CN112798026A - 用于测量介质的不同质性的系统 - Google Patents

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Abstract

用于测量介质的不同质性的系统。系统包括：第一超声发射器，沿第一路径发送第一超声信号；第二超声发射器，沿与第一路径不同的第二路径发送第二超声信号；第一超声接收器，接收第一超声发射器发送的第一超声信号并测量接收的第一超声信号的第一测量参数p1；第二超声接收器，接收第二超声发射器发送的第二超声信号并测量接收的第二超声信号的第二测量参数p2；和控制单元。控制单元配置成：从第一超声接收器接收第一测量参数p1；从第二超声接收器接收第二测量参数p2；确定第一测量参数p1与第二测量参数p2的比率p1/p2；确定第一超声信号沿第一路径覆盖的距离h与第二超声信号沿第二路径覆盖的距离D的比率h/D；比较p1/p2和h/D；和基于p1/p2和h/D的比较控制过程。

Description

用于测量介质的不同质性的系统
技术领域
本发明涉及用于测量容器中的介质的不同质性(inhomogeneity)的测量系统和方法、控制单元、程序元件、计算机可读介质，以及这种测量系统的使用。
背景技术
外壳内部的材料的同质性的检测对于工业中的许多过程是重要的，这些过程例如物质(例如二相流体、乳剂、固体-液体混合物、泡沫等)的混合、熔融过程、化学反应监测、聚合物或水泥的固化等。对于这些过程中的许多过程，存在能够检测材料的物理性质(例如颗粒大小或者不同相的比率)的特定传感器系统。
对于针对外壳内部的材料的无创测量，基于超声的测量可用于基于信号的衰减来分析乳剂中的相对含量和液滴大小。该分析包括预测衰减与系统性质的相关性的复杂模型。一些系统使用来自微粒(例如气泡)的超声信号的散射来确定混合环境中的二相性质和浓度。超声断层摄影将多个换能器并且通常还将信号的衰减和散射用于空间解析具有不同材料性质的不同区域。
发明内容
为了控制依靠容器中液体介质的不同质性状态的知识的过程，期望一种系统和方法，其允许以简单、稳健和节省成本的方式来确定介质的不同质性。
此问题通过独立权利要求的主题来解决。实施例通过从属权利要求、下面的描述和附图来提供。
所述的实施例类似地涉及用于测量介质的不同质性的方法、测量系统、控制单元、测量系统的使用、计算机程序元件和计算机可读介质。协同效果可产生于实施例的不同组合，虽然可能没有详细描述它们。
更进一步，应该注意，涉及方法的本发明的所有实施例可利用所描述的步骤的顺序来执行，但是这不必是该方法步骤的唯一且必要的顺序。本文提供的方法能够利用所公开步骤的另一顺序来执行，而不背离相应的方法实施例，除非后文明确提及相反的情况。
技术术语根据其常识来使用。如果针对某些术语传达特定含意，则下面将在使用术语的上下文中给出该术语的定义。
在本公开中，使用术语“超声发射器”和“超声接收器”。如果发射器与接收器之间的区分不是必要的，则还使用更一般术语“传感器”或“换能器”。传感器或换能器可以是发射和/或接收超声信号的装置。
按照第一方面，提供用于测量容器中的介质的不同质性的测量系统。该系统包括：第一超声发射器，配置成沿第一路径发送第一超声信号；第二超声发射器，配置成沿与第一路径不同的第二路径发送第二超声信号；第一超声接收器，接收第一超声发射器所发送的第一超声信号，并且测量所接收的第一超声信号的第一测量参数p1；第二超声接收器，接收第二超声发射器所发送的第二超声信号，并且测量所接收的第二超声信号的第二测量参数p2。该测量系统进一步包括控制单元，该控制单元配置成从第一超声接收器接收第一测量参数p1，从第二超声接收器接收第二测量参数p2，确定第一测量参数p1与第二测量参数p2的比率p1/p2，将比率p1/p2和第一超声信号沿第一路径覆盖的距离h与第二超声信号沿第二路径覆盖的距离D的比率h/D进行比较。控制单元进一步配置成基于比率p1/p2和比率h/D的比较来控制过程(例如混合过程或化学过程)。
