave Harris发布于网址www.maths.manchester.ac.uk/～dh/MSc Projects/NumAnalProj07.html，en.wikipedia.org/wiki/Burgers％27_equation]，其全部内容通过引用合并于此。

操作1316：针对所述未知数求解所述方程组，从而提供非侵入式的同时测量所述填充材料的密度相关变量和抗剪力相关变量，所述填充材料处于施加给船壁的机械载荷的中心附近的有关容积内。

由于其非线性，即使在最简单的情况下，图1和2中用连线和函数所示的方程组也不能获得解析解。因此，在有些实例中，所述方法由用于求解偏微分方程组的具有硬件或软件功能的控制器实现，Numerical Recipes in C++：The art of scientific computing，William H.Press.等，第二版，用于获得(ρ，μ)的实时解，其全部内容通过引用合并于此。

可以理解的是，本发明的另一个重要特征是使用满足要求的动态系统″船壁-填充材料″的数学模型，避免对测量操作顺序的标定。

另外，在未知变量(ρ，μ)之一是定值的实例中，建议的测量方法被最小化成求解式子(1.3)的一个方程：

W_m-W_c[N(λ)]＝0(1.4)

其中，W_m表示估计变量的测量值；W_c表示所计算的估计变量；函数N(λ)表示调节变量W_m和寻找变量λ＝ρ∨μ之间的关系的自然法则。

所述方程(1.4)可以在已知值λ＝λ°的足够小的附近范围内解析求解，或使用各种备查表或标定曲线或数值法求解。在某些例子中，W_c[N(λ)]的数学描述是不可用的，其求解方程(1.4)的操作变成这样的过程，包括：

a)建立实验曲线W_ce({λ^*})，{λ^*}∈[λ′，λ″]-″标定″；

b)针对未知变量λ＝ρ∨μ求解方程W_m-W_ce(λ)＝0-″测量″

其中，{λ^＊}表示变量λ的预先测量值集合。所述标定操作是多点测量过程，其最小测量数为2；所述操作由下列代数方程组记述：

${\stackrel{\→}{W}}_m^{*}-W_{\mathrm{ce}}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\right)=0$

$W_{\mathrm{ce}}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\right)=\underset{i=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\right)}^{\left(i\right)}$

${\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}^{*}\⋐\left\{{\mathrm{\λ}}^{*}\right\},K\≥2$

其中，

表示测量估计变量W的值的列向量；表示寻找变量λ＝ρ∨μ的预先测量值的列向量。

流程1300描绘特定的实例中的一个特定的操作序列。流程1300中包括的操作可以通过或使用一个或多个特别地如这里所述而配置的计算机系统而执行。一些操作是可选的，因而根据一个或多个实例可以省略。另外，操作的顺序可以改变，或者可以添加其它操作，而不脱离这里所述的系统和方法的范围。而且，如上所述，在至少一个实例中，所述操作执行于特定的、特别配置的设备，即根据这里所述的实例配置的计算机系统。

本发明的实用性由壁振荡对于填充材料密度/粘度变化的敏感性定义。将此作为目标，下面将论述两个实施于填充液体(试验A)和松散的固体材料(试验B)的箱体的敏感性试验。

试验A

为了观察对于船壁振荡的液体材料密度/粘度效应，在船上安装OMD。实验装备的示意图示于图3。所述监控装置安装有击打机构，其被配置为在船的外壁上施加机械碰撞(击打)，并且具有位于击打器本体上的基于加速计的接收器。在整个试验过程中，船内液体的水平保持恒定。船在被填充或腾空时处于固定位置防止移动。根据试验程序，船用不同的试验液体物质填充。

振动传感器的振荡时间-响应(S)由下列处理：

$S=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(S_i\right)}^2$

$S_i\≡\stackrel{\‾}{S}{\left(t\right)}_{|t=t_i}$

$\stackrel{\‾}{S}\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\τ}}\underset{i=\mathrm{\τ}}{\overset{t}{\∫}}S\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(1.5\right)$

试验A的数值结果示于表格1并图示于图4。其中，试液的密度值直接通过在室温下称量已知容积的船内的每个样品溶液而确定；动态粘度值在文章″Viscosity″中获得：http://hypertextbook.com/physics/matter/viscosity/，其全部内容通过引用合并于此。

