ES2356768T3

ES2356768T3 - Sistema y procedimiento para medir la altura de un recipiente.

Info

Publication number: ES2356768T3
Application number: ES06711242T
Authority: ES
Inventors: Yossi Zlotnick; Ofir Perl
Original assignee: APM Automation Solutions Ltd
Current assignee: APM Automation Solutions Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP4806813B2; US20090007627A1; JP2008532038A; ZA200707941B; MX2007010462A; EP1853881A2; AU2006217471A1; EP1853881A4; CN101151511A; EP1853881B1; BRPI0606231A2; US8091421B2; WO2006090394A2; CN100545591C; DE602006018265D1; CA2598979A1; KR100966444B1; ATE488751T1; WO2006090394A3; KR20070112817A

Abstract

Un sistema (10) para medir una altura de un contenido (54) de un recipiente (50), comprendiendo: (a) almenos un transmisor (12) para transmitir un impulso (56) de energía acústica hacia la superficie superior (55) del contenido (54); (b) un conjunto de almenos tres receptores (14) no-colineares para recibir un eco (58) de dicho impulso (56), cada dicho receptor (14) generando una señal respectiva en respuesta a dicho eco (58); y (c) un aparato de procesamiento (40) para transformar juntamente dichas señales en almenos una distancia medida de dicho conjunto a dicha superficie superior (55) que incluye, para cada dicho receptor (14), un correlador (28) para correlacionar una forma de onda de dicho impulso (56) con dicha señal respectiva, así generando una señal correlacionada; y caracterizado en que dicho aparato de procesamiento (40) incluye también un moldeador de haz (30) para computar almenos una dirección de llegada de dichas señales correlacionadas desde dicha superficie superior (55) a dicho conjunto.

Description

AREA Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0001] La presente invención se refiere al monitoreo de inventario y a procesos de medición, y más concretamente, a un sistema y un procedimiento para medir el contenido de un recipiente. 5

[0002] El monitoreo de inventario líquido en general es directo. En cambio, el monitoreo de inventario de masa sólida que consisten en partículas apiladas dentro de un recipiente como un silo muchas veces es muy dificil. Ejemplos para tales inventarios de masa sólida incluyen cemento y arena para construcciones, cereales, fertilizantes etc. La medición del nivel de materias sólidas dentro de un recipiente es un problema que no ha sudi resuelto todavía de una manera adecuada. Las condiciones dentro de un recipiente son típicamente desfavorables (polvo, 10 temperaturas extremas etc.) y los contenidos de material sólido amenazado dentro de los recipientes no tienen una superficie plana y no siempre son isotrópicos. Otras dificultades surgen de la gran variedad de formas de recipientes usadas y de la atmósfera explosiva dentro de unos recipientes.

[0003] El alcance del término “recipiente” como usado aquí incluye cualquier contenedor de almacenamiento para partículas de masa sólida cuya estructura define un volumen interior para recibir y almacenar 15 los sólidos. Tal recipiente puede ser cerrado por arriba, por debajo y por todos lados, como es el caso si el recipiente es un silo, un envase o tanque, o puede ser abierto arriba o en uno o más lados. El ejemplo para un “recipiente” usado más abajo en la descripción detallada de la presente invención es un silo; pero es obvio para cualquier experto en la materia como aplicar los principios de la presente invención a cualquier tipo de recipiente.

[0004] Cinco procedimientos principales están conocidos para la medición contínua del contenido de un 20 recipiente tal como un silo.

[0005] Un sensor electromecánico de nivel (yo-yo) consiste esencialmente de un peso en un extremo de un rollo de cinta. Al peso se permite de descender en el silo hacia la profundidad en la que se situa la superficie superior del contenido. Cuando el peso reposa encima del contenido la tensión en la cinta afloja. El peso es retirado entonces hacia el punto superior de referencia. La altura del contenido es entonces inferida del tiempo requerido 25 para retraer el peso o de la medida longitud de la cinta.

[0006] Dispositivos mecánicos como sensores yo-yo no son confiables. Tienden a ser obstruidos por polvo o quedan atrapados en obstacúlos como bombas y barras en el interior de los silos.

[0007] Sensores de nivel ultrasónicos trabajan con el principio de transmisión y recepción de ondas sonoras. Ondas sonoras de alta frequencia emitidas de un transmisor se reflejan en la superficie superior del 30 contenido hacia el receptor. La altura del contenido se infiere del tiempo del viaje ida y vuelta. Tales sensores tienen un alcance limitado y trabajan mal en la presencia de polvo. Además tales dispositivos tienen que ser diseñados específicamente para diferentes tipos de silo.

