CN110869718B - 用于声学容器容积校准的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了使用超声检查技术校准存储容器的容积的系统和方法。示例性超声校准系统包括可控制地部署在所述容器的外表面上的相应位置中的多个声学装置。声学装置包括：用于发送声学信号穿过容器的内部容积的换能器以及被配置为检测声学信号的传感器。声学装置与控制所述声学装置的定位和操作的诊断计算装置通信并且被进一步配置成确定在各个声学装置之间行进的声学信号的飞行时间。此外，根据声学装置的具体布置和所测得的声学信号信息，控制计算机被配置成计算所述容器的尺寸和其内部容积。

Description

用于声学容器容积校准的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于结构的非破坏性测试的系统和方法，具体地涉及用于以非破坏性方式对容器的几何尺寸进行声学测量的系统和方法。
背景技术
在油气行业中，用于原油和精炼产品的储罐在烃供应链中起着关键作用。在将产品转移到罐和/或从所述罐转移产品时，了解这些储存装置的准确容积起着至关重要的作用。由于外部和内部条件(即，温度)的变化和老化并且还由于液体产品的重量(即，静水压力)，罐容积可能发生多达+/-0.2％的变化。就250,000桶储罐而言，这种变化将导致+/-500桶容积的容积变化。
由于石油烃的高价值，因此对储罐的校准有强制性要求。必须对用于储存交接(custody transfer)的储罐进行校准，使得非常准确地知道所转移的体积(例如，误差小于0.1％)。执行此操作的最常用技术是：手动捆扎(manual strapping)(API MPMS 2.2A)；光学技术(光学参考线方法ORLM-API第2.2B章(Optical Reference Line Method ORLM–APIChapter 2.2B)、光学三角测量法(OTM)-API第2.2C章(Optical Triangulation Method(OTM)–API Chapter 2.2C)、电子光学测距法(EODR)-API第2.2D章(Electro-OpticalDistance Ranging Method(EODR)–API Chapter 2.2D))和液体校准(API标准2555)。然而，已经发现这些测量会产生误差并且被认为是无效的。在一些情况下，前述测试技术需要罐停机时间(例如，清空罐或以其它方式暂时停止罐操作)，这为所引起的损失带来了另外的成本。此外，许多前述测试技术具有侵入性，因为其需要进入罐的内部容积，并且还可能具有破坏性。
在油气行业中，已经使用超声波探头在局部点处确定管道和容器的健康状况和结构完整性。用于使用超声测量壁厚的已知系统基于使用声音在壁的外表面与内表面之间行进的飞行时间(TOF)来确定行进距离的概念。在这种实施方案中，使用通过金属介质(即，管道或容器)的超声波信号返回行程的TOF分析来确定壁的厚度并且因此确定由于腐蚀导致的退化。类似地，已经进行的工作是沿管道的长度发送声波以确定是否存在会导致意外反射的裂缝或其它异常现象。然而，这种系统依赖于已知或假设的管道尺寸并且未被配置成确定管道的几何轮廓。相反，使用上文提及的已知替代方法对容器的几何测量结果进行假设或确定。
在罐检查的情况下，上文提及的方法需要高水平的校准并且还需要几天的工作(例如，包含安装和使用高脚手架以部署测量系统并进行测量)。因此，很少对罐进行校准/测量，从而导致罐容积错误和销售收入损失。
用于罐校准的现有方法存在显著缺点。例如，使用当前标准，执行校准可能耗费1-2天的工作。因此，很少对储罐进行校准，从而导致储存在罐内或转移到罐和从所述罐转移的实际容积的测量结果不准确，这可能产生很高的费用。例如，校准之间的传统时间段可能介于五年与十五年之间。
需要的是解决与使用现有系统执行校准的效率相关的限制的用于校准储罐容积的系统和方法。更具体地，需要的是可以以相对快速、低成本且非侵入性的方式进行部署和操作的用于精确执行罐校准的系统和方法。还需要的是可以快速且按需部署并且因此有助于更频繁地(例如，每天或甚至每次灌装)检测罐容积的变化的系统。
正是关于这些和其它考虑因素而呈现了本文所公开的内容。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于使用多个声学装置测量在其中包含介质的容器的方法。所述方法包含将所述多个声学装置部署到所述容器的圆周壁的外表面上的相应位置中的步骤。特别地，声学装置包括超声学换能器和超声学传感器。换能器在声学上耦合到表面，并且被配置成将一个或多个超声信号发送通过容器的壁并穿过容器的内部容积。另外，传感器在声学上耦合到表面并被配置为检测一个或多个超声信号。该方法还包括以下步骤：在相应的脉冲时间使用换能器发送一个或多个超声信号，并使用传感器检测一个或多个信号，并记录相应的检测时间。所述方法还包括以下步骤：由与所述换能器和传感器电子通信的计算装置，基于相应的脉冲时间和相应的检测时间，计算所述一个或多个脉冲的相应飞行时间(TOF)。更具体地，每个相应的TOF是信号沿着相应的飞行路径行进通过换能器和传感器之间的内部容积的经过时间。该方法还包括基于所计算的TOF对准一个或多个声学装置的步骤。特别地，所述装置相对于容器的圆周壁在圆周方向和纵向方向中的一个或多个上对准。根据该方法，重复发送、检测和计算的步骤。另外，该方法包括以下步骤：利用计算装置基于重新计算的TOF和穿过介质的声速计算对准的换能器与传感器之间的距离。最后，所述方法包含用所述计算装置基于所计算的距离确定所述存储容器的所述容积的步骤。
根据本发明的另外一方面，提供了一种用于测量存储容器的容积的系统。所述系统包括多个声学装置，所述多个声学装置被配置成在相应位置在声学上耦合至所述容器的圆周壁的外表面，所述声学装置包括。具体地，声学装置包括：超声学换能器，其被配置为发送一个或多个超声信号通过由壁界定的容器的内部容积；以及超声学传感器，其被配置为检测所述一个或多个超声信号。所述系统还包含机器人，所述机器人被配置成将所述声学装置中的一个或多个部署在所述表面上。具体地，所述机器人包含驱动系统和用于监测所述机器人的位置的一个或多个位置传感器。
所述系统还包含计算系统，所述计算系统包括非暂时性计算机可读存储介质和与所述多个声学装置和所述计算机可读存储介质电子通信的一个或多个处理器。所述计算系统还包含一个或多个软件模块，所述软件模块包括存储在所述存储介质中并且可由所述处理器执行的可执行指令。特别地，软件模块包括声学控制模块，该声学控制模块使用换能器配置处理器以在相应的脉冲时间发送一个或多个声学信号。另外，声学控制模块还使用传感器配置处理器，以检测一个或多个信号的到达并记录相应的检测时间。该软件模块还包括声学分析模块，该声学分析模块配置所述处理器以针对在换能器和传感器的相应位置之间传播的一个或多个声学信号计算相应的飞行时间(TOF)。此外，所配置的处理器基于相应的TOF计算它们之间的相应距离。该软件模块还包括位置控制模块，该位置控制模块将所述处理器配置为使用机器人调整换能器和传感器中的一个或多个在表面上的相应位置。另外，对于每个调整后的相应位置，处理器被配置为基于在换能器与传感器之间传播的一个或多个声学信号重新计算在它们之间的相应距离。软件模块还包括几何分析模块，该几何分析模块将所述处理器配置为基于所计算的换能器和传感器的相应距离以及相应的相应位置计算存储容器的容积。
可以根据本发明的某些实施例的附随描述和附图以及权利要求理解这些和其它方面、特征和优点。
附图说明
图1是展示了根据本发明的实施例的用于超声校准存储容器的容积的系统的示例性配置的高级图；
图2是展示了根据本发明的实施例的控制计算机的示例性配置的框图；
图3是示出了例程的流程图，所述流程图展示了根据本发明的实施例的用于超声校准存储容器的容积的系统和方法；
图4A是根据本发明的实施例的示例性容器容积校准系统的简化侧视图和俯视图；
图4B是图4A的示例性容器容积校准系统的概念侧视图；
图4C是图4A的示例性容器容积校准系统的简化侧视图；
图5是根据本发明的实施例的示例性容器容积校准系统的简化侧视图；
图6是根据本发明的实施例的示例性容器容积校准系统的简化侧视图；
图7是根据本发明的实施例的示例性容器容积校准系统的简化侧视图；
图8是根据本发明的实施例的示例性容器容积校准系统的简化俯视图；和