因此，无创测量系统允许通过使用一个可再现量仅利用一些测量并且仅利用一些数学运算来测量介质的同质性。距离h和D可根据容器的已知规范(例如容器的直径、超声换能器或传感器的位置的已知坐标，或者在信号在介质的表面被反射的情况下的已知液位(level)高度)是已知的。有利地，比率h/D可通过校准测量来确定，使用同质介质来执行该校准测量。如果h/D没有逐个测量地发生变化，例如如果它们仅取决于固定容器和几何结构数据，则比率h/D可存储在非易失性存储器中。否则，例如当h取决于可逐个测量改变的液位高度时，可根据需要执行校准。
要注意，“第二路径”意味着系统可以还包括第三路径。一般来说，可提供n个不同路径。
按照实施例，控制单元进一步配置成基于比率p1/p2和比率h/D来确定比较值，以及如果该比较值或者表征两个值的偏差的适当度量高于预定阈值，则控制过程，例如混合过程。如果比较值高于阈值，则可继续该过程。如果比较值等于或低于阈值，则混合过程可被认为完成，并且因此可停止。比较值可通过以下方式来确定，例如：通过从h/D中减去p1/p2(例如diff = p1/p2 - h/D)，或者通过确定t1/t2 = k*h/D中的比率值k并且将k与1进行比较。如果k＝1，则沿两个路径的声速相等。然后，阈值可与diff或者与k进行比较。
如果距离D和h是恒定的，则它们的关系h/D也是恒定的。在这种情况下，代替比较p1/p2和h/D，测量与随后测量的p1/p2之间的差可被确定，并且与阈值进行比较。这意味着，在这种情况下，h和D不必为已知的。但是，由于平坦渐近曲线，这个变体不如相对于h/D的比较那样准确。
控制单元优选地具有计算单元。例如，计算单元计算比率p1/p2和h/D，将比率相减，并且将减法的绝对值和可配置阈值进行比较。如果该值小于阈值，则控制单元可停止该过程(例如混合过程)，并且例如以光学、声学方式或者通过向连接到控制单元的服务器发送信号来指示这个事件。备选地，控制单元向例如中央服务器发送测量数据，该中央服务器执行计算，使得控制单元能够保持简单并且保持处于低成本。例如，当必须并行执行大量过程时，这种布置可以是有用的。
因此，控制单元负责开始、执行和停止测量，并且最终负责通信和指示。此外，它可控制过程本身，即，驱动例如旋转叶片的马达的控制。
此上下文中的“控制过程”可以是例如针对介质的相变或者温度差或者化学反应来控制混合过程。控制过程还暗示对应参数(例如不同质性状态、温度差等)的监测。
材料具有针对超声的一些特定特性，例如速度和衰减。速度又是与温度相关的，使得飞行(flight)时间指示不同质性和温度差。
因此，下列参数可用作测量参数。
按照实施例，第一测量参数p1是介质中的第一飞行时间t1，并且第二参数p2是介质中的第二飞行时间t2。由于超声波的速度取决于介质的材料和温度，所以当测量不同质性时，优选地，温度在箱或容器中应当相等。反之亦然，当测量温度差时，介质应当处于同质状态。术语“飞行时间”涉及介质中的飞行时间，并且在本公开中在这个意义上使用。其他影响，例如信号经过容器壁所需的时间以及传感器内部的运行时间，在测量中必须被考虑在内，即，例如必须从测量值中减去。
第一发射器和第二发射器可包含在一个单换能器中或者不同的换能器中。类似地，第一接收器和第二接收器可包含在一个单换能器中或者不同的换能器中。此外，其任何组合可以是可能的。特别地，在示例中，第一和第二发射器以及第一和第二接收器被集成在一个单换能器中。此外，可通过超声波和/或频率的不同激励模式来实现不同信号和路径。
按照另外的实施例，第一测量参数p1是与所发射和所接收的第一超声信号相关的超声信号的第一衰减a1，并且第二参数p2是与所发射和所接收的第二超声信号相关的第二超声信号的第二衰减a2。因此，衰减可被定义为激励电压幅度与所接收的电压幅度的比率。超声在相应地完成(hit)从介质的一种物质到另外的物质和/或另外的物质之一的过渡时经历衰减。这里，同样可能需要减去换能器中和容器壁中的衰减以校正所测量的值。