[0008] Sensores de nivel por radar trabajan con el principio de transmisión y recepción de ondas electromagnéticas. Ondas electromagnéticas de alta frequencia emitidas de un transmisor se reflejan en la superficie 35 superior del contenido hacia el receptor. La altura del contenido se infiere del tiempo del viaje ida y vuelta. Tales seonsores son complejos y caros.

[0009] Sensores capacitivos miden la capacitancia entre dos barras metálicas o entre una barra metálica y el suelo. Porque el contenido del silo tiene una constante dieléctrica diferente del aire la capacitancia cambia de acuerdo con el nivel de la superficie superior del contenido entre las dos barras o entre una barra y el suelo. Tales 40 sensores tienden a ser inprecisos y son sensitivos a humedad y al tipo de material almacenado en el silo.

[0010] Todos los sensores del estado de la técnica discutidos anteriormente son insensitivos a la forma de los contenidos y así son inprecisos en la presencia de un fenómeno llamado “coneamiento” que ocurre cuando partículas sólidas de masa son retiradas hacia la base del recipiente: un orificio cónico invertido cuyo ápice está directemente sobre el punto de la retirada tiende a aparecer en las partículas sólidas de masa. Un fenómeno similar 45 ocurre cuando partículas sólidas de masa son introducidas al recipiente desde arriba: los sólidos tienden a apilar en un cono cuyo ápice está directamente debajo del punto de inserción de los sólidos. Estos sensores trabajan mal también en recipientes con una geometrías complicadas y en la presencia de obstáculos.

[0011] Un medidor de peso mide el peso de un silo móvil y de su contenido midiendo la tensión de las barras que sostenienen el silo. La instalación de tales medidores es compleja, y son convenientes solamente para 50 silos móviles con piernas metálicas.

[0012] Existe entonces una necesidad ampliamente reconocida, y sería altamente ventajoso de tener, de un procedimiento para medir el contenido de un recipiente tal como un silo que superaría las desventajas de los métodos actualmente conocidos descritos anteriormente.

[0013] El patente estadounidense no. 5,337,289 de Faching et al., el patente estadounidense no. 6,634,234 de Haas y no. DE 198 60 901 enseñan todos como mapear la superficie superior de contenidos de recipiente usando transmisores direccionales. No se conoce en el estado de la técnica el uso de la formación de haz de ecos recibidos para determinar las direcciones de llegada de los ecos para mapear la superficie superior de contenidos de recipiente. 5

RESUMEN DE LA INVENCVIÓN

[0014] De acuerdo con la presente invención está proporcionado un sistema para medir la altura de un contenido de un recipiente, incluyendo: (a) almenos un transmisor para transmitir un impulso de energía acústica hacia una superficie superior del contenido; (b) un conjunto de almenos tres receptores no-colineares para recibir un eco del impulso, cada receptor produciendo una señal respectiva en repuesta al eco, y (c) un aparato de 10 procesamiento para transformar juntamente las señales en almenos una distancia medida desde el conjunto hacia la superficie superior que incluye: (i) para cada receptor un correlador para correlacionar una forma de onda del impulso con la señal respectiva, así generando una señal correlacionada, y (ii) un moldeador de haz para computar almenos una dirección de llegada de las señales correlacionadas desde la superficie superior hacia el conjunto.

[0015] De acuerdo con la presente invención está proporcionado un sistema para medir la altura de un 15 contenido de un recipiente, incluyendo: (a) un transmisor para transmitir un impulso de energía acústica hacia una superficie superior del contenido; (b) almenos un receptor para recibir un eco de los impulsos, cada uno del almenos un receptor produciendo una señal respectiva en repuesta a cada eco, y (c) un aparato de procesamiento para transformar la almenos una señal en coordenadas estimadas de una pluralidad de puntos de la superficie superior.

[0016] De acuerdo con la presente invención está proporcionado un sistema para medir la altura de un 20 contenido de un recipiente, incluyendo: (a) un transmisor para transmitir un impulso de energía acústica hacia una superficie superior del contenido; (b) almenos un receptor para recibir un eco de los impulsos, cada uno del almenos un receptor produciendo una señal respectiva en repuesta a cada eco, y (c) un conformador y repetidor de impulsos operativo para transmitir repetidamente el impulso por uso del transmisor mientras ajusta almenos un parámetro de la forma del impulso, seleccionado del grupo consistiendo de una longitud del impulso y una frecuencia del impulso, 25 en respuesta a la almenos una señal, hasta que la almenos una señal sea conveniente para computar de ella coordenadas estimadas de almenos un punto de la superficie superior.