图9是根据本发明的实施例的示例性容器容积校准系统的简化俯视图。
具体实施方式
通过概述和介绍的方式，公开了一种用于校准存储容器的容积的系统和方法。更具体地，本文所公开的系统和方法涉及使用超声检查技术测量和确定大型石油储罐的尺寸以计算这种罐的容积。优选地，所述系统被配置成在现场使用容器期间按需从容器的外部执行校准。在将产品转移到罐和/或从所述罐转移产品时，“校准”即了解存储容器的准确容积起着至关重要的作用。由于外部和内部条件(例如温度)的变化、罐的老化以及也由于液体产品的重量(例如静水压力)，必须进行常规校准。例如，考虑到250,000桶的存储量，容器的容积可以相差+/-0.2％，这将导致容积变化为+/-500桶。
超声测试是一种基于分析超声波在被测材料(例如，容器壁)中的传播的非破坏性和非侵入性测试技术。在本文所述的实施例中，执行超声测量技术以测量通常大体上为圆柱形并且通常由钢或其它金属和合金制成的大型存储容器的容积。然而，所公开的技术和系统还可以应用于校准由如混凝土、复合材料、天然材料(例如，木材)或前述各项的组合等其它材料制成的结构的容积。另外，本文公开的系统和技术还可以应用于测量具有不同大小和形状的容器的容积。例如，示例性实施例可以用于测量各种大小的敞式或闭式容器、罐和其它这种容器或导管的容积。
在一些示例性配置中，超声容器容积校准系统包括多个声学装置，所述装置具有适合于控制其操作的相关联电子硬件和/或软件。声学装置被配置为例如用手或使用移动机器人平台附接到存储容器的外表面，从而限定一个或多个装置阵列。声学装置被配置成进行基于声学的测量，所述测量使与声学装置通信的诊断计算装置能够确定容器的容积。更具体地，声学装置包括一个或多个声学传感器，其被配置为接收、测量和处理传输通过容器的内部容积的声学信号。声学装置还包括至少一个声学信号产生元件(在下文中也称为“换能器”)，其被配置为将声学信号传输通过容器的壁并穿过容器的内部容积并因此通过其中包含的任何特定介质(例如，油、水、空气等)。
在一些基本配置中，超声容器容积校准系统包括一个换能器和一个传感器。换能器和传感器可以是单独的声学装置，但是，在一些实施方式中，换能器和传感器可以被集成到被配置为发送和接收声学信号的单个收发器单元中。在更复杂的配置中，系统包括多个声学装置，其以不同的纬度(例如，在相对于基座的纵向方向测量的在容器壁上的不同高度)放置在容器表面上和/或放置在不同的位置圆周位置(即，围绕容器的圆周间隔开)。
声学传感器和换能器连接到诊断计算装置(以下称为控制器或控制计算机)并使用其控制，诊断计算装置被配置为确定使用换能器发送声学信号到声学信号传播穿过容器的内部容积到达相应的传感器上之间的时间。装置之间声学信号的传播时间称为“飞行时间”或“TOF”。此外，也可以/收集到达一个或多个传感器的其他声学信号的相似TOF信息(例如，第一声学信号从容器内壁的反射，或一个或多个换能器发送的第二声学信号)。
根据一个显著方面，在一些实施方式中，声学装置可以可控制地定位在容器的表面上并且在一个或多个方向上对准。例如，传感器和换能器可以被纵向对准，使得它们相对于容器的基座测量在容器壁上处于相同的高度，为简单起见，假定该基座在水平地面上。附加地或可替代地，两个装置可以例如在周向上沿其他方向在容器的外表面上对准，使得所述装置位于容器的直接相对侧上，并且在它们之间传播的声学信号遵循延伸穿过容器的内径的路径。附加地或替代地，在一些实施方式中，可以将以发射和接收模式操作的收发器定位并对准在容器表面上，使得其发射声学信号，该声学信号传播通过内部容积、从容器的相对侧的内部表面反射和沿着相同的路径移动返回原点，可以使用换能器将其接收。
因此，基于声学信号的发送和检测之间的时间以及声学装置的相对位置，控制计算机可以计算出容器的各种尺寸，包括例如但不限于直径、周长、容积和高度。容器的尺寸也基于穿过包含在内部容积内的介质的声音的速度以及声学信号传播的速度来计算。因此，准确了解容器中所含特定介质(例如，油、精制产品、水、空气等)中的声速，对于确定声学信号的飞行路径和容器的相应尺寸可能是重要的。除了飞行时间分析外，还可以通过提取有关声学信号之间的相位差的信息来确定飞行时间的变化，从而进行瞬态分析。
根据另一个显著方面，所公开的声学校准系统可以被配置成在容器容积校准过程之前和/或期间例如使用将一个或多个声学装置部署在被校准容器的外部上的机器人载体来可控制地将声学装置中的一个或多个移动到位。在这样的实施例中，机器人载体可以包括存储器和一个或多个处理器，这些处理器被编程为定位所述装置并使用控制计算机自主地和/或远程地进行声距测量。特别地，机器人可以可控制地移动声学装置，以便沿着容器的高度和/或围绕容器的圆周在不同点处测量容器的直径。例如，一个或多个机器人平台可以配置为沿着表面沿预定的和预编程的路径行进，例如沿着从壁的顶部边缘开始至基底的在容器圆周的螺旋路径，以便在不同的高度和圆周位置进行声学测量，并将每次测量的声学信号的时间信息和声学装置的位置信息存储在机器人平台或控制计算机上。
此外，在这种实施例中，可以在声学装置之间并相对于容器壁的表面实现各种不同方向/维度上的对准以改进容器容积的计算。作为从容器的侧壁上的多个位置测量跨越容器的内部容积的距离的结果，可以使用所测量的其间距离和几何原理创建容器的二维地图或三维模型。
在图1中示出了用于声学校准存储容器100的容积的示例性系统。如图1所示，超声容器容积校准系统100包括一个或多个声学装置，其布置成用于测量金属的圆柱形存储容器150的容积。容器包括界定容器的内部容积165的周向侧壁。可以理解，圆柱形容器不一定是垂直延伸的精确圆柱体。例如但不限于，圆柱体的圆周可以在壁上的不同高度处不同，容器的侧壁可以具有不均匀的曲率，并且容器可以具有其他这样的几何形状变化。作为进一步的例子，在一些实施方式中，圆柱体可以被定向成使得中心轴线相对于地面水平延伸。而且，本文公开的示例性技术同样适用于校准具有其它形状的容器(例如，球形罐)的容积，然而，可以理解，这种替代性容器形状可能需要不同的一组已知参数(例如，测量装置之间的相对放置或距离)以计算容器容积。
一个或多个声学装置被配置为被部署到侧壁的外表面155上(例如通过手、机器人等)并且声学地耦合到容器的壁。因此，声学装置被配置为发送声学信号和/或接收传播通过容器的容积的声学信号。一个或多个声学装置优选地包括至少一个声学传感器和至少一个声学换能器。
如图1所示，声学装置可以包括布置在表面155上的一个或多个传感器120A(在容器的相对侧上示出)、120B(在容器的相对侧上示出)和120C。另外，系统100包括一个或多个换能器，例如，换能器130A，其被配置为生成适合于被声学传感器检测的声学信号并将其施加到表面155。也可以使用附加的换能器，例如换能器130B和130C。
术语“纵向轴线”116旨在指沿容器的细长轴线取的容器的中心轴线。如图1所示，纵向轴线116是在容器的基底(例如，容器锚固或放置在地面上的地方)与容器的相对顶端之间延伸的中心轴线。为简单起见，在假设圆柱形容器的基底锚固在平坦地面上并且容器的圆周壁在纵向方向上(即，在相对于地面/容器的基底的竖直方向上)远离地面延伸的情况下描述示例性系统和方法。因此，纵向轴线116延伸的方向也称为“纵向方向”116。可以理解的是，考虑假设以其基底锚固在地面上的容器，并且当沿纵轴移动远离基底时，无限的一组横向或“纬度”平面延伸穿过容器的横截面，可以将声学装置抵靠容器壁的外表面放置在所述平面上。
当两个声学装置在容器表面上具有落在同一横向或纬度平面(其为垂直于纵向轴线116并且将容器150二等分的平面)中的相应位置时，所述两个声学装置被描述为在纵向方向上对准(也称为纵向对准)。换句话说，在纵向方向上对准的装置具有沿纵向轴线相对于容器的基底相同的高度(即纬度)(例如，如在纵向方向上从基底测量的，两个装置均离地9英尺)。
由于圆柱形容器是具有圆周的三维结构，因此术语“圆周方向”118旨在表示在给定的纬度下沿着表面155的方向，该方向围绕容器的圆周延伸并垂直于纵向轴线116。特别地，当例如从上面观看容器时，围绕容器圆周的圆周方向包含逆时针方向114和顺时针方向112。
当装置在表面155上的相应位置落在同一纵向平面(即，延伸穿过纵向轴线并且沿纵向轴线延伸的平面)上并且优选地装置处于容器的相对侧时，所述装置在本文中被称为在圆周方向上对准、圆周对准或者圆周地对准。例如，相对于0度参考轴线102(当从俯视图观看圆柱形容器时)分别位于+270度和+90的两个装置圆周地对准，而不管其在表面上的相应纬度如何。