表格1

试验A的数据分析得出的结论是，船壁对每一个击打的振动响应与以恒定水平L填充测试船的均质液体的动态粘度值成反比。

在一个方法的实例中，在击打的附近所测量的壁的加速度用于振荡响应的估计。依据这种实例，瞬时的机械载荷(击打)之后估计的加速度变量施加给壁，然后由击打器抵销。然而，估计所述壁的振动不局限于由公式(1.5)说明的程序。根据这里所述的实例，可以使用任何在时间或频率域上所定义的方法，其提供对于填充液体的密度/粘度所需要的敏感性。

试验B

实验摘要

试验B的目标是产生、监视和记录由粉末样品容积密度的变化引起的振动输出信号的变化。所述期望的密度变化由下列三个方法获得：

-方法1：通过改变粉末样品容积并保持粉末物质量不变来改变密度。测试1通过运行方法1而进行。

-方法2：通过改变粉末样品质量并保持粉末样品容积不变来改变密度。测试4通过运行方法2而进行。

-方法3：通过振动来改变密度。测试2和测试3通过运行方法3而进行。

数据处理

在这些测试期间，使用下列公式计算来所述粉末样品的最初容积密度：

最初容积密度＝(填充的管道重量-空管道重量/管道内体积)(1.6)

其中，所述重量按克力计量，所述容积按公升计量。图5中示出其上安装有OMD的测试管道的概略图。

在这些测试期间，所述粉末样品的密度如下计算：

实验密度＝粉末重量/(体积·g)＝粉末重量/(0.25πD²(H-h)·g)(1.7)

其中，D表示管道内径；H表示管道高度；h表示从管道顶到粉末/空气交界面的距离，g表示重力常数。

数据分析

OMD输出估计

在这些测试里，OMD的输出由下列方法估计：

$U=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(U_{m_i}^2-U_{m_{i-1}}^2)---\left(1.8\right)$

其中

表示OMD传感器对击打：

的调节反应的基谐波的第i个振幅：而K表示在信号监视时段内计数的振荡的半周期数。

根据下列公式计算OMD输出对样品容积密度的试验敏感性：

$\mathrm{\ζ}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\ρ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔU}}}$

${\mathrm{\ζ}}_s=\frac{100\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔU}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\ρ}}\·\stackrel{\‾}{U}}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\ρ}}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_2$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔU}}={\stackrel{\‾}{U}}_1-{\stackrel{\‾}{U}}_2---\left(1.9\right)$

其中表示OMD对样品密度的敏感性；ζ_s表示针对样品密度的设备的输出值变化的百分比；

表示平均密度变化；

表示平均后的估计DM输出；

表示第j种粉末样品的容积密度的平均；

表示对应第j种粉末样品的估计DM输出的平均；和s.u.表示OMD输出的标准单位。

使用下列公式计算容积密度测量的估计可重复性：

ρ∈[ρ_min，ρ_max]：

$\mathrm{\ϵ}=q\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\ρ}}_{\max }}\·100\%---\left(1.10\right)$

其中ε表示测量的重复性；σ表示设备的输出变量U的STD；q表示表征样品密度-测量易失性的系数，在所推荐情况下当对空船估计OMD的可重复性时所述系数等于1。

为粗略估计测量的重复性，可采用下列经验公式：

ε＝pζ，

p∈[3，5](1，11)

测试1

样品的容积密度由压缩方法改变。所记录和限制的实验数据示于表格2，并且图示示于图6中。

水平，mm	体积，L	粉末重量，g	OMD读数，s.u.	密度，g/L
					873	66.732	1,217.00	193.95	18.234
822.2	63.025	1,217.00	228.079	19.307
					771.4	59.317	l,217.00	248.045	20.513
746	47.464	1,217.00	252.35	21.175

