CN106338332B - 用于测量液体或气态介质中的声音速度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了用于测量包含在容器中的液体中或包含在同一容器中的位于液体表面的上面的气态介质中的声音速度的系统和方法，所述方法包括如下步骤将第一声信号发射到液体或气态介质中以便其在第一移动平面内部移动，接收第一声信号，将第二声信号以声波的形式发射到容器的壁中以便其在容器壁内部沿着第一移动平面的周长而移动，直至其被接收；获得第一声信号的第一飞越时间和第二声信号的第二飞越时间；从数据存储器中获得容器壁中的声音速度；根据容器壁中的声音速度和第二飞越时间确定第一移动平面的周长；根据第一移动平面的周长和与第一移动平面的几何形状相关的信息确定第一声信号的移动路径的长度；根据所述长度和第一飞越时间确定声音速度。

Description

用于测量液体或气态介质中的声音速度的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种系统和方法，其用于测量包含在容器中的液体或包含在同一容器中并位于液体表面上方的气态介质中的声音速度。
背景技术
在连续地确定容器中的液体填充液位时重要的先决条件是要知晓液体或气态介质中的声音速度，即知晓声波穿过介质的传播速度。
为了连续地确定填充液位，使用了连续的液位传感器。今天，连续液位测量方法主要使用侵入性技术，其意味着需要在容器的壁中开口，以便将液位传感器引入到容器中。侵入性技术可能基于声信号或电磁信号，尤其雷达信号，其朝着液体表面进行发送，并且在液体表面上将它们反射回来。
然而，在某些工业中，例如在食品或药品工业中，为了避免污染，将外物带入液体附近或甚至与液体接触是不符合要求的。甚至在其它领域，例如在化学或石油天然气工业中，侵入性液位测量可能由于液体是爆炸性的、易燃性的、腐蚀性的或遭遇极端温度而不会被标示出来。对于这些条件，使用非侵入性的连续液位测量技术，其基于测量封闭容器的填充液位。
大多数侵入性和非侵入性的连续液位测量方法基于声脉冲或电磁脉冲的飞越时间测量，其中信号朝着液体和气体之间的界面以及其在界面处反射回接收器的移动时间被加以测量，气体填充了液体上面的空间。然后根据所测量的时间和信号传播所处介质的声音速度，可确定液位高度。
具体地说，如US7694560B1中从箱或容器的底部穿过液体并朝着液体和气体之间的界面向上发送脉冲；或者以相反的方向从容器的内顶部穿过气体将脉冲发送至界面。这个界面还可被称为液体表面或液位界面。从该液位界面，脉冲被反射回来，并在某一位置被再次接收。然后在假定传播速度c已知的情况下可通过将脉冲的传播时间t乘以传播速度c而计算出传播距离L和因而填充液位。
在JP2006322825A中，描述了一种非侵入性液位测量方法，其应用了上述液位测量技术。在图1中显示了通用的机构。这里，容器1包含了液体2和位于液体4上面的气态介质3。在液体2和气态介质3之间的界面被称为液体表面4或液位界面。超声波脉冲8的飞越时间被测量，其中超声波脉冲8从容器1底部的外面通过第一超声波收发器5进行发射，并被液体表面4反射回来。为了计算液体2的填充液位，需要超声波的传播速度，即液体2中的其声音速度。声音速度通过第二超声波收发器7来确定，其定位在箱的侧壁上，并且其沿着容器1的水平直径测量第二脉冲9的飞越时间。在JP2006322825A中需要容器1的直径是已知的大小，从而直接计算超声波脉冲9的声音速度。
换句话说，在图1中，声信号8朝着液位界面或液体表面4发送，其被反射回来，然后被同一换能器5接收。声信号8的飞越时间t被测量。然后通过将液体2中的信号传播速度c_medium乘以飞越时间t的一半而计算出换能器5至液体表面4和从而液位的距离L，信号传播速度c_medium对于声信号而言是声音速度，即
L=(t*c_medium)/2　　　　(1)。
从US6925870B2知晓另一非侵入性超声波液位传感器，其中声信号的收发器定位在容器的侧壁上。同样，第一超声信号以水平方向发射，并从相反的容器侧壁反射回来。这个信号用于测量声音速度，即液体中的超声波束的移动速度。第二超声信号以成角度方向发射，使得其被液体表面和相反的容器侧壁之间的交会部反射回来。根据之前确定的声音速度和这个第二信号的飞越时间，可获得其倾斜路径的长度。然后计算液体表面相对于换能器位置的高度作为直角三角形的高度，所述直角三角形具有与第一和第二超声波移动路径的长度相对应的斜边和底边。在US6925870B2中还假定水平信号移动的距离是事先已知的，从而直接计算声音速度。