因为容器的壁的表面也可以被描述为“未包裹的”二维表面，所以在二维空间中，圆周方向118可以被称为“水平方向”(即，假设容器的底部在水平地面上，垂直于纵向方向)，或更普遍地说，称为“横向”，它是指在相应的纬度沿表面155的在垂直于纵向方向116的一个或多个方向。
返回图1，优选地，每个换能器产生从各自的起点经过容器150的内部容积165传播的声学信号。术语行进“通过容器”旨在表示声学信号传播通过壁的厚度并穿过内部容积165，从而通过内部容积内位于信号飞行路径中的一种或多种介质。在部署在圆柱形存储容器150上的示例性系统100中，声学信号优选地传播通过容器的横截面。然而，应了解，在一些实施方式中，一个或多个换能器可经配置以产生在壁的延伸方向中的一个或多个例如在圆周方向118、在纵向方向116和/或前述的组合沿壁的表面155辐射(例如，在壁的厚度内传播)的声学信号。在[同一天]提交并且带有序列号[将被转让以及代理人案卷号为00501-005586-US0]的发明人Parrott等人的共同未决且共同转让的题为“ACOUSTIC CALIBRATIONARRAY FOR TANKS AND VESSELS”的美国专利申请中更充分地描述了基于周向传播的声学信号测量容器容积的示例性系统和方法，在此通过引用将该申请的全部并入本文，如同在此完整地阐述一样。
如前所述，在一些配置中，一个或多个换能器和一个或多个传感器是被配置为以“投送-捕捉”模式操作的单独的装置，在该模式中，换能器发送声学信号并且它们被传感器接收。附加地或可替代地，至少换能器和传感器可以被集成到被配置为既发送又接收声学信号的单个“收发器”单元中。在这样的实施方式中，收发器可以被配置为以“脉冲-回波”模式操作，在该模式中，换能器组件将脉冲发送通过容器的壁和内部容积至容器的相对侧壁，并且传感器组件接收从容器的相对壁反射回收发器的信号回波。
如图1所示，声学装置被电连接到(连接方式未示出)控制计算机110，所述控制计算机被配置成协调超声容器容积校准系统100和各个声学装置的操作。如本文进一步描述的，控制计算机110是能够与系统100的各个装置通信；接收、发射和存储电子信息；并且处理这种信息以测量和校准存储容器的容积的计算装置和/或数据处理设备。如关于图2进一步描述的，控制计算机包括处理器(未示出)，所述处理器执行采用机器可实现代码的形式的一个或多个软件模块，并且在这样做时，所述处理器被配置成分别通过换能器和传感器控制超声信号的发射和接收。另外，软件将控制计算机配置成分析如由换能器产生并由传感器测量的声学信号信息，并且计算容器的各种尺寸(即，容器的几何尺寸)。在一些实施方案中，软件还可以将处理器配置成评估容器的结构状况以及容器的其它操作特性(例如，容器内的内容物的体积、对内容物进行分类或容器壁的结构完整性等)。
更具体地，控制计算机110被配置为确定由一个或多个换能器(例如，换能器130A)产生一个或多个声学信号与一个或多个声学信号传播穿过壁并穿过容器的内部容积到达一个或多个传感器(例如传感器120A)处之间的时间。因此，控制计算机进一步被配置成基于脉冲波的声音脉冲与接收之间的时间并且进一步基于声音穿过壁的材料的已知速度计算信号行进的距离和容器的尺寸。另外，还可以使用控制计算机110测量/收集到达传感器的附加声学信号的类似“飞行时间”信息，例如，第一声学信号的反射的飞行时间，或由另一个换能器产生的其他声学信号的TOF，等等。
由于穿过容器容积的声速会根据声学信号通过的一种或多种介质的材料特性而变化，因此，准确了解容器中所含特定介质(即油、精制产品、水、介质的混合物等)中的声速对于准确确定声学信号传播的距离和容器的尺寸是重要的。更具体地，容器内的不同液体将具有不同的声学阻抗，这将与不同的飞行时间有关。另外，还可以从声学信号的幅度中注意到不同液体的存在。
在一些实施方式中，可以基于容器的已知内容物以及容器壁的已知材料特性来假设声速。例如，可以通过在已知尺寸的已校准罐中执行离线测量确定已知介质中的声速。另外地或替代地，在一些实施方式中，系统100可被配置为在容器“在线”时动态地测量声速。更具体地，具有已知间隔的两(2)个或更多个声学装置可用于校准声速测量值，该声速测量值告知容器容积的校准情况。例如，可以通过以下方式在线进行声速校准测量：将基础“带子”放在直径已知的容器上，测量在容器直径范围内传输的声学信号的TOF，并基于已知直径和测得的TOF反算出声速。
在一些示例性实施方式中，如本文进一步描述的，可以利用单个换能器和传感器进行容器校准。在一些更复杂的实施方式中，可以将一个或多个声学装置阵列部署到容器上，并用于更准确地计算容器尺寸。阵列可以包括一个或多个声学传感器，以及另外地或可替代地，一个或多个声学换能器。
在一些实施方式中，限定阵列的声学装置可以沿表面沿一个或多个方向间隔开已知量。例如，可以使用在一个或多个纵向方向116上间隔开的多个换能器的相控阵列。如本文进一步所描述的，利用具有已知间隔的至少两个声学装置可以有助于系统100的校准，并且在使用系统100校准容器容积时确保精度。类似地，在一些实施方案中，声学传感器可以围绕容器单独地布置在已知圆周位置处。因此，可以提高计算的精度和速度。此外，基于在容器壁上相对于彼此的至少三个声学装置的受控放置，控制计算机可以使用声学信号信息精确地进行三角测量并验证声学装置的各个位置。因此，可以在多个维度上更准确地测量容器的尺寸，并通过“展开”容器的外壁以及另外或替代地通过容器容积的三维模型来创建二维模型。
声学传感器：
如本领域技术人员将理解的，声学传感器例如传感器120A-120C可以是适合于安装到容器的外表面、检测和接收来自容器的壁的声学信号并且处理这种信息的任何种类的声学传感器或收发器。优选地，声学传感器具有与表面155接触的尖端，所述尖端具有合适的尺寸以实现测量结果的所需精度，并且因此使声学信号检测的误差最小化。因此，尖端的大小可以限定为系统的必要精度的函数。
在一些示例性配置中，可以使用压电换能器(接触换能器)。另外，也可以使用能够发送和接收声学信号的双元件换能器(即，一个换能器壳体中的两个压电晶体)。优选地，在这种情况下，声学换能器的谐振频率可以低于1MHz。可以使用低频换能器(例如，在100的KHz范围内)，其中可以比较飞行时间。可以基于以下了解选择换能器的频率：作为信号衰减的结果，预期幅度将随着频率的增加而减小。
优选地，声学传感器与控制计算机110电子通信，使得控制计算机可以控制传感器的操作，并且使得传感器可以将声学信号数据提供给控制计算机以供进一步处理。更具体地，在操作中，由传感器接收的声学信号被转换成电信号，该电信号可以被传感器或控制计算机进一步处理，以提取包括所接收的声学信号的时间和强度特性的信号测量信息。
声学信号发生器：
超声/声学信号发生装置的基本工作原理是，如本领域技术人员所理解的，其将电信号转换为声学信号。如上所述，声学信号发生装置，也称为换能器(例如换能器130A-130C)，可以是适合于产生传播穿过容器150的壁和穿过容器的内部容积165的声学信号并使用一个或多个传感器检测的任何种类的声学换能器或收发器。
在以下描述中，术语“声学的”被广义地解释为包含任何声学信号，例如，处于100Hz到50MHz的频率范围内、更任选地处于超声波声学辐射范围内的声学信号。可以使用各种类型的声学信号，例如脉动/脉冲、其中脉冲以特定的频率出现并且每个脉冲具有特定的波形和谐振频率(这是脉冲内信号的频率)的脉冲流、具有特定频率、振幅、波长等的波。在示例性优选实施方式中，声学换能器可以被配置为产生声学脉冲序列。可以理解，序列中各个脉冲的受控参数可以包括周期(1/频率)、共振频率和脉冲持续时间。与该序列有关的参数可以包括脉冲重复周期和占空比。在这样的实施方式中，脉冲之间的时间不是关键因素，但是，可以计算和控制脉冲之间的时间以使得脉冲不重叠。例如，在测量存储容器并考虑飞行时间的示例性应用中，介于50毫秒和1000毫秒之间的脉冲之间的延迟是合适的，尽管这不是关键参数(例如，当行进超过三十(30)米时，声音脉冲应在接近42毫秒执行返回行程)。脉冲的频率可以由发射器的谐振频率确定。如上所述，考虑到在本文描述的示例性存储容器测量应用中行进的距离，低于1MHz的声学换能器的谐振频率并且更可选地在10Hz至100KHz的范围内的是合适的。