[0017] De acuerdo con la presente invención está proporcionado un procedimiento para medir la altura de un contenido de un recipiente, incluyendo los pasos de: (a) transmitir un impulso de energía acústica hacia una superficie superior del contenido; (b) recibir un eco del impulso, usando un conjunto de almenos tres receptores no-30 colineares, cada receptor produciendo una señal respectiva en repuesta al eco, y (c) transformando las señales en almenos una distancia medida desde el conjunto hacia la superficie superior por pasos que incluyen: (i) correlacionar para cada receptor una forma de impulso con la señal respectiva para generar una señal correlacionada, (ii) computando almenos una dirección de llegada de las señales correlacionadas desde la superficie superior hacia el conjunto, y (iii) computando para cada dirección de llegada la distancia medida correspondiente. 35

[0018] De acuerdo con la presente invención está proporcionado un procedimiento para medir la altura de un contenido de un recipiente, incluyendo los pasos de: (a) transmitir un impulso de energía acústica hacia una superficie superior del contenido; (b) recibir un eco del impulso, usando almenos un receptor, cada uno del almenos un receptor generando una señal respectiva en respuesta al eco, y (c) transformar las señales en coordenadas estimadas de una pluralidad de puntos de la superficie superior. 40

[0019] De acuerdo con la presente invención está proporcionado un procedimiento para medir la altura de un contenido de un recipiente, incluyendo los pasos de: (a) transmitir un impulso de energía acústica hacia una superficie superior del contenido; (b) recibir un eco del impulso, usando almenos un receptor, cada uno del almenos un receptor generando una señal respectiva en respuesta al eco, y (c) repetir la transmisión y la recepción mientras se ajusta almenos un parámetro de la forma del impulso, seleccionado del grupo consistiendo de una longitud del 45 impulso y una frecuencia del impulso, en respuesta a la almenos una señal, hasta que la almenos una señal sea conveniente para computar de ella coordenadas estimadas de almenos un punto de la superficie superior.

[0020] El sistema de la presente invención es un sistema y un procedimiento para medir la altura del contenido de un recipiente y para estimar el volumen y la masa del contenido a partir de la altura medida. Aunque la presente invención esté descrita abajo en términos de medir el contenido de un silo, es de decir de un recipiente 50 delimitado de paredes y un techo la presente invención se aplica también para medir el contenido de un recipiente abierto. Un sistema básico de la presente invención incluye un transmisor para transmitir un impulso de energía acústica hacia la superficie superior del contenido, un conjunto de almenos tres receptores no-colineares que reciben un eco del impulso y generan señales respectivas en respuesta al eco, y un aparato de procesamiento para transformar juntamente las señales en una o más distancias medidas desde el conjunto a la superficie superior. El 55 aparato de procesamiento incluye para cada receptor un correlador para correlacionar una forma de onda del impulso con la señal respectiva del receptor, así generando una señal correlacionada, y también un moldeador de haz para computar una o más direcciones de llegada de las señales correlacionadas desde la superficie superior al

conjunto. El aparato de procesamiento computa entonces una/las distancia(s) medida(s) que corresponde(n) a cada/la dirección de llegada.

[0021] Preferencialmente el sistema incluye también un termometro para medir la temperatura interior del recipiente. La transformación de las señales a la distancia(s) medida(s) está basada en la temperatura interior medida. 5

[0022] Preferencialmente los receptores son transductores acústicos que también funcionen como transmitores. Más preferencialmente el aparato de procesamiento calibra los transductores por la transmisión de impulsos de calibración entre los transductores. En diferentes realizaciones más preferenciales del sistema los transductores acústicos transmiten el impulso o simultáneamente o sequencialmente. La transmisión sequencial por transceptores extiende el tamaño efectivo del conjunto de receptores y el número virtual de los receptores. 10

[0023] Preferencialmente el aparato de procesamiento transforma las señales en una pluralidad de distancias medidas desde el conjunto de receptores a la superficie superior del contenido del recipiente. La pluralidad de las distancias medidas constituye un mapa de la superficie superior del contenido del recipiente. Más preferencialmente el aparato de procesamiento es operativo para transformar el mapa en una estimación de la cantidad (por ejemplo el volumen o la masa) del contenido del recipiente. 15

[0024] Preferencialmente el sistema incluye un conformador y repetidor de impulsos que es operativo para transmitir repetidamente el impulso por uso del almenos un transmisor mientras se ajusta la forma del impulso en respuesta a las señales hasta que las señales sean convenientes para ser transformadas por el aparato de procesamiento en una o más distancias medidas. Más preferencialmente el conformador y repetidor de impulsos ajusta la forma del impulso ajustando un parámetro de la forma del impulso que está seleccionado del grupo que 20 consiste de la longitud del impulso y de la frecuencia del impulso. La frecuencia a ajustar puede ser cualquiera frecuencia que define el impulso tal como la frecuencia de paso bajo del impulso, la frecuencia de paso alto del impulso o la frecuencia de modulación del impulso.