同上述连续的液位传感器相反，存在所谓的点位液位传感器，其只检测液体表面是否超过了预定液位。例如在DE19900832A1或者在DE68903015T2，RU2112221C1和超声学41(2003)第319-322页的Sakharov等人的“利用超声兰姆波的液位传感器”中描述了点位液位传感器，其中在DE19900832A1中，在壁/介质界面上的声脉冲的反射率变化用作液体存在的指示器。后者所述的技术基于超声兰姆波的使用，其沿着容器壁或壁进行传播。
兰姆波或也被称为板波，其是板中产生的机械波，其中波的传播在壁的侧面受到波的反射影响，并因而受有限的传播空间影响。它们因而显示了与波在波导中传播相似的属性。兰姆波以不同的模式传播，其具有不同的属性，尤其不同的传播速度以及不同的衰减。通常在低频率下，可能发生对称模式S0和非对称模式A0。理想地，波在板的侧面被全部反射，并因而保持在板的内部。这对于气态介质或真空中的板而言是第一近似有效的。
在板与液体接触的情况下，界面的反射率被减少，并且兰姆波可将声能发射到周围液态介质中。这在低频率下发生尤其非对称模式。由于声能发射到周围介质中，它们还被称为泄漏的兰姆波。这个声能发射到液体中导致波的强烈衰减，该效应在DE68903015T2，RU2112221C1和Sakharov的文献的点位液位传感器中尤其用于检测液体的存在。
因而兰姆波传感器后面的基本原理是，在容器壁和液体之间的接触使兰姆波极大地衰减，该效应被用作液体存在的指示器。虽然DE68903015T2和Sakharov的文献的点位液位传感器纯粹基于在容器壁内部移动的兰姆波，但是RU2112221C1的点位液位传感器将兰姆波发射到容器壁中，并将纵向超声波发射到液体中。这两种波水平地并平行于液体表面而扩散。通过测量这两个信号的衰减，即幅度衰减率获得了更可靠且更精确的结果。
应该注意，利用兰姆波的点位液位传感器以及DE19900832A1中所述的传感器基于声信号的幅度测量，并且不会测量任何飞越时间。它们因此不需要确定任何声音速度。它们可在几厘米或几分米的传感器附近检测液体的存在，但不适合在较长的距离上连续地测量液位。
回到连续的液位传感器上，可能注意到，总地说来，声音速度的确定对于声学液位测量是个关键点，而且声音速度必须是事先已知的。然而，声音速度依赖于介质并随温度而变化。
例如对于气体而言，声音速度从对于SF6的130m/s变化至对于氢气(H2)的1260m/s，其是大约950%的变化。对于普通气体，声音速度的变化大约为70%，在用于二氧化碳(CO2)的250m/s和用于甲烷(CH4)的430m/s之间。对于气体而言，在室温下的温度变化大约为1800ppm/K。
在液体中声音速度从针对四氯化碳(CCl4)的943m/s变化至用于苯胺的1660m/s，其对应于大约70%的变化。在水中，在室温下的温度变化同样大约为1800ppm/K。
在那些通常用作用于容器壁的材料的金属中，声音速度依赖于壁内部的声信号是否是纵波或切变波而变化。对于纵波，钢中的声音速度是5400m/s，在铝中是5100m/s，并且在Ni/Fe合金的因瓦合金中是4300m/s。这对应于25%的变化。对于切变波，钢中的声音速度是3200m/s，在铝中是3100m/s，并且在因瓦合金中是2700m/s，其对应于18%的变化。壁金属中的温度变化是150ppm/K。
因此，可以观测到在液体或气态介质的声音速度方面可能发生相当大的变化，使得在测量容器中的液体液位之前需要单独地确定声音速度。
在一种应用中，预计空气是主要传播介质，并且不需要高的精度要求，对于液位计算可使用简单的关联性和温度测量来确定声音速度。为了获得更高的精度，在已知的距离D上反射的信号的额外的飞越时间测量用于通过利用方程(1)以相反模式确定声音速度。
c_medium=(2*D)/t　　　　(2)。
在安装于容器内部的侵入性液位测量装置中，这个固定距离可集成到传感器中，并因而是众所周知的。对于已知的非侵入性装置，容器的宽度被作为固定距离D用于声音速度测量，如图1中所示。这个距离D然后必须在装置的安装期间进行测量，并由用户输入，从而保存在数据存储器中，以用于后面液位测量期间使用。
距离D的测量可为困难的，其依赖于箱或容器的形状和箱的尺寸。尤其对于非常大的箱，这可为相当挑战性的。因此，所确定的距离D可能相对不太精确，其将直接影响整个液位测量的精度。另外，距离D的手动输入易于发生错误。这个固定距离D的精确确定因此对于声音速度的确定是个非常关键的点，并且将直接影响整个液位测量系统的性能和精度。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于测量液体或气态介质中的声音速度的备选系统和备选方法，其不再需要事先知道移动长度。
