CN1930454A - 用于探测及测量容器内填充物料的非内置方法 - Google Patents

Abstract

用于在一预定定点水平高度测量容器内填充物料水平高度及用于在一预定定点水平高度探测容器内填充物料存在的非内置方法，其基于对容器壁外表面在被施加一冲击载荷后产生的振动所进行的监测。该方法可使用近距离水平高度测量及远距离水平高度测量程序。近距离水平高度测量利用冲击中心附近振动空间的宏观动力特性。远距离水平高度测量利用冲击后延容器壁传播的横断弹性波的特性。所测的水平高度的值可通过对近距离水平高度测量程序的输出及远距离水平高度测量程序的输出进行联合评估来决定。

Description

用于探测及测量容器内填充物料的非内置方法

                      相关申请对照

本申请享有2003年12月23日申请的美国临时专利申请号码60/532,747之利益及优先权利，在此以引用其整体的方式合并于本文中。

技术领域

本发明关于用于测量容器内填充物料水平高度及用于探测容器内填充物料存在的方法。

背景技术

对容器内填充物质的存在及容器内填充物质所占空间量信息的了解，其必要性在很多工业及家庭应用中都十分明显。因此，在科技文献中已记载有各种各样的方法和设备。填充物料水平高度测量方法可以根据以下五种因素进行分类：

1.内置的对非内置的

2.方法对于容器物料的依赖性

3.方法对于填充物料的依赖性

4.对环境影响的恒定性

5.安全性

其中，首要的因素即内置对非内置，因为此因素是对测量方法及实施该方法的测量工具的最严重限制。因此，首先将从非内置的角度来讨论过往技术方法。内置方法需要测量设备元件位于容器内；而非内置方法仅限于不需要将测量设备元件置于容器内的情况。内置方法的数量明显大于非内置方法的数量。前述方法可以利用非常短的电脉冲的时域反射计量(TDR)的原理，其“……延一部分没于所测物料中的传输线或导波线(guide wire)传播……由于介电常数的改变而在物料分界面产生反射脉冲……”如美国专利号码5,610,611，6,452,467及6,481,276中所示，用发射脉冲与反射脉冲之间的时间差来确定物料水平高度。此方法可用于连续及定点水平高度测量应用中。

如美国专利号码5,631,633，4,896,536，6,105,425及5,862,431中所示，另一已知的物料存在探测及填充物料水平高度测量方法是基于对一机械系统的动力特性所进行的监视，其包括一直接与填充物料接触的振动结构。一些方法建议使用一机械臂，将其一端固定于一预定水平高度并将其另一端连至一开关，以对填充物料进行一水平高度继电器控制或定点水平高度测量。Dziedzic等人享有的美国专利6,111,211即为上述内置方法用于定点水平高度测量的一项实例。在利用对机械系统的动力特性所进行的监视的方法中，Dieulesaint等享有的美国专利号码4,954,977提出一定点液体水平高度测量方法，其对检测板中的蓝姆弹性波(Lambelastic waves)参数的变化进行监视。这些波由一发射机产生，并由测量系统的一个接收器接收。该检测板被安装在一池内的一预定水平高度。检测板一接触到填充液体，蓝姆波参数即发生显著变化，因此可以进行定点水平高度测量。科技公司(Scientific Technologies，Inc.)，制造另一振动水平高度传感器，VBS系列。公司网站 www.stiautomationproducts.com中对该传感器的描述如下：“VBS系列特别为在非常小，不足3英尺(1米)高的送料斗中所进行的固体水平高度探测而设计。VBS为一用于常压下对干燥固体使用的小巧的膜振动开关。”“其敏感度可依粉末的表观比重及流动性而改变，”因此探测敏感度依赖于膜在纵向上没入的部分。

有大量方法是基于填充物料的电容特性的。根据这些方法，将测量电容器的至少一个元件置于容器内部。测量电容器的电容依填充物料的量而变化且其可以对其计算得出与所测得的水平高度相对应的值。美国专利号码5,207,098及4,574,328显示出此等内置电容方法。

尽管受到一些特殊应用的限制，每种用于距离测量的超声、电磁及激光方法及其组合都可用于测量容器内填充物料的水平高度。在美国专利号码5,877,997，5,793,704，6,122,602，5,822,275，5,699,151，6,128,982及5,892,576中揭示了一些此等方法并显示出基于波序的内置式容器内填充物料水平高度测量的方法。

关于非内置水平高度测量方法，已知下列常用方法：

    ■放射性的

    ■电容性的

    ■超声的

    ■重力的

放射性方法是基于放射能量在穿过容器壁及填充物料后会减弱的事实。很明显地，放射系统依赖于容器物料及填充物料。这些系统不能用于连续水平高度测量且这些系统需要特殊设计及小心操作才可保证足够的安全。一可用于定点水平高度测量的放射系统的实例为Endress+Hauser制造的幅射测量系统DG57。

重力系统需要确知空的容器的重量及其尺寸，包括内部尺寸。重量测量设备的安装及填充物料实际水平高度的计算依容器内部的拓扑结构、填充物料的机械性能及环境条件，例如物料粘性或温度而变化，由于这些问题，重力系统在其适用性上受到限制。瑞典的Vishay Nobel制造一种此等重力系统。

用于容器内物料水平高度测量的非内置电容方法受到非常严重的限制。为获得令人满意的测量精确度，一传感电容器的各导电元件之间的距离必须大大小于其面积。事实上，在基本的略计分析下，两平行四边形板的电容如一著名公式所述：

$C=\frac{{\mathrm{k\ϵ}}_{o}A}{d}---\left(1\right)$

其中，C表示电容；ε_o表示电常数；k表示相对电容率；A表示一扁平长方形导电元件的面积；及d表示各导电元件之间的距离。注意本专利申请中所有数学符号均为标准符号(参照www.mathworld.wolfram.com)。假设d＝0.01m，A＝1.00m²，k＝2.5(介电材料的典型取值)，C＝2.5·8.85·10^-12·1.00/0.01＝22.125·10^-4μF.导电板面积10％的变化将引起电容221.25pF的变化。该值几近于用于一印刷电路板的配线的电容。因此，用于水平高度测量的非内置电容方法在实践上仅适用于非常小且填有介电填充物料的容器。由于同样的原因，在填有导电填充物料的应用中，非内置电容方法仅可用于壁相对较薄且不导电的容器。因此，用于容器内填充物料水平高度测量的非内置电容方法仅具有一较窄的应用范围。美国专利号码6,448,782及6,472,887提供了对用于容器内填充物料水平高度测量的非内置电容方法的设备进行利用的详细描述；前者适用于导电填充物料，后者适用于介电填充物料。

用于水平高度测量的超声非内置方法需在一容器外壁上装附一个或多个传感器，用于将声能传向将填充物料与容器内余留空间分开的分界面。测量系统的接收器获得反射超声波序并将其传送给设备的回声处理电子器。因此，除外部附加传感器外，这些方法具有用于距离或水平高度测量的著名内置超声方法的所有优点。然而，超声非内置方法由于其非内置性而较为有利。但同时，填充物料水平高度测量的超声非内置方法亦受到填充物料均质性的限制。典型地，此方法的测量系统被用于均一的液体填充物料。不可以用于散纤维或带有内含物的液体。另外，由于声音脉冲减弱、反射及传感器的尺寸等问题，此方法不适用于尺寸相对较小的容器。加之，该方法对温度具有依赖性，因此在测量过程中需要进行温度补偿。如果用于定点水平高度测量或物料存在探测，该方法倾向于因为有一定体积的粘性填充物料粘在容器内部表面上而产生错误警报。最后，基于超声的非内置技术需要对容器表面进行特殊处理以形成一导管，用以用一传感器将超声波发射进入容器内。此等技术的一项实施例为英国Cannongate技术公司的VesselCheck ST及SpotCheck。 www.cannongatetechnology.co.uk网站上公布的VesselCheck行销材料说：“使用VesselCheck ST，不用在容器上开孔。”该独特的VesselCheck ST可以毋需衔接步骤进行连续测量，即在安装过程中无停机时间。将两个小的超声传感器夹在容器外壁上。一个安设在容器底部，另一个安设在侧面，以对温度及密度的变化进行补偿。“SpotCheck使用超声“足迹”来确定一池或管内是否有液体存在。……为保证SpotCheck可以令人满意地进行操作，该池或管的表面必须经过正确地准备。”例如需要将安装传感器的区域的壁面除去表面缺陷并胶化。

美国高科科技公司(HiTECH Technologies，Inc.)亦发表了一相似的方法。此公司在市场上销售基于其渗透脉冲技术(PPT)[www.hightechtech.com网站上的在线文献：《渗透脉冲技术》]的连续及定点设备，其与英国Cannongate技术有限公司开发的方法类似。PPT的独特性在于其产生一单一的短超声脉冲，朝向填充物料穿透容器壁。高科科技开发的用于连续水平高度测量的SONOMETER及用于定点水平高度测量的SONOCONTROL都是基于PPT的。该公司在网站www.hitechtech.com上对其方法提供了全面的描述。对PPT方法的一分析显示出，该项技术为超声并使用脉冲经行时间(Pulse Transit Time)范例或对超声波减弱期间的监测来表示出容器外壁上装有特殊的声学传感器的平面内物料的存在。PPT亦受到水平高度测量的超声方法的所有上述限制。

一相关技术分析显示出所有已知的内置或非内置水平高度测量技术都受到容器物料、填充物料及环境因素的限制。亦请见：Burdik V.声纳系统分析.L.，1988；Skoochik E.声学基本原理.M.，1976；及Krasilnikov V.A.，Krylov V.V.物理声学介绍.M.，1984.

发明内容

本发明的目的即为开发一不受以上划线部分限制的用于容器内填充物料水平高度测量的非内置方法。

本文揭示一用于对一容器内填充物料水平高度进行非内置评估的方法。该方法可包括以下步骤：在容器外壁上至少一个单一的预定点起始机械振动；执行一近距离水平高度测量程序(CRMP)；执行一远距离水平高度测量程序(LRMP)；分析CRMP结果；分析LRMP结果；及基于对CRMP及LRMP的结果进行分析所得出的结论来评估容器内填充物料水平高度的值。

用于评估填充物料水平高度值的方法可包括对容器内填充物料水平高度的连续测量，对容器内填充物料水平高度由一定点水平高度的偏离进行连续监测，对容器内填充物料水平高度进行定点测量，容器内填充物料存在情况探测及基于填充物料水平高度的转换其中之一。

该方法可包括联合执行CRMP及LRMP以进行填充物料水平高度评估，其中在容器外表面上具有一个或多个点用于起始机械振动。

该方法可包括联合执行CRMP及LRMP以进行填充物料水平高度评估，其中在容器外表面上具有一个或多个点用于接收一机械振动。

该方法可包括当已知机械振动起始点附近有填充物料存在时，基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度的值进行测量。

该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对机械振动起始点附近的填充物料水平高度的偏离进行监测。

该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料定点水平高度的值进行评估。

该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度进行转换。

该方法可包括基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料的存在进行探测。

该方法可包括当填充物料水平高度不在机械振动起始点附近时，基于对LRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度的值进行测量。

该方法可包括使机械振动起始点与机械振动接收点共同位于容器顶部及容器底部之一。

该方法可包括通过施加至容器壁外表面的临时机械载荷来起始机械振动，该载荷通过一固态物体撞击，一气体动态撞击、一流体动态撞击、一弹道撞击及一电动态撞击其中之一而获得促动；及该机械载荷的时间图采用一单脉冲、一系列脉冲以及一连续的周期性载荷其中之一的形式。