按照实施例，控制单元进一步配置成监测和控制化学反应、介质中的相变、混合过程和/或介质的温度差。此外，它能够用于在不同位置加热或冷却介质，这对于化学反应可能是重要的。它可进一步用于例如扩散过程等中的过程时间的适配。为此，控制单元可以例如以更高或更低旋转速度来驱动马达，这取决于要求，诸如处理时间。例如旋转速度的控制可通过反馈环路来支持。反馈环路可包括来自另外的传感器的数据或信号。例如，另外的超声传感器可用于监测距离h或D。另外的传感器可监测温度、压力或其他参数。
按照实施例，第一路径是沿竖直(vertical)方向的路径，并且第二路径是沿水平方向的路径。其他方向以及沿这些或其他方向的附加测量是可能的。在竖直和水平方向的情况下，这些方向之一的发射器和接收器能够共置，即，它们可被布置在相同位置，例如在使用相同压电(使用相同换能器)或不同压电(相同换能器但不同发射器/接收器)的相同壳体中。
因此，按照实施例，第一超声发射器和第一超声接收器共置，以及第一超声信号在容器壁处被反射。此外，第二发射器和第二接收器共置，以及第二超声信号在介质表面处被反射。
求值(evaluation)能够推广到沿相同或另外方向的更多数量的声音路径。
在一个示例中，代替测量两个换能器之间的飞行时间，两个传感器可被布置在彼此相对的另外的位置。
第一传感器发射超声信号。如果第一飞行时间由第二传感器在第一和第二传感器之间测量，以及反射脉冲的回声的第二飞行时间由第一传感器来测量，则能够消除换能器和壁中的传播时间。
按照第二方面，如上面进一步解释的，所述测量系统用于确定介质中的温度差、密度差和/或沉淀。因此，该系统进一步虑及量化例如沉淀或温度差，这还得出两个波束的不同飞行时间。此外，该系统能够通过按照惯常方式(例如使用声音路径之一)分析响应信号来测量组成、温度、颗粒大小或其他信息。
按照第三方面，提供测量系统的使用方法(usage)，所述测量系统用于监测和控制容器中的化学反应、介质的相变、混合过程和/或温度差，如上所述。在以上描述中给出用于控制过程的一些示例。
按照第四方面，提供用于测量容器中的介质的不同质性的方法，其中测量穿过容器内部的介质的第一和第二超声信号的测量参数。在第一步骤，测量沿第一路径的第一超声信号的第一测量参数p1。在第二步骤，测量沿与第一路径不同的第二路径的第二超声信号的第二测量参数p2。在第三步骤，确定第一测量参数p1与第二超声信号的第二测量参数p2的比率p1/p2。在第四步骤，确定第一超声信号沿第一路径覆盖的距离h与第二超声信号沿第二路径覆盖的距离D的比率h/D。在第五步骤，将比率p1/p2与比率h/D进行比较，以及在最后的步骤，基于比率p1/p2与比率h/D的比较来控制过程。比率p1/p2与比率h/D的比较可进一步包括确定比率p1/p2与比率h/D之间的差或者比率，并且将差或比率与阈值进行比较。该方法的另外的实施例对应于上述测量系统。
所提出的方法不要求作为输入的特定系统性质，例如容器或者容器内容物的材料性质。
按照另外的方面，提供控制单元。该控制单元配置成：从检测第一超声信号的第一超声接收器接收第一测量参数p1，该第一超声信号已经在沿第一路径传播；从检测第二超声信号的第二超声接收器接收第二测量参数p2，该第二超声信号已经在沿与第一路径不同的第二路径传播；确定第一测量参数p1与第二测量参数p2的比率p1/p2；确定第一超声信号沿第一路径覆盖的距离h与第二超声信号沿第二路径覆盖的距离D的比率h/D；将比率p1/p2和比率h/D进行比较；以及基于比率p1/p2和比率h/D的比较来控制过程。
按照另外的方面，提供程序元件，该程序元件在由测量系统的处理器执行时指引测量系统执行上述方法的步骤。
按照另外的方面，提供计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储程序元件。