这个目的是通过根据独立权利要求的系统和方法来实现的。
从上述技术中已知，第一声音发射器安装在液体表面的一侧，用于将第一声信号发射到液体或气态介质中，以便其在第一移动平面内部移动。短语“在一侧”意味着换能器放置在位于液体表面的上面或下面的水平面中，并且换能器可安装在包含液体和气态介质的容器的外部或内部。
第一声音接收器安装在液体表面的与第一发射器相同的侧，以用于接收第一声信号。因此，接收器放置在水平面中，如果换能器在液体表面的上面，该水平面则位于液体表面的上面，或者如果换能器在液体表面的下面，该水平面则位于液体表面的下面。换能器和接收器的水平面不必是相同的，即它们可在其竖直位置上有所不同。
提供了至少一个电子控制和数据处理单元，以用于控制发射器和接收器的操作，并用于根据第一声信号的飞越时间确定声音速度。
根据本发明，第一发射器或第二发射器被进一步设置为用于将第二声信号以声波形式发射到容器壁中，以便其在容器壁内部沿着第一移动平面的周长移动，直至其分别被第一声音接收器，或者被放置在离第一或第二发射器的预定距离处的第二声音接收器接收。
所述至少一个电子控制和数据处理单元设置为用于
通过测量在相应信号的发射和接收之间的时间间隔而获得第一声信号的第一飞越时间和第二声信号的第二飞越时间；
从数据存储器中获得容器壁中的声音速度；
根据容器壁中的声音速度和第二飞越时间确定所述第一移动平面的周长；
根据第一移动平面的周长和与第一移动平面的几何形状相关的信息确定第一声信号的移动路径的长度，
根据第一声信号的移动路径的长度和第一飞越时间确定液体或气态介质中的声音速度。
从上面可懂得，术语“飞越时间”涉及在信号的发射和接收之间消逝的时间。
此外，应注意，所提议的系统的至少一个电子控制和数据处理单元适合于执行以下所述的用于获得测量值并用于确定各种大小的所有步骤，所述各种大小然后用于产生液体或气态介质中的声音速度作为输出结果。液体或气态介质中的声音速度然后可被发射给液位测量设备，或者其在容器中的液位测量期间可被所述至少一个电子控制和数据处理单元本身加以利用。
由于本发明提供了与非侵入性液位测量结合的声音速度校准，所以液位测量可在不需要用户预先测量所需容器的几何尺寸条件下执行。
提出的方案基于对实体壁中的声音速度比在容器的液体或气态介质中的声音速度随着壁材料和温度变化更少的认可上。因此，容器壁中的声音速度可被假定是已知的。
这里所述的方案可有利地应用于非侵入性液位测量装置中，其结果可自动地确定用于声音速度的校准和从而用于液位测量所需要的必须的尺寸和参数。因为液位测量不再依赖于预定的大小，液位测量的可靠度和精度将得以增加。
附图说明
基于上面所述的总体思想，提出了不同的实施例，其将在下文中结合附图所示的示例进行论述。其中：
图1显示之前已知的用于容器中的液位测量的机构的侧视图，其包括液体中的声音速度的测量；
图2显示用于测量液体中的声音速度的第一实施例；
图3显示用于测量液体中的声音速度的第二实施例；
图4显示用于测量液体中的声音速度的第三实施例；且
图5显示用于测量液体上面的气态介质中的声音速度的第四实施例；
图6显示兰姆波的两个零阶模式的示意性的行为；
图7显示声音速度与壁厚、壁材料和信号频率的相关性。
具体实施方式
图2显示了从第一实施例的顶部看去的视图，其用于测量包含在容器21中的液体22中的声音速度。第一声音发射器27安装在液体表面的下面并位于容器21的外面，用于将第一声信号29发射到液体22中，以便其在第一移动平面内部朝着第一接收器25移动。在这种情况下，第一移动平面是位于水平方向并与容器21的底部平行的圆形平面。
用于接收第一声信号29的第一声音接收器25也安装在液体表面的下面。第一声音接收器25实际上与第一发射器27集成在同一装置中，并且设置为用于在其被容器21的壁反射之后接收第一声信号29，该壁与发射器27和接收器25安装所在的壁相反。因此，第一发射器27设置为用于在垂直于容器壁的第一反射表面的方向上发射第一声信号29，使得第一声信号29朝其原点并因此朝着第一接收器25反射回来。
第一发射器27进一步设置为用于将第二声信号20以声波形式发射到容器21的壁中，以便其在容器壁的内部沿着第一移动平面的周长而移动，直至其被第一声音接收器25所接收。
如上所述，在图5中仅仅作为示例显示的至少一个电子控制和数据处理单元61，其不仅控制器发射器27和接收器25的操作，而且还设置为用于