该方法可包括使该时间图成为载荷调制的一函数，该调制为一调幅、一调频、一调相、一脉码调制、一脉宽调制及其组合之一，且该机械载荷源于一由一电磁驱动、一用于弹簧的机械能、一风动设备、一水力设备及一弹道撞击设备之一选出的驱动能的源的转化。

该方法可包括使CRMP对在至少一个接收点获得的机械振动进行分析，使LRMP对在至少一个接收点获得的机械振动进行分析，为其后的分析保存CRMP的结果及LRMP的结果。

该方法可包括通过在机械振动接收点处装附振动传感装置来捕捉容器壁外表面上的机械振动。

该方法可包括通过在机械振动接收点处使用远程振动传感装置来捕捉容器壁外表面上的机械振动。

该方法可包括使CRMP的结果包括一变量或多个变量的一矢量，其可决定CRMP的有效性；使LRMP的结果包括一变量或多个变量的一矢量，其可决定LRMP的有效性；与CRMP相关的变量包括一标为ψ_C的矢量，及与LRMP相关的变量包括一标为ψ_L的矢量。

该方法可包括产生时域的评估二进制变量，标为ξ₁及ξ₂，其中变量ξ₁表示在机械振动起始点附近有无填充物料存在及变量ξ₂表示LRMP生成一有效还是无效的结果。

该方法可包括使用矢量ψ_C来产生变量ξ₁及使用矢量Ψ_L来产生变量ξ₂。

该方法可包括使矢量ψ_C包括一于机械振动接收点处获得的机械振动的振幅函数，该函数由一预定的时间间隔定义及使矢量ψ_C包括一于机械振动接收点处获得的机械振动周期数的函数，且该函数由该时间间隔定义。

该方法可包括使CRMP通过提供在至少一个预定的机械振动起始点附近填充物料存在与否的信息来控制LRMP。

该方法可包括通过以下公式对容器内填充物料水平高度的值进行计算：

ξ₁＝0&ξ₂＝0y＝f(y_L)

ξ₁＝1      y＝f(y_C)

L_fm＝H-y，

其中ξ₁＝0表示填充物料超出机械振动起始点附近的范围，ξ₁＝1表示填充物料处于机械振动起始点附近的范围内，ξ₂＝0表示LRMP产生一有效结果，ξ₂＝1表示LRMP产生一无效结果，y表示一机械振动起始点与一容器内填充物料分界面之间的距离；y_L表示LRMP与水平高度相关的一输出；y_C表示CRMP与水平高度相关的一输出；L_fm表示容器内填充物料的水平高度；及H表示机械振动起始点的一已知高度。

该方法可包括通过实施两项操作来执行CRMP，其中第一项操作为一校准操作及第二项操作为一测量操作。

该方法可包括使校准操作包括以下步骤：在容器内物料分界面附近的上方定位一机械振动起始点；通过重复执行一基本测量程序(BMP)获取CRMP结果的一统计样本；由与一测量系统的静态传递算子的一上部饱和状态相关的统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ₁；在容器内填充物料分界面附近的下方定位机械振动起始点；通过重复执行BMP获取一CRMP输出的一统计样本；及由与测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的一统计样本取一评估变量ψ的值，标为ψ₂。

该方法可以进一步包括将机械振动起始点的位置逐步朝向容器内填充物料分界面移动；在每次变动机械振动起始点位置后重复权利要求24中所揭示的步骤及如果机械振动起始点的开始位置位于容器内填充物料分界面附近的上方，则存储评估变量最新的值ψ＝ψ₁及机械振动起始点与填充物料分界面之间的距离y＝y₁及如果机械振动起始点的开始位置位于容器内填充物料分界面附近的下方则存储评估变量最新的值ψ＝ψ₂及机械振动起始点与填充物料分界面之间的距离y＝y₂；及通过以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：

$K=\frac{{\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2}{y_{1\min }-y_{2\min }}$

${\mathrm{\ψ}}^0=\frac{(y_{1\min }-y_{2\min }){\mathrm{\ψ}}_2-y_{2\min }({\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2)}{y_{1\min }-y_{2\min }}$

其中，K表示一比降(slope)，ψ⁰表示测量系统的静态线性传递算子的一截距(intercept)，y_1min表示在ψ₁的两顺向读数之间差距达到预定差值的条件下所得的y₁最小值，及y_2min表示在ψ₂的两顺向读数之间差距达到预定差值的条件下所得的y₂最小值。

该校准操作可包括以下步骤：在容器内物料分界面附近的下方定位一机械振动起始点；通过重复执行基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本；由与一测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ₁；在容器内填充物料分界面附近的上方定们机械振动起始点在容器内填充物料分界面附近的上方定位机械振动起始点；通过重复执行BMP获取CRMP输出的一统计样本；及由与测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的一统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ₂。

该方法可包括使校准操作包括以下步骤：在机械振动起始点附近的上方定位一机械振动接收点；通过重复执行基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本；由与一测量系统的静态传递算子的一上部饱和状态相关的一统计样本取一值ψ₁；通过一公式ψ₂＝f(ψ₁)来计算评估变量ψ的一个值ψ₂，其中f(ψ₁)的最简单表达式为f(ψ₁)＝ψ₁+δ₁；ψ₂与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态相关，其中

即为一实数。

该方法可包括使校准操作包括以下步骤：在机械振动起始点附近的下方定位一机械振动接收点；通过重复执行BMP获取CRMP输出的一统计样本；由与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态相关的统计样本取一值ψ₂；通过一公式ψ₁＝(ψ₂)来计算评估变量ψ的一值ψ₁，其中(ψ₂)的最简单表达式为(ψ₂)＝ψ₂+δ₂；ψ₁与测量系统的静态传递算子的上部饱和状态相关，其中

即为一实数。

该方法可包括在机械振动起始点附近的上方定位一第一机械振动接收点；在机械振动起始点附近的下方定位一第二机械振动接收点；通过在第一机械振动接收点及第二机械振动接收点重复执行一基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本；由一于第一机械振动接收点处获取的统计样本取一评估变量；由一于第二机械振动接收点处获取的统计样本取一评估变量；根据以下公式计算一测量系统的静态传递算子的一测量系统的上部及下部饱和状态的值ψ₁，ψ₂：

         j＝(1，2)：Δψ_j＝ψ_j(t_i)-ψ_j(t_i-1)

          |Δψ_j-Δψ_j ^*|＜ε_jψ_j＝ψ_j(t_i)

其中j＝1表示第一机械振动接收点，j＝2表示第二机械振动接收点，i表示统计样本获取的瞬间，及ψ_j表示与机械振动接收点的第j个位置相对应的评估变量；及通过以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：

$K=\frac{{\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2}{y_1-y_2}$

${\mathrm{\ψ}}^0=\frac{(y_1-y_2){\mathrm{\ψ}}_2-y_2({\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2)}{y_1-y_2}$

其中，K表示一比降，ψ⁰表示测量系统的静态线性传递算子的截距，y₁表示接收器与测量系统静态传递算子的下部饱和点之间的距离，及y₂表示接收器与测量系统的静态传递算子的上部饱和点之间的距离。

该方法可包括设置一测量系统的传递算子的参数，该些参数由ψ₁，ψ₂，y₁，y₂，K，ψ⁰及其一组合其中之一选出。

该方法可包括使测量操作包括以下步骤：执行一基本测量程序(BMP)，其输出为一评估变量ψ(t)的一值及通过以下公式计算容器内填充物料水平高度的值：

          Δy(t)＝K^-1[ψ(t)-ψ⁰]

           L_fm＝f[y_a，Δy(t)]

其中，Δy(t)表示一填充物料分界面与一机械振动起始点之间一通过计算得出的距离，矢量y_a表示定位于容器上的机械振动起始点的座标，及L_fm表示容器内填充物料的水平高度。

该方法可包括通过以下公式计算填充物料水平高度的值：

       L_fm＝H^*±Δy(t)

其中，H^*表示机械振动起始点与容器底部之间的一已知的距离，及如果填充物料水平高度大于或等于H^*时使用算术符号“+”及如果填充物料水平高度小于H^*时则使用算术符号“-”。

该方法可包括使一基本测量程序(BMP)包括以下步骤：通过非切向对向容器外壁施加一机械载荷来起始机械振动；捕捉机械振动起始瞬间；接收由于起始机械振动而在容器壁一外表面上发生的一机械振动；获取机械振动的一些参数，其包括与所捕捉到的振动过程中至少一些周期相对应的振幅及频率；及通过将该些机械振动参数作为一输入来计算一标为ψ的评估变量的值。

该方法可包括监测机械振动的参数；存储进行校准操作时每一瞬间的参数值；将所监测的机械振动参数值与存储的参数值进行比较；建立一个反映机械振动的参数的监测值与存储值之间差距的值的矢量，标为近似矢量；及当近似矢量的组成部分显示出机械振动受监测参数的值超出了机械振动参数的监测值与机械振动参数的存储值之间差距的预定幅度，则实施校准操作。

该方法可包括为增进测量的有效性执行多于一次的BMP。

该方法可包括通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[A₁，A₂]表示一满足不受干扰的机械振动过程的标准的预定振幅范围，n表示由A_i∈[A₁，A₂]， i＝1，n&t＞t₀条件决定的机械振动频率f_i的次数，t₀表示施加载荷的瞬间。

该方法可包括通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[ω₁，ω₂]表示满足不产生机械弹性波的条件的频率范围，T_i表示于t₀瞬间开始的第i个所观察到的振动全周。

该方法可包括使测量具有一高可重复性及高准确性，并进一步包括：

$\mathrm{\ψ}\left(t\right)=q^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=q}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{\mathrm{\ψ}}_i\left(t\right)$

其中，ψ_i(t)表示通过第i次执行BMP获得的评估变量，及b_i表示与BMP的第i次执行相对应的权重因数。

该方法可包括将评估变量ψ_i(t)作为在一预定的时间间隔内于机械振动接收点处获得的机械振动振幅的函数，在一预定的时间间隔内于机械振动接收点处获得的机械振动周期数的函数，及在预定的机械振动起始点附近填充物料有无的函数之一。

该方法可包括监测在容器表面上至少两个不同点的机械振动，其中这些点依次被标为p1，p2，……，p_r，其中r表示点的数量；及基于来自每个机械振动接收点的输出形成评估变量ψ(t)。

该方法可包括为机械振动接收设置两个点并进一步包括通过以下公式计算评估变量ψ(t)：

         y_p1(t_i)＝K^-1[ψ_p1(t)-ψ⁰]

         y_p2(t_i)＝K^-1[ψ_p2(t)-ψ⁰]

         y_p1(t_i)-y_p2(t_i)＝constψ(t)＝f[ψ_p1(t)，ψ_p2(t)]

其中，y_p1，y_p2表示由p₁，p₂每一点至填充物料分界面的距离。

该方法可包括在每次测量中对容器外壁施加一系列机械载荷，从而每个机械载荷的施加都为一次撞击；该系列里的每次撞击生成一评估变量；确证每个与撞击相关的评估变量从而每个评估变量被认为或有效或无效；每个系列的撞击生成一个有效评估变量的数组；选择长度大于或等于一预定值的数组；为确定机械振动起始点附近有无填充物料存在的目的对每个数组进行统计学处理；形成一独立时域(discrete time domain)的二进制状态变量，标为s(t)，其表示机械振动起始点附近填充物料的有无；及包括进入CRMP的一矢量输出的状态变量。