换能器可以被配置成将超声声学信号施加到容器150的壁上，使得信号辐射远离信号的原点。优选地，换能器被配置为相对于容器的表面定位(例如，以与容器壁垂直的角度)并引导声学信号，使得其从原点沿一个或多个限定的方向传播穿过容器的内部容积165。在一些配置中，声学信号被引导沿特定路径穿过罐并且垂直于容器壁的表面上的声音换能器之间的接触区域的表面。在一些配置中，换能器被配置为沿着垂直于纵向轴线116的路径并且沿着容器的直径将声学信号控制地发送穿过容器的内部容积。附加地或可替代地，换能器被配置为以给定角度可控地将声学信号发送穿过容器的内部容积。例如，可以通过控制换能器相对于容器表面的角度控制声学信号的方向性。更具体地，当在投送和捕捉模式下操作时，只要可以正确地计算和定位捕捉换能器的位置，就可以以已知角度发送声学信号。成角度的发送(例如，不直接越过容器直径)将增加信号传播的声学路径，并且可以允许更精确地测量罐的容积变化。根据路径长度以及作为容器内信号衰减的结果，这种配置还可需要较低频率的信号(例如10赫兹到100赫兹)。另外，在容器的表面可能不可接近的应用中(例如，绝缘的容器)，可以使用波导将声学信号引导到容器中。
优选地，声学换能器与控制计算机110电子通信，使得控制计算机可以控制换能器的操作。在一些实施方案中，换能器可以被配置成引入具有某些性质(即，特定频率或特定频率范围)的声学信号。声学信号的性质可以是换能器的特定硬件配置的函数，并且另外或可替代地，使用控制计算机来控制。
在使用一个以上换能器的情况下，可以单独控制换能器以促进其各自信号之间的区分。例如，换能器可以作为相控阵列操作，其中由每个换能器发出的声学信号使用控制计算机110被及时地控制，从而允许在一个或多个声学传感器接收的信号之间进行区分。附加地或替代地，可以利用被配置为发射用于发射和接收的不同频率的换能器来使用控制计算机110促进基于信号频率的信号之间的区分。还可以在本文的方法和系统中选择或调制其他合适的信号特性，例如，可以由控制计算机调制或限定声学信号的幅度和波长。
机器人部署：
在一些实施方案中，声学装置中的一个或多个可以附接在容器外部的相应位置中以提供长期或永久的校准系统，其能够以所需方式定期测量特定容器的容积。附加地或替代地，在一些实施方式中，一个或多个声学装置可以被临时部署，使得装置可以被用来校准不同容器的容积。还可以理解的是，也可以使用固定和临时部署的声学装置的组合。
因此，在一些配置中，系统可以包括一个或多个机器人载体或“机器人”，其被配置为在被校准的容器上自主和半自主地部署一个或多个声学装置，从而消除了在部署装置在容器壁上的位置时对脚手架的需要。例如，如图1所示，可以使用机器人160可控制地部署声学换能器130C。机器人对声学装置的部署可以包括在相应位置将装置连接到容器。因此，在一些配置中，机器人可以部署多个不同的声学装置。在其它配置中，可以将声学装置安装到机器人上，使得部署包括使机器人移动到位，并且所述机器人使声学装置与容器壁的表面155声学通信并且在这之后可以根据需要移动到另一个位置。在这种布置中，机器人可以自己重新定位并且任选地在由系统实施的代码的程序控制下将声学装置移动成与容器接合。
如机器人领域的技术人员将理解的，每个机器人160是移动机器人装置，其包含主体和用于在操作期间移动机器人的运动系统。机器人可以由例如太阳能电池单元、电池或任何其它合适的电源供电。机器人可以包含专门设计成促进执行操作任务的功能硬件组件，例如，用于检测机器人的高度、位置、定向等的传感器。机器人硬件还可以包含在容器容积校准过程中使用的板载声学传感器和换能器，并且另外或可替代地，包含适合于对被配置成以独立方式操作的声学装置进行运输和部署的组件。机器人可以包含主体内的电子电路系统，所述电子电路包含被配置成存储与机器人的操作有关的信息(如促进容器容积校准操作的执行的配置设置和一个或多个控制程序)的存储器和/或计算机可读存储介质。
根据一个突出方面，在一些实施例中，系统100可以被配置成在实施容器容积校准过程之前和/或期间可控制地将声学装置部署到位以便以自动化方式精确地测量容器容积。更具体地，可以实施基于机器人的部署解决方案以便以高精度自动执行更复杂的容器容积校准过程，由此借助于捕获针对任意数量的不同传感器和/或换能器放置方案的声学测量结果来提高容器校准结果的精度。例如，可以通过控制计算机110控制机器人以将传感器和/或换能器系统地移动到容器壁上的不同位置(例如，各种高度、圆周位置、相对位置、绝对位置等)中，使得可以针对每种装置布置获得声学测量结果并且在这之后可以单独地和组合地对测量结果进行分析以产生容器形状并且更具体地为容器容积的详细图。
控制计算机：
参考图2进一步描述了示例性控制计算机110。如所示出的，控制计算机110可以布置有用于实现系统100的操作的各种硬件和软件组件，包含电路板215、处理器210、存储器220、显示器235、用户界面225、通信接口250和计算机可读存储介质290。
处理器210用于执行可以存储在存储装置290中并且加载到存储器220中的软件指令。处理器210可以是多个处理器、多处理器核或其它某种类型的处理器，这取决于特定实施方案。显示器可以显示在可操作地耦合到输入装置的触摸屏或其它显示器(未示出)上。
优选地，存储器220和/或存储装置290可由处理器210访问，由此使处理器210能够接收和执行存储在存储器220和/或存储装置290上的指令。存储器220可以是例如随机存取存储器(RAM)或任何其它合适的易失性或非易失性计算机可读存储介质。另外，存储器220可以是固定的或可移除的。存储装置290可以采取各种形式，这取决于特定实施方案。例如，存储装置290可以含有一个或多个组件或装置，如硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或以上各项的某种组合。存储装置290也可以是固定的或可移除的本地存储装置或远程存储装置，如基于云的数据存储系统。
一个或多个软件模块230被编码在存储装置290和/或存储器220中。软件模块230可以包括具有在处理器210中执行的计算机程序代码、脚本或可解译指令集的一个或多个软件程序或应用。用于执行操作和实施本文公开的系统和方法的各方面的这种计算机程序代码或指令可以用一种或多种编程语言或脚本的任何组合来编写。程序代码可以作为独立的软件包完全在控制计算机110上执行，部分地在控制计算机上并且部分地在远程计算机/装置(例如，传感器、换能器和/或机器人)上或者完全在这种远程计算机/装置上执行。在后一种场景中，远程计算机系统可以通过任何类型的电子数据连接或网络(包含局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到控制计算机110，或者可以通过外部计算机(例如，通过互联网，使用互联网服务提供商(Internet Service Provider))进行连接。
优选地，软件模块230中包含由处理器210执行的声学控制模块270、声学分析模块272、几何分析模块274和位置控制模块276。在执行软件模块230期间，处理器210被配置成执行与校准存储容器有关的各种操作，如以下将更详细描述的。
也可以说，软件模块230的程序代码和非暂时性计算机可读存储装置中的一个或多个非暂时性计算机可读存储装置(如存储器220和/或存储装置290)形成可以根据本公开制造和/或分配的计算机程序产品，如本领域普通技术人员已知的。
应当理解，在一些说明性实施例中，软件模块230中的一个或多个软件模块可以通过网络经由通信接口250从另一个装置或系统下载到存储装置290以在系统内用于配置现场机器人100。
另外，应当注意，与本发明的系统和方法的操作相关的其它信息和/或数据(例如在使用期间用于操作声学装置(例如，传感器和换能器)和/或机器人的各种控制程序)也可以存储在存储装置290上。
数据库285也可以存储在存储装置290上。数据库285可以含有和/或保持在系统100的各种操作中使用的各种数据项和元素。存储在数据库185中的信息可以包含但不限于用于协调声学装置的操作的软件和信息、用于在容器校准期间将声学装置部署到其相应位置中的同时协调机器人的移动的软件和信息、用于执行声学测量和计算容器尺寸(例如，容器壁厚度、容器壁材料成分、容器内容物、容器高度、容器的粗略尺寸)的已知特性。应当注意，尽管将数据库285描绘为与控制计算机110的存储装置本地配置，但是在某些实施方案中，数据库285和/或存储在其中的各种数据元素可以远程定位并且以本领域普通技术人员已知的方式通过网络连接到控制计算机110。
