CN110520723A - 用于罐和容器的声学校正阵列 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于使用基于机械波或声波的检查技术校正储存容器的容积的***和方法。示例性校正***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测量装置的阵列。所述测量装置包含用于沿所述容器的所述表面发送信号的换能器和被配置成检测所述信号的传感器。所述测量装置与控制所述测量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装置之间行进的所述信号的飞行时间。此外，根据所述测量装置的具体布置和所测得的信号信息，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

用于罐和容器的声学校正阵列
技术领域
本发明涉及用于结构的无损检测无损的***和方法，具体地涉及用于以无损方式对容器的几何尺寸进行声学测量的***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，因此对储罐的校正有强制性要求。必须对用于储存交接(custody transfer)的储罐进行校正，使得可以非常准确地获知所转移的体积(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 MPMS2.2A)；光学技术(光学参考线方法ORLM-API第2.2B章(Optical Reference Line MethodORLM–API Chapter 2.2B)、光学三角测量法(OTM)-API第2.2C章(Optical TriangulationMethod(OTM)–API Chapter2.2C)、电子光学测距法(EODR)-API第2.2D章(Electro-OpticalDistance Ranging Method(EODR)–API Chapter 2.2D))和液体校正(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)，这会为所引起的损失带来额外的成本。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***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，使用超声波脉冲通过金属介质(即，管道或容器)的返回行程的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***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正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***并进行测量)。因此，很少对罐进行校正/测量，从而导致罐容积错误和销售收入损失。
用于罐校正的现有方法存在显著缺点。例如，使用当前标准，执行校正可能耗费1-2天的工作。因此，很少对储罐进行校正，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，校正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***执行校正的效率相关的限制的用于校正储罐容积的***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正的***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***。
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储存容器的容积的方法，所述多个声学装置包含换能器和一个或多个传感器。所述方法包含将所述多个声学装置部署到所述储存容器的圆周壁的外表面上的相应位置中的步骤。更具体地，所述一个或多个传感器声学地耦合到所述表面并且被配置成检测沿所述表面传播的脉冲。同样，所述换能器声学地耦合到所述表面并且被配置成产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲在至少第一圆周路径和第二圆周路径中沿所述表面远离所述换能器并且朝向所述一个或多个传感器辐射。所述方法还包含使用所述换能器产生一个或多个脉冲的步骤，其中每个脉冲在脉冲时间产生。另外，所述方法包含使用所述一个或多个传感器检测沿所述第一圆周路径和所述第二圆周路径辐射的所述一个或多个脉冲并且记录沿相应圆周路径辐射的所述一个或多个脉冲被检测到的相应时间的步骤。所述方法还包含由与所述一个或多个传感器电子通信的计算装置计算所述一个或多个脉冲的相应飞行时间(TOF)的步骤。更具体地，基于所述脉冲时间和所述相应检测时间计算所述TOF，并且每个相应TOF是所述脉冲沿特定的圆周路径在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间。所述方法还包含用所述计算装置基于所述相应TOF和声音穿过所述壁的速度计算所述声学装置之间的在第一圆周方向和第二圆周方向中的每一个方向上的相应距离的步骤。最后，所述方法包含用所述计算装置基于所计算的相应距离确定所述储存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储存容器的容积的***。所述***包括多个声学装置，所述多个声学装置被配置成部署在所述容器的圆周壁的外表面上的相应位置处。特别地，所述声学装置包含多个传感器，所述多个传感器被配置成声学地耦合到所述圆周壁并且还检测沿所述表面辐射的脉冲。所述声学装置中还包含换能器，所述换能器被配置成声学地耦合到所述表面并且产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲沿相应圆周路径沿所述表面远离所述换能器并且朝向所述多个传感器辐射。