该方法可包括通过运用主算法(Major Algorithm)来对有效评估变量的每一数组进行统计学处理。

该方法可包括通过以下公式形成该二进制状态变量：

     t_i，i＝ 1，r：

    ψ(t_i)∈ψ_validy(t_i)＝K^-1[ψ(t_i)-ψ⁰]

     s(t)＝F[ψ(t₁)，ψ(t₂)，...，ψ(t_r)，t]

其中，F[]表示多个评估变量的一函数。

该方法可包括根据以下公式计算函数F[]：

$F[\mathrm{\ψ}\left(t_1\right),\mathrm{\ψ}\left(t_2\right),...,\mathrm{\ψ}\left(t_r\right),t]=r^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=r}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(t_i\right).$

该方法可包括利用CRMP以改良的测量操作执行一定点水平高度测量。

该方法可包括使改良的测量操作包括以下步骤：执行一基本测量程序(BMP)，其输出为于执行BMP的瞬间获取的一评估变量ψ(t)的值；及通过以下公式计算与容器内填充物料水平高度相关的状态变量s(t)：

     ψ(t)＞0，s(t)：

     ψ(t)-ψ_1s＞0s(t)＝“填充物料位于水平高度定点下方”

     ψ(t)-ψ_2s＜0s(t)＝“填充物料位于水平高度定点上方”

其中，标为ψ_1s，ψ_2s的参数定义一定点测量的死区。

该方法可包括使该死区参数ψ_1s及ψ_2s为饱和点ψ₁及ψ₂的函数。

该方法可包括使一评估变量的一标为ψ’_s的值与一二进制状态变量的一已知的值相关联；对与该状态变量的反二进制(opposite binary)结果相关的评估变量的一标为ψ”_s的值进行计算，从而s(ψ”_s)＝s(ψ’_s)；存储ψ’_s及ψ”_s的值以在定点水平高度测量应用中的测量操作中进一步使用及用于水平高度定点附近物料存在探测及水平高度转换应用中；及根据BMP的执行时间表来更新ψ’_s及ψ”_s的值。

该方法可包括对容器外壁多于一个点施用CRMP及执行一重复的CRMP(RCRMP)，从而可以在多个点测量填充物料的水平高度。

该方法可进一步包括在容器外壁上延纵轴定位多个点；由容器外壁上的一起始位置开始朝向容器外壁上的一终止位置对这些点中的每一点依次施用一基本测量程序(BMP)直到满足以下条件：

$\∃j\∈[1,m]\⊆\ℵ:{\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right)\∈({{\mathrm{\ψ}}^{*}}_1,{{\mathrm{\ψ}}^{*}}_2)\⇒\mathrm{\ψ}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right),$

其中，ψ_j(t)表示用于BMP的一第j次执行的一评估变量；ψ^* ₁、ψ^* ₂及K^*分别表示一分布式测量系统或设备的一总计传递算子(aggregated transfer operator)的上部及下部饱和点及一增益系数；及通过以下公式计算水平高度：

   y^*＝(ψ^* ₁-ψ^* ₂)/K^*

   y_j(t)＝[ψ(t)-ψ⁰]/K^*

   y(t)＝(j-1)y^*±y_j(t)

   L_fm＝H-y(t)起始位置位于容器的上半部分

   L_fm＝y(t)起始位置位于容器的下半部分

其中，y^*表示与分布式测量系统的传递算子的一线性部分相对应的一分散距离；H表示开始位置的高，及“±”符号中的“+”用于表示一起始点位于容器的下半部分及“±”符号中的“-”用来表示一起始点位于容器的上半部分。

该方法可包括在容器外壁上延纵轴定位多个点；由容器外壁上的一起始位置开始朝向容器外壁上的一终止位置对这些点中的至少两个点同时施用基本测量程序(BMP)及探测满足以下条件的点的序号(ordering number)：

$\∃j\∈[1,m]\⊆\ℵ:{\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right)\∈({{\mathrm{\ψ}}^{*}}_1,{{\mathrm{\ψ}}^{*}}_2)\⇒\mathrm{\ψ}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right);$

及通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[ω₁，ω₂]表示满足不产生机械弹性波的条件的一频率范围，T_i表示于t₀瞬间开始的第i个所观察到的振动全周。

对于带有多层密度不同的结构的填充物料的应用，为测量容器内多层结构的每一层的尺寸，该方法可包括施用一重复的CRMP(RCRMP)。

该方法可在起始机械振动之前，可包括将元件安装在容器壁上从而为机械振动引起的弹性波在容器内的传播设置边界条件，以定义一水平高度测量系统的静态传递算子的一线性部分。

该方法可包括接收由在基本测量程序(BMP)的操作顺序中实施的至少一次撞击引起的至少一个声音信号及用一经测量的机械振动及一经测量的与机械振动相关的声音信号来计算BMP所得的一评估变量。

该方法可包括通过执行两项操作来执行LRMP，其中第一项操作为一校准操作及第二项操作为一测量操作。

用于LRMP的校准操作可包括以下步骤：设置一容器内填充物料水平高度的起始值；在一预定点对容器外壁非切向地施加机械振动以起始一横断波；在一预定的横断波接收点捕捉横断波的发生；及测量并存储在横断波起始的瞬间与捕捉到波发生的瞬间两者之间的标为ΔT^*的时间间隔的值，从而时间间隔ΔT^*与横断波起始点与填充物料分界面之间的标为y^*的距离相关联。

用于LRMP的测量操作可包括以下步骤：在横断波起始点对容器外壁非切向地施加机械振动；在一预定的横断波接收点捕捉横断波的发生；测量并存储横断波起始的瞬间及捕捉到波发生的瞬间两者之间标为ΔT的一时间间隔的一值，从而时间间隔ΔT与横断波起始点及填充物料分界面之间一标为y的距离相关联；及通过以下公式计算标为L_fm的所测水平高度：

$y=\frac{\mathrm{\ΔT}}{{\mathrm{\ΔT}}^{*}}\·y^{*}$

          L_fm＝H-y-d

其中，d表示容器一顶部与横断波起始点之间的一已知距离。

执行LRMP可包括以下步骤：安排在容器外壁上多个接收点处监测横断波的存在以补偿所监测的波在通过容器壁物质时其传播速度的可能变化；在横断波起始点对容器外壁非切向地施加机械振动；在该多个波的接收点中的每一点处捕捉横断波的存在；测量并存储横断波起始的瞬间及在这些点中第i个点处捕捉到波的瞬间两者之间标为ΔT_i的时间间隔的每一个值，从而每一时间间隔ΔT_i与第i个接收点及填充物料分界面之间标为y_i的距离相关联；及通过解以下次序m的数学等式体系来计算水平高度：

       F(L_fm，H，ΔT，d)＝0

其中，L_fm表示容器内填充物料的水平高度；H表示容器高度；ΔT表示横断波起始瞬间及在这些点中第i个点处捕捉到波的瞬间两者之间的时间间隔的一矢量；d表示容器一顶部与横断波起始点之间的一已知距离；m表示横断波接收点的数量。

该方法可包括通过以下公式计算所测量的水平高度：

$y=\frac{\mathrm{\ΔT}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}}^{*}}\·{\stackrel{\‾}{y}}^{*}$

$y^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y_i}}^{*}$

${\mathrm{\ΔT}}^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{T_i}}^{*}$

         L_fm＝H-y-d

其中， y^*及Δ T^*表示一总计校准距离及一通过监测在这些多横断波接收点中的n个接收点处所捕捉到的波的反应而获得的总计校准波传播时间，及ΔT表示横断波延容器壁的传播时间。

该方法可包括使一由LRMP生成的评估变量ψ_L∈ψ_L包括一变量ΔT，表示横断波延容器壁的传播时间，评估变量ψ_L为变量ΔT的一函数，从而ψ_L＝F(ΔT)，及实施一过滤或总计或统计处理以获取用于LRMP的评估变量。

该方法可包括通过以下公式计算变量ΔT：

$\mathrm{\ΔT}=m^{-1}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔT}}_j$

其中，ΔT_j表示m次测量的系列中于第j次测量获得的传播时间。

该方法亦可包括在容器一外壁上的一预定负载点设置一第一冲击载荷，以在容器壁及在容器内填充物料中起始一第一振动；在第一预定接收点接收第一振动的测量；分析在第一预定接收点接收的第一振动的测量以确定第一评估变量；及基于第一评估变量确定容器内填充物料的水平高度。

本发明此等及其他目标、特征及优点根据下面提供的本发明各实施例的附图及详细描述将会变得更加清晰。

附图说明

图1a为一本发明一实施例的系统的执行方法的示意图，其中撞击器及接收器呈平面内位置及填充物料分界面位于冲击中心的下方；

图1b为一本发明另一实施例的系统的执行方法的示意图，其中撞击器及接收器呈同轴位置；

图2描述了一与本发明方法的近距离水平高度测量程序相关的简化的非线性动态弹性体模型；

图3显示出一部分填有物料的管的纵截面；

图4显示出所测验的图3中的测量系统的非线性静态传递特征；

图5a描述了一用于一直径3.175厘米(1.25英寸)及壁厚3毫米填有水的玻璃纤维管的图3中的实验性设置中的机械振动的示波图；

图5b描述了一用于一直径3.175厘米(1.25英寸)及壁厚3毫米的空玻璃纤维管的图3中的实验性设置中的机械振动的示波图；

图6a描述了用于一填有水的管的机械振动的一示波图，其显示时间，频率及振幅；及

图6b描述了用于一空管的机械振动的一示波图，其显示时间，频率及振幅。

具体实施方式

本发明的方法基于对容器外壁的振动动作的监测；该动作，例如，通过对向容器壁施加一机械载荷而起始。

一方面，该方法利用一近距离水平高度测量程序(CRMP)以非内置地对容器内填充物料的水平高度进行测量。CRMP开发机械动力系统的特性，其包括容器壁及临近负载点的填充物料。在负载点及填充物料分界面之间一相对较短的距离，机械动力系统的振动，即“瞬间关联填充物料质量及瞬间关联容器壁质量”，被用来获得填充物料测量的水平高度。

另一方面，该方法利用一远距离水平高度测量程序(LRMP)对填充物料水平高度进行测量。LRMP开发一用于距离测量的基于弹性波的方法。

再另一个方面，本发明的方法在进行测量的同时可自动进行由CRMP输出至LRMP输出及反向的转换。对哪个程序输出形成一有效的水平高度读数的决定依赖于对CRMP输出及LRMP输出的联合评估。该开发的方法可包括以下顺序的步骤：

1.在容器外壁上至少一个单一预定位置起始振动；

2.基本同时执行CRMP及LRMP；

3.对CRMP的输出及LRMP的输出进行评估；及

4.基于对CRMP及LRMP的输出进行联合评估的结果来计算容器内填充物料水平高度的值。

下面，以一单一振动源的该方法最小限度形式对所提出的方法的每一步骤进行详细描述。

步骤1包括在容器外壁上至少一个单一的预定位置起始振动。该振动可在一机械冲击的相邻位置起始，其中心位于容器外壁上。该冲击载荷的时间图可以采取各种形式，包括一单脉冲，一系列脉冲或一连续的周期性载荷。第一步的每一冲击载荷类型都可以利用任何一种调制，例如，调幅、调频、脉码调制或其组合。对载荷产生振动的实现依赖于该方法的测量程序(LRMP/CRMP)。位于容器壁的一机械冲击可以依该指定测量项目的技术要求而通过任何适合的动力源来起始。冲击源的实例包括，但不限于，基于一螺线管、一弹簧、一液压及一气压的驱动。

步骤2包括基本同时执行CRMP及LRMP。一由测量系统的接收器捕捉到的机械振动为CRMP及LRMP的输入。每个程序都独立执行。联合应用CRMP及LRMP的输出来决定该方法的控制变量。