还将通信接口250可操作地连接到处理器210，并且所述通信接口可以是能够实现控制计算机110与外部装置、机器和/或元件(如与校准操作结合使用的换能器、传感器和任何机器人)之间的通信的任何接口。优选地，通信接口250包含但不限于：调制解调器；网络接口卡(NIC)；集成网络接口；射频发射器/接收器(例如，蓝牙、蜂窝、NFC)；卫星通信发射器/接收器；红外端口；USB连接和/或用于将控制计算机110连接到其它计算装置和/或如专用网络和互联网等通信网络的任何其它这种接口。尽管这种连接可以包含有线连接或无线连接(例如，使用IEEE 802.11标准)，但是应该理解，通信接口250实际上可以是实现来往于控制计算机的通信的任何接口。
示例性操作方法：
图1中所示的示例性容器容积校准系统100的操作可参考图3进一步理解。图3是根据本发明的一个或多个实施例的用于校准存储容器的容积的例程300的高级流程图。
例程300开始于步骤305，在所述步骤处，在相应位置处将一个或多个声学装置物理地部署在容器上。更具体地，可以用手或使用机器人(例如160)将一个或多个声学传感器和一个或多个声学换能器，例如传感器120A和换能器130A，部署到容器150的周边壁的外表面155上的相应位置，以使它们在声学上耦合到表面并被配置为发送和/或接收穿过容器d内部容积165传播的声学信号。
声学装置的相应“位置”应当理解为是指容器表面上装置发射和/或接收声学信号的位置(例如，点或区域)。因此，在用于校准圆柱形存储容器150的容积的实施方式中，声学装置的位置可包括沿纵向轴线116测量的特定纬度和沿圆周方向118测量的周向位置。例如，如图1所示，换能器130A具有相对于容器基座157的高度h，并且绕着容器的圆周以+270度角(相对于0度参考轴线102测量)周向定位。应当理解，在不脱离所公开的实施例的范围的情况下，可以利用替代的三维坐标和定位系统。
在步骤310，使用一个或多个部署的换能器产生一个或多个声学信号。例如，在图1A所示的系统100中，通过执行包括例如但不限于声学控制模块270的软件模块中的一个或多个来配置的控制计算机110可以使收发器130A生成超声信号。控制计算机还可以记录与传输的信号有关的各种参数，包含例如脉冲时间。其他记录的参数可以包括信号的特性，例如强度、频率等。优选地，声学信号从源点沿着横跨容器150的内部容积165延伸的路径传播，从而传播通过在声学信号路径中的被容纳的介质。
在步骤315处，使用一个或多个传感器检测所述一个或多个声学信号。例如，可以使用声学传感器120A检测由发射器130A发射的声学信号。另外，在步骤315处，可以使用声学传感器测量与所检测到的声学信号有关的信息，并且由控制计算机110记录所述信息以供进一步处理。优选地，此信息包含检测到声学信号到达传感器的特定时间。另外，所测量和记录以供进一步分析的信息可以包含声学信号的特性，如其强度、频率等。在一些实施方式中，可以使用控制计算机分析一个或多个检测到的声学信号的特性，以区分不同的声学信号，并且在一些实施方式中，确定容器的各种操作条件(例如，在给定的高度处容器内介质的类型、容器的结构条件等)，如此处进一步所述。
然后，在步骤320处，控制计算机110基于脉冲时间和所述一个或多个信号的相应检测时间计算所述一个或多个声学信号的飞行时间(TOF)。每个相应的TOF表示信号在两个声学装置之间传播的经过时间，并且是声学信号传播的距离的函数。更具体地，通过执行包括例如但不限于声学分析模块272的软件模块130中的一个或多个来配置的控制计算机110可以基于脉冲时间与收发器检测到一个或多个信号的相应时间之间的经过时间为沿着相应路径传播的一个或多个声学信号计算TOF。例如，由换能器130A发送并由传感器120A接收的信号的TOF是沿着路径p从换能器的位置移动到传感器的位置的时间。
在步骤325，控制计算机110基于所测量的TOF和通过容器的内部容积内的介质的声速计算一个或多个声学信号行进的相应距离。更具体地，通过执行软件模块130中的一个或多个软件模块(包含例如但不限于几何分析模块274)来配置的控制计算机110可以被配置成根据所计算的TOF和声音穿过介质的速度计算声学信号沿其相应路径行进的距离。例如，在换能器130A和传感器120A在容器150的相对侧上的示例性实施方式中，如图1所示，并且在投送-捕捉模式下工作，知道了介质中的声速vmed，并且测量了换能器和传感器之间传播的声学信号的TOF，由此可以根据等式
Figure BDA0002353960640000171
计算出距离d。
在步骤330，控制计算机根据在步骤325计算的一个或多个距离和声学装置的给定对准，确定存储容器的尺寸。更具体地，通过执行包括例如但不限于几何分析模块274的软件模块130中的一个或多个来配置的控制计算机110可以被配置为基于声学地计算的一个或多个声学信号传播的距离以及用于测量一个或多个距离的声学装置的已知相对位置计算容器150的直径。类似地，给定从容器壁上的一个或多个位置测量的容器的测量直径，配置的控制计算机110还可以基于容器的已知参数(包括其高度)计算容器的容积。
在其中发射换能器和接收传感器独立地定位在容器150的表面155上并用于测量它们之间的距离的实施方式中，两个装置优选地对准，使得在它们之间传输的声学信号沿着穿过内部容积165的路径传播，该路径穿过纵向中心轴线116。换句话说，两个装置优选地位于壁上的沿直径相对的圆周位置处，使得信号传播穿过容器的直径。另外，两个声学装置在纵向方向116上(即，相对于水平底座157在相同的纬度或高度)对准也可以是优选的，使得声学信号在内部容积中传播的路径也垂直于纵向轴线116。因此，在两个声学装置以相同的纬度且在容器壁的相对侧上部署的情况下，在步骤320处计算的距离d代表给定纬度下的容器的直径。
尽管前述用于计算容器直径的步骤是基于以下假设：独立部署的换能器和传感器在纵向和圆周方向上均对准，但未如此对准的声学装置之间基于TOF的距离测量可以类似地用于在知道两个装置的相对位置的情况下计算容器的尺寸。例如，如图1所示，在声学换能器130B和声学传感器120A位于不同纬度的情况下，从两个装置之间的声学测量距离仍然可以计算出容器150的投影直径，条件是这些装置在圆周壁的外表面155上周向对准并且在纵向方向116上两个装置之间的间距(例如传感器120A和换能器130B的高度之间的差，即分别为h和h1)是已知的。
因为用于测量距离的声学装置的定位和对准对于实现容器的精确测量很重要，所以例程300还可以包括对准两个或更多个声学装置的步骤322。根据所公开实施例中的一个或多个，超声容器容积校准系统100可以被配置成在一个或多个方向上相对于容器150的圆周壁的表面155自动对准两个或更多个声学装置，例如在圆周方向118和纵向方向116。可以使用基于声学的距离测量，更具体地，基于所计算的在对准的装置之间传播的声学信号的TOF，实现和验证对准。
一般而言，验证装置对准可以包含在一个或多个方向上迭代地调整所述声学装置中的一个或多个在容器表面上的位置，并且对于每个位置，重复产生、检测和重新计算声学信号的TOF的步骤，直到重新计算的TOF指示所述声学装置中的至少两个的相应位置对准。在一些实施方式中，对准还可包括例如调节换能器相对于容器的角度，以使声学信号沿着垂直于纵向轴线116的路径传播穿过内部容积。
更具体地，通过举例而非限制的方式，通过执行所述软件模块230中的一个或多个软件模块(包含例如但不限于位置控制模块276)来配置的控制计算机110可以使用机器人160沿表面155在纵向方向116上定位和重新定位换能器130C所测量的量。可以基于例如使用适合于测量机器人的绝对位置或相对位置和移动的机器人上的一个或多个传感器(例如，GPS传感器、加速度计、高度传感器等)近实时地收集的位置测量结果控制在容器壁上在一个或多个方向上移动换能器所测量的量。对于机器人以及因此换能器的每个新位置，控制计算机可以执行以下步骤：使用换能器生成一个或多个声学信号，通过换能器与之对准的特定传感器检测声学信号，并计算一个或多个信号的TOF。如所描述的，控制计算机可以被配置成使得机器人将换能器或其它声学装置与容器分离、重新定位机器人、然后在新位置处将声学装置放回成与容器接合。优选地，当试图将换能器130C与特定传感器(例如，传感器120B)对准时，计算特定传感器120B检测到的声学信号的TOF。