所述***还包含计算***，所述计算***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***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，所述软件模块包含信号控制模块，所述信号控制模块使用所述换能器将所述处理器配置成使用所述换能器在相应脉冲时间产生一个或多个脉冲。另外，所述信号控制模块将所述处理器进一步配置成使用所述传感器分别检测所述一个或多个脉冲到达所述传感器并且记录相应检测时间。所述软件模块中还包含信号分析模块，所述信号分析模块将所述处理器配置成基于所述相应脉冲时间和所述相应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，所述相应TOF是所述脉冲沿相应圆周路径在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间。所述软件模块中还包含几何分析模块，所述几何分析模块将所述处理器配置成基于所述相应TOF和声音穿过所述壁的速度计算所述声学装置之间的距离并且基于所计算的距离计算所述储存容器的所述容积。
根据本发明的仍另外一方面，提供了另一种用于测量储存容器的容积的***。所述***包括多个声学装置，所述多个声学装置被配置成部署在所述容器的圆周壁的外表面上的相应位置处。特别地，所述声学装置包含多个传感器，所述多个传感器被配置成声学地耦合到所述圆周壁并且还检测沿所述表面辐射的脉冲。所述声学装置中还包含换能器，所述换能器被配置成声学地耦合到所述表面并且产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲沿相应圆周路径沿所述表面远离所述换能器并且朝向所述多个传感器辐射。所述***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声学装置部署在所述圆周壁的所述表面上。更具体地，所述机器人包含驱动***和用于监测所述机器人的位置的一个或多个位置传感器。此外，所述机器人被配置成可控制地将所述一个或多个传感器部署在所述表面上的所述相应位置处。
根据特定实施方案的***可以进一步包含计算***，所述计算***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、所述机器人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***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，所述软件模块包含信号控制模块，所述信号控制模块使用所述换能器将所述处理器配置成使用所述换能器在相应脉冲时间产生一个或多个脉冲。另外，所述信号控制模块将所述处理器进一步配置成使用所述传感器分别检测所述一个或多个脉冲到达所述传感器并且记录相应检测时间。所述软件模块中还包含信号分析模块，所述信号分析模块将所述处理器配置成基于所述相应脉冲时间和所述相应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，所述相应TOF是所述脉冲沿相应圆周路径在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间。所述软件模块中还包含几何分析模块，所述几何分析模块将所述处理器配置成基于所述相应TOF和声音穿过所述壁的速度计算所述声学装置之间的距离并且基于所计算的距离计算所述储存容器的所述容积。另外，所述软件模块包含位置控制模块，所述位置控制模块将所述处理器配置成使用所述机器人迭代地调整所述声学装置中的一个或多个声学装置在所述表面上的所述相应位置并且重新计算相应TOF，直到所述声学装置中的至少两个声学装置在横向方向和纵向方向之一上对齐。更具体地，当在所述至少两个声学装置之间辐射的脉冲的重新计算的TOF最小化时实现所述至少两个装置的对齐。
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校正储存容器的容积的***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校正储存容器的容积的***和方法；
图4A是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的简化俯视图；
图4B是图4A的示例性容器容积校正***的侧视图；
图4C描绘了图4A的示例性容器容积校正***的展平二维视图；
图4D是图4A的示例性容器容积校正***中的声学信号路径的概念性线性图形描绘；
图5A是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的简化俯视图；
图5B是图5A的示例性容器容积校正***中的声学信号路径的概念性线性图形描绘；
图6A是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的简化侧视图；
图6B是图6A的示例性容器容积校正***的展平二维视图并且概念性地描绘了根据本发明的实施例的声学信号路径；
图6C是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的简化侧视图；
图6D是图6C的示例性容器容积校正***的展平二维视图并且概念性地描绘了根据本发明的实施例的声学信号路径；
图6E是图6C的示例性容器容积校正***的展平二维视图并且概念性地描绘了根据本发明的实施例的声学信号路径；
图7是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的展平二维视图；
图8是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的展平二维视图；并且
图9是根据本发明的实施例的示例性容器容积校正***的展平二维视图。
具体实施方式