步骤3包括评估CRMP的输出及LRMP的输出。用于评估的CRMP输出及LRMP输出，可为一与程序相关的变量或多个变量的一矢量，其可决定程序的敏感度。使与CRMP相关的多个变量组成一标为ψ_C的矢量及使与LRMP相关的多个变量组成一标为ψ_L的矢量。对输出ψ_C及ψ_L的评估包括产生二进制评估变量ξ₁及ξ₂，从而：

$\∀t\∈[t_1,t_2],\∃{\mathrm{\ξ}}_1\underset{\·}{\∈}\left\{\mathrm{0,1}\right\},{\mathrm{\ξ}}_2\underset{\·}{\∈}\left\{\mathrm{0,1}\right\}:$

ψ_cΨ_Ceξ₁＝0，″不存在”

ψ_cΨ_Cfξ₁＝1，″存在”

ψ_LΨ_Lvξ₂＝0，″有效读数”

ψ_LΨ_Lnξ₂＝1，″无效读数”  (2)

其中，Ψ_Ce，表示与CRMP相关的多个矢量ψ_C的子集，其与冲击中心附近无填充物料相关联；Ψ_Cf，表示与CRMP相关的多个矢量ψ_C的子集，其与冲击中心附近有填充物料相关联；Ψ_Lv表示与LRMP相关的多个矢量ψ_L的子集，其与接收器及填充物料分界面之间的一有效距离测量相关联；ψ_Ln表示与LRMP相关的多个矢量ψ_L的子集，其与接收器及填充物料分界面之间的一无效距离测量相关联。

步骤4包括基于对CRMP及LRMP的输出的联合评估结果对容器内填充物料水平高度的值进行计算。为了计算所测量的水平高度的值，本发明的方法需要知道振动接收器及填充物料分界面之间的距离；该距离标为y。一旦获得该距离y，即可通过由容器壁上接收器位置的标为H的已知高度减去此距离来得到标为L_fm的填充物料水平高度。通过执行CRMP所获得的距离y标为y_C。通过执行LRMP所获得的距离y标为y_L。基于以上定义，容器内填充物料水平高度的值可以依以下进行计算：

ξ₁＝0&ξ₂＝0y＝y_L

ξ₁＝1      y＝y_C               (3)

L_fm＝H-y.

近距离水平高度测量程序(CRMP)

该近距离水平高度测量程序由对本发明作者进行的相关填充物料质量及相关容器壁质量系统中动力宏观过程(dynamic macro processes)的研究而得出。“相关”一词反应出如下观察：在对容器壁施加机械冲击之后的振动过程中影响到的物质的量是有限的及其依赖于冲击中心周围空间中的机械能量损耗。冲击中心周围空间包括容器壁及容器内物质。此空间亦包括任何冲击的机械源体及传感元件体如果前者被用于机械振动起始的一些方法的应用中及后者被用于通过被加附于容器外壁的用于机械振动接收的其他方法的应用中。冲击源具有一机械源对于本发明的方法并不重要。将传感元件加附于容器壁上对于本发明的方法亦不重要。然而，为了一般化，将进一步假定通过一质量为m_s的小的移动体对容器外壁施加一与时间相关的机械载荷；该移动体被称为撞击器。另外，假定将接收由冲击引起的机械振动的传感元件加附至容器外表面及其质量为m_r。

图1a及图1b中显示出该所研究的系统的一机械草图。在图1a中，一具有一壁的容器16包含有填充物料12。撞击器18被显示为与容器壁外表面相接触。该撞击器质量为m_s。一接收器20被显示为附于容器壁外表面。该接收器质量为m_r。填充撞击器18的冲击中心周围被振动的空间的有效相关质量的物质标为10。冲击中心用一虚线表示。箭头表示冲击中心及填充物料分界面之间的距离。在图1b中，接收器20被显示为与撞击器18位于同一条直线上。

图2中表示的是系统的简化弹性体模型。在此模型中，C₁表示质量m_s及质量m_e之间的支段(leg)的刚度；m_e表示填充冲击中心周围被振动的空间的物质的相关有效质量。m_e的值依赖于容器的形状，壁的密度及在振动过程中受到影响的空间内的物质的密度。m_e的值亦依赖于通过容器壁被导入填充物料内的机械能的总量。C₂表示质量m_r及质量m_e之间支段的刚度。β₁及β₂分别表示与刚度C₁及C₂相并联的阻尼系数。

一方面，通过分开撞击器与容器壁之间的机械接触的可能性，及另一方面，通过分开容器壁与机械振动接收器之间的机械接触的可能性，可产生模型实质上的非线性。另外，非线性可由于填充物料本身对机械媒介连贯性的违反而引起，例如粒状物料。以上所提到的非线性在图2中的弹性体模型中以两条平行线22的形式表示，其接附于每条弹簧体24的起始端。受振动的空间尺寸及填充物料的能量驰豫特性具有强烈的相反关系，从而填充物料机械能量损耗越高，机械振动所影响的空间的尺寸越小。另一重要观察为填充物料典型地包括两种主要成分：气态的及非气态的。在许多工业应用中，气态成分为空气及非气态成分为液体或散纤维/固体物料，在固体颗粒之间有填有空气的空隙。此等散纤维的实例包括棉网或棉球，聚氯乙烯小球或颗粒。

容器内振动物质的总量与冲击中心相关及其实际上依赖于填充物料水平高度及物料的种类。例如，如果容器16为一内径2·r及壁厚δ的管26，如图3所示。图3显示出一部分为物料12及空气28填充的管26的纵截面。图中显示出对有效相关质量概念进行理解所需要的冲击中心14的位置及管与填充物料的所有几何尺寸。图3中所示的对机械系统的动力分析得出一个结论即容器内振动物质的总量与冲击中心相关及其实际上且清晰地依赖于填充物料的水平高度及填充物料的类型。有效质量m_e可通过以下公式表达：

m_e＝m_w+m_a+m_f；

h_e＝h_a+h_f；

m_w＝ρ_wV_w，V_w＝πδh(2r+δ)；

m_a＝ρ_aV_a(h_a)；                 (4)

m_f＝ρ_fV_f(h_f)；

其中，m_w，m_a，及m_f分别表示管物料的质量、与冲击导致的振动过程相关的管内空气的质量及与冲击导致的机械振动过程相关的管内填充物料的质量；V_w，V_a及V_f分别表示管物料的体积、与冲击导致的振动过程相关的管内空气的体积及与冲击导致的机械振动过程相关的管内填充物料的体积；ρ_w，ρ_a及ρ_f分别表示管物料的密度、空气的密度及填充物料的密度，其为求该所示方法的简单性被视为是均质的；h表示与冲击导致的振动过程相关的管的部分的高度；h_a表示高度h的与管内空气相关的一部分，其与冲击导致的振动过程相关；h_f表示高度h的与管内填充物料相关的一部分，其与冲击导致的振动过程相关。

考虑到m_a＜＜m_f，可得出有效相关质量m_e与高度h_f呈直接比例的结论。此理解支持了如果填充物料分界面位于距离冲击中心±h_e的范围以内，则管内或任何其他容器内填充物料水平高度可通过对由朝向容器壁的冲击引起的机械振动的监测来获得测量的观点。

上面讨论的实施例为通过在图2中所示的3-质量弹性体模型的帮助而计算的MathCAD。模型的参数如下：

       ■管物料        -       玻璃纤维或钢

■内径        -        2.54毫米

■长度        -        600毫米

■壁厚        -        3毫米

■填充物料    -        水

利用由一空管(ω₁)及一填有水的管(ω₂)所获得的一单一脉冲载荷驰豫过程的自然频率的比例η＝ω₁/ω₂来评估模拟结果。在此例中，η＝1.5.模拟数据与由我们使用相似尺寸的玻璃纤维及金属管并在相似条件下所做的实验得到的数据之间的比较，见图1b，显示出两组数据具有12％的近似性。由模拟及实验数据获得的重要观察为在填有水的管中与自然频率相关的评估变量比在空管中的低。对于这一现像的解释基于以下理解。机械冲击之后受到管的横断波振动过程影响的空气的质量m_a，比填充临近冲击中心并参与在振动过程中的空间的水的质量小很多个数量级。因为液体持续与(在无气穴现象的条件下)装液体的容器壁保持机械接触，所研究的带有水的振动系统的结合质量比此不带有水的系统的质量大。这造成所研究的机械系统的主频减弱。

用一粒状物料填充管道则产生相反的效果：所研究的机械系统的主频相对于所振动的空管的主频有所上升。对所观察到的该现象的物理解释较复杂且其需要对所研究的机械系统在对机械媒介进行干扰及典型地在散纤维中的高度机械能量损耗条件下进行分析[Yavorski B.M.，Detlaf A.A.，物理手册Moscow，Nauka，1990；地壳研究：地球物理学方法；纵览： www.astronet.ru，11/21/2003；Olshevsky B.M.水力测距的统计学方法L.，1983；Yakovlev A.H.，K a blov G.P.短程声纳.L.，1983；及Golubkov A.G.专用声纳系统.L.，1987]。

由于管壁的明显硬度，管的一相对小的部分受到由冲击引起的振动过程影响。由此，图3中的值h，为冲击后填充物料的振动空间划界，则h的值对有效质量m_e的值有限制作用。当管中填有粒状物料时，有一定的颗粒在振动过程存在的每一瞬间都与振动的管壁相撞，因此增加容器壁外表面上所观察到的机械振动的频率及对数减量。一些颗粒由于颗粒之间的高相互摩擦而不振动，其产生一“Oscillon”现象并且分别减少包括管壁及填充物料在内的有效振动空间及增加振动频率。除此之外，在冲击附近的压缩粒状物料的存在使得振动空间中的该部分不能活动，因此产生严密的附着作用，其使得机械系统以高频率振动。因此，由粒状物料填充的容器的振动系统中的不同的物理过程的结合产生一可重复的可见效果：容器壁机械振动的主振动的对数衰减的下降伴随着其主频的上升。

受到振动的管道的自然频率清晰地依赖于填充物料类型来实际地增进本发明方法的实用性。

在图1b中所描述的实验性装置上所测得的频率范围处于1200-2000赫兹范围内。由于所有的观察都是在所监测的信号的多个阶段上做出的，声驻波的存在可被视为所观察到的现象的另一可能的解释。但是，考虑到在空气、水及粒状物料中声音传播速度的平均值[地壳研究：地球物理学方法；纵览： www.astronet.ru，11/21/2003；及马克机械工程标准手册，第十版Eugene A.Avallone及TheodoreBaumeister 3^rd：McGraw-Hill，NY]，可确定我们的实验性装置中的声驻波频率的预计值在上面指定的范围内不会下降[John William Strutt，the 3rd Baron Rayleigh.声理论.M.，1955]：

f＝c_m/2x

其中c_m表示介质中声音的速度；及x表示到达第一个波腹的距离。当x＝25.4mm，下列声驻波频率可以计算为：

      情况1：     空管。

                  c_a＝331.8m/s，f＝6,531.5Hz.

      情况2：     管内装有水。

                  c_fl＝1461.0m/s，f＝28,759.8Hz.

      情况3：     管内装有粒状物料。

                  c_g＝500.0-1,000.0m/s，f＝9,842.5-19,685.1Hz.