表格2

测试2

样品的容积密度由振动方法改变。所记录和限制的实验数据示于下面的表格3。

施加的振动，y/n	OMD读数，s.u.	％变化
			N	296.95
Y	284.64	4.15

表格3

测试3

当OMD附于距管道顶150毫米处的壁时，重复测试2程序。所记录和限制的实验数据示于下面的表格4。

施加的振动，y/n	OMD读数，s.u.	％变化
			N	505.85
Y	492.65	2.61

表格4

测试4

通过添加预先确定的粉末质量并保持材料水平不变来改变样品的容积密度。所记录和限制的实验数据示于下面的表格5。

粉末容积密度类别	OMD读数，s.u.
		密度1	327.135
密度2	211.567

表格5

在试验B中收集的数据的分析支持两个观察报告：

观察报告1

OMD附近小的密度增加在OMD读数值中产生近乎成比例的增长。这个观察报告由图6的曲线支持，其中在位于管道顶以下500毫米的管壁点附近的粉末材料的密度通过向管道顶的粉末层施加相对小的垂直载荷而改变(测试1)。同样的观察报告对于测试2和测试3记录也成立。相比较于没有振动而获得的读数，不管OMD在箱壁上的什么位置，只要有振动施加于壁，OMD读数就有所下降。图7，振动读数的条形图，示出支持这个观察报告的数据。

观察报告2

在OMD附近密度的实际增加引起OMD读数值的显著下降。针对箱壁上500毫米位置的OMD获得的OMD读数与关于箱壁上150毫米位置的读数证明这个观察报告的正确性(测试2，测试3)。在500毫米和150毫米OMD位置记录的读数差可以与在每个位置处估计的粉末密度差联系起来。由于粉末上层的压缩效应，距管道顶150毫米的容积密度基本上小于距管道顶500毫米的容积密度。来自测试4的数据也证实这个观察报告的正确。在测试4中，在同样的材料水平处增加附加粉末引起OMD读数值下降35％。

OMD读数对初始密度值的反向依赖倾向的现象创造了开发能够在非常宽的范围内准确地测量粉末容积密度的双标度(double-scale)测量设备的机会。

上述现象可以用OMD传感器输出信号(u(t))对于施加给管壁的单独击打的衰减振荡反应的基谐波的解析表达式说明。u(t)的数学描述如下：

α＞0    (1.12)

其中U_m表示基谐波的振幅，α表示表征OMD←→粉末材料←→管壁动态系统中的机械能消耗的信号对数衰减。用公式(1.12)的u^＊(t)代入公式(1.8)导出下列公式，其用于后续数值研究：

图8示出公式(1.13)的图解表示。

图8所示的进程说明的情况是：密度改变相对小的值，影响对数衰减(内耗)，但实际上未改变基谐波振幅。″虚曲线″的相邻振幅差的和小于″实曲线″的相邻振幅差的和。在这个实例中，所述″虚曲线″与较低密度的材料相关，而″实曲线″与较高密度的材料相关。

当粉末材料的密度显著改变时，出现相反的情形。在这种情况下，由于机械动态系统的刚性的大量增加，所研究的机械动态系统的基谐波振幅显著地减少。公式(1.13)的应用得出相反的结果。为了证明这个结论，以下列参数数值地分析两个假设情况：

OMD基于实验的敏感性和OMD估计可重复性

公式(1.9-1.13)说明各种估计测量装置的品质的变量。使用这些公式和测试1的数值结果，允许通过OMD原型来确定密度测量的敏感性。

$\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ΔU}}$

实验的OMD密度测量的可重复性源自公式(1.11)：

$\mathrm{\ϵ}=p\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ρ}}_{\max }}\·100\%$

p＝5，ρ_max＝150g/L

根据试验B的时间表执行的测试结果表明本发明的方法适用于测量松散的固体材料的容积密度，特别是非常轻的粉末，其测试的容积密度范围为20-150g/L，聚合体重复性0.212％。

总的来说，所述试验的结果说明：

-监视船壁振荡响应以足够高的分辨率发送关于填充材料密度的信息，允许建立将船壁用作易感薄膜的非侵入式的测量装置，并且

-可以使用船壁振荡响应来产生一系列数据处理方法，以获得密度或抗剪力的相关变量的测量，其精度符合或超过工业过程控制系统的要求。在一个实例中，数据处理方法可以依据的的公式基集包括公式(1.5、1.8和1.13)。

测量装置

根据不同的实例，用于同时测量密度和抗剪力的相关变量的方法由测量装置实现。将使用图9所示的功能方框图来说明所述装置的工作原理和功能。所述测量装置由下列功能单元组成：击打器、击打控制单元2、接收器3、分析器4、方程发生器5、方程求解器6和输出接口7。所述单元1和3构成所述装置的传感器/接收器组件。所述单元2、4-6构成所述设备的处理模块。根据一些实例，所述测量装置可以包括计算机系统，比如参考图14所示的计算机系统，以实现它的一个或多个功能。应该清楚的是，所述测量装置内包括的计算机系统可以是相对简易的计算机系统，例如带有嵌入式存储器的控制器。