通过测量在相应信号的发射和接收之间的时间间隔而获得第一声信号29的第一飞越时间t1和第二声信号20的第二飞越时间t2；
从数据存储器中获得容器21的壁中的声音速度c_wall，其中容器21的壁中的声音速度被假定是已知且恒定的，即其预先作为参数储存在数据存储器中；
根据容器壁中的声音速度和第二飞越时间确定第一移动平面的周长P，即图2中所示的圆的周长；
根据第一移动平面的周长和与第一移动平面的几何形状的相关信息确定第一声信号29的移动路径D的长度，其在这种情况下是圆直径的长度的两倍；且
根据第一声信号的移动路径的长度和第一飞越时间确定液体22中的声音速度c。
关于第一移动平面的几何形状的信息也储存在数据存储器中。
第一移动平面的周长P可基于一般关系P=t2*c_wall来确定。在圆直径的情况下，移动路径D的长度可基于一般关系D=2*P/π进行确定，并且声音速度可基于c_liquid=D/t1进行确定。实际上，额外的物理效应必须加以考虑，例如发生在发射器和/或接收器的电子器件中的时延。
以不同的方式解释，图2显示了为了测量液体22中的声音速度产生了两个声信号(29,20)，其中一个(29)穿过介质移动至相反的容器21的侧面并被反射回来，另一个沿着实体容器壁围绕容器21移动一次。两个信号的移动时间被测量出来。因为实体壁中的声音速度比在容器内部液体22中随着壁材料和温度变化更少是被认可的，所以假定其是已知的。容器壁中的移动时间与假定的声音速度一起用于确定容器的周长和因而直径。利用确定的容器直径，可从介质中的移动时间中计算出声音速度。
在图2中，第一信号(29)水平地通过介质发送至相反的壁侧面上，其被反射回来并在发送器(27,25)处被再次接收。第二信号(20)作为壁中的板波而产生并通过壁围绕容器(21)的圆周而移动。第二信号(20)也将在发送器(27,25)处被再次接收。这两个信号的移动时间被测量出来。第一信号的飞越时间将如上所述用于介质(22)中的声音速度测量。第二信号用于确定箱的周长，然后据此可确定直径和因而第一信号(29)的移动距离。
周长的长度可依据方程(1)从第二信号(20)的飞越时间中来确定，其中传播速度再次必须是已知的，例如容器壁中的声音速度。从上面给定的用于不同壁材料的声音速度值中可看出，在不同金属之间的声音速度的变化比液体或气体低得多，尤其对于剪波速度。另外，随温度的变化同气体和液体相比为1/10。因而，周长测量的不确定性比第二信号(20)在液体或气态介质中移动时更低。另外，只有小的材料选择通常用作用于工艺容器的壁材料，并且所使用的壁材料时常是已知的。因此，当壁材料类别是已知的，那么不确定性将甚至更低。另外，壁的温度比介质的温度更容易确定，例如其可通过表面温度传感器来测量，并因而可通过已知的壁材料的温度依赖性进一步补偿传播速度的温度依赖性。因此，用于液位测量的介质中的声音速度的不确定性被减少至壁材料的声音速度的不确定性。
在图3中显示了第二实施例，其不同于图2的实施例之处在于，在具有高阻尼因数的液体32的情况下，第一声信号39不从相对的容器壁反射回来，但利用另一换能器来测量，从而减少移动距离。在图3的系统中，第一发射器37和第一接收器35并不集成在同一装置中，而是放置在不同的水平位置。第一发射器37设置为用于以不垂直于容器壁的第一反射表面的成角度方向发射第一声信号39，使得第一声信号39笔直朝着第一接收器35移动。因此，产生的用于声音速度校准的信号(39)不需要在整个箱直径/周长上移动。在发射器和接收器之间没有做出差异，而是使用具有发射和接收能力的换能器的情况下，额外的换能器可用于容器周长的第二点上。按照图3所示的相同方式，用于声音校准(39)的信号可朝着这个第二换能器进行定向，并只必须移动更短的距离。通过容器壁移动的第二信号(30)也将被这个第二换能器接收，并且也将必须只覆盖更短的路径。这在液体32或容器31的壁或两者中具有高衰减的情况下，或者在容器31中的安装部件阻碍直通容器31中点的路径的情况下将具有优势。
图4中所示的第三实施例不同于图3的实施例之处在于，穿过液体42的第一声信号49不会笔直发送至接收侧，而是在某个角度下。其然后沿着容器壁进行若干次反射。利用这个实施例，在容器41中间安装的问题得以避免，即箱中间的阻塞部件不再是问题。在图4的系统中，第一发射器47和第一接收器45集成在同一装置中，并安装在容器41的壁的外面。第一发射器47设置为用于以不垂直于容器壁的第一反射表面的成角度方向发射第一声信号89，使得第一声信号39在被第一接收器45接收之前不止一次被容器41的壁反射。