因为在换能器和特定传感器之间传播的声波的TOF与它们之间的距离成正比，所以可以通过沿表面155在纵向方向上迭代移动换能器(和/或传感器)直到在其间传播的脉冲的TOF的最小值被确定，实现两个装置在纵向方向116上的对准。类似地，可以基于沿表面155(和/或传感器)在圆周方向上迭代地移动换能器并重新测量TOF，直到TOF指示装置在圆周上对准，实现在圆周方向118上的对准。例如，假设换能器130C和传感器120B的相对纵向位置不变，则当在它们之间传播的声学信号的TOF最大时，控制计算机可以确定这两个装置在壁的表面155上沿周向对准(即位于直接相对的周向位置)。
如前所述，在一些实施方式中，校准系统100可以被配置成在纵向方向116上并且另外地或可选地在圆周方向118上在表面155上的不同位置处测量容器150的尺寸。因此，使用在多个维度上获得的距离测量结果，控制计算机110可以配置为以更高的分辨率和精度生成容器内部容积的模型。因此，控制计算机110可以被配置为针对先前部署的传感器和换能器的任何数量的不同组合重复例程300的一个或多个步骤(例如，步骤305-325)。
另外地或可替代地，在步骤340，鉴于新的位置，可在重新测量声学装置之间的距离之前重新定位一个或多个声学装置。例如，机器人160可以被配置为将声学换能器130C从第一纬度移动到第二纬度，使得可以在第二纬度处重新测量容器的直径，然后根据需要可以将换能器移至另一个位置。
可以使用各种不同的换能器和传感器配置以及操作模式类似地实现用于使用声学/超声波测量来测量声学装置之间的TOF和距离的示例性例程300的一个或多个步骤。其余附图和对应的讨论进一步说明了根据本发明的所公开实施例中的一个或多个实施例的超声容器容积校准系统的各种配置和概念。
图4A-9示出了根据所公开的实施例中的一个或多个的示例性容器容积校准系统，其具有多种不同的声学装置布置和操作模式。应当理解，图4A至图4D所示的各种声学装置被配置为与协调声学容器容积校准系统的操作的控制计算机110进行通信(通信连接未示出)。
图4A是示出了部署在容器450上的示例性超声容器容积校准系统400A的侧视图和俯视图的高级图。系统400A包括超声换能器和传感器，它们被集成到布置在容器的周壁的外表面455上的单个收发器单元430A中。在该示例性配置中，收发器可以被配置为既发送(Tx)又接收(Rx)声学信号(即，可以以脉冲-回波模式操作)。如所示，收发器430A定位在沿纵向方向416测量的壁上的高度h处，并且可以使用控制计算机110操作以在高度h处测量容器的直径。
更具体地，收发器430A可以被配置为沿着穿过容器的内部容积的路径发送声学信号。信号可以在容器的相对侧上被周壁的内表面反射，使得反射信号的至少一部分沿着路径p向着原点传播回去。因此，设置在与换能器组件有效相同的位置处的收发器430A的传感器组件可以被配置为检测反射的声学信号并记录检测时间，并且还可以测量接收信号的其他特性。图4B是示出了在系统400A的操作期间这种声学信号的传播的概念性侧视图。如所示，声学信号沿路径p在收发器430A和相对侧壁的内表面457之间传播。图4B还概念性地示出了TOF，其是声学信号从收发器传播到相对壁并且信号的反射分量传播回到收发器的总“返回时间”。图4B还示出了换能器与相对壁之间的距离d之间的关系，该距离是声学信号传播的总距离2d的一半。因此，在知道介质中声速vmed的情况下，因此可以根据等式
Figure BDA0002353960640000201
计算收发器与相对壁之间的距离d。
另外，收发器430A还可被配置为在表面上沿一个或多个方向移动。例如，如图4C所示，收发器430A可以安装到可移动机器人平台460A，该平台460A被配置为自主地或半自主地将收发器移动到容器450的表面455上的任意数量的不同纬度中。因此，控制计算机110可以可控制地测量每个相应纬度处的容器的直径。附加地或替代地，收发器430A可以在表面上的其他方向上(即，沿圆周方向)移动，使得可以在围绕容器的圆周的多个位置处测量容器的直径，例如，确定在给定纬度处的容器的直径。
优选地，以脉冲-回波模式操作的声学换能器430A被声学地耦合到表面455，使得声学信号传播到容器的相对侧的内表面并且沿着相同的路径(例如，通过圆柱形容器的中心纵向轴线416并垂直于该中心纵向轴线416的路径)反射回去。因此，定位收发器可以包括相对于容器的表面455自动对准收发器以控制所发送的声学信号的方向性的步骤。例如，在一些实施方式中，在控制计算机110的控制下的机器人平台可以被配置为系统地调节收发器430A相对于表面455的角度，直到确定声学信号沿着垂直穿过纵向轴线416(例如，沿着给定的纬度并且垂直于容器的相对侧)的路径传播。控制计算机可以被配置为基于所接收的声学信号的一个或多个测量的特性(例如TOF、强度、频率等)验证适当的对准。
根据所公开的实施例中的一个或多个，图5示出了部署在容器550上的另一示例性超声容器容积校准系统500。系统500包括布置在圆柱形容器的壁555的外表面上的收发器单元的阵列530。像结合图4A描述的收发器一样，各个收发器1-n均包括换能器和传感器组件，并且被配置为以发射(Tx)和接收(Rx)模式工作。如图5所示，可以在壁455的表面上的各个纬度处提供收发器。在一些实施方式中，收发器可以固定在各个位置。另外地或替代地，一个或多个收发器可在表面上沿一个或多个方向移动。
可以理解的是，根据结合图1、3和4A-4C描述的示例性方法，分别使用换能器530A-N，控制计算机110可以在每个换能器的各自纬度处测量容器550的直径。如前所述，在使用不止一个换能器或收发器的系统中，优选的是使用相控阵列，其中由阵列中每个元素发出的声学脉冲被及时控制，因此可以区分信号。另外地或可替代地，可以用来区分各个换能器的信号的另一种方法是使换能器以不同的用于发射和接收的相应频率操作。尽管本文所述的示例性实施例测量了成对操作的两个装置(例如，第一收发器和第二收发器)之间的距离，但是由一个装置发射的信号可以由任何数量的其他装置(即第三收发器)以与第一收发器和第二收发器之间的“投送和捕捉”相似的方式接收。以这种方式，第一和第三收发器之间的飞行时间将允许计算它们之间的路径距离，从而计算容积，条件是装置的相对位置是已知的(例如，在装置放置期间测量的)。
根据所公开的实施例中的一个或多个，图6示出了部署在容器650上的另一示例性超声容器容积校准系统600。系统600包括多个声学装置，该多个声学装置包括布置在圆柱形容器的周向壁的外表面655上的相应位置处的换能器630和传感器620。在这样的配置中，换能器被配置为以发射(Tx)模式操作，而传感器被配置为以接收(Rx)模式操作。因此，如结合图3所描述的，换能器和传感器对可以被配置为在投送-捕捉模式下一起操作，即，直接在换能器和传感器之间传送声学信号，使得可以测量沿着直接飞行路径的TOF，并且可以计算出它们之间的距离。另外，收发器430C和传感器420还可以被配置为沿纵向方向616移动，例如，以使得能够在不同的纬度上测量容器的直径。附加地或替代地，换能器和传感器也可以在表面上的其他方向(即圆周方向)上移动，以便测量围绕容器圆周的多个位置的直径。
根据所公开的实施例中的一个或多个，图7示出了部署在圆柱形容器750上的另一示例性超声容器容积校准系统700。系统700包括换能器装置730-1至730-n的阵列730和布置在容器的周向壁的外表面755上的传感器装置720-1至720-n的阵列720。在这样的配置中，每个换能器可以被配置为以发射(Tx)模式操作，而每个传感器可以被配置为以接收(Rx)模式操作，使得阵列730中的一个或多个换能器以及阵列720中的一个或多个传感器可以被配置为以投送-捕捉模式一起操作。如所示，换能器和传感器可以设置在相对的圆周位置处。装置也可以设置在各自的纬度上，并且各自的位置可以固定。优选地，每个换能器被定位在与传感器之一相同的纬度上，从而限定了相应的对，例如，换能器730-1和相应的传感器730-1在给定的高度处限定了一对。然而，在一些实施方式中，各个换能器和传感器不必以一对一的方式或与另一装置相同的纬度配对。另外或可替代地，在一些实施方式中，一个或多个声学装置可以沿着壁的表面在一个或多个方向上移动。