[0025] Preferencialmente el moldeador de haz computa la(s) direccion(es) de llegada de una manera independiente en cada una de la pluralidad de ranueras de tiempo que posiblemente están sobrepuestas. Todas las 25 ranueras de tiempo tienen la misma duración. La duración de las ranueras de tiempo está relacionada con el ancho de banda del impulso.

[0026] La presente invención incluye almenos tres avances innovativos sobre el estado de la técnica.

[0027] La primera innovación es el cálculo de direcciones de llegada de señales recebidas por un conjunto de dos o más receptores desde la superficie superior del contenido y la derivación a partir de esas 30 direcciones de llegada de distancias medidas desde el conjunto a la superficie superior del contenido. Está conocido del estado de la técnica el uso de más de un receptor acústico. Está conocido incluso en el estado de la técnica la sumación de todas las señales recibidas para elevar la relación señal-ruido y para estrechar el ancho de faz. No se conoce el procesamiento de las señales recibidas de una manera coherente para medir distancias que corresponden a direcciones específicas. 35

[0028] La segunda innovación es el mapeo de la superficie superior del contenido del recipiente. En el estado de la técnica de mediciones acústicas se mide una sola distancia del (de los) receptor(es) a la superficie superior del contenido del recipiente.

[0029] La tercera innovación es la conformación del impulso acústico através de optimizar la longitud y/o el contenido de frecuencia del impulso acústico. El único parámetro de la forma del impulso que se optimiza en el 40 estado de la técnica es la potencia del impulso que se optimiza relativo a la distancia medida.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DISEÑOS

[0030] La invención está descrita aquí por medio de ejemplos solamente, con referencia a los diseños anexos, en que:

FIG. 1 es un diagrama de bloques funcional esquemático de alto nivel de un sistema de la presente 45 invención;

FIG. 2 es un diagrama de bloques esquemático de una realización física preferencial del sistema de la FIG. 1;

FIG. 3 es una vista en corte parcial de un silo con el sistema de la FIG. 1 montado en el techo del silo;

FIG. 4 muestra una conformación ejemplar de un impulso; 50

FIG. 5 es una gráfica polar de la superdirectividad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERENCIALES

[0031] La presente invención es un sistema para medir la cantidad de material almacenado en un recipiente tal como un silo. Específicamente se puede usar la presente invención para monitorear el inventario en un silo.

[0032] Se puede comprender mejor los principios y la operación de la medición de contenido de acuerdo 5 con la presente invención con referencia a los diseños y la descripción anexos.

[0033] Refiriéndose ahora a los diseños, la figura 1 es un diagrama de bloques funcional esquemático de alto nivel de un sistema 10 de la presente invención. Las flechas en la FIG. 1 indican la dirección del flujo de la señal. El sistema 10 incluye un transmisor acústico (altoparlante) 12 y tres receptores acústicos (micrófonos) 14. Un conformador de impulsos 26 sintetiza formas digitales de impulsos como descrito abajo. Las formas digitales de 10 impulsos son convertidos en impulsos eléctricos análogos por un convertidor DA 22 y amplificadas por un amplificador 16. Los impulsos eléctricos amplificados de manera análoga son convertidos en impulsos acústicos por el transmisor 12. Los ecos de estos impulsos acústicos se reciben y convierten en señales eléctricas análogas por los receptores 14, se filtran por filtros pasabanda 20 que preferencialmente corresponden a la forma de los impulsos acústicos, se amplifican por los amplificadores 18 y se muestrean por los convertidores AD 24 para proporcionar las 15 señales digitales correspondientes. Las señales digitales son correlacionadas con las formas digitales correspondientes de impulso por los correladores 28. Las direcciones de llegada de las señales correlacionadas son computadas por un moldeador de haz 30. Un procesor 32 convierte las señales correlacionadas en los correspondientes tiempos de viaje ida y vuelta acústico y después convierte esos tiempos de viaje con la ayuda de la medición de temperatura obtenida por un termómetro digital 34 en distancias de viaje estimadas a lo largo de las 20 direcciones de llegada.