通过概述和介绍的方式，公开了一种用于校正储存容器的容积的***和方法。更具体地，本文所公开的***和方法涉及使用基于声波或更一般地机械波的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***被配置成在现场使用容器期间按需从容器的外部执行校正。
声学测试是一种基于分析声波在被测材料(例如，容器壁)中的传播的无损和非侵入性测试技术。在本文所述的实施例中，执行测量技术以测量通常总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储存容器的容积。然而，所公开的技术和***还可以应用于校正由如混凝土、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***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，容器容积校正***包括测量装置阵列，所述测量装置阵列具有适合于控制测量装置的操作的相关联电子硬件和/或软件。测量装置被配置成附接到储存容器的一个或多个外表面(例如，通过手、机器人等)，从而限定装置阵列。测量装置被配置成进行基于机械波或声波的测量，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，装置阵列包含被配置成接收、测量和处理在容器壁内或沿所述容器壁传播的信号的一个或多个传感器。装置阵列还包含被配置成产生沿容器壁传播的信号的至少一个信号发生元件或“换能器”。
传感器/发生元件(统称为“测量装置”)与诊断计算装置(以下称为控制器或控制计算机)相连并受其控制，所述诊断计算装置被配置成确定使用声音发生元件产生声学信号与至少第一声波穿过容器壁到达传感器之间的时间(即，声学信号的“飞行时间”或“TOF”)。理想地，还测量/收集到达所述传感器中的一个或多个传感器的另外的声波的类似TOF信息(例如，在第一波的相反方向上围绕容器移动的第二声波的飞行时间)。因此，控制器可以基于辐射声波的声脉冲与接收之间的时间并且基于声音穿过壁的材料的速度使用这种几何信息计算容器壁的尺寸(例如，容器的周长、容积、高度等)。此外，可以基于壁的几何测量结果和容器的其它已知性质(如壁厚)校正/测量容器的内部容积。
在一些基本配置中，用于校正储存容器的容积的***包含一个换能器和一个传感器。在更复杂的配置中，所述***包含多个传感器，所述多个传感器在多个水平高度(即，竖直方向上的不同高度)处放置在容器上和/或放置在不同的圆周位置处(即，围绕容器的圆周间隔开，如当从俯视图观看容器时，一个装置位于9点钟位置处并且另一个装置位于3点钟位置处)。基于传感器相对于彼此的放置，控制计算机110可以使用检测到的信号信息对所述传感器的相应位置中的每一个位置以及因此容器的多个维度的准确尺寸进行精确三角测量和验证。因此，可以通过有效地“展开”容器的外壁使用几何原理创建容器的二维图或三维图。
根据另一个突出方面，所公开的校正***可以被配置成在容器容积校正过程之前和/或期间例如使用将各种测量装置部署在被校正容器的外部上的机器人来可控制地将发射和感测装置中的一个或多个装置移动到位。在这种实施例中，可以在测量装置之间实现各种不同方向/维度上的对齐以改进容器容积的计算。
在图1中示出了用于校正储存容器100的容积的示例性***。如图1所示，容器容积校正***100被实施为测量装置“阵列”，所述测量装置被布置成测量具有圆柱形形状的金属储存容器150的容积。如上所述，在测量总体上为圆柱形的储存容器(例如，150)的容积的上下文中描述了示例性实施例。可以理解的是，圆柱形容器不一定是确切的圆柱体，因为例如但不限于圆柱体的周长在壁上的不同高度处可能不同；圆柱体可能具有不均匀的壁曲率并且可能具有其它这种几何尺寸变化。
术语“纵轴”116旨在指容器的中心轴线。如图1所示，纵轴116是在容器的基部(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部锚固在平坦地面上并且在纵向方向上(即，在相对于地面/容器的基部的竖直方向上)向上延伸的情况下描述所公开的实施例。因此，术语“纵向方向”116旨在指平行于纵轴的方向。可以理解的是，考虑假设锚固在地面上的容器，并且当沿纵轴移动远离基部时，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(其为垂直于纵轴并且将容器二等分的平面)中的相应位置时，所述两个装置在“纵向方向”上对齐(也称为“纵向对齐”)。换句话说，被称为在“纵向方向”上对齐的装置具有相同的高度(即，纬度)，如沿纵轴相对于容器的基部所测量的(例如，如在纵向方向上从基部测量的，两个装置均离地9英尺但具有不同的相应角位置)。
因为圆柱形容器是三维表面，所以术语“圆周方向”118旨在指围绕容器圆周并且垂直于纵轴116的一个或多个角方向。特别地，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。可以理解的是，圆周方向118是横向方向，其是指在相应纬度处的沿表面的垂直于纵向方向的一个或多个方向。
当装置在表面155上的相应位置落在同一纵向平面(即，延伸穿过纵轴并且沿纵轴延伸的平面)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横向方向或“圆周方向”上对齐。例如，相对于0度参考半径102(当从俯视图观看圆柱形容器150时)分别位于角位置+270度和+90的两个装置圆周地对齐，而不管其在表面上的相应纬度如何。
因为在本文中还将容器的圆周壁的表面描述为“展开的”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，垂直于竖直方向并且平行于地面)或更一般地称为横向方向。
尽管本文在特定实际应用的上下文中进一步描述了用于测量容器容积(即，测量具有圆柱形状和金属构造的大型储油容器的容积)的示例性***和方法，但应理解本发明并不限于此示例性应用。例如，在一些实施方案中，圆柱体可以被定向成使得中心轴线相对于地面水平延伸。本文公开的示例性技术同样适用于校正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。