接收器3的输出耦合至分析器4的输入。分别地，分析器的第一输出耦合至击打控制单元2的输入，其输出连接至击打器的输入。分析器的第二输出连接至方程发生器5的第一输入。分析器的第三输出连接至接收器的第二输入。密度变量的估值是方程发生器的第二输入。抗剪力的相关变量的估值是方程发生器的第三输入。方程发生器的向量输出连接至方程求解器单元6的输入，其第一输出是测量的密度变量，而其第二输出是测量的抗剪力的相关变量。方程求解器的第一输出连接至装置的输出接口单元7的第一输入。方程求解器的第二输出连接至装置的输出接口单元的第二输入。单元7的第一输出向所述测量装置之外发出有关测量密度的信息。单元7的第二输出向所述测量装置之外发出关于测量的抗剪力的相关变量的信息。单元7的第三输出是不同型式的开/关控制的二进制报警的向量。

所述装置根据下面的描述工作。由来自击打控制单元2的根据所公开的测量方法的操作1304运行击打优化程序的信号的驱动，击打器1向船壁8施加机械碰撞。所述碰撞可以是单个脉冲、脉冲序列或调整的连续周期性载荷。所述船壁由所述碰撞激发，因此在所述振荡进程中牵涉一部分填充材料9。所述壁的振荡响应由接收器3捕获。接收器可以包括振动传感器和放大器。可调整接收器3的输出，并且为进一步的处理做准备，所述处理使得接收器3和分析器4分享类似于公式(1.5、1.8和1.13)所述的一个或多个程序的运行。

分析器4的第一输出通过改变击打器传送至壁的动能值来控制击打器1施加给壁的机械碰撞的类型。取决于用来移动击打器机构的驱动能的类型，驱动力可通过电磁驱动系统的电压或通过随时间的电流而产生，例如，电磁线圈或线性电动机，水力或风动驱动系统的压力或随时间的流等等。分析器4的第三输出根据获取的振动信号品质准则来控制接收器3的传感系统的范围，从而关闭自适应击打控制子系统(ASCS)的反馈，所述子系统包括所述设备的接收器3、分析器4、和击打控制2功能单元。图10中示出根据一个实例的ASCS的概括框图。根据示意图，击打优化器4.2分析壁的振荡响应，并自动地改变击打器移动的动力，以优化由接收器3捕获的信号质量。图11的图示中说明自动击打控制系统的一个可能的实现。图11所示的ASCS的运行如下。传感器组

获取壁的振动。选择器单元选择特定的传感器，其输出满足振动信号品质准则。所述选择器被来自分析器的击打优化器单元的第二输出的反馈控制。分析器的击打优化器的第一输出向控制击打器的能量的击打控制单元发送控制信号。可以使用脉宽调制方法控制击打器。所述振动信号品质准则具有不同的表示。所述准则的最优方案表示包括动态范围约束、信噪比定额约束和代表性长度约束。击打控制单元优化击打器的输入处的控制序列，以便所选择的振动传感器和由击打器产生的力的冲击的综合产生船壁的动态响应，其满足振动信号品质准则。

现在返回图9，分析器的第二输出是向量输出，通常情况下包括方程组(1.3)的被测变量S_m[F(ρ，μ)]和Q_m[F(ρ，μ)]。方程发生器5接受变量S_m和Q_m，以填写方程组(1.3)。未知数(ρ，ν)的估值(ρ^＊，ν^＊)是数值求解方程组(1.3)所需要的推测向量的成分。(ρ^＊，ν^＊)的值保存在单元5可用的数据存储器中。单元5的输出是数值填写的方程组(1.3)。方程组由方程求解器单元6求解，其可以实现至少一个适于求解由图1和图2所示的方框图代表的方程组的方法。求解方程组(1.3)的结果是密度和抗剪力的相关变量的数值，其与在捕获至接收器3的输出时刻填充材料的瞬态情况相关。取决于所述填充材料的类型，计算＝测量变量的对(ρ，ν)可以分别表示：a)密度，均质液体的动态粘度；b)容积密度，非均匀的液体的粘度；和c)容积密度，松散的固体的抗剪力的相关变量。应当清楚的是，也可以通过这里所公开的不同实例来测量动态粘度。所述装置的传感器/接收器模块和所述装置的处理模块不是系统的功能元件而是设计模块；当两个模块位于相同的外壳里时它们可以具有包括单个部分设计的多重装配。例如，在所述装置的测试性设计方案之一中，根据图11所示的图形建立传感器/接收器模块。