[0034] La figura 2 es un diagrama de bloques esquemático de una realización física preferencial del sistema 10. En la realización ilustrada en figura 2 las funciones del transmisor 12 y de los receptores 14 son compartidas por los transceptores 36. Cada transceptor 36 opera o como transmisor 12 o como uno de los receptores 14, dependiendo del ajuste de un respectivo conmutador 38. La funcionalidad digital del sistema 10 25 (conformador de impulsos 26, correladores 28, moldeador de haz 30, preocesor 32) se implementa por un código ajecutivo de un procesor de señales digitales (DSP) 40 que está guardado en una memoria flash 46. Los resultados del procesamiento se visualizan en un display en un interfaz de usuario 48.

[0035] El PC 40 secuencia la función del transmisor 12 entre los transceptores 36 por ajuste de los conmutadores 38 de manera que uno o más de los transceptores 36 funciona como transmisor 12 y los otros 30 transceptores 36 funcionan como receptores 14. Este ciclo está hecho separadamente por dos motivos diferentes. Uno de los motivos es de medir un conjunto de distancias desde los transceptores 36 a la superficie del contenido de un silo en dirección del haz sintetizado por el moldeador de haz 30, tal como descrito abajo. El otro motivo es de calibrar los transceptores 36 que funcionan como receptores 14 relativo al impulso de calibración emitido por los transceptores 36 que funcionan como transmisor 12. 35

[0036] Hay dos modos preferenciales para usar los transceptores 36 como transmisores y receptores a la vez para medir las distancias a la superficie de los contenidos. En el primer modo todos los transceptores 36 transmiten el mismo impulso de manera coherente y simultánea. En el segundo modo los transceptores 36 se alternan en la transmisión del impulso. Después de la transmisión de un impulso todos los conmutadores 38 están ajustados en sus posiciones bajas en los dos modos, de manera que todos los transceptores 36 funcionan como 40 receptores. En el segundo modo esto permite al conjunto de n transceptores de funcionar como un conjunto virtual de (n2+n)/2 receptores virtuales. (Usando alternadamente M transmitores y N receptores como transmitores y receptores reduce el número de señales independientes a (n2+n)/2 a causa de la simetría de transmitir y recibir con cada par de transceptores.)

[0037] El segundo modo duplifica también el tamaño geométrico efectivo del conjunto. La direccionalidad 45 de un conjunto de receptores está basada en los atrasos relativos de las señales llegando a los receptores. Cuando se transmite desde un solo transmisor a un conjunto de receptores los atrasos relevantes son las diferencias en el tiempo de viaje desde el blanco a los receptores. Cuando un conjunto de transceptores transmite y recibe alternadamente los atrasos relevantes son las diferencias en el tiempo de viaje ida y vuelta que es el doble del tiempo de viaje desde el blanco al receptor. Alcanzando una direccionalidad equivalente con el uso de un solo 50 transmisor requerría el doble tamaño del conjunto de receptores.

[0038] En otras presentaciones del sistema 10 una funcionalidad de aplicación específica tal como la funcionalidad del conformador de impulsos 26, correladores 28 y moldeador de haz 30 está implementada en circuitos integrados de aplicación específica en lugar de por un procesador digital de señal. En todavía otras presentaciones del sistema 10 un sistema computacional de propósito general se usa en vez del DSP 40, memoria 55 flash 46 y interfaz de usuario 48.

[0039] La figura 3 es una vista en corte parcial de un silo 50 con el sistema 10 montado en el techo 52 del silo 50. Cuatro transductores 36 están montados en una configuración cuadrada, de manera que no importa cual

transductor 36 sirve como transmisor 12 los otros tres transductores 36 que sirven como receptores 14 están en una configuración no-colinear. Los componentes restantes del sistema 10 están encerrados en una carcasa 42 que está montada en el techo 52 también. Los transceptores 36 están operacionalmente conectados con el resto del sistema 10 por hilos 44. El/los transceptor(es) 36 que funciona(n) como transmisor(es) 12 emite(n) un impulso acústico 56 hacia la superficie superior 55 del contenido 54 del silo 50. El impulso acústico 56 está símbolicamente representado 5 en la figura 3 como una forma de onda emergiendo de uno de los transceptores 36. Un eco del impulso acústico 56 que se refleja desde la superficie superior 55 de vuelta hacia los transceptores 36 está representado en la figura 3 por flechas 58.