图8是根据所公开的实施例中的一个或多个的示例性超声容器容积校准系统800的俯视图，其部署在容器850上。如所示，系统800包括声学装置830A-830L的阵列830，其围绕圆柱形容器的周向壁的外表面855周向地布置。如所示，装置围绕容器的整个圆周间隔开。在示例性系统800中，处于圆柱形容器上相对的圆周位置处的装置，例如，换能器/收发器830A和传感器/收发器830G，可以分别以发射和接收模式操作。作为进一步的例子，图9是部署在容器950的周向侧壁955上的示例性超声容器容积校准系统900的俯视图。如图9所示，系统900包括声学装置930A-930G，其围绕容器的圆周的一部分(例如，容器的圆周的一半)间隔。由于声学装置仅在圆周的一部分上间隔开，因此，优选地，使用以发射和接收模式工作的收发器。
在图8所示的示例性实施方式中，换能器围绕容器的圆周的位置可以使用控制计算机110来操作以提供罐及其内容物的横截面图像。例如，可以使用已知的数学算法生成图像，例如后投影算法(即radon转移)和其他此类算法。在诸如图9所示的实施方式中，其中声学装置提供了容器圆周的部分覆盖，控制计算机仍可以配置为使用类似的数学技术生成容器的横截面图像。还应注意，所使用的换能器的数量与使用控制计算机可以生成的容器容积的图像的分辨率成正比。
应当理解，根据所公开的实施例中的一个或多个，结合图5A-9描述的配置和操作模式的组合可用于声学校准容器的容积。例如，利用固定安装的声学装置阵列进行的容器容积测量可以通过使用机器人安装的声学装置进行测量来补充，该机器人安装的声学装置被配置为在固定装置无法监视和难以够到容器壁上的位置测量容器尺寸。通过进一步的示例，图8和9仅示出了放置在相应的圆周位置处的单个声学装置，在一些实施方式中，例如，如结合图5和7所述的，可以将纵向定向的装置阵列部署在容器壁上的相应的圆周位置中的一个或多个处。在阵列包括沿纵向方向布置(例如，在壁的表面上相对于底座成垂直线间隔开)的换能器(或收发器)并且围绕罐的圆周放置多个这样的阵列的实施方式中，使用多个阵列可以在纵向和圆周方向上的不同点测量罐。由控制计算机110生成的容器容积模型或图像的分辨率可以取决于每个阵列中的装置数量以及部署在容器壁上的阵列数量。因此，利用围绕罐的圆周定位的足够数量的纵向阵列，控制计算机可以产生足够详细的容器容积及其内容物的二维或三维图像。
如所指出的，除了测量容器的容积之外，用于声学地校准存储容器的容积的示例性系统和方法还可以被配置为以声学方式确定容器的操作特性，包括容器内的内容物的类型、这样的内容物的容积并评估容器壁的结构完整性。
更具体地，声学测量可以用于测量罐内的液体的液位，从而允许液体体积的计算。例如，当利用间隔开的声学装置的阵列测量各个纬度处的储罐直径时，控制计算机可以配置为分析在各个纬度处测量的信号的特性，以识别两种不同介质之间的界面例如石油和空气之间的界面的水平。因此，可以基于界面水平和在底部和界面水平之间延伸的容器部分的容积，或者进一步举例，油/空气界面和靠近底部的油/水界面之间的高度差，确定容器内的石油量。
作为另外的实例，由于介质(例如，在该特定应用中，烃、空气和水)中的声音的不同速度，校准系统可以在每种介质之间进行区分。例如，在空气的情况下，由于在换能器的工作频率处的高的信号衰减，通常将不存在信号。因此，系统可以在没有接收到信号的点确定油和空气之间的界面。
另外，在了解了介质中声学信号的声速的情况下，该系统可以进一步配置为对容纳在存储容器中的产品的特定类型进行分类。更具体地，如本领域技术人员将理解的，空气中的声速(330m/s)与存储容器所包含的介质中的声速有很大不同。水中的声速接近1484m/s，通过煤油的声速接近1324m/s。作为一个实际实例，在30米的距离上传输声学信号相当于水的飞行时间(往返)为40.43秒，煤油的飞行时间为45.31秒。因此，在校准容器尺寸或预期飞行时间的情况下，该系统可以被配置为根据飞行时间的差确定由换能器测量的给定液位的罐中的液体。
此外，前述概念也可以用于识别其他液体的存在，例如在石油存储容器的底部的水。此类信息可用于确保准确确定容器内容物的体积，从而确保产品往返于容器的正确传输，并有可能避免污染其他罐/容器。
如所指出的，优选地，该系统还可以被配置为评估容器壁的结构完整性。该系统可以被配置为独立于或相关于测量容器容积的过程测量容器完整性。更具体地说，该系统可以配置为使用收发器(在Tx和Rx模式下操作)发送声学信号，并且当声学信号最初由收发器发送时，信号的部分将被容器边界反射离开，同时它的一部分将传输通过内部容积，如上所述。反射出边界(即容器壁的内表面)的信号将代表有关容器厚度的信息，并且可以使用换能器接收和测量。特别是，根据壁材料中的已知声速和飞行时间(返回边界壁的回程)，系统可以计算壁的厚度。附加地或替代地，基于所测量的飞行返回时间和材料中的声速，可以使用高频换能器测量容器的边界壁的内部结构的完整性，例如，破裂和起泡。因此，在另一示例性配置中，该系统可以包括双频换能器，其中可以分析以高频发射的信号以测量容器完整性，并且可以分析低频信号以执行容器尺寸的飞行时间测量。另外，在这种双频收发器配置中，视需要，也可以应用电子滤波技术以去除噪声(例如，使用低通和/或高通滤波器)。
在此时，应该注意的是，尽管大多数先前描述已经涉及用于超声校准存储容器的容积的系统和方法，但是本文公开的系统和方法同样可以在远远超出参考场景的场景、情况和情景中部署和/或实施。例如，示例性系统和方法可以适用于不限于超声声学装置来测量容器容积。
尽管上文在特定实际应用的上下文中描述了基于声学测量容器容积(即，测量具有圆柱形状和金属构造的大型储石油容器的容积)的示例性系统和方法，但应理解本发明的公开的实施例并不限于此示例性应用。例如，所公开的系统和方法可用于测量具有替代形状的存储容器(例如球形容器、立方体形容器等)的容积。例如但不限于，在立方体形状的容器的情况下，以上公开的方法可以类似地应用于沿着纵向轴线和/或横向轴线在容器的外表面上对准声学装置，以声学方式测量在围绕容器外围的多个高度和多个位置处容器的相对壁之间的距离，并因此生成容器内部容积、其内容物等的二维或三维图。
应当理解，可以执行比附图所示和所描述的更多或更少的操作。这些操作还可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。应理解，贯穿若干图，附图中相同的编号表示相同的元件，并且参考附图描述和示出的所有组件和/或步骤并非对于所有实施例或布置都是需要的。
因此，本发明的系统和方法的说明性实施例和布置提供了用于超声校准存储容器的容积的系统和计算机实施的方法、计算机系统和计算机程序产品。图中的流程图和框图示出根据各种实施例和布置的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实施指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意，在一些替代实施方案中，框中标注的功能可不按图中标注的次序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可基本上同时执行，或所述框有时可按相反次序执行。还应注意，框图和/或流程图图解中的每个框以及框图和/或流程图图解中的框的组合可由基于专用硬件的系统实施，所述系统执行指定功能或动作或专用硬件和计算机指令的组合。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并非意在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个/种(a/an)”和“所述(the)”旨在也包含复数形式。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises和/或comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其组。
而且，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的并且不应该被认为具有限制性。本文中使用“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”以及其变体意在涵盖其后列出的项目和其等同物以及额外项目。
上文所描述的主题仅以说明方式提供，不应被理解为具有限制性。可以在不遵循所示出和描述的示例实施例和应用并且不脱离在所附权利要求中阐述的本公开的真实精神和范围的情况下对本文描述的主题进行各种修改和改变。

Claims (15)