另外，应该理解的是，上文阐明了一个用于描述装置相对于容器和相对于彼此的定位并且描述装置可以移动和对齐的各种方向的示例性惯例。在不脱离本发明所公开实施例的范围的情况下，可以使用其它惯例和术语描述装置的定位和移动，例如，通常可以将纬度对齐(也称为圆周对齐)称为具有相同纬度的两个点，同时将纵向对齐称为具有相同经度的两个点(彼此垂直)。根据这种惯例，例如，沿圆周方向/纬度方向移动换能器可以使换能器移动通过并且使用圆周地对齐的所有传感器捕获距离测量结果。
***100包含被配置成部署在容器150的侧壁155的外表面上的一个或多个传感器(例如，通过手、机器人等)。如图1所示，将多个声学传感器120A、120B和120C(在容器的相对侧示出)布置在侧壁上以限定传感器阵列。另外，***100包含至少一个信号发生单元130A(下文中称为“换能器”)，所述信号发生单元被配置成产生适合于由传感器检测的机械信号并且更具体地为声学信号并将所述信号施加到容器壁。在一些实施方案中还可以使用另外的换能器130B。优选地，每个换能器(例如，130A)产生辐射远离原点并沿壁的表面行进的信号。术语行进“穿过壁”旨在表示信号在壁的厚度内或沿壁的表面传播，这与信号穿过壁的整个厚度并且跨容器的由壁界定的内部容积160相反。信号在壁延伸的方向中的一个或多个方向上(例如，在围绕容器圆周的圆周方向118上、在纵向方向116上和/或前述各项的组合)上传播穿过壁。在图1所示的圆柱形储存容器上的***100的示例性实施方案中，信号优选地通常在顺时针方向112和逆时针方向114上围绕容器壁圆周地行进。然而，可以理解，在一些实施方案中，所述换能器中的一个或多个换能器可以被配置成发射信号穿过容器的内部容积。
可以使用换能器和传感器发射并检测各种类型的信号或“波”。如所描述的，信号通常属于机械波的广泛范畴，并且在本文所描述的非限制性示例性实施方案中为声波。在一些实施方案中，因为传感器可以被配置成检测一种或多种不同类型的波，所以距离测量可以基于在材料自身内部移动的表面波和/或压缩波。假设精确校正波在介质中的速度，只要所假设的波速保持一致，被测量的特定类型的波就不一定影响对应的距离测量。
在一些实施方案中，基于表面波的测量可能是优选的，因为表面波相对于具有最陡幅度的表面上下移动并且可以更容易检测。一般而言，当移动穿过介质时，初级波的行进速度可以比次级波更快，并且表面波的行进速度比次级波更慢。因此，在使用传感器检测多种类型的波的情况下，可以使用每种波型到达传感器的时间差来更精确地测量距离。例如，如本文进一步描述的，所述***可以被配置成测量初级波与次级波到达传感器的时间差以确定距离，并且然后对相应装置位置进行三角测量。
如图1所示，传感器和一个或多个换能器电连接到(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容器容积校正***100和各个测量装置的操作。如本文进一步描述的，控制计算机110是能够与***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正储存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，并且在执行此操作时，所述处理器被配置成分别通过换能器和传感器控制信号的发射和接收。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信号信息，并且几何地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，控制计算机被配置成确定换能器130A产生一个或多个信号或脉冲与至少第一波行进穿过容器壁到达一个或多个传感器之间的时间。理想地，也使用控制计算机110和装置测量/收集到达一个或多个传感器的另外的波的类似“飞行时间”信息(例如，在与第一波的方向相反的方向上围绕容器移动的第二波的飞行时间)。因此，控制计算机进一步被配置成基于波的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。由于声音穿过壁的速度可以根据容器壁的材料特性而变化，因此在一些实施方案中，可以基于材料假设声速。另外或可替代地，在一些实施方案中，还可以使用***100动态地计算声速。例如，可以使用具有已知间隔的两(2)个或更多个声学传感器来校正通知容器容积的校正的声速测量结果。
优选地，阵列包括多个传感器，所述传感器安置在储存容器的壁上的多个水平高度处(例如，如在纵向方向116上从容器157的基部测量的不同高度处，假设所述基部是水平的)。在一些实施方案中，可以将在纵向方向116和圆周方向118中的一个或多个方向上间隔开已知量的传感器和/或脉冲发生器应用于容器。例如，可以使用由多个间隔开的传感器构成的传感器带。如本文进一步所描述的，利用具有已知间隔的至少两个测量装置可以有助于***100的校正，并且在使用***100校正容器容积时确保精度。类似地，在一些实施方案中，传感器可以围绕容器单独地布置在已知高度处。因此，可以提高计算的精度和速度。此外，多个传感器在不同水平高度和圆周位置处的受控放置用于精确地三角测量和验证传感器的相应位置。因此，可以通过“展开”容器的外壁来创建2维图的准确尺寸。
在一些实施方案中，所述测量装置中的一个或多个测量装置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正***。然而，在一些实施方案中，可以临时部署所述测量装置中的一个或多个测量装置，使得***可以用于按需校正不同的容器。此外，在一些便携式校正***配置中，可以使用机器人部署传感器，因而消除在将传感器放置在容器上时对脚手架的需要。
传感器：
如本领域技术人员将理解的，传感器120A-120C可以是适合于安装到容器的外表面、检测和接收沿容器的壁从所述壁辐射的机械波信号并且处理这种信息的任何种类的传感器或收发器。优选地，传感器与表面接触的尖端非常小以最小化关于波检测的位置误差。尖端的大小可以限定为***的必要精度的函数。可以使用各种类型的传感器，例如，压电传感器、宽带声学换能器等。