图5的第四实施例不同于图2的第一实施例之处在于，第二换能器安装在离第一换能器的固定距离处，从而确定相对的容器壁中的声音速度，假定容器壁中的声音速度是已知且恒定的。固定距离可通过例如将两个换能器一起安装在一个外壳53中来确保。另外，声音速度不是在液体中，而是在气态介质52中确定的，气态介质存在于容器中的液体的上面。这个系统然后可将气态介质中的声音速度提供给液位测量设备，其设置在容器的顶部和内部，并且从穿过气态介质的声信号中测量液位。
通常应该注意，这里所述的所有实施例可应用于液体或气态介质中。
在图5中，第一发射器57和第一接收器55集成在一个单元中，并且第二发射器67和第二接收器65集成在另一单元中，这两个单元放置在不同的水平位置，并且在外壳53内部彼此之间具有固定的水平距离。第一发射器57设置为用于在垂直于容器51的壁的第一反射表面的方向上发射第一声信号59，使得第一声信号59被反射回第一接收器55。第二发射器67设置为用于将第二声信号50发射到容器51的壁中，其中，第二声信号在容器壁内部沿着圆形周长移动，直至其被第一接收器55接收。针对第二声信号50确定的第二飞越时间对应于周长减去在第一收发器57,55和第二收发器67,65之间的固定距离。
另外，第一发射器57设置为用于将第三声信号60发射到容器51的壁中，并且第二声音接收器设置为用于接收第三声信号60。所述至少一个电子控制和数据处理单元61设置为用于通过测量在第三声信号的发射和接收之间的时间间隔而确定第三声信号60的第三飞越时间，并根据第一发射器57和第二接收器65之间的预定距离和第三飞越时间确定容器壁中的声音速度。
或者，图5的实施例可通过仅仅利用第二声音接收器65而变化，但省去了第二声音发射器67，即通过用纯接收器替代第二收发器67,65。因此，第一声音发射器57将发射两个声信号59,50；第一声音接收器55将接收第一声信号59的反射；并且在第二声信号50在第一发射器57和第二接收器65之间传播短的直接距离之后，第二声音接收器65将接收第二声信号50(在类似于第三声信号60的传播路径之后)，然后再次在第二声信号50沿着容器的周长继续穿过壁之后，其再次被第一接收器55接收。如上所述根据这些测量的飞越时间计算出声音速度和周长。
在图2至图5的实施例的描述概览中，可能注意到，第一声信号直接(图3)被第一接收器接收，或者作为其反射(图2,4,5)被第一接收器接收。此外，容器全部被假定至少在执行声音速度测量的区域具有圆柱形状。在图2至图5中，始终显示了从容器21,31,41,51的顶部看去的视图。由于在声音速度测量的高度处的圆柱形状，容器21,31,41,51的壁全部显示为圆形。然而，这里提出的方案可适用于任何其它几何形式，只要这种形式容许在知道平面的周长时获得第一声信号的移动长度即可，其中第一声信号跨该平面传播。
在下文中描述了图2至图5实施例的进一步的研究，其中第一发射器27,37,47,57和/或第二发射器67设置为用于分别发射第二或第三声信号作为具有对称的零阶模式S0和非对称的零阶模式A0的兰姆波。这些不同的兰姆波模式的频率行为用于考虑壁厚作为又一容器参数，从而以较高的精度确定容器51的壁中的声音速度。
被第一或第二发射器27,37,47,57,67发射并且在容器壁中传播的声波通常被称为板波或兰姆波。它们发生在各具有不同的声音速度和不同的声音速度对频率f的依赖性的不同种类的模式下，频率f还依赖于壁的厚度d。
在图7中显示了用于群速的两个基本模式S0和A0的声音速度或声速与频率乘以壁厚的依赖性，其中描绘了用于两种壁材料铝和钢的不同的曲线图。
现在结合图6简要地解释两个基本零阶模式S0和A0。如图可见，对称的零阶模式S0在具有厚度d的板或壁内部以对称的方式相对于定位在厚度一半d/2的板的正中面而移动。对称的零阶模式也被称为扩展模式，因为波在波动方向上拉伸和压缩板。对于非对称的零阶模式A0，板随着其上表面和下表面以相同的方向移动而弯曲。非对称的零阶模式也被称为挠曲模式，因为大多数波的运动发生在板的法线方向上，并且只有很少的运动发生在与板平行的方向上。
在图7中，强调了兰姆波的声音速度与频率的相关性与其壁厚的相关性相耦合。这种组合的频率/厚度相关性通过频率和厚度的乘积f*d来描述，其在图7中描绘于曲线图的X轴上。
假定不变的厚度，那么从图7中可看出S0模式的声音速度对低频率而言几乎是恒定的。在5000和5500m/s之间的值分别对应于上面给定的铝或钢体材料中的纵波声音速度。对于较高的频率，S0模式的声音速度将减少。