[0040] En la configuración específica ilustrada en la figura 3 solamente una parte del interfaz de usuario 48 está dentro de la carcasa 42 y incluye un transceptor inalámbrico para comunicar con el resto del interfaz de 10 usuario 48 en un lugar más conveniente. En una configuración alternativa la carcasa 42 está montada en un lugar que es más accesible para el usuario que el techo 52.

[0041] El eco 58 recibido por los transceptores 36 que funcionan como receptores 14 es transformado en las respectivas señales eléctricas análogas correspondientes por los transceptores 36. Las señales eléctricas análogas son filtradas por filtros pasabanda 20, amplificadas por los amplificadores 18 y convertidas en las 15 correspondientes señales digitales por convertidores AD 24. Los correladores 28 correlacionan estas señales digitales con la forma de onda del impulso 56. El moldeador de haz 30 usa algoritmos conocidos para computar las direcciones de llegada de las señales digitales correlacionadas y para distinguir las señales que llegan directamente de la superficie superior 55 de señales que llegan a lo largo de otros caminos (las últimas señales constituyen un ruido determinista en el presente contexto). Que los transceptores 36 no son colineares permite al moldeador de haz 20 30 de escanear la superficie superior 55 en dos dimensiones para obtener un mapa tridimensional de la superficie superior 55. La diferencia en el tiempo entre el comienzo de la transmisión del impulso 56 y la onda de frente de una forma de onda que llega directamente de la superficie superior 55 es el tiempo del viaje ida y vuelta entre el conjunto de transductores 36 y un pedazo en la superficie superior 55 que es muestreado por esa forma de onda. El procesor 32 multiplica la mitad de este tiempo de viaje con la velocidad del sonido en el aire encima de la superficie superior 25 55 para obtener la distancia desde el conjunto de transductores 36 al pedazo mestreado en la superficie superior 55. El procesor 32 obtiene la velocidad del sonido c en metros por segundo usando la relación

C = 331,5 2731T

en que T es la temperatura dentro del silo 50 en grados celsius como medida por el termómetro 34.

[0042] La manera más simple para el moldeador de haz 30 de computar las direcciones de llegada de las 30 señales de entrada es de sintetizar haces sumando las señales correlacionadas mientras se varia las fases relativas (o, equivalente, los atrasos relativos) de las señales correlacionadas, como conocido en el estado de la técnica. Es por esto que se refiere al moldeador de haz 30 aquí como “moldeador de haz”. Resultados muchos mejores se obtienen al usar algoritmos adaptivos de dirección de llegada (DOA) más sofisticados, tales como Clasificación Multiple de Señales (MUSIC), Semejanza Máxima Estocástica (SML), Semejanza Máxima Determínista (DML) o 35 Estimación de Parámetros de Señales via Técnicas des Invariancias Rotacionales (ESPRIT). Para superar la capacidad limitada de estos algoritmos para estimar varias fuentes simultáneamente, y en particular para ayudar estos algoritmos a distinguir ecos coherentes del impulso 56 que llegan al conjunto de transductores 36 desde direcciones diferentes las señales recibidas son procesadas separadamente en ranueras de tiempo sobrepuestas cuya longitud se selecciona de acuerdo con el ancho de banda del impulso 56. El ancho de banda del impulso 56 se 40 selecciona a su vez para alcanzar la resolución deseada de la distancia del conjunto de transductores 36 a la superficie superior 55. Por ejemplo, si el impulso 56 tiene un ancho de banda de 3,5 KHz a 4,5 KHz la resolución de la distancia es aproximádamente 340 m/sec ÷ 1000 sec-1 ÷ 2 = 17cm. Las correspondientes ranueras de tiempo son aproximádamente 1 milisegundo (el reciproco del ancho de banda del impulso). La precisión de la medición de distancia depende también de la tasa de digitalización de los convertidores AD 24 y de la relación señal-ruido, y por 45 esto puede ser mucho mejor que la resolución. Con una relación señal-ruido alta la frecuencia de muestreo preferencial de 44 KHz da une precisión potencial de 340 m/sec ÷ 44.000 sec-1 ÷ 2 = 3,8mm.

[0043] La distancia desde el conjunto de transductores 36 a varios pedazos en la superficie superior 55 constituye un mapa de la superficie superior 55. Dada la geometria interior del silo 50 se estima directamente de este mapa el volumen del contenido 54. La multiplicación del volumen del contenido 54 con la densidad del 50 contenido 54 da la masa del contenido 54.