例如，在一些实施方案中，传感器可以是被配置成检测沿壁传播的各种机械波类型(如例如但不限于初级波、次级波、表面波、瑞利波(Rayleighwave)等)之一的压电传感器。在传感器被配置成检测多种不同类型的波的实施方案中，可能进一步优选的是，传感器和/或控制计算机对在传感器处接收到的不同类型的波进行区分。此外，在一些实施方案中，传感器可以被配置成根据多种方法(例如，应力/应变、压力、振动等)测量表面的侧向或径向移动，如本领域技术人员将理解的。
优选地，传感器与控制计算机电子通信，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所接收到的信号数据提供给控制计算机以供进一步处理。
信号发生器：
如上所述，信号发生装置(例如，换能器130)可以是适合于将机械和/或声学信号施加到容器壁上使得所述信号围绕容器的圆周行进穿过容器的壁或沿着容器的壁行进的任何种类的换能器或收发器，如本领域技术人员将理解的。
在更基本的实施方案中，换能器可以是被配置成用坚硬物体可控制地撞击容器的表面以产生机械脉冲或波的机电装置。另外或可替代地，脉冲发生器可以是声学换能器。在以下描述中，术语“声学的”被广义地解释为包含机械波和声学信号，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。然而，在一些实施方案中，可以使用具有较低频率的信号，并且所述信号可以通过例如最小化信号的不希望的反射来提高精度并且通过允许更容易地检测信号的特定形状来促进信号的区分。
每个换能器可以被配置成产生包括至少一个脉冲的信号，所述脉冲沿容器壁朝向被配置成检测信号的一个或多个传感器行进。因此，通过使用相应位置处的一个或多个换能器来产生至少一个机械脉冲，可以测量单独脉冲行进的对应距离。尽管每个换能器可以被配置成发射包括单独脉冲/脉冲的信号，但是换能器还可以被配置成产生波，例如，具有特定频率、形状、波长、振幅等的脉冲流。
换能器可以被配置成将信号施加到容器壁上，使得信号辐射远离脉冲的原点。优选地，换能器被配置成使用容器壁作为波导以引导信号沿壁的表面从原点传播。在一些配置中，换能器被配置成引入信号，使得所述信号在一个或多个限定的方向上传播，使得所述信号以受控制的方式围绕容器的圆周传播。
优选地，换能器与控制计算机电子通信，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)的信号。信号的性质可以通过换能器的特定硬件配置来限定，并且另外或可替代地，使用控制计算机来控制。
更具体地，优选地，波不会在壁的一个表面与另一个表面之间移动(即，回响)(例如，在表面之间径向反弹)，因为这可能人为地增加波的行进距离并且在波的某一部分落后于前沿时产生噪声。因此，在一些实施方案中，可以校正信号的频率以使材料内的反射最小化。例如，使用低频信号可以产生更精确的结果，因为容器壁的厚度可能以其它方式允许信号在壁内反弹。另举一例，可以使用波长长于壁的厚度的信号，并且所述信号可以防止信号在壁的厚度内回响。因此，如果频率足够低(例如，使得一(1)个波长无法适配壁的厚度)，则应该使壁内的回声最小化，并且因此沿表面的信号传播应该更加一致。
在一些应用中，声波可能在某些频率下相互干扰。另外，较高频率可以增加信号的清晰度并且有助于精确检测，但是，可能要以如以上所述的信号的振幅损失和/或回响为代价。因此，鉴于与特定应用相关的约束(如容器壁厚度、周长等)，控制计算机和换能器可以被配置成调制脉冲的频率以在每个脉冲到达传感器时允许更精确地检测每个脉冲的前沿。在本文的方法和***中还可以选择或调制其它合适的信号特性，例如，可以调制或限定脉冲的振幅和波长。
机器人部署：
如前所述，在一些配置中，***100可以包含一个或多个机器人，所述一个或多个机器人被配置成自动地和半自动地将所述测量装置中的一个或多个测量装置临时部署在被校正的容器上。在图1所示的示例性配置中，使用机器人160部署声学换能器130A。在一些配置中，机器人可以通过在相应位置处将测量装置附接到容器来部署装置。因此，机器人可以部署多个不同的测量装置。在其它配置中，可以将测量装置安装到机器人上，使得部署包括使机器人移动到位，并且所述机器人使装置与壁155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***实施的代码的程序控制下将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***。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正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测量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***，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(如促进容器容积校正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，***100可以被配置成在实施容器容积校正过程之前和/或期间可控制地将测量装置部署到位(例如，通过手或使用机器人)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校正过程，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基于机械波或声波的测量结果来提高容器校正结果的精度。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***地移动到容器壁上的不同位置(例如，各种高度、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体积的详细图。