A0模式的声音速度随着频率增加至高达大约3000m/s的值，如同上面铝或钢体材料中的剪波速度给定的那样。在较高的频率下，A0模式的声音速度保持几乎恒定。在较高的频率下，对于A0模式而言，在钢和铝的声音速度之间的差别也比较低。因而对于第二和/或第三信号20,30,40,50,60使用这个较高频率范围内的频率将具有优势。
对称的S0模式还显示对于较高的频率，当声音速度降低时，对于不同材料具有相当类似的行为，造成用于不同材料的声音速度在较高的频率*厚度范围内是相当类似的。这是为什么这个频率*厚度范围将有利于进一步减少声音速度的不确定性的另一原因。
因为精确的壁厚时常是先天未知的，并且因为不同模式的声音速度依赖于频率*厚度的乘积，所以图7中所示的曲线图可被加以利用。为此需要知道在图7的c(f*d)曲线中的哪个部分或在哪个点上可获得正确的壁中的声音速度。对于上述简单的测量，在以对称的S0模式测量的情况下可选择低频率，或者在以非对称的A0模式测量的情况下可选择高频率，其中相应的频率经过选择，使得对于有待预计的所有壁厚的值，频率和壁厚的所得乘积将仍然造成属于相应的恒定声音速度的范围的声音速度。
为了进一步减少容器壁材料的声音速度的变化，每次执行测量时使用固定的频率*厚度值将是有利的。已经认可的是，可以容易检测的频率*厚度值应是针对这两个不同模式的声音速度值的交集，如图7中圆形所示。在未知的或变化的壁厚的情况下，这个交点将有助于停留在固定的频率*厚度值。该交集可通过在发射器27,37,47,57,67中以变化的频率激励传播模式S0和A0的脉冲来检测。变化的频率意味着该频率可在进行测量之间线性地增加或衰减，或者其根据预定的图案或甚至随机地变化。当两个模式S0和A0的脉冲同时到达相应的接收器25,35,45,55,65时，就达到了两个模式的交点。但其它频率*厚度值还可通过比较两个模式的频率行为，例如通过比较两个模式的传播或速度彼此的关系c_S0/c_A0而进行检测。对于给定的频率*厚度值，这个关系将是恒定的，并且通过改变频率直至针对这两个模式的飞越时间的关系将相反地等于传播速度的这种关系t_A0/t_S0=c_S0/c_A0时，可获得固定的频率*厚度值。
但高阶模式的使用对于确定特定的频率*厚度值或者获得较低的壁材料的声音速度变化范围也是可能的。
另外，通过确定获得这个固定频率*厚度值时所在的频率，据此利用因而已知的频率可计算出壁厚。
利用图5中所示的系统实现了进一步的改良，以减少壁材料的声音速度方面的不确定性，其中壁中的声音速度通过增加第二接收器65进行测量。第二接收器65放置在容器壁的外面，离第一发射器55的预定距离处。第一发射器57和第一接收器55有利地结合在第一换能器中，并且第二发射器67和第二接收器65有利地结合在第二换能器中。利用两个换能器之间的飞越时间的测量，声音速度可类似于方程(2)进行确定。
第二换能器的位置将经过选择，使得该距离的事先简易测量是可行的。如之前解释得那样，两个换能器甚至可包含在相同的外壳53中，以便在不需要额外的用户输入的条件下自动地提供已知的距离。
在图4的情况下，第一信号49在某一角度下发送出来，并沿着周长反射若干次，直至其沿着路径(未显示)到达第一接收器45或第二接收器，信号一直靠近壁移动，从而不受安装于容器41中间的影响。这种路径可通过利用兰姆波按照与周长/直径测量(第二信号20,30,40,50)所用相似的方式来产生，因为某些兰姆波模式可能将声波从壁辐射到液体中，其依赖于频率*厚度的乘积。这种兰姆波也被称为泄漏性兰姆波。例如在A0模式的情况下，泄漏性兰姆波发生在较宽的频率*厚度值范围内，此时壁靠近液体，其中A0模式在壁中传播。辐射束的方向并不垂直于壁，而在某一角度下，这依赖于兰姆波的声音速度和液体中的声音速度。因而，通过以不同的激励模式和频率产生兰姆波，从而可产生用于测量周长/直径以及用于声音速度校准的信号。
在存在液体的情况下，壁中的兰姆波可受到抑制，这依赖于模式和其频率*厚度值。因此，在空箱上以第二信号20,30,40,50执行周长/直径的测量是有利的。周长/直径的测量只需要在安装之后执行一次，然后可用于液体或气态介质中的声音速度和液位的进一步的测量。

Claims (11)

1.一种用于测量液体(22,32,42)中或气态介质(53)中的声音速度的系统，所述液体(22,32,42)包含在容器中，所述气态介质(53)包含在同一容器中，位于所述液体的表面的上面，所述系统包括
第一声音发射器(27,37,47,57)，其安装在所述液体表面(4)的一侧，用于将第一声信号(29,39,49,59)发射到所述液体(22,32,42)中，或者发射到所述气态介质(53)中，以便其在第一移动平面内部移动，