[0044] Se puede usar cualquier forma conveniente de impulso para el impulso 56. La figura 4 muestra un tal impulso 56: un impulso Kaiser de 5 milisegundos modulado con 3 KHz. (La abscisa en la figura 4 es el número de muestreo y la forma de onda del impulso está muestreada a 44,1 muestreos por milisegundo). Se puede formar los impulsos con técnicas de codificación de fase binaria tal como la codificación Barker que se conoce desde el área de 55 radar. La banda de frecuencia preferencial del impulso 56 para mapear la superficie superior 55 en la presencia de polvo sobre la superficie superior 55 está entre 3 KHz y 6 KHz.

[0045] La resolución angular del mapeo de la superficie superior 55 se mejora con el procesamiento superdirectivo de las señales correlacionadas. Vea, por ejemplo, M. Brandstein y D. Wards (eds), Microphone Arrays Signal Processing Techniques and Applications (Springer, 2001). La figura 5 es una gráfica polar de la superdirectividad de dos receptores separados por una distancia de la mitad de la longitud de onda de la señal recibida, con una relación señal-ruido de 20 dB. 5

Es obvio de esta gráfica que la presente invención tiene una resolución angular suficiente para mapear la superficie superior 55 incluso en el caso de “coneamiento”.

[0046] La forma del impulso 56 es ajustada por el conformador de impulsos 26. Preferencialmente el procesor 32 optimiza esta forma iterativamente manipulando los parámetros de la forma del impulso 56. Un parámetro importante es la longitud (es de decir, la duración) del impulso 56. Cuanto más largo el impulso 56, más 10 alta la relación señal-ruido; pero el impulso 56 no debe ser tan largo de que el margen posterior del impulso 56 se sobreponga en tiempo con la llegada de los ecos 58 a los receptores 14, a fin que los transceptores 36 que transmiten el impulso 56 sirvan también como receptores 14, como descrito anteriormente. Empezando con una longitud de impulso de test basada en una estimación inicial de la distancia regular desde el conjunto de transceptores 36 a la superficie superior 55 el procesor 32 varia la longitud de impulso iterativamente para optimizar 15 la longitud de impulso. Cuando la longitud de impulso esté optimizada el contenido de frecuencia del impulso 56 está optimizado relativo a la atenuación observada y el ruido ambiental observado.

[0047] Aunque los transceptores 36 se muestren en la figura 3 como dispuestos en el techo 52 del silo 50 los transceptores 36 pueden ser dispuestos en cualquier lugar conveniente sobre la superficie superior 55, por ejemplo en la pared del silo 50. 20

[0048] En principio usando solamente un transceptor 36 como transmisor 12 es suficiente para mapear la superficie superior 55 porque el moldeador de haz 30 puede escanear la superficie superior 55 por manipulación apropriada de señales de cualquier conjunto no-colinear de receptores 14. Sin embargo se prefiere de obtener mediciones usando todos los transceptores 36 alternadamente como transmisor 12, por cuestión de redundancia.

[0049] En cuanto la invención ha sido descrita con respeto a un número limitado de presentaciones se 25 apreciará que se puede hacer muchas variaciones, modificaciones y otras aplicaciones de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (10) para medir una altura de un contenido (54) de un recipiente (50), comprendiendo:

(a) almenos un transmisor (12) para transmitir un impulso (56) de energía acústica hacia la superficie superior (55) del contenido (54);

(b) un conjunto de almenos tres receptores (14) no-colineares para recibir un eco (58) de dicho impulso (56), cada dicho receptor (14) generando una señal respectiva en respuesta a dicho eco (58); y 5

(c) un aparato de procesamiento (40) para transformar juntamente dichas señales en almenos una distancia medida de dicho conjunto a dicha superficie superior (55) que incluye, para cada dicho receptor (14), un correlador (28) para correlacionar una forma de onda de dicho impulso (56) con dicha señal respectiva, así generando una señal correlacionada; y caracterizado en que dicho aparato de procesamiento (40) incluye también un moldeador de haz (30) para computar almenos una dirección de 10 llegada de dichas señales correlacionadas desde dicha superficie superior (55) a dicho conjunto.
2. El sistema (10) de la reivindicación 1, en que dicho aparato de procesamiento (40) es operativo de computar para cada de dichas direcciones de llegada una dicha distancia medida correspondiente.
3. El sistema (10) de la reivindicación 1, comprendiendo adicionalmente:

(d) un termómetro (34) para medir una temperatura interior del recipiente (50) en que dicho aparato de 15 procesamiento (40) basa dicha transformación de dichas señales en dicha almenos una distancia medida sobre dicha temperatura interior medida.
4. El sistema (10) de la reivindicación 1, en que dichos receptores (14) son transductores acústicos (36) que funcionan también como transmisores (17).
5. El sistema (10) de la reivindicación 4, en que dicho aparato de procesamiento (40) es operativo para 20 calibrar dichos transductores (36) transmitiendo impulsos (56) de calibración entre dichos transductores (36).
6. El sistema (10) de la reivindicación 4, en que dichos transductores acústicos (36) transmiten dicho impulso (56) simultáneamente.
7. El sistema (10) de la reivindicación 4, en que dichos transductores acústicos (36) transmiten dicho impulso 25 (56) secuencialmente.
8. El sistema (10) de la reivindicación 1, en que dicho aparato de procesamiento (40) transforma dichas señales en una pluralidad de dichas distancias medidas.
9. El sistema (10) de la reivindicación 5, en que dicho aparato de procesamiento (40) es operativo para transformar dichas distancias medidas en una estimación de la cantidad del contento (54). 30
10. El sistema (10) de la reivindicación 1, comprendiendo adicionalmente:

(d) un conformador y repetidor de impulsos (26), operativo para transmitir repetidamente dicho impulso (56) usando dicho almenos un transmisor (12) mientras ajusta la forma de dicho impulso (56), que responde a dichas señales hasta que dichas señales sean apropriadas para dicha transformación de dichas señales por dicho aparato de procesamiento (40) en dicha almenos una distancia medida. 35
11. El sistema (10) de la reivindicación 10, en que dicho conformador y repetidor de impulsos (26) ajusta dicha forma de dicho impulso (56) ajustando un parámetro de dicha forma seleccionado del grupo que consiste de la longitud de dicho impulso (56) y la frecuencia de dicho impulso (56).
12. El sistema (10) de la reivindicación 1, en que dicho moldeador de haz (30) computa dicha almenos una dirección de llegada independientemente en cada una de una pluralidad de ranueras de tiempo con una 40 duración común que está relacionada con un ancho de banda de dicho impulso (56).
13. Un procedimiento para medir una altura de un contenido (54) de un recipiente (50), comprendiendo los pasos de:

(a) transmitir un impulso (56) de energía acústica hacia la superficie superior (55) del contenido (54);

(b) recibir un eco (58) del impulso (56), usando un conjunto de almenos tres receptores (14) no-45 colineares, cada dicho receptor (14) generando una señal respectiva en respuesta a dicho eco (58); y

(c) transformar dichas señales en almenos una distancia medida de dicho conjunto a dicha superficie superior (55), incluyendo:

(i) correlacionar para cada receptor (14) una forma de onda de dicho impulso (56) con dicha señal respectiva para generar una señal correlacionada;

y caracterizado en que dicha transformación incluye también los pasos de:

(ii) computar almenos una dirección de llegada de dichas señales correlacionadas desde dicha superficie superior (55) a dicho conjunto, y 5

(iii) computar para cada dirección de llegada la correspondiente distancia medida.
14. El procedimiento de la reivindicación 13, comprendiendo adicionalmente los pasos de:

(d) medir una temperatura interior en el recipiente, dicha transformación de dichas señales en dicha almenos una distancia medida estando basada en dicha temperatura interior medida.
15. El procedimiento de la reivindicación 13, en que dichas señales son transformadas en una pluralidad de 10 dichas distancias medidas, el procedimiento comprendiendo adicionalmente el paso de:

(d) transformar dichas distancias medidas en una estimación de la cantidad del contenido (54).
16. El procedimiento de la reivindicación 13, comprendiendo adicionalmente los pasos de:

(d) repetir dicha transmisión de dicho impulso (56) mientras se ajusta una forma de dicho impulso (56) en repuesta a dichas señales hasta que dichas señales estén apropriadas para dicha transformación de 15 dichas señales en dicha almenos una distancia medida.
17. El procedimiento de la reivindicación 13, en que dichos receptores (14) son transceptores (36) que ser usan también para transmitir dicho impulso (56).
18. El procedimiento de la reivindicación 17, en que dichos transceptores (36) transmiten dicho impulso (56) simultáneamente. 20
19. El procedimiento de la reivindicación 17, en que dichos transceptores (36) transmiten dicho impulso (56) secuencialmente.
20. El procedimiento de la reivindicación 13, en que dicha almenos una dirección de llegada es computada independientemente en cada una de una pluralidad de ranueras de tiempo con una duración común que está relacionada con un ancho de banda de dicho impulso (56). 25