计算机程序元件可以是计算机程序的一部分，但是它本身也能够是完整的程序。例如，计算机程序元件可用于更新已经存在的计算机程序以得到本发明。
计算机可读介质可以是存储介质，诸如，例如USB棒、CD、DVD、数据存储装置、硬盘或者其上能够存储如上所述的程序元件的任何其他介质。
参照附图和以下描述，将更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点。
附图说明
图1示出按照实施例具有测量布置的测量系统的图。
图2示出说明混合过程期间的不同质性随着时间推移的图。
图3示出用于测量介质的不同质性的方法的流程图。
图4示出测量布置的第一变体的图。
图5示出测量布置的第二变体的图。
图6示出测量布置的第三变体的图。
具体实施方式
下面详细描述附图。在示例中，使用飞行时间作为测量参数来说明该系统。
图1示出按照实施例的测量系统100。测量系统100被布置在装入介质140的箱或容器102处。为了便于说明，介质140在图1中绘制成在箱102的底部更密集而在表面附近较少密集，从而以不同声速表示不同质性。测量系统100包括与第一超声接收器108共置的第一超声发射器104、与第二超声接收器110共置的第二超声发射器106以及控制单元112。控制单元112连接到超声接收器106、110和发射器104、106。控制单元112例如通过将信号给予发射器104、108以发射例如采取一个或数个短脉冲形式的超声信号来控制测量。发射器104沿竖直方向120发射第一信号，该第一信号在容器102中的介质140的表面142处被反射。反射超声信号由接收器108来检测，该接收器108向控制单元112提供信号的所测量的飞行时间t1。注意，还能够使用频率中的啁啾(chirps)，以及所发射和所接收的信号频率之间的比较允许确定飞行时间。可通过例如指示准确发射和接收时间的时间戳来支持测量。时间戳可被插入数据流或消息中，该数据流或消息从发射器/接收器对104、108发送到控制单元112。类似地，发射器/接收器对106、110测量沿水平方向122的第二超声信号的飞行时间t2。距离D 132和h 130可例如根据箱的制造数据、根据其他测量(例如关于同质介质的飞行时间测量)或者根据将介质填充到箱中时的填充过程是已知的。
由于要混合的物质的示范密度梯度，沿水平方向122的超声信号的速度是恒定的，而沿竖直方向120的速度随高度而增加。不同速度的影响适用于任何不同质混合物或密度分布，并且不限于图1中所示的密度分布。必须注意，速度是沿路径的平均数，使得在一些密度分布中可出现：在沿一个方向的平均数偶然与沿另一方向的平均数是相同的。为了确定这种情况下的不同质性，可引入另外的路径或者可检测时间相关变化。
图2是示出说明混合过程期间的不同质性随时间的发展的图。如果物质将被彻底混合，则超声信号的速度将在每个方向相等，使得比率t1/t2等于比率h/D，从而产生单值，其通过线条202表示。但是，如果物质例如如图1的示例所示的那样分布，则沿一个方向的速度将与沿另一方向的速度不同，使得测量的飞行时间比率不会对应于比率h/D，从而产生例如图2中的点208。介质在混合过程期间变得越同质，t1/t2就越接近恒定比率h/D，恒定比率h/D是t1/t2的渐进线。
因此，不需要确定波动量(例如方差)，而是仅确定比率t1/t2和h/D，这简化了求值。此外，没有测量时间变化。另外，在振荡的情况下，与绝对h/D常数偏差的单值指示不同质性，使得并非必须执行统计求值的长时间系列。例如，能够在可配置窗口中监测t1/t2与h/D之间的差，该可配置窗口包括一些单差值，其中检测到指示不同质性的值的概率几乎是100%。