第一声音接收器(25,35,45,55)，其安装在所述液体表面(4)的与所述第一声音发射器相同的侧，以用于接收所述第一声信号，
至少一个电子控制和数据处理单元(61)，其用于控制所述第一声音发射器(27,37,47,57)和所述第一声音接收器(25,35,45,55)的操作，并用于根据所述第一声信号的飞越时间确定所述声音速度，
其特征在于，
所述第一声音发射器(27,37,47,57)或第二声音发射器(67)被进一步设置为用于将第二声信号(20,30,40,50)以声波形式发射到所述容器(21,31,41,51)的壁中，以便其在所述容器壁的内部沿着所述第一移动平面的周长而移动，直至其分别被所述第一声音接收器(25,35,45,55)接收，或者被放置在离所述第一声音发射器或所述第二声音发射器的预定距离处的第二声音接收器接收，
所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于
通过测量在相应信号的发射和接收之间的时间间隔而获得所述第一声信号的第一飞越时间和所述第二声信号的第二飞越时间；
从数据存储器中获得所述容器壁中的声音速度，其中所述容器壁中的声音速度为预定值或测量值；
根据所述容器壁中的声音速度和所述第二飞越时间确定所述第一移动平面的周长；
根据所述第一移动平面的周长和从所述数据存储器获得的与第一移动平面的几何形状相关的信息确定所述第一声信号(29,39,49,59)的移动路径的长度；
根据所述第一声信号(29,39,49,59)的移动路径的长度和所述第一飞越时间确定所述液体或所述气态介质中的声音速度；
其中，所述第一移动平面位于水平方向并与所述容器的底部平行；
其中，所述第一声音发射器和所述第一声音接收器集成在同一装置中；以及
其中，所述第二声音发射器被放置在离所述第一声音接收器的预定距离处。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一声音发射器设置为用于在垂直于所述容器壁的第一反射表面的方向上发射所述第一声信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一声音发射器设置为用于在不垂直于所述容器壁的第一反射表面的成角度方向上发射所述第一声信号。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，
所述第一声音发射器设置为用于将第三声信号(60)发射到所述容器的壁中，
第二声音接收器(65)安装在所述容器的壁的外面，离所述第一声音发射器的预定距离处，并设置为用于接收所述第三声信号(60)，且
所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于通过测量在所述第三声信号(60)的发射和接收之间的时间间隔而确定所述第三声信号(60)的第三飞越时间，并根据所述第一声音发射器和所述第二声音接收器(65)之间的预定距离和所述第三飞越时间确定所述容器壁中的声音速度。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一声音发射器(27,37,47,57)和/或所述第二声音发射器(67)设置为用于将所述第二声信号发射为具有对称的零阶模式(S0)和非对称的零阶模式(A0)的兰姆波。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述容器壁的厚度已知的情况下，所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于通过针对所述对称的零阶模式(S0)或所述非对称的零阶模式(A0)选择某一频率作为波频率，由此从所述壁材料中的声音速度相对波频率和壁厚(d)的数学乘积的图表中获得所述容器壁中的声音速度，并将其储存在所述数据存储器中，所述频率在所述图表中属于所述壁材料中接近恒定声音速度的范围内，并且其中所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于控制所述第一声音发射器(27,37,47,57)和/或所述第二声音发射器(67)，以便在相应选择的波频率下发射所述对称的零阶模式(S0)或所述非对称的零阶模式(A0)。