这里所公开的实例的应用可以包括测量除密度和粘度或另一个抗剪力的相关变量以外的变量。举例来说，将这里所公开的用于测量密度的方法和设备与非侵入式的容积流量测量设备(例如使用多普勒效应的超声流量计)相组合，可轻易地使本发明的所述装置适用于测量质量流--表征大批工业生产过程的重要变量。

其他应用的实例允许包含物材料的粘度和/或密度的截面分析。参考图12描述该应用。根据示图，非气态的易流动材料的粘度/密度的截面可以这样获得：将击打力从弱击打顺向变到强击打(从强到弱)，这样，就可以在振荡处理中牵涉不同的材料量。另一个相同应用的实例包括声学的发射器1和接收器2，在向壁外表面施加击打的同时，发送和接收穿过内含材料的宽度而传播的弹性波。在这种情况下，声波变量，比如振幅、相移、声学包络的高次谐波等等，变得依赖于每个击打带进振荡系统的能量数值，从而提供在内含材料沿着船的横截面维度的不同层处的非侵入式的密度/粘度测量。

参考图14，其使出计算机系统302的框图，其中可以实践这里公开的不同方面和功能。计算机系统302可以包括一个以上交换(即发送或接收)信息的计算机系统。如所示，计算机系统302可以通过通信网络互连并且可以通过通信网络交换数据。所述网络可以包括计算机系统可以通过其交换数据的任何通信网络。为了使用所述网络交换数据，计算机系统302和所述网络可以使用不同的方法、协议和标准，尤其包括光纤信道、令牌网、以太网、无线以太网、蓝牙、IP、IPV6、TCP/IP、UDP、DTN、HTTP、FTP、SNMP、SMS、MMS、SS7、JSON、SOAP、CORBA、REST和万维网服务等等。为了确保数据传输安全，计算机系统302可以使用多种安全措施经由所述网络发送数据，例如包括，TSL、SSL或VPN。所述网络可以包括任何介质和通信协议。

图14说明计算机系统302的特定实例。如图14所示，计算机系统302包括处理器310、存储器312、总线314、接口316和数据存储器318。处理器310可以执行产生操作数据的系列指令。处理器310可以是市售处理器，例如Intel Xeon、Itanium、Core、Celeron、Pentium、AMD Opteron、Sun UltraSPARC、IBM Power5+或IBM主机芯片，但是可以是任何类型的处理器、多处理机或控制器。处理器310通过总线314连接至包括一个或多个存储设备312的其它系统组成部分。

所述存储器312可以用来在计算机系统302的操作期间存储程序和数据。因此，存储器312可以是比较高性能、易失的、随机存取存储器，比如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。然而，存储器312可以包括用于存储数据的任何设备，比如磁盘驱动器或其它非易失性存储设备。不同的实例可以将存储器312组织成特定的并且有时是唯一的结构，以执行这里所公开的功能。

计算机系统302的组件可以通过互连元件耦合，例如总线314。总线314可以包括一个或多个物理总线，例如在被集成在相同的设备之内的组件之间的总线，但是可以包括系统元件之间的任何通信连接，包括特制的或标准计算总线技术，例如IDE、SCSI、PCI和无限带宽技术。因此，总线314启动通信，比如数据和指令，以在计算机系统302的系统组成部分之间进行交换。

计算机系统302还包括一个或多个接口装置316，比如输入装置、输出装置和组合输入/输出设备。接口装置可以接收输入或提供输出。更特别地，输出装置可以修饰信息，用于外部显示。输入装置可以接受来自外部资源的信息。接口装置的实例包括键盘、鼠标设备、跟踪球、扩音器、触摸屏、打印装置、显示屏、扬声器、网络接口卡等等。接口装置允许计算机系统302与例如用户及其它系统的外部实体交换信息和通信。