1.一种使用多个声学装置测量其中含有介质的存储容器的内部容积的方法，所述方法包括：
将所述多个声学装置部署到所述容器的周向壁的外表面上的相应位置，所述声学装置包括超声换能器和超声传感器，其中所述超声换能器声学地耦合到所述表面并且被配置为发送一个或多个超声信号通过所述容器的壁并穿过所述容器的内部容积，并且其中所述超声传感器声学地耦合到所述表面并被配置为检测所述一个或多个超声信号；
使用所述超声换能器发送一个或多个超声信号，其中每个信号在相应的脉冲时间发送；
使用所述超声传感器检测所述一个或多个信号并记录相应的检测时间；
由与所述超声换能器和所述超声传感器电子通信的计算装置基于所述相应的脉冲时间和所述相应的检测时间计算所述一个或多个信号的相应的飞行时间，其中相应的飞行时间是信号沿着在所述超声换能器和所述超声传感器的相应位置之间的路径传播的经过时间；
基于所述相应的飞行时间用所述计算装置使所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个在相对于所述容器的周向壁的圆周方向和纵向方向中的一个或多个上对准；
利用所述计算装置，基于计算出的相应的飞行时间和穿过所述介质的声速，计算对准的超声换能器和超声传感器的相应位置之间的距离；和
使用所述计算装置，基于计算出的距离以及对准的超声换能器和超声传感器的相应位置，确定所述存储容器的容积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对准步骤包括：
在所述圆周方向和所述纵向方向中的一个或多个上调节所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个在所述表面上的相应位置，以及
针对在所述超声换能器和超声传感器的调节后的相应位置之间传输的一个或多个声学信号，执行发送、检测和计算相应的飞行时间的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，重复所述调节、发送、检测和计算步骤，直到利用所述计算装置基于计算的飞行时间确定所述超声换能器和所述超声传感器对准。
4.根据权利要求3所述的方法，其中调节所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个在所述表面上的相应位置的步骤包括：
使用在所述计算装置的控制下操作的机器人在纵向方向和圆周方向中的一个或多个上将所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个移动指定量，其中使用所述机器人机载的一个或多个位置传感器近乎实时地测量所述指定量，并且其中所述机器人被配置为根据反馈控制回路运动。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
在所述表面上的不同的相应位置处部署多个超声传感器；
使用在所述计算装置控制下的机器人将所述超声换能器与所述多个超声传感器中的每一个迭代地对准；
对于与所述多个超声传感器之一对准的超声换能器的每个相应位置，执行生成、检测和计算相应飞行时间的步骤；和
基于计算的飞行时间，针对与所述多个超声传感器之一对准的超声换能器的每个相应位置，计算所述容器的直径。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
使用在所述计算装置的控制下的一个或多个机器人在圆周方向和纵向方向中的一个或多个上调节所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个在所述表面上的相应位置，以及
针对在所述超声换能器和所述超声传感器的调节后的相应位置之间传输的一个或多个声学信号，执行发送、检测和计算相应的飞行时间的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
在计算距离的步骤之前，测量在所述介质中的声速。
8.根据权利要求7所述的方法，其中测量所述介质中的声速的步骤包括：
在所述表面上在其间具有已知距离的相应位置处部署特定的超声换能器和特定的超声传感器；
使用所述特定的超声换能器和超声传感器，利用所述计算装置，测量在所述特定的超声换能器和所述特定的超声传感器之间传输的至少一个声学信号的飞行时间；和
利用所述计算装置，基于在所述超声换能器与所述特定的超声传感器之间传播的信号的飞行时间和所述已知距离，计算通过所述介质的声速。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
基于计算出的相应飞行时间，利用所述计算装置识别以下的一种或多种：容纳在所述存储容器中的介质的类型、容纳在所述存储容器中的介质的体积。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声换能器和所述超声传感器被组合成声学收发器单元，其被配置为既发送又接收所述一个或多个超声信号，并且其中所述对准步骤包括：
相对于所述容器的周向壁可控制地定位所述收发器，以使所述一个或多个声学信号沿着沿所述容器的直径延伸穿过所述容器的内部容积的路径传播。
11.一种用于测量存储容器的容积的系统，所述系统包括：
多个声学装置，所述多个声学装置被配置成在相应位置在声学上耦合至所述容器的圆周壁的外表面，所述声学装置包括：
超声换能器，其被配置为发送一个或多个超声信号通过由所述壁界定的容器的内部容积，和
超声传感器，其被配置为检测所述一个或多个超声信号；
机器人，所述机器人被配置成将所述声学装置中的一个或多个可控地部署在所述表面上，其中所述机器人包含驱动系统和用于监测所述机器人的位置的一个或多个位置传感器，以及
控制计算系统，所述控制计算系统包括：
非暂时性计算机可读存储介质，
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述多个声学装置、所述机器人和所述计算机可读存储介质电子通信，
一个或多个软件模块，所述一个或多个软件模块包括存储在所述存储介质中的可执行指令，其中所述一个或多个软件模块可由所述处理器执行并且包含：
声学控制模块，其将所述处理器配置成使用所述换能器在相应脉冲时间发送一个或多个声学信号，其中所述声学控制模块将所述处理器进一步配置成使用所述超声传感器检测所述一个或多个信号的到达并且记录相应的检测时间，
声学分析模块，其将所述处理器配置成针对在所述超声换能器和所述超声传感器的相应位置之间传播的所述一个或多个声学信号计算相应的飞行时间，并基于所述相应的飞行时间计算其间的相应距离，
位置控制模块，其将所述处理器配置为使用所述机器人调节所述表面上所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个的相应位置，并针对每个调节后的相应位置，基于在其间传播的一个或多个声学信号，重新计算所述超声换能器与所述超声传感器之间的相应距离，以及
几何分析模块，其将所述处理器配置为基于所计算的超声换能器和超声传感器的相应距离以及相应的相应位置计算所述存储容器的容积。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述位置控制模块将所述处理器配置为基于计算的飞行时间确定所述超声换能器和超声传感器是否相对于所述容器的表面沿圆周方向和纵向方向中的一个或多个对准。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述位置控制模块将所述处理器配置为迭代地调节所述超声换能器和所述超声传感器中的一个或多个在所述表面上的相应位置，并重新计算飞行时间，直到确定所述超声换能器和超声传感器对准。
14.根据权利要求11所述的系统，还包括：多个超声传感器，其至少包括第一声学传感器和第二声学传感器，其中所述多个超声传感器在圆周方向和纵向方向中的一个或多个上以已知距离分开。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述位置控制模块将所述处理器配置为：使用所述机器人，将所述超声换能器在所述纵向方向和圆周方向上与所述多个超声传感器中的每个对准，并且对于所述超声换能器与所述多个超声传感器之一对准的每个相应位置，基于计算的飞行时间计算所述容器的相应直径。
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