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述容器壁的厚度未知的情况下，所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于通过针对所述对称的零阶模式(S0)或所述非对称的零阶模式(A0)选择某一频率作为波频率，由此从所述壁材料中的声音速度相对波频率和壁厚(d)的数学乘积的图表中获得所述容器壁中的声音速度，并将其储存在所述数据存储器中，所述频率对于所有预计的壁厚值将产生在所述图表中属于所述壁材料中接近恒定声音速度的范围的波频率和壁厚的乘积，并且其中所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于控制所述第一声音发射器(27,37,47,57)和/或所述第二声音发射器(67)，以便在相应选择的波频率下发射所述对称的零阶模式(S0)或所述非对称的零阶模式(A0)。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一声音发射器(27,37,47,57)和/或所述第二声音发射器(67)设置为用于以变化的频率发射所述对称零阶模式(S0)和所述非对称零阶模式(A0)，并且其中所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于检测所述对称零阶模式(S0)和非对称零阶模式(A0)同时被所述第一声音接收器(25,35,45,55)接收所处的特定频率，并在所述数据存储器中储存所述容器(21,31,41,51)的壁中的声音速度的对应于针对所述对称零阶模式(S0)的所述声音速度相对波频率和壁厚(d)的数学乘积的图表与相同类型的针对所述非对称零阶模式(A0)的图表的重叠部分的值。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一声音发射器(27,37,47,57)或所述第二声音发射器(67)、所述第一声音接收器(25,35,45,55)和所述至少一个电子控制和数据处理单元(61)设置为用于在所述容器(21,31,41,51)为空时或者在所述容器壁不与任何液体接触的高度处确定所述第一移动平面的周长。
10.一种用于测量液体(22,32,42)中或气态介质(53)中的声音速度的方法，所述液体(22,32,42)包含在容器，所述气态介质(53)包含在同一容器中，位于所述液体的表面的上面，所述方法包括如下步骤
通过安装在所述液体表面(4)的一侧的第一声音发射器(27,37,47,57)将第一声信号(29,39,49,59)发射到所述液体(22,32,42)或所述气态介质(53)中，其中所述第一声信号被发射，以便在第一移动平面内部移动，
通过第一声音接收器(25,35,45,55)接收所述第一声信号，所述第一声音接收器安装在所述液体表面(4)的与所述第一声音发射器相同的侧，
通过至少一个电子控制和数据处理单元(61)控制所述第一声音发射器(27,37,47,57)和所述第一声音接收器(25,35,45,55)的操作，并根据所述第一声信号的飞越时间确定所述声音速度，
其特征在于如下步骤
通过所述第一声音发射器(27,37,47,57)或通过第二声音发射器(67)将第二声信号(20,30,40,50)以声波形式发射所述容器(21,31,41,51)的壁中，其中所述第二声信号被发射，以便在所述容器壁的内部沿着所述第一移动平面的周长移动，直至其被所述第一声音接收器(25,35,45,55)接收；
通过测量在相应信号的发射和接收之间的时间间隔而获得所述第一声信号的第一飞越时间和所述第二声信号的第二飞越时间；
从数据存储器中获得所述容器壁中的声音速度，其中所述容器壁中的声音速度为预定值或测量值；
根据所述容器壁中的声音速度和所述第二飞越时间确定所述第一移动平面的周长；
根据所述第一移动平面的周长和从所述数据存储器获得的与第一移动平面的几何形状相关的信息确定所述第一声信号(29,39,49,59)的移动路径的长度；
根据所述第一声信号(29,39,49,59)的移动路径的长度和所述第一飞越时间确定所述液体或所述气态介质中的声音速度；
其中，所述第一移动平面位于水平方向并与所述容器的底部平行；
其中，所述第一声音发射器和所述第一声音接收器集成在同一装置中；以及
其中，所述第二声音发射器被放置在离所述第一声音接收器的预定距离处。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述液体或所述气态介质中的声音速度用作输入值，以用于测量所述容器中的液体液位。
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