数据存储器318可包括计算机可读和可写的非易失性的(非暂时的)数据存储介质，其中存储指令，所述指令定义可由处理器310运行的程序或其它对象。数据存储器318还可以包括记录在所述介质之上或之中的信息，并且该信息可以在运行所述程序期间由处理器310处理。更特别的，所述信息可以保存于一个或多个特别配置为节省存储空间或提高数据交换性能的数据结构。所述指令可以持续地存储为编码信号，并且所述指令可以使得处理器310执行这里所述的任何功能。例如，所述介质可以是光盘、磁盘或闪存等等。操作中，处理器310或一些其它控制器可以使数据从非易失性记录介质读取至另一个存储器，例如存储器312，其允许处理器310以比数据存储器318中所包括的存储介质还要快的速度来存取所述信息。所述存储器可以位于数据存储器318或存储器312中，然而，处理器310可以操作存储器312内的数据，并且在处理完成之后将所述数据复制到与数据存储器318相关联的存储介质。多个组件可以管理存储介质及其它存储元件之间传递的数据，并且实例不局限于特定的数据管理组件。此外，实例不局限于特定的存储系统或数据存储系统。

虽然计算机系统302通过实例的方式显示为一种可以实践不同的方面和功能的计算机系统，但是方面和功能并不局限在实现于如图3所示的计算机系统302上。不同的方面和功能可以实践于具有与图3所示不同的构造或元件的一个或多个计算机。例如，计算机系统302可以包括特定编程的、专用的硬件，比如适合执行这里公开的特定操作的专用集成电路(ASIC)。然而，使用几个通用的具有摩托罗拉PowerPC处理器的运行MAC Os系统X的计算设备和几个定制的运行专有硬件和操作系统的计算设备的网，另一个实例也可以执行相同的功能。

计算机系统302可以是包括操作系统的计算机系统，所述操作系统至少管理计算机系统302所包括的部分硬件元件。在某些例子中，处理器或控制器，比如处理器310，运行操作系统。可以被运行的特定的操作系统的实例包括基于窗口的操作系统，例如微软公司的Windows NT、Windows 2000(Windows ME)、Windows XP、WindowsVista或Windows 7操作系统、苹果计算机公司的MAC OS系统X操作系统、许多基于Linux的操作系统分布之一，例如红帽公司的企业Linux操作系统、太阳微系统公司的Solaris操作系统或不同来源的UNIX操作系统。可以使用许多其它操作系统，并且实例不局限于任何特定的操作系统。

处理器310和操作系统共同定义计算机平台，可以以高级编程语言为其编写应用程序。这些组件应用可以是可执行的、中间的字节码或翻译代码，其使用例如TCP/IP的通信协议在例如国际互联网络的通信网络上传输。类似地，可以使用面向对象的程序设计语言来实现各方面，例如，.Net、SmallTalk、Java、C++、Ada或C#(C-sharp)。也可以使用其它面向对象的程序设计语言。或者可以使用功能的、脚本的或逻辑程序设计语言。

另外，可以在非编程环境下实现不同的方面和功能，例如以HTML、XML或其它格式创建的文档，当在浏览器程序的窗口中对其进行查看时，渲染图形-用户接口的特征或执行其它功能。此外，可以将不同的实例实现为编程的或非编程的单元或其任意组合。例如，可以使用HTML来实现网页，同时可用C++编写从网页内调用的数据对象。因此，所述实例不局限于特定程序语言，而可使用的任何适当的程序设计语言。因此，这里公开的功能组分可以包括多种元素，例如可执行码、数据结构或目标，其被配置为执行这里所述的功能。此外，方面和功能可以实现于硬件、软件、固件或任何它们的组合。因此，方面和功能可以使用多种硬件和软件配置而实现于方法、操作、系统、系统元件和组件中，并且实例不局限于任何特定的分布式体系结构、网络或通信协议。

在某些例子，这里所公开的组件可以读取那些影响由所述组件执行的功能的参数。这些参数可以物理地保存在任何形式的适当的存储器中，包括易失性存储器(例如RAM)或非易失存储器(例如磁性硬盘)。而且，所述参数可以在逻辑上保存于适当的数据结构(例如数据库或由用户模式应用定义的文件)中或共享数据结构(例如由操作系统定义的应用注册)中。而且，一些实例既提供系统又提供用户接口，其允许外部实体修改参数并从而配置组件的性能。