图3示出用于测量介质的不同质性的方法的流程图300。测量穿过容器内部的介质的第一和第二超声信号的测量参数，包括下列步骤：在302，测量沿第一路径的第一超声信号的第一测量参数p1。在304，测量沿与第一路径不同的第二路径的第二超声信号的第二测量参数p2。在306，确定第一测量参数p1与第二超声信号的第二测量参数p2的比率p1/p2。在308，确定第一超声信号沿第一路径覆盖的距离h与第二超声信号沿第二路径覆盖的距离D的比率h/D。这个确定可例如通过测量或者通过从存储器检索比率h/D或者值h和D来获得。在310，比率t1/t2与比率h/D进行比较。最后在312，基于比率t1/t2与比率h/D的比较来控制过程。
如果对应路径长度为未知，则该过程期间的传播时间比率t1/t2的变化也能够被认为是不同质性的度量。还可使用幅度的衰减代替飞行时间来应用该方法。
图4示出图1中描绘的测量布置的第一变体的图，其中单换能器150包括两个发射器和两个接收器。换能器154发射第一信号150，该第一信号150沿第一路径150传播。信号150在介质140的表面142、容器102的壁和容器的底部处被反射。最后，换能器150再次接收第一信号150。此外，换能器154发射第二信号150，该第二信号150沿第二路径152传播。信号152在壁处在与换能器相对的点被反射回来，并且再次由换能器154接收。
图5示出图1中所描绘的测量布置的第二变体的图，该测量布置具有两个换能器160和162。换能器160包括两个发射器，并且换能器162包括两个接收器。第一信号由换能器160沿到达接收换能器162的路径来发射。第二信号由换能器160沿到达容器102的底部的路径来发射，其中它被反射，使得它到达换能器162。
图6示出图1中所描绘的测量布置的第三变体的图，该测量布置具有单换能器170。在这个示例中，在水平平面中实现两个不同路径120和122。两个信号中的每个在容器102的壁处被反射，并且再次到达换能器170，换能器170再次接收信号。
示例中的测量布置表明，许多变体，即，许多另外的变体也是可能的。显然，代替两个不同路径，可实现任何数量的不同路径。在多于两个路径的情况下，能够得到介质的物质的分布的更准确图像以及关于介质是否为同质的更可靠确定。
通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员在实施要求保护的本发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变更。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单处理器或另一单元可实现权利要求中所记载的若干项或步骤的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能用于获利。计算机程序可被存储/分布在适当介质上，所述适当介质诸如连同其他硬件或者作为其他硬件的一部分而提供的光存储介质或固态介质，但是也可采取其他形式，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统来分布。权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于测量容器(102)中的介质(140)的不同质性的测量系统(100)，包括：
第一超声发射器(104)，配置成沿第一路径(120)发送第一超声信号；
第二超声发射器(106)，配置成沿与所述第一路径不同的第二路径(122)发送第二超声信号；
第一超声接收器(108)，配置成接收所述第一超声发射器(104)所发送的所述第一超声信号，并且测量所接收的第一超声信号的第一测量参数p1；
第二超声接收器(110)，配置成接收所述第二超声发射器(106)所发送的所述第二超声信号，并且测量所接收的第二超声信号的第二测量参数p2；
控制单元(112)，配置成：
从所述第一超声接收器(108)接收所述第一测量参数p1；
从所述第二超声接收器(110)接收所述第二测量参数p2；