有效高度h_e的值不是常数。除已讨论的外，其尚依赖于许多因素。事实上，h_e如有效质量m_e一样为一随机变量。在所研究的机械系统中瞬时有效质量的随机性使水平高度测量复杂化。为提高此测量的准确性及可重复性，我们为测量系统装设了两个支架(未显示)。这些支架为冲击中心附近的机械振动创造可预测且稳定的边界条件。在所测验的实施例中，这些支架具有一延管的纵轴切开的半管形。每个支架长为150mm。支架的使用保证了测量的可重复性及准确性并使水平高度测量具有线性。为所测实施例所获取的静态传递算子为一线性函数，其于h^*≈±L_b处饱和，L_b表示支架的长度。图4中显示出所测测量系统的静态传递特征。大体上，图4显示出通过本发明方法所获得的一系统的典型的非线性静态传递特征，其中容器直径大大小于容器长度。

上面讨论的理论上及实验上的研究导致用于容器内填充物料水平高度测量的发明性非内置程序的产生。下面为对CRMP的详细描述，其包括计算评估变量值的多个可能性实施例。

CRMP包括两项主要操作：校准及测量。校准包括下面五个步骤。(自此，为简化数学符号，变量ψ_c的下标“c”将被省略。)

a.由位于冲击中心的填充物料分界面开始至远离冲击中心对向容器底部的填充物料分界面按步骤执行基本测量程序(BMP)。每一次BMP的输出都为标为ψ(y)的评估变量的值，其直接且清晰地与相对于冲击中心的填充物料分界面位置相联系。由冲击中心至填充物料分界面的距离标为y。

b.计录与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态的开始相关的评估变量的值ψ₁＝ψ(y₁)。

c.由位于冲击中心的填充物料分界面开始至远离冲击中心朝向容器顶部的填充物料分界面按步骤执行BMP。

d.记录与测量系统的静态传递算子的上部饱和状态的开始相关的评估变量的值ψ₂＝ψ(y₂)。

e.用以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：

$K=\frac{{\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2}{y_1-y_2}---\left(9\right)$

${\mathrm{\ψ}}^0=\frac{(y_1-y_2){\mathrm{\ψ}}_2-y_2({\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2)}{y_1-y_2}---\left(10\right)$

其中，K表示比降及ψ⁰表示测量系统的静态线性传递算子的截距。

CRMP的测量操作包括以下两个步骤：

a.执行BMP，其输出为在执行BMP的时间中的瞬间t获得的评估变量ψ(t)的值。

b.用以下公式计算容器内填充物料水平高度：

            y(t)＝K^-1[ψ(t)-ψ⁰]                      (11)

            L_fm＝H-y(t)                               (12)

其中，y(t)表示在冲击中心与接收器处于一同轴位置的情况下(见图1b)在填充物料分界面与接收器之间的经计算的距离；及H表示冲击中心的高度；L_fm表示容器内填充物料的水平高度。

CRMP以上列出的校准及测量操作都利用一基本测量程序(BMP)。BMP包括以下四个步骤：

a.对容器外壁表面施加一冲击载荷，从而冲击的方向与容器外壁表面不成切向，其穿过冲击中心并表示出冲击的瞬间；

b.接收一发生在容器壁外表面上的由冲击造成的机械振动；

c.在冲击的瞬间之后实施一预定的延迟后测量振动的基本参数，包括，例如，振幅及频率；及

d.将振动基本参数作为输入计算评估变量的值。

可选择各种变量作为BMP第(d)步中计算的评估变量。在第一实施例中，评估变量ψ(t)可为在预定振幅范围内的平均频率：

其中，[A₁，A₂]表示一满足不受干扰的振动过程的条件的预定振幅范围；n表示在A_i∈[A₁，A₂]，i＝1，n&t＞t₀条件下决定的振动频率f_i的数量；t₀表示施加载荷的瞬间。

在第二实施例中，评估变量可为在一预定频率范围内的振动全周的正弦的和。

其中，[ω₁，ω₂]表示一满足不产生机械驻波的条件的一预定的频率范围；m表示在{ω_i∈[ω₁，ω₂]，i＝1，m}&t＞t₀条件下决定的振动全周的数量；及T_i表示在开始瞬间t₀观察到的第i个振动全周。

在第三实施例中不同评估变量的结合应用，例如表达式(13)中的变量ψ_m1(t)＝ψ(t)及表达式(14)中的变量ψ_m2(t)＝ψ(t)，可以提高测量的可重复性及准确性。在基本情况中，此测量方法可用以下表达式描述：

$\mathrm{\ψ}\left(t\right)=q^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=q}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{mi}}\left(t\right)---\left(15\right)$

其中，ψ_mi(t)表示通过BMP的第i次执行获得的评估变量；b_mi表示与BMP的第i次执行相对应的权重因数；及q表示BMP的执行次数。权重因数的值依赖于所实施方法的技术应用。

在第四实施例中，可对容器外表面上的至少两个不同点上的机械振动进行监测。这些点用p₁，p₂，...p_r表示，其中r表示该些点的个数。此方法亦可增加测量的准确性及可重复性。在此实施例中，评估变量的计算包括来自位于每个点p_i的每个接收器的输出，其中i＝1，r。在两接收器装设在两分开的点p₁及p₂的特定情况中，评估变量的确认可以基于所测的由每一点至填充物料分界面之间的所测到的距离y_p1，y_p2之间的差距的恒定性标准。因此，在测量水平高度计算中仅使用有效的ψ(t)：

     y_p1(t_i)＝K^-1[ψ_p1(t)-ψ⁰]

     y_p2(t_i)＝K^-1[ψ_p2(t)-ψ⁰]

     y_p1(t_i)-y_p2(t_i)＝constψ(t)＝F[ψ_p1(t)，ψ_p2(t)].

根据一第五实施例，通过在每个测量中对容器壁施加多于一个的冲击载荷亦可大大提高水平高度测量的准确性及可重复性。在此情况中，本发明的方法需要：

a.计算每个冲击的评估变量并将其值存储为评估变量数列的一个元素以进行进一步处理；

b.对所得到的评估变量数列进行统计学处理并选择至少一个有效的数列；

c.确定在每个冲击的冲击中心附近范围以内是否有填充物料存在；

d.对每个有效的评估变量数列使用主算法来确定在冲击中心附近是否有填充物料存在；

e.形成一表示冲击中心附近有无填充物料存在的状态变量并且在定点水平高度测量或在定点水平高度上的物料存在探测情况中使该状态变量作为CRMP的输出；及

f.使该状态变量表示冲击中心附近有无填充物料存在，并用以下公式计算与评估变量相关的有效数列：

t_i，i＝ 1，r：

ψ(t_i)∈ψ_validy(t_i)＝K^-1[ψ(t_i)-ψ⁰]

ψ(t)＝F[ψ(t₁)，ψ(t₂)，...，ψ(t_r)，t]

其中，F[]表示由有效数列中的评估变量定义的一函数，其输出为CRMP所得的评估变量。在一可能性实施例中，可利用一总计函数计算变量ψ(t)，从而：

$F[\mathrm{\ψ}\left(t_1\right),\mathrm{\ψ}\left(t_2\right),...,\mathrm{\ψ}\left(t_r\right),t]=r^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=r}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(t_i\right)---\left(17\right)$

在公式(17)中，F[]表示基于在有r次冲击的有效序列中的每个第i次冲击处获取的一组评估变量定义的总计函数。

通过以上的解释可以看出定点水平高度测量为连续水平高度测量的特例。该定点水平高度测量可以利用CRMP以不变的BMP及一改良的测量操作而得到，如下：

a.执行BMP，其输出为于所执行的BMP的瞬间t时所获取的评估变量ψ(t)的值；及

b.通过以下公式计算关于容器内填充物料水平高度的状态变量：

    ψ(t)＞0，ε₁＞0，ε₂＞0，s(t)：

    |ψ(t)-ψ_1s|＜ε₁s(t)＝“填充物料位于水平高度定点下方”

    |ψ(t)-ψ_2s|＞ε₂s(t)＝“填充物料位于水平高度定点上方”

其中，标为ψ_1s及ψ_2s的该方法预定的死区参数为饱和点ψ₁及ψ₂的函数；s(t)表示状态变量。在最简单的情况中，可以如下计算饱和点：ψ_1s＝b₁ψ₁及ψ_2s＝b₂ψ₂，其中b1，b2为预定的系数。条件|ψ(t)-ψ_1s|＝ε₁或|ψ(t)-ψ_2s|＝ε₂可来自任何依赖于该方法的应用的技术规格的状态变量s(t)的二进制值。

很清楚的是有许多形式可以用于连续及定点测量应用中评估变量ψ(t)及状态变量s(t)的执行，包括表达式(13)至(18)中的那些。然而，所有的评估及状态变量都与本发明的方法的概念及范围相对应。公式(13)至(18)中定义的评估变量可作为本发明方法的整个描述中矢量ψ_C的成份；参照表达式(2)。

图5a及5b分别描述了用于一填有水的及一空的玻璃纤维管的机械振动的示波图例样。图6a及6b提供了利用上述使用玻璃纤维管的实验性设置中的机械振动示波图来形成评估变量ψ(t)的示例。在图6a中，用于填有水的管的下列值可依此确定：f₁＝1.538KHz，f₂＝1.538KHz，及f₃＝1.0KHz，及评估变量可以如此计算：ψ＝(f₁+f₂+f₃)/3＝1.304KHz。在图6b中，用于一空管的下列值可以依此确定：f₁＝1.429KHz，f₂＝5.5KHz，f₃＝1.538KHz，及f₄＝1.25KHz，及评估变量可以依此计算：ψ＝(f₁+f₂+f₃+f₄)/4＝1.5686KHz。

在容器外壁上多于一个点处执行CRMP可以在冲击中心附近范围以外进行水平高度测量。在此情况中，依本发明的执行方法在m个点同时或依次对填充物料水平高度进行测量。该方法的这两种实现方式都基于一观察，即在填充物料分界面位于m个可能的冲击中心的其中一个附近的条件下评估变量ψ(t)会改变。换句话说，由于测量系统的静态传递算子的饱和特性：

      ψ_j(t)≈ψ_1j or ψ_j(t)≈ψ_2j

${\mathrm{\ψ}}_{1j}\→{\mathrm{\ψ}}_1^{*},{\mathrm{\ψ}}_{2j}\→{\mathrm{\ψ}}_2^{*},j=\stackrel{\‾}{1,q}$

其中，由于测量系统的静态传递算子的饱和特性，q≤m；及ψ₁ ^*，ψ₂ ^*分别为分布系统的总计静态传递算子的上部及下部饱和参数。

用于远程水平高度测量的方法基于CRMP的重复执行，标为RCRMP，且其可通过一分布测量系统实现。在初始校准之后，分布测量系统可利用一顺序的方法或一并行的方法来测定所测量的水平高度。顺序方法可包括如下操作顺序：

a.安装一可在延容器纵轴上的m个预定点处起始并监测容器壁上振动的一单一测量系统；

b.由容器外壁上的预定起始点开始，按步骤实施BMP直到满足下列条件：

$\∃j\∈[1,m]\⊆\ℵ:{\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right)\∈({\mathrm{\ψ}}_1^{*},{\mathrm{\ψ}}_1^{*})\⇒\mathrm{\ψ}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right);$ 及

c.通过下列公式计算所测量的水平高度：

$y^{*}=({\mathrm{\ψ}}_1^{*}-{\mathrm{\ψ}}_2^{*})/K^{*}$

         y_j(t)＝[ψ(t)-ψ⁰]/K^*

         y(t)＝(j-1)y^*±y_j(t)

         L_fm＝H-y(t)