因此已经描述了至少一个实例的几个方面，可以清楚的是不同的变更、修改和改进对于本领域技术人员是显而易见的。例如，虽然说明书的大部分论述检查欺诈的检测，但这里公开的实例也可以用于其它环境，例如检测工业界除了金融行业以外其它类型的欺诈，例如保健行业。这样的变更、修改和改进应当是本公开的一部分，并且应当在这里论述的实例的范围之内。因此，上述描述及附图仅仅是实例。

Claims (30)

1.一种用于测量船内的材料的物理性质的方法，所述方法包括：

在船壁上启动振动；

捕获对所述振动的响应；

基于所述响应产生至少两个估计变量的值；并且

使用所述至少两个估计变量求解包括至少一个密度变量和至少一个抗剪力的相关变量的方程组。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，启动振动包括向船的外壁施加机械载荷。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，施加机械载荷包括施加单个脉冲、脉冲序列载荷和连续的周期性载荷中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，启动振动包括启动材料中的振动，所述材料是均质液体、松散的固体材料和包括液体和固体材料的混合物的非均质材料中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，捕获响应包括捕获表征壁对所述振动的响应的信息变量。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括分析所述响应，以确定在大于采样周期的移动时间-窗口上获得的交变信号的最大值集合、该最大值集合的和以及该集合的相邻最大值之间的差的和中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括分析所述响应以确定信号的对数衰减或阻尼因数。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括分析所述响应以确定信号的谐波频谱。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括通过分析所述响应来调节用于启动所述振动的动能的量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，调节动能的量包括验证动能的量导致对符合预定的阈值特征集合的振动的另一个响应。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，求解方程组包括：

使用至少两个估计变量来填写方程组；以及

根据至少一个密度变量和至少一个剪抗力的相关变量来求解方程组。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，求解包括至少一个密度变量和至少一个剪抗力的相关变量的方程组包括求解包括粘度变量的方程组。

13.根据权利要求3所述的方法，其中，施加机械载荷包括根据调幅、调频和脉冲调制中的至少一个来对机械载荷进行调制。

14.根据权利要求3所述的方法，其中，施加机械载荷包括根据脉冲编码调制和脉宽调制中的至少一个来对机械载荷进行调制。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，产生至少两个估计变量的值包括从捕获的信号来创建信息变量。

16.一种用于测量船内的材料的物理性质的装置，所述装置包括：

被配置为启动船壁上的振动的击打器；

被配置为捕获对所述振动的响应的传感器；和

控制器，其被配置为：

基于所述响应产生至少两个估计变量的值；并且

使用所述至少两个估计变量求解包括至少一个密度变量和至少一个抗剪力的相关变量的方程组。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述击打器被配置为向船的外壁施加机械载荷。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述机械载荷包括单个脉冲、脉冲序列载荷和连续的周期性载荷中的至少一个。

19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述材料包括均质液体、松散的固体材料和包括液体和固体材料的混合物的非均质材料中的至少一种。

20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述传感器被配置为捕获表征壁对所述振动的响应的信息变量。

21.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制器还被配置为分析所述响应，以确定在大于采样周期的移动时间-窗口上获得的交变信号的最大值集合、该最大值集合的和以及该集合的相邻最大值之间的差的和中的至少一个。

22.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制器还被配置为分析所述响应以确定信号的对数衰减或阻尼因数。

23.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制器还被配置为分析所述响应以确定信号的谐波频谱。

24.根据权利要求16所述的装置，还包括耦合至击打器和传感器的击打控制器，其被配置为通过分析所述响应来调节击打器用来启动振动的动能的量。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述击打控制器还被配置为验证动能的量导致对符合预定的阈值特征集合的振动的另一个响应。

26.根据权利要求16所述的装置，其中，控制器被配置为至少部分通过使用至少两个估计变量来填写方程组并根据至少一个密度变量和至少一个剪抗力的相关变量求解方程来求解方程组。

27.根据权利要求16所述的装置，其中，至少一个剪抗力的相关变量包括粘度变量。

28.根据权利要求18所述的装置，其中，根据调幅、调频和脉冲调制中的至少一个来对机械载荷进行调制。

29.根据权利要求18所述的装置，其中，根据脉冲编码调制和脉宽调制中的至少一个来对机械载荷进行调制。

30.根据权利要求16所述的装置，其中，控制器被配置为至少部分通过从捕获的信号创建信息变量来产生至少两个估计变量的值。

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