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***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、用户接口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***。
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***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***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执行的信号控制模块270、信号分析模块272、几何分析模块274、位置控制模块276。在执行软件模块230期间，处理器210被配置成执行与校正储存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***下载到存储装置290以在***内用于配置现场机器人100。
另外，应当注意，与本发明的***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测量装置(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***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测量装置的操作的软件和信息、用于在容器校正期间将测量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)的已知容器特性。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(如与校正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。
将参考图3进一步理解以上描述的用于校正容器容积100的***以及各种元件和组件的操作。图3是展示了根据本发明的实施例的用于校正储存容器的容积的例程300的要素的高级流程图。参考图4A–4D中所示的***100的示例性实际实施方案讨论了图3的方法，然而，应当理解，例程300可以类似地与在图5A-9的上下文中描述的示例性校正***配置和过程结合应用。
例程300开始于步骤305，在所述步骤处，在相应位置处将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将一个或多个声学传感器和一个或多个声学换能器部署到容器壁的外表面上的相应位置中。优选地，所述一个或多个传感器声学地耦合到壁，使得其被配置成检测沿表面行进的声学信号。换能器声学耦合到表面，并且在一个实施例中，所述换能器被配置成产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲在原点处施加到壁上，由此使声波沿表面辐射远离换能器的位置。声学装置的“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)。此外，优选地，声学传感器具有与表面接触的尖端，所述尖端具有合适的尺寸以实现测量结果的所需精度，并且因此使声波检测的误差最小化。例如，传感器尖端的直径可以小于基于距离的测量所需的精度公差。
图4A是示例性容器容积校正***400的简化俯视图，所述***包含安置在圆柱形容器450的壁455的外表面上的声学装置(即，换能器430和第一传感器420A)。还展示了与声学装置(430和420A)通信并且被配置成协调其操作的控制计算机110。如图4B所示，所述图是部署在容器450上的***400的侧视图，换能器430和第一传感器420A定位在容器壁上的相同高度(h)处(在纵向方向416上所测量的)，使得它们在纵向方向上对齐(即，如上所述，处于同一纬度)。假设换能器和传感器设置在同一纬度处(即，使得声学信号可以沿换能器与传感器之间的最直接/最短的圆周路径从换能器行进到传感器)，可以使用***400执行例程300的以下示例性步骤以计算容器在声学装置的给定纬度处的周长。应该理解，可以在如结合图5A-9所讨论的任何给定布置中使用另外的传感器420(例如，420B、420C等)。
在步骤310，使用换能器产生一个或多个脉冲。在实际应用中，通过使用例如但不限于信号控制模块270执行软件模块中的一个或多个软件模块来配置的控制计算机110可以使换能器430产生脉冲。控制计算机还可以记录与脉冲有关的各种参数，包含例如脉冲时间。其它参数可以包含脉冲的特性，如强度、频率等。优选地，从换能器的相应位置将脉冲施加到壁455，并且所述脉冲沿壁的表面从原点向外辐射。特别地，脉冲的第一分量(“第一声波”)在顺时针方向上沿表面行进，并且声波的第二分量(“第二声波”)在逆时针方向上沿容器的表面行进。图4C描绘了来自壁的内表面的透视图的容器壁的展平的二维视图(似乎沿图4A和4B中所示的假想分割线480对壁进行切割并且进行展开/展平)。图4C展示了从脉冲的原点(即，换能器430的位置)辐射的声波。有效地，如图4C所示，第一声波沿第一路径470从原点行进到传感器420A的位置，并且第二声波沿第二路径475行进。
现在返回到例程300，在步骤315处，使用一个或多个传感器检测所述一个或多个脉冲。可以理解，在考虑图4A-4D中所示的声学装置的特定相对放置的情况下，在到达传感器420A之前，第一声波(“距离1”)比第二声波(“距离2”)行进的距离更长。因此，传感器先检测到第二声波的到达，然后检测到第一声波的到达。另外，在步骤315处，可以使用传感器测量与所检测到的声波有关的信息，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，此信息包含传感器检测到声波分别到达的特定时间。另外，所测量和记录以供进一步分析的信息可以包含声波的特性，如强度、频率等。例如，可以使用控制计算机分析所检测到的声波的特性以区分脉冲，并且在一些实施方案中，确定容器的各种操作状况。