其中，ψ₁ ^*，ψ₂ ^*及K^*分别表示执行RCRMP的分布式测量系统的总计传递算子的上部及下部饱和点及增益系数；y^*表示与测量系统的传递算子的线性部分相对应的分散距离；H表示测量系统起始位置的高度；在计算y(t)的公式中，“±”号中的“+”表示起始点位于容器的底部及“±”中的“-”表示起始点位于容器的顶部。

并行方法可包括以下操作顺序：

a.安装多个用于在延容器的纵轴的某些预定点处起始并监测容器壁的振动的测量系统；

b.基本同时执行BMP并确定满足条件(19)的设备的序号(orderingnumber)；及

c.使用公式(20)计算所测水平高度，其中H表示用于第一测量系统的接收器位置的高度。

除远程水平高度测量外，在用于不同密度的多层结构填充物料的应用中利用执行RCRMP的分布式系统可在测量过程中进行可能的物料塑型。

远距离水平高度测量程序

一远距离水平高度测量程序(LRMP)亦已获得开发。LRMP基于一些弹性波，包括延容器壁传播的横断波在介质的不连续处，会被反射这一概念。[Karl F.Graff.弹性固体中的波运动.牛津：：克莱伦顿出版社，1975].在水平高度测量应用中，此种不连续可能由于与容器壁内表面贴附的填充物料造成。延容器壁传播的横断波遇到填充物料分界面高度上的不连续会被反射回接收器。因此，反射波传递了关于容器内填充物料水平高度的信息。基于这一理解，LRMP可使用任何先前技术的距离测量方法，包括，但不限于基于脉冲的及连续回声处理的技术，如脉冲经行时间方法、相差方法及振幅变化方法，如美国专利号码5,793,704、5,822,275、5,877,997、6,040,898及6,166,995及其他为地震分析而开发的非常成熟的方法中所示[网上注释：折射地震方法 www.mines.edu]。

下面假设测量技术基于脉冲经行时间范例来对LRMP进行描述。该技术似乎尤其适合于高度超过1.0米的容器。LRMP可以分两步执行或一步执行。

两步LRMP包括两主要的操作，即校准和测量。校准可通过以下两步骤完成：

1.在容器内填充物料分界面与振动接收器之间的已知距离标为y^*，对该容器外壁表面施加一机械载荷，从而冲击的方向不呈切向地穿过冲击中心且表示出冲击的瞬间；及

2.监测反射波，测量并存储冲击瞬间与冲击的反应被表示出来的瞬间两者之间的时间间隔ΔT^*的值，从而时间间隔ΔT^*清晰地与距离y^*相关联。

用于两步LRMP的测量可通过以下三步完成：

1.对容器外壁表面施加一机械载荷，从而冲击方向不呈切向地穿过冲击中心的切线并表示出冲击的瞬间；

2.监测反射波，测量并存储冲击的瞬间与冲击的反应被表示出来的瞬间两者之间的时间间隔的值；及

3.通过以下公式计算所测的水平高度：

$y=\frac{\mathrm{\ΔT}}{{\mathrm{\ΔT}}^{*}}\·y^{*}---\left(21\right)$

L_fm＝H-y

其中H表示冲击中心与容器底部之间的距离。

该一步LRMP可通过以下四步完成：

1.在与冲击中心呈预定距离的一个或多个地方安装一个或多个额外的振动接收器以补偿所监测的波在通过容器壁物料传播时其速度的可能变化。因此可为执行该方法的测量系统安装一个主接收器及至少一个补偿接收器；

2.对容器外壁表面施加一机械载荷，从而冲击方向不呈切向地穿过冲击中心并表示出冲击的瞬间；

3.基本同时通过测量及存储冲击瞬间与冲击的反应被主接收器(ΔT)及补偿接收器(ΔT^*)表现出来的瞬间两者之间的时间间隔的值来对反射波进行监测；及

4.通过以下公式为一补偿接收器计算用公式(19)测得的水平高度：

     f(ΔT，y)＝0；                              (22a)

     f(ΔT^*，y^*)＝0，|ΔT^*|＝n，|y^*|＝n；        (22b)

     L_fm＝H-y                                    (22c)

其中，第一个等式，(22a)，表示由主接收器至填充物料分界面的距离之间的关系；第二个等式，(22b)，表示由多个补偿接收器至填充物料分界面的距离之间的关系。上面的等式系统表示出使用补偿测量设备来测定一物理变量的多个著名方法其中之一，并可作为举例说明。

在由补偿接收器提供已知距离y^*及可测量的经行时间ΔT^*的特定情况中，可以通过以下公式来获得水平高度测量：

$y=\mathrm{\ΔT}\·\frac{y^{*}}{{\mathrm{\ΔT}}^{*}}$

            L_fm＝H-y

用于一个补偿接收器或通过以下公式用于测量系统中多于一个的补偿接收器：

$y=\mathrm{\ΔT}\·\frac{{\stackrel{\‾}{y}}^{*}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}}^{*}}$

${\stackrel{\‾}{y}}^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{y_i}^{*},{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}}^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ΔT}}_i}^{*}$

        L_fm＝H-y

其中，y^*及ΔT^*表示用测量系统中n个补偿接收器来获得的总计校准距离及总计校准波的传播时间。较清楚的是过滤或总计其中任何一种都可适用于LRMP的输出。公式(21)及(23)中的变量ΔT与在CRMP中定义的评估变量ψ(t)起同样的作用。因此为使测量更具准确性及可重复性，根据一可能性实施例，可以如下计算ΔT：

$\mathrm{\ΔT}=m^{-1}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔT}}_j\text{---}\left(24\right)$

其中，ΔT_j表示一系列m次的测量中于第j次测量时获得的传播时间。总计的方法依赖于对其使用所提出的方法的特定应用，且不限于公式(24)。在公式(21)、(23)及(24)中定义的评估变量可作为本发明的方法的整个描述中矢量ψ_L的成份；参照表达式(2)。

上面所揭示的方法可对任何尺寸及物料以及装有任何物理属性的填充物质的各种容器内的填充物料进行真正的非内置水平高度测量。此外，可以利用本发明来测定其他填充物料的物理参数或特性，其对系统的机械振动产生影响，包括，例如，填充物料的密度。

尽管本发明是就此处所示的详细实施例进行描述的，但此技术行业中专业人员应可理解不脱离本发明的精神及范围而在其形式上或其详细内容上所作的各种变化。

Claims (84)

1.一用于对一容器内填充物料水平高度进行非内置评估的方法，包括以下步骤：

在容器外壁上至少一个单一的预定点起始机械振动；

执行一近距离水平高度测量程序(CRMP)；

执行一远距离水平高度测量程序(LRMP)；

分析CRMP的结果；

分析LRMP的结果；及

基于对CRMP及LRMP结果进行分析所得出的结论来评估容器内填充物料水平高度的值。

2.如权利要求1中所要求的方法，其中对填充物料水平高度值的评估包括对容器内填充物料水平高度的连续测量，对容器内填充物料水平高度由一定点水平高度的偏离进行连续监测，对容器内填充物料水平高度进行定点测量，容器内填充物料存在情况探测及基于填充物料水平高度的转换其中之一。

3.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

联合执行CRMP及LRMP以进行填充物料水平高度评估，其中在容器外表面上具有一个或多个点用于起始机械振动。

4.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

联合执行CRMP及LRMP以进行填充物料水平高度评估，其中在容器外表面上具有一个或多个点用于接收一机械振动。

5.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

当已知机械振动起始点附近有填充物料存在时，基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度的值进行测量。

6.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

基于对CRMP的结果所进行的分析对机械振动起始点附近的填充物料水平高度的偏离进行监测。

7.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料定点水平高度的值进行评估。

8.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度进行转换。

9.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

基于对CRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料的存在进行探测。

10.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

当填充物料水平高度不在机械振动起始点附近时，基于对LRMP的结果所进行的分析对容器内填充物料水平高度的值进行测量。

11.如权利要求1中所要求的方法，其中机械振动起始点与机械振动接收点共同位于容器顶部及容器底部其中之一。

12.如权利要求1中所要求的方法，其中通过施加至容器壁外表面的临时机械载荷来起始机械振动，该载荷通过一固态物体撞击，一气体动态撞击、一流体动态撞击、一弹道撞击及一电动态撞击其中之一而获得促动；及该机械载荷的时间图采用一单脉冲、一系列脉冲以及一连续的周期性载荷其中之一的形式。

13.如权利要求12中所要求的方法，其中该时间图为载荷调制的一函数，该调制为一调幅、一调频、一调相、一脉码调制、一脉宽调制及其组合之一，且该机械载荷源于一由一电磁驱动、一用于弹簧的机械能、一风动设备、一水力设备及一弹道撞击设备之一选出的驱动能的源的转化。

14.如权利要求1中所要求的方法，其中CRMP对在至少一个接收点获得的机械振动进行分析，LRMP对在至少一个接收点获得的机械振动进行分析，为其后的分析保存CRMP的结果及LRMP的结果。

15.如权利要求14中所要求的方法，其进一步包括：

通过在机械振动接收点处装附振动传感装置来捕捉容器壁外表面上的机械振动。

16.如权利要求14中所要求的方法，进一步包括：

通过在机械振动接收点处使用远程振动传感装置来捕捉容器壁外表面上的机械振动。

17.如权利要求1中所要求的方法，其中CRMP的结果包括一变量或多个变量的一矢量，其可决定CRMP的有效性；LRMP的结果包括一变量或多个变量的一矢量，其可决定LRMP的有效性；与CRMP相关的变量包括一标为ψ_C的矢量，及与LRMP相关的变量包括一标为ψ_L的矢量。

18.如权利要求17中所要求的方法，进一步包括：

产生时域的评估二进制变量，标为ξ₁及ξ₂，其中变量ξ₁表示在机械振动起始点附近有无填充物料存在及变量ξ₂表示LRMP生成一有效还是无效的结果。

19.如权利要求18中所要求的方法，进一步包括：

使用矢量ψ_C来产生变量ξ₁及；

使用矢量ψ_L来产生变量ξ₂。

20.如权利要求19中所要求的方法，其中矢量ψ_C包括一于机械振动接收点处获得的机械振动的振幅函数，该函数由一预定的时间间隔定义及该矢量ψ_C包括一于机械振动接收点处获得的机械振动周期数的函数，且该函数由该时间间隔定义。

21.如权利要求10中所要求的方法，其中CRMP通过提供在至少一个预定的机械振动起始点附近填充物料存在与否的信息来控制LRMP。

22.如权利要求21中所要求的方法，其中通过以下公式对容器内填充物料水平高度的值进行计算：

        ξ₁＝0 & ξ₂＝0y＝f(y_L)

        ξ₁＝1         y＝f(y_C)

        L_fm＝H-y，

其中ξ₁＝0表示填充物料超出机械振动起始点附近的范围，ξ₁＝1表示填充物料处于机械振动起始点附近的范围内，ξ₂＝0表示LRMP产生一有效结果，ξ₂＝1表示LRMP产生一无效结果，y表示一机械振动起始点与一容器内填充物料分界面之间的距离；y_L表示LRMP一与水平高度相关的输出；y_C表示CRMP一与水平高度相关的输出；L_fm表示容器内填充物料的水平高度；及H表示机械振动起始点的一已知高度。

23.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

通过实施两项操作来执行CRMP，其中第一项操作为一校准操作及第二项操作为一测量操作。

24.如权利要求23中所要求的方法，其中校准操作包括以下步骤：

在容器内物料分界面附近的上方定位一机械振动起始点；

通过重复执行一基本测量程序(BMP)来获得CRMP输出的一统计样本；

由与一测量系统的静态传递算子的一上部饱和状态相关的统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ₁；