确定所述第一测量参数p1与所述第二测量参数p2的比率p1/p2；
将所述比率p1/p2和所述第一超声信号沿所述第一路径(120)覆盖的距离h与所述第二超声信号沿所述第二路径(122)覆盖的距离D的比率h/D进行比较；
基于所述比率p1/p2和所述比率h/D的所述比较来控制过程。
2.如权利要求1所述的测量系统(100)，其中，所述控制单元(112)进一步配置成基于所述比率p1/p2和所述比率h/D来确定比较值，以及如果所述比较值高于预定阈值，则控制过程。
3.如权利要求1或2所述的测量系统(100)，其中，所述第一测量参数p1是第一飞行时间t1，并且所述第二参数p2是第二飞行时间t2。
4.如权利要求1和2中的一项所述的测量系统(100)，其中，所述第一测量参数p1是与所述所发射和所述所接收的第一超声信号相关的所述超声信号的第一衰减a1，并且所述第二参数p2是与所述所发射和所述所接收的第二超声信号相关的所述第二超声信号的第二衰减a2。
5.如前述权利要求中的任一项所述的测量系统(100)，其中，所述控制单元进一步配置成监测和控制化学反应、所述介质中的相变、混合过程和/或所述介质(140)的温度差。
6.如前述权利要求中的任一项所述的测量系统(100)，其中，所述第一路径(120)是沿竖直方向的路径，并且所述第二路径(122)是沿水平方向的路径。
7.如权利要求6所述的测量系统(100)，
其中，所述第一超声发射器(104)和所述第一接收器(108)共置，并且所述第一超声信号在所述容器的壁处被反射；以及
其中，所述第二超声发射器(106)和所述第二接收器(110)共置，并且所述第二超声信号在所述介质(140)的所述表面处被反射。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的测量系统(100)的使用，所述测量系统(100)确定介质(140)的温度差、密度差和/或沉淀。
9.如权利要求1至7中的任一项所述的测量系统(100)的使用，所述测量系统(100)用于监测和控制容器中的化学反应、介质中的相变、混合过程和/或温度差。
10.一种用于测量容器(102)中的介质(140)的不同质性的方法(300)，其中，测量穿过容器内部的介质(140)的第一和第二超声信号的测量参数，包括下列步骤：
测量沿第一路径(120)的所述第一超声信号的第一测量参数p1；
测量沿第二路径(122)的所述第二超声信号的第二测量参数p2；
确定所述第一测量参数p1与所述第二超声信号的所述第二测量参数p2的比率p1/p2；
确定所述第一超声信号沿所述第一路径(120)覆盖的距离h与所述第二超声信号沿所述第二路径(122)覆盖的所述距离D的比率h/D；
将所述比率p1/p2和所述比率h/D进行比较；
基于所述比率p1/p2和所述比率h/D的所述比较来控制过程。
11.一种控制单元(112)，配置成：
从检测第一超声信号的第一超声接收器(108)接收第一测量参数p1，所述第一超声信号已经在沿第一路径传播；
从检测第二超声信号的第二超声接收器(110)接收第二测量参数p2，所述第二超声信号已经在沿第二方向传播；
确定所述第一测量参数p1与所述第二测量参数p2的比率p1/p2；
确定所述第一超声信号沿所述第一方向(120)覆盖的距离h与所述第二超声信号沿所述第二方向(122)覆盖的距离D的比率h/D；
将所述比率p1/p2和所述比率h/D进行比较；以及
基于所述比率p1/p2和所述比率h/D的所述比较来控制过程。
12.一种程序元件，所述程序元件在由测量系统(100)的处理器执行时指引如权利要求1至7中的任一项所述的测量系统(100)执行如权利要求10所述的方法(300)的步骤。
13.一种计算机可读介质(140)，所述计算机可读介质(140)上存储如权利要求12所述的程序元件。
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