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脉冲的相应检测时间计算所述一个或多个脉冲的相应飞行时间(TOF)。每个相应TOF表示脉冲在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间并且是脉冲行进距离的函数，例如，从换能器的位置行进到特定传感器首次检测到脉冲的点的时间。
更具体地，在图4A-4D所示的示例性实施方案中，通过执行软件模块130中的一个或多个软件模块(包含例如但不限于信号分析模块272)来配置的控制计算机110可以基于脉冲时间与由第一传感器420A检测第一和第二声波的相应时间之间的经过时间计算分别沿第一和第二路径行进的第一和第二声波的TOF。此外，控制计算机可以通过对针对第一和第二波所计算的TOF进行求和来推断脉冲围绕容器的整个表面行进所耗费的总时间。
在步骤325处，控制计算机110基于相应TOF和声音穿过壁的速度计算声学装置之间的相应距离。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可以被配置成根据所计算的TOF和声音穿过容器的材料的速度计算第一和第二声波沿其相应路径行进的距离。例如，通常可以根据等式(距离＝TOF*声音穿过材料的速度)计算距离。类似地，假设换能器和传感器在纵向方向418上对齐，则可以根据等式(周长＝(TOF声波1+TOF声波2)*声音穿过材料的速度)计算容器的周长。图4D展示了第一和第二声波沿其相应路径行进的距离(即，脉冲行进的圆周距离)的“展开的”线性图形描绘。
在步骤330处，控制计算机根据在步骤325处计算的距离确定储存容器的容积。更具体地，在图4A-4C所示的实例中，可以基于容器的声学上测量的周长和容器的已知高度(假设周长不随高度变化)来计算体积。
尽管用于计算容器的周长的上述步骤基于换能器430和第一传感器420A纵向对齐(例如，处于容器上的同一高度处)的假设，但是在并未如此对齐(例如，位于不同纬度处)的声学装置之间的基于TOF的距离测量同样可以用于计算容器的尺寸，条件是所述声学装置中的至少两个声学装置的相对位置(例如，所述至少两个装置之间的在一个或多个横向或纵向方向上的距离)是已知的。
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容器容积校正***100的各种配置和概念。
图5A是图4A所示的***400的俯视图，但是其被修改为包含第二传感器420B。尽管未在图5A中示出，但是第二传感器420B与第一传感器420A定位在同一纬度上。因此，在操作期间，第一传感器420A和第二传感器420B被配置成检测来自分别在顺时针方向和逆时针方向上行进的脉冲的声波被检测到的时间。
在一些实施方案中，控制计算机110可以被配置成基于第一和第二传感器相对于换能器的通常已知位置区分对应于第一和第二声波的检测时间。这种一般位置信息可以例如使用GPS或在设置于声学装置上的高度传感器来确定或者在部署期间例如通过部署传感器的机器人或者手动将装置放置在容器上的工人进行测量。例如，基于以下理解：第一传感器大约放置在五(5)点钟位置(当从俯视图观察容器的圆周时)并且第二传感器420B放置在2点钟位置并且换能器处于九(9)点钟位置，控制计算机110可以确定第二传感器420B检测到的第一声波的第一实例是在顺时针方向上行进的第一声波并且对应于具有第一距离(即，距离1)的路径。控制计算机还可以确定由第二传感器420B检测到的声波的第二实例对应于在逆时针方向(即，沿如图5A所示的包括距离2+距离3B的路径)上围绕容器行进更大距离的第二声波。可以使用由第一传感器420A检测到的声学信号进行类似的确定。
多个传感器(即，传感器420A和420B)的使用可以进一步提高校正的精度。特别地，使用第一传感器420A和第二传感器420B测量的第二声波(如上所述，其在逆时针方向上行进)的相应检测时间可以用于确定第二声波从第一传感器行进到第二传感器所耗费的时间。使用传感器420A和420B测量的第一声波的相应检测时间同样可以用于确定从第二传感器420B行进到第一传感器420A的第一声波的TOF。
如图5A所示，第一脉冲在换能器与第二传感器420B之间行进距离1，并且在第一声学传感器420A与第二声学传感器420B之间行进距离3A。类似地，第二声波在换能器与传感器420A之间行进距离2，并且在第一声学传感器420A与第二声学传感器420B之间行进距离3B。图5B展示了第一和第二声波沿其相应路径在各种声学装置之间的行进的距离的“展开的”线性图形描绘。
在一些实施方案中，使用两个传感器之间的距离可以用于校正用于计算容器尺寸的变量。更具体地，如果例如实际距离3是已知的(例如，通过在部署期间手动测量距离)，则可以通过将其与实验确定的距离(例如，距离3A和/或距离3B)进行比较来确保声速常数的精度。另外或可替代地，可以根据基于传感器的距离测量结果中的一个或多个距离测量结果来调整用于计算容器的周长的声速。例如，可以将声速调整为使得距离3A和距离3B的值更接近。
图6A展示了根据所公开实施例中的一个或多个实施例的容器容积校正***600的示例性配置。***600包含放置在表面655上的相应位置处的一个换能器630和三个传感器620A、620B和620C。如所示出的，传感器放置在容器上的不同高度处，在此特定配置中，所述高度还不同于换能器的高度。
图6B是容器壁655的简化二维“展开”视图。从容器壁的内表面的透视图示出了图6B，似乎沿图6A中所示的假想分割线680对壁进行切割并且进行展开或展平。图6B还展示了远离原点(即，换能器630的位置)分别朝向传感器辐射的声波行进的路径。特别地，总体上在顺时针方向上并且朝向传感器620A、620B和620C行进的声波的路径分别标识为A1、B1和C1，并且总体上在逆时针方向上并且朝向传感器620A、620B和620C行进的声波的路径分别标识为A2、B2和C2。
控制计算机(未示出)可以例如根据例程300的一个或多个步骤计算沿相应路径行进的声波的TOF和路径的相应距离/长度。此外，假设容器的周长不随传感器的高度而变化，那么可以使用例如以下方程组数学地计算容器的尺寸：
A1，y＝A2，y A1，x+A2，x＝B1，x+B2，x * (A1，x)2+(A1，y)2＝(A1)2 (A2，x)2+(A2，y)2＝(A2)2