在容器内填充物料分界面附近的下方定位机械振动起始点；

通过重复执行BMP获得CRMP输出的一统计样本；及

由与测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的一统计样本取一评估变量ψ的值，标为ψ₂。

25.如权利要求24中所要求的方法，进一步包括：

将机械振动起始点的位置逐步朝向容器内填充物料分界面移动；

在每次变动机械振动起始点位置后重复权利要求24中所揭示的步骤及如果机械振动起始点的开始位置位于容器内填充物料分界面附近的上方，则存储评估变量最新的值ψ＝ψ₁及机械振动起始点与填充物料分界面之间的距离y＝y₁及如果机械振动起始点的开始位置位于容器内填充物料分界面附近的下方则存储评估变量最新的值ψ＝ψ₂及机械振动起始点与填充物料分界面之间的距离y＝y₂；及

通过以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：

$K=\frac{{\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2}{y_{1\min }-y_{2\min }}$

${\mathrm{\ψ}}^0=\frac{(y_{1\min }-y_{2\min }){\mathrm{\ψ}}_2-y_{2\min }({\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2)}{y_{1\min }-y_{2\min }}$

其中，K表示一比降(slope)，ψ⁰表示测量系统的静态线性传递算子的一截距(intercept)，y_1min表示在ψ₁的两顺向读数之间差距达到预定差值的条件下所得的y₁最小值，及y_2min表示在ψ₂的两顺向读数之间差距达到预定差值的条件下所得的y₂最小值。

26.如权利要求23中所要求的方法，其中校准操作包括以下步骤：

在容器内物料分界面附近的下方定位一机械振动起始点；

通过重复执行基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本；

由与一测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ₁；

在容器内填充物料分界面附近的上方定位机械振动起始点；

通过重复执行BMP获取CRMP输出的一统计样本；及

由与测量系统的静态传递算子的一下部饱和状态相关的一统计样本取一标为ψ的评估变量的值，标为ψ₂。

27.如权利要求23中所要求的方法，其中校准操作包括以下步骤：

在机械振动起始点附近的上方定位一机械振动接收点；

通过重复执行基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本；

由与一测量系统的静态传递算子的一上部饱和状态相关的一统计样本取一值ψ₁；及

通过一公式ψ₂＝f(ψ₁)来计算评估变量ψ的一个值ψ₂，其中f(ψ₁)的最简单表达式为f(ψ₁)＝ψ₁+δ₁；ψ₂与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态相关，其中

即为一实数。

28.如权利要求23中所要求的方法，其中校准操作包括以下步骤：

在机械振动起始点附近的下方定位一机械振动接收点；

通过重复执行BMP获取CRMP输出的一统计样本；

由与测量系统的静态传递算子的下部饱和状态相关的统计样本取一值ψ₂；及

通过一公式ψ₁＝(ψ₂)来计算评估变量ψ的一值ψ₁，其中(ψ₂)的最简单表达式为(ψ₂)＝ψ₂+δ₂；ψ₁与测量系统的静态传递算子的上部饱和状态相关，其中即为一实数。

29.如权利要求23中的要求的方法，进一步包括：

在机械振动起始点附近的上方定位一第一机械振动接收点；

在机械振动起始点附近的下方定位一第二机械振动接收点；

通过在第一机械振动接收点及第二机械振动接收点重复执行一基本测量程序(BMP)获取CRMP输出的一统计样本；

由一于第一机械振动接收点处获取的统计样本取一评估变量；

由一于第二机械振动接收点处获取的统计样本取一评估变量；

根据以下公式计算一测量系统的静态传递算子的一测量系统的上部及下部饱和状态的值ψ₁，ψ₂：

j＝(1，2)：Δψ_j＝ψ_j(t_i)-ψ_j(t_i-1)

|Δψj-Δψ_j ^*|＜ε_jψ_j＝ψ_j(t_i)

其中j＝1表示第一机械振动接收点，j＝2表示第二机械振动接收点，i表示统计样本获取的瞬间，及ψ_j表示与机械振动接收点的第j个位置相对应的评估变量；及

通过以下公式计算测量系统的非饱和线性静态传递算子的参数：

$K=\frac{{\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2}{y_1-y_2}$

${\mathrm{\ψ}}^0=\frac{(y_1-y_2){\mathrm{\ψ}}_2-y_2({\mathrm{\ψ}}_1-{\mathrm{\ψ}}_2)}{y_1-y_2}$

其中，K表示一比降，ψ⁰表示测量系统的静态线性传递算子的截距，y₁表示接收器与测量系统静态传递算子的下部饱和点之间的距离，及y₂表示接收器与测量系统的静态传递算子的上部饱和点之间的距离。

30.如权利要求1中所要求的方法，进一步包括：

设置一测量系统的传递算子的参数，该些参数由ψ₁，ψ₂，y₁，y₂，K，ψ⁰及其一组合其中之一选出。

31.如权利要求23中所要求的方法，其中测量操作包括以下步骤：

执行一基本测量程序(BMP)，其输出为一评估变量ψ(t)的一值及通过以下公式计算容器内填充物料水平高度的值：

                Δy(t)＝K^-1[ψ(t)-ψ⁰]

                L_fm＝f[y_a，Δy(t)]

其中，Δy(t)表示一填充物料分界面与一机械振动起始点之间一通过计算得出的距离，矢量y_a表示定位于容器上的机械振动起始点的座标，及L_fm表示容器内填充物料的水平高度。

32.如权利要求31中所要求的方法，进一步包括：

通过以下公式计算填充物料水平高度的值：

                L_fm＝H^*±Δy(t)

其中，H^*表示机械振动起始点与容器底部之间的一已知的距离，及如果填充物料水平高度大于或等于H^*时使用算术符号“+”及如果填充物料水平高度小于H^*时则使用算术符号“-”。

33.如权利要求23中所要求的方法，其中一基本测量程序(BMP)包括以下步骤：

通过非切向对向容器外壁施加一机械载荷来起始机械振动；

捕捉机械振动起始瞬间；

接收由于起始机械振动而在容器壁一外表面上发生的一机械振动；

获取机械振动的一些参数，其包括与所捕捉到的振动过程中至少一些周期相对应的振幅及频率；及

通过将该些机械振动参数作为一输入来计算一标为ψ的评估变量的值。

34.如权利要求33中所要求的方法，进一步包括：

监测机械振动的参数；

存储进行校准操作时每一瞬间的参数值；

将所监测的机械振动参数值与该些参数的存储值进行比较；

建立一个反映机械振动的参数的所监测的值与存储值之间差距的值的矢量，标为近似矢量；及

当近似矢量的组成部分显示出机械振动受监测参数的值超出了机械振动参数的所监测的值与机械振动参数的存储值之间差距的一预定幅度，则实施校准操作。

35.如权利要求33中所要求的方法，进一步包括：

为增进测量的有效性执行多于一次的BMP。

36.如权利要求35中所要求的方法，进一步包括：

通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[A₁，A₂]表示一满足不受干扰的机械振动过程的标准的一预定振幅范围，n表示由A_i∈[A₁，A₂]，-i＝ 1，n & t＞t₀条件决定的机械振动频率f_i的次数，t₀表示施加载荷的瞬间。

37.如权利要求35中所要求的方法，进一步包括：

通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[ω₁，ω₂]表示满足不产生机械弹性波的条件的频率范围，T_i表示于t₀瞬间开始的第i个所观察到的振动全周。

38.如权利要求35中所要求的方法，使测量具有一高可重复性及高准确性，进一步包括：

$\mathrm{\ψ}\left(t\right)=q^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=q}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{\mathrm{\ψ}}_i\left(t\right)$

其中，ψ_i(t)表示通过第i次执行BMP获得的评估变量，及b_i表示与BMP的第i次执行相对应的权重因数。

39.如权利要求38中所要求的方法，进一步包括：

评估变量ψ_i(t)作为在一预定的时间间隔内于机械振动接收点处获得的机械振动振幅的一函数，在一预定的时间间隔内于机械振动接收点处获得的机械振动周期次数的一函数，及在一预定的机械振动起始点附近有无填充物料的一函数之一。

40.如权利要求35中所要求的方法，进一步包括：

监测在容器表面上至少两个不同点的机械振动，其中这些点依次被标为p1，p2，……，p_r，其中r表示点的数量；及

基于来自每个机械振动接收点的输出形成评估变量ψ(t)。

41.如权利要求40中所要求的方法，其中为机械振动接收设置两个点，进一步包括：

通过以下公式计算评估变量ψ(t)：

            y_p1(t_i)＝K^-1[ψ_p1(t)-ψ⁰]

            y_p2(ti)＝K^-1[ψ_p2(t)-ψ⁰]

            y_p1(t_i)-y_p2(t_i)＝constψ(t)＝f[ψ_p1(t)，ψ_p2(t)]

其中，y_p1，y_p2表示由p₁，p₂每一点至填充物料分界面的距离。

42.如权利要求23中所要求的方法，进一步包括：

在每次测量中对容器外壁施加一系列机械载荷，从而每个机械载荷的施加都为一次撞击；

该系列里的每次撞击生成一评估变量；

确证每个与撞击相关的评估变量从而每个评估变量被认为或有效或无效；

每个系列的撞击生成一个有效评估变量的数组；

选择一些长度大于或等于一预定值的数组；

为确定机械振动起始点附近有无填充物料存在的目的对每个数组进行统计学处理；

形成一独立时域(discrete time domain)的二进制状态变量，标为s(t)，其表示机械振动起始点附近填充物料的有无；及

将该状态变量包括入CRMP的一矢量输出。

43.如权利要求42中所要求的方法，进一步包括：

通过运用主算法(Major Algorithm)来对有效评估变量的每一数组进行统计学处理。

44.如权利要求42中所要求的方法，进一步包括：

通过以下公式形成该二进制状态变量：

            t_i，i＝ 1，r：

            ψ(t_i)∈ψ_validy(t_i)＝K^-1[ψ(t_i)-ψ⁰]

            s(t)＝F[ψ(t₁)，ψ(t₂)，...，ψ(t_r)，t]

其中，F[]表示多个评估变量的一函数。

45.如权利要求44中所要求的方法，进一步包括：

根据以下公式计算函数F[]：

$F[\mathrm{\ψ}\left(t_1\right),\mathrm{\ψ}\left(t_2\right),...,\mathrm{\ψ}\left(t_r\right),t]=r^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=r}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(t_i\right).$

46.如权利要求23中所要求的方法，进一步包括：

利用CRMP以改良的测量操作执行一定点水平高度测量。

47.如权利要求46中所要求的方法，其中：改良的测量操作包括以下步骤：

执行一基本测量程序(BMP)，其输出为于执行BMP的瞬间获取的一评估变量ψ(t)的值；及

通过以下公式计算与容器内填充物料水平高度相关的状态变量s(t)：

        ψ(t)＞0，s(t)：

        ψ(t)-ψ_1s＞0s(t)＝“填充物料位于水平高度定点下方”

        ψ(t)-ψ_2s＜0s(t)＝“填充物料位于水平高度定点上方”

其中，标为ψ_1s，ψ_2s的参数定义一定点测量的死区。

48.如权利要求47中所要求的方法，其中该死区参数ψ_1s及ψ_2s为饱和点ψ₁及ψ₂的函数。

49.如权利要求46中所要求的方法，进一步包括：

使一评估变量的一标为ψ’_s的值与一二进制状态变量的一已知的值相关联；

对与该状态变量的反二进制(opposite binary)结果相关的评估变量的一标为ψ”_s的值进行计算，从而s(ψ”_s)＝s(ψ’_s)；

存储ψ’_s及ψ”_s的值以在定点水平高度测量应用中的测量操作中进一步使用及用于水平高度定点附近物料存在探测及水平高度转换应用中；及

根据BMP的执行时间表来更新ψ’_s及ψ”_s的值。

50.如权利要求23中所要求的方法，进一步包括：

对容器外壁多于一个点施用CRMP；及

执行一重复的CRMP(RCRMP)，从而可以在多个点测量填充物料的水平高度。

51.如权利要求50中所要求的方法，进一步包括：

在容器外壁上延纵轴定位多个点；

由容器外壁上的一起始位置开始朝向容器外壁上的一终止位置对这些点中的每一点依次施用一基本测量程序(BMP)直到满足以下条件：

$\∃j\∈[1,m]\⊆\ℵ:{\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right)\∈({{\mathrm{\ψ}}^{*}}_1,{{\mathrm{\ψ}}^{*}}_2)\⇒\mathrm{\ψ}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right),$

其中，ψ_j(t)表示用于BMP的一第j次执行的一评估变量；ψ^* ₁、ψ^* ₂及K^*分别表示一分布式测量系统或设备的一总计传递算子(aggregated transfer operator)的上部及下部饱和点及一增益系数；及

通过以下公式计算水平高度：

                y^*＝(ψ^* ₁-ψ^* ₂)/K^*

                y_j(t)＝[ψ(t)-ψ⁰]/K^*

                y(t)＝(j-1)y^*±y_j(t)

                L_fm＝H-y(t)起始位置位于容器的上半部分

                L_fm＝y(t)起始位置位于容器的下半部分

其中，y^*表示与分布式测量系统的传递算子的一线性部分相对应的一分散距离；H表示开始位置的高度，及“±”符号中的“+”用于表示一起始点位于容器的下半部分及“±”符号中的“-”用来表示一起始点位于容器的上半部分。

52.如权利要求50中所要求的方法，进一步包括：

在容器外壁上延纵轴定位多个点；

由容器外壁上的一起始位置开始朝向容器外壁上的一终止位置对这些点中的至少两个点同时施用基本测量程序(BMP)及探测满足以下条件的点的序号(ordering number)：

$\∃j\∈[1,m]\⊆\ℵ:{\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right)\∈({{\mathrm{\ψ}}^{*}}_1,{{\mathrm{\ψ}}^{*}}_1)\⇒\mathrm{\ψ}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_j\left(t\right);$ 及

通过以下公式计算评估变量的值：

其中，[ω₁，ω₂]表示满足不产生机械弹性波的条件的一频率范围，T_i表示于t₀瞬间开始的第i个所观察到的振动全周。

53.如权利要求50中所要求的方法，对于带有多层密度不同的结构的填充物料的应用，为测量容器内多层结构的每一层的尺寸，进一步包括：

施用一重复的CRMP(RCRMP)。

54.如权利要求21中所要求的方法，进一步包括：

在起始机械振动之前，将元件安装在容器壁上从而为机械振动引起的弹性波在容器内的传播设置边界条件，以定义一水平高度测量系统的静态传递算子的一线性部分。

55.如权利要求21中所要求的方法，进一步包括：

接收由在基本测量程序(BMP)的操作顺序中实施的至少一次撞击引起的至少一个声音信号及

用一经测量的机械振动及一经测量的与机械振动相关的声音信号来计算BMP所得的一评估变量。

56.如权利要求21中所要求的方法，进一步包括：

通过执行两项操作来执行LRMP，其中第一项操作为一校准操作及第二项操作为一测量操作。

57.如权利要求56中所要求的方法，其中校准操作包括以下步骤：

设置一容器内填充物料水平高度的起始值；

在一预定点对容器外壁非切向地施加机械振动以起始一横断波；

在一预定的横断波接收点捕捉横断波的发生；及

测量并存储在横断波起始的瞬间与捕捉到波发生的瞬间两者之间的标为ΔT^*的时间间隔的值，从而时间间隔ΔT^*与横断波起始点与填充物料分界面之间的标为y^*的距离相关联。

58.如权利要求56中所要求的方法，其中测量操作包括以下步骤：

在一横断波起始点对容器外壁非切向地施加机械振动；

在一预定的横断波接收点捕捉横断波的发生；

测量并存储横断波起始的瞬间及捕捉到波发生的瞬间两者之间标为ΔT的一时间间隔的一值，从而时间间隔ΔT与横断波起始点及填充物料分界面之间一标为y的距离相关联；及

通过以下公式计算标为L_fm的所测水平高度：

$y=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δ}{T}^{*}}\·y^{*}$

                        L_fm＝H-y-d

其中，d表示容器一顶部与横断波起始点之间的一已知距离。

59.如权利要求21中所要求的方法，其中执行LRMP包括以下步骤：

安排在容器外壁上多个接收点处监测横断波的存在以补偿所监测的波在通过容器壁物质时其传播速度的可能变化；

在横断波起始点对容器外壁非切向地施加机械振动；

在该多个波的接收点中的每一点处捕捉横断波的存在；

测量并存储横断波起始的瞬间及在这些点中第i个点处捕捉到波的瞬间两者之间标为ΔT_i的时间间隔的每一个值，从而每一时间间隔ΔT_i与第i个接收点及填充物料分界面之间标为y_i的距离相关联；及

通过解以下次序m的数学等式体系来计算水平高度：

                        F(L_fm，H，ΔT，d)＝0

其中，L_fm表示容器内填充物料的水平高度；H表示容器高度；ΔT表示横断波起始瞬间及在这些点中第i个点处捕捉到波的瞬间两者之间的时间间隔的一矢量；d表示容器一顶部与横断波起始点之间的一已知距离；m表示横断波接收点的数量。

60.如权利要求59中所要求的方法，进一步包括：

通过以下公式计算所测的水平高度：

$y=\frac{\mathrm{\ΔT}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}}^{*}}\·{\stackrel{\‾}{y}}^{*}$

$y^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{y}}_i}^{*},$ $\mathrm{\Δ}{T}^{*}=n^{-1}\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}}_i}^{*}$

                        L_fm＝H-y-d

其中， y^*及 ΔT^*表示一总计校准距离及一通过监测在这些多横断波接收点中的n个接收点所捕捉到的波的反应而获得的总计校准波传播时间，及ΔT表示横断波延容器壁的传播时间。

61.一由LRMP生成的评估变量ψ_L∈ψ_L包括一变量ΔT，表示横断波延容器壁的传播时间，该评估变量ψ_L为变量ΔT的一函数，从而ψ_L＝F(ΔT)，及实施一过滤或总计或统计处理以获取用于LRMP的评估变量。

62.如权利要求60中所要求的方法，进一步包括：

通过以下公式计算变量ΔT：

$\mathrm{\ΔT}=m^{-1}\underset{j=1}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_j$

其中，ΔT_j表示m次测量的系列中于第j次测量获得的传播时间。

63.一用于容器内填充物料水平高度评估的非内置方法包括：

在容器一外壁上的一预定负载点设置一第一冲击载荷，以在容器壁及在容器内填充物料中起始一第一振动；

在一第一预定接收点接收一第一振动的测量；

分析在第一预定接收点接收的第一振动的测量以确定第一评估变量；及

基于第一评估变量确定容器内填充物料的水平高度。

64.如权利要求63的方法，其中施加一第一冲击载荷的步骤包括施加一机械振动。

65.权利要求63的方法，其中施加一第一冲击载荷的步骤包括利用一冲击源，其为一螺线管、一弹性体系统、一水力驱动、一风力驱动、一弹道撞击及其组合其中之一。

66.权利要求63的方法，其中施加一第一冲击载荷的步骤包括施加一单一脉冲，一系列脉冲及一连续周期性载荷其中之一的冲击载荷。

67.权利要求63的方法，其中施加一第一冲击载荷的步骤包括施加一冲击载荷，其通过一调幅、一调频、一脉码调制及其组合其中之一进行调制。

68.权利要求63的方法，其中接收第一振动的一测量的步骤包括通过一附于容器外壁的一传感元件来感应机械振动。

69.权利要求63的方法，其中预定的负载点被定位于距离容器底部一第一距离处及第一预定接收点被定位于距离容器底部基本相同的距离。

70.权利要求69的方法，其中第一预定接收点被定位于直接与预定负载点相对。

71.权利要求63的方法，其中预定的负载点被定位于一距离容器底部一第一距离处及第一预定接收点被定位于距离容器基部一第二距离处，其中第二距离小于第一距离。

72.权利要求71的方法，其中预定负载点被定位于一纵轴上及第一预定接收点被定位为基本位于同一纵轴上。

73.权利要求63的方法，进一步包括：

在预定负载点处施加一第二冲击载荷，以在容器壁内及容器内填充物料中起始一第二振动；

在第一预定接收点处接收第二振动的测量；

分析第二振动的测量以确定第二评估变量；

基于第一及第二评估变量确定容器内填充物料的一水平高度。

74.权利要求63的方法，其中填充物料水平高度确定的步骤确定容器内填充物料的一第一水平高度，及进一步包括：

在容器外壁上一第二预定接收点处接收一对第一振动的测量；

在第二预定接收点对所接收的第一振动的测量进行分析来确定一第二评估变量；

基于第二评估变量确定容器内填充物料的一第二水平高度；及

分析已确定的填充物料第一水平高度及已确定的填充物料第二水平高度来确定容器内填充物料一更准确的水平高度。

75.权利要求63的方法，其中对第一振动的测量进行分析的步骤包括在一预定的振幅范围内为第一振动的频率取平均值。

76.权利要求63的方法，其中对第一振动测量进行分析的步骤包括在一预定的频率范围内将多个振动全周的正弦加和。

77.权利要求63的方法，其中对第一振动测量进行分析的步骤包括确定一在一预定的振幅范围内的第一振动的多个频率的平均值的经权重的和及在一预定频率范围内的多个振动全周的正弦的经权重的和。

78.权利要求63的方法，进一步包括：

执行一校准程序以确定一静态传递算子，其特色在于对对第一振动产生反应的机械系统的一有效质量作出的一反应。

79.权利要求78的方法，其中执行一校准程序的步骤包括确定一定义线性静态传递算子的一下部边界的下部饱和状态变量，及确定一定义线性静态传递算子的一上部边界的上部饱和状态变量。

80.权利要求63的方法，进一步包括：

在容器外壁上一第二预定负载点施加一第二冲击载荷以在容器壁内及在容器内填充物料中起始一第二振动。

在一第二预定接收点接收第二振动的测量。

对在第二预定接收点接收的第二振动的测量进行分析以确定第二评估变量；及

基于第一及第二评估变量确定容器内填充物料的水平高度。

81.权利要求80的方法，其中施加一第二冲击载荷的步骤在施加第一冲击载荷的步骤之后。

82.权利80的方法，其中施加第二冲击载荷的步骤与施加第一冲击载荷的步骤基本同时发生。

83.权利要求63的方法，进一步包括：

感应一通过容器壁传播的一弹性波的反射，其中该反射由容器壁与填充物料之间的接触面处的中断造成；

测量施加冲击载荷的时间与感应反射时间两者之间的时间间隔；及

基于该时间间隔确定容器内填充物料水平高度。

84用于容器内填充物料密度的非内置评估方法，包括：

在容器外壁上一预定的负载点施加一第一冲击载荷以在容器壁内及容器内填充物料中起始一第一振动；

在一第一预定接收点接收一第一振动的测量；

分析在第一预定接收点接收的第一振动的测量以确定一第一评估变量；及

基于第一评估变量确定容器内填充物料的密度。

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