B1，y＝B2，y B1，x+B2，x＝C1，x+C2，x* (B1，x)2+(B1，y)2＝(B1)2 (B2，x)2+(B2，y)2＝(B2)2
C1，y＝C2，y (C1，x)2+(C1，y)2＝(C1)2 (C2，x)2+(C2，y)2＝(C2)2
使用前述解决方案进行的计算可能需要已知声学装置中的两个或更多个声学装置之间的基于位置的关系。例如，已知关系可以是所述声学装置中的两个声学装置(例如，传感器620A和换能器630)之间的已知的或独立测量的距离。在一些实施方案中，已知关系可以是表面上的至少两个声学装置在纵向和/或横向方向上的已知对齐。容器尺寸的计算还可以基于另外的假设，例如，容器的恒定高度、圆柱形形状、恒定曲率半径等，如本领域技术人员将理解的。
图6C是图6A的容器容积校正***600的侧视图，其中声学换能器630被配置成在纵向方向上在壁上向上或向下移动。例如，换能器630可以安装到机器人(未示出)上，可以使用控制计算机110(未示出)控制机器人以在声学容器容积校正过程期间可测量地调整换能器630的位置。
如前所述，将换能器定位成与所述声学传感器中的一个或多个声学传感器纵向对齐(即，处于圆柱形容器上的同一纵向高度处，假设所述容器是水平的)可以有助于准确计算容器在所对齐装置的对应高度处的周长。因此，在一个或多个示例性实施例中，所述***可以被配置成沿容器650的壁655纵向***地移动换能器630(例如，使用机器人)，并且对于换能器与所述传感器中的一个或多个传感器齐平的每个位置，可以例如根据前述例程300的一个或多个步骤测量容器的周长。因此，在包含位于不同高度处的多个传感器的配置中，可以确定每个传感器的高度处的容器周长，并且最终可以在考虑到周长的任何高度依赖性变化的情况下更精确地计算容器容积。还应当理解，同样可以在纵向方向上调整声学传感器的位置以促进测量另外的高度处的容器周长。
根据所公开实施例中的一个或多个实施例，容器容积校正***可以被配置成在一个或多个方向上相对于容器的圆周壁自动对齐两个或更多个声学装置。可以使用基于声学的测量并且更具体地基于声学信号在某些装置之间的所计算的TOF实现对齐。一般而言，验证装置对齐可以包含在横向和纵向方向中的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声学装置在容器表面上的位置，并且对于每个位置，重复产生、检测和计算TOF的步骤，直到重新计算的TOF中的一个或多个TOF指示所述声学装置中的至少两个声学装置的相应位置对齐。
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可以使用机器人沿容器表面在纵向方向上定位和重新定位换能器630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表面上在一个或多个方向上移动换能器所测量的量。对于机器人并且因此换能器的每个新位置，控制计算机可以执行以下步骤：使用换能器产生一个或多个声脉冲；使用所述传感器中的一个或多个传感器检测沿表面行进的声波；并且计算所述一个或多个脉冲的TOF。优选地，当试图将换能器与特定传感器(例如，传感器620A)对齐时，计算特定传感器620A检测到的声波的TOF。因为在换能器与特定传感器之间行进的声波的TOF与距离成正比，所以通过迭代地移动换能器直到识别到在其间行进的脉冲的TOF的最小值来实现对齐。如所描述的，控制计算机可以被配置成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。
图6D是在将换能器与传感器620A的对齐的整个过程中的来自壁的内表面的透视图的容器壁655的一部分的二维“展开”视图(似乎沿图6A中所示的假想分割线680对壁进行切割并且进行展开/展平)。图6D展示了在对齐过程期间换能器(P1-P4)的多个位置以及对于每个换能器位置而言的声波从换能器行进到传感器的静止位置“A”的相应路径。如图6D所示，换能器的位置P4与传感器位置A之间的路径A1和A2是最短的，因此可以确定位置P4是换能器与具有位置A的传感器对齐的位置。图6D进一步展示了一系列竖直换能器(或安装在机器人上的可移动换能器)可以如何通过创建可以产生相应装置位置之间的距离的的解的多条路径来提供额外信息。具体地，水平线A1和A2很重要，因为其允许确定传感器A处的容器周长，所述确定还提供该传感器相对于机器人/换能器的线(在水平方向上)在罐上的放置，从而实现方程组的解。
与图6B类似，图6E是容器壁655的二维“展开”视图，并且展示了远离换能器630朝向***600的相应传感器辐射的声波行进的路径。此外，图6E展示了两个传感器之间(或换能器与一个传感器之间)的已知距离如何帮助求解方程组和/或校正声音在材料中的速度。如可以理解的，容器容积校正***的校正可以提高所得容器容积测量结果的精度。在一些实施方案中，可以通过沿表面或沿最短路径测量传感器之间的在纵向和横向方向(x，y)上的距离来实现校正。例如，如图6E所示，如果BCx和BCy已测量或已知，则以下等式为真：By-Cy＝BCy并且Bx-Cx＝BCx。因此，可以对以下方程组(先前也提供过)：
A1，y＝A2，y A1，x+A2，x＝B1，x+B2，x * (A1，x)2+(A1，y)2＝(A1)2 (A2，x)2+(A2，y)2＝(A2)2
B1，y＝B2，y B1，x+B2，x＝C1，x+C2，x * (B1，x)2+(B1，y)2＝(B1)2 (B2，x)2+(B2，y)2＝(B2)2
C1，y＝C2，y (C1，x)2+(C1，y)2＝(C1)2 (C2，x)2+(C2，y)2＝(C2)2
进行求解并且所述方程组还将允许计算声速以验证假设。如前所述，基于容器在其整个高度上具有同一周长的假设来简化前述示例性方程组。
在一个或多个示例性实施例中，由具有已知间隔的两个或更多个传感器组成的容器容积校正***可以用于提高校正的精度。例如，图7是示例性容器壁755和包含换能器730和传感器720A、720B和720C的容器容积校正***700的二维“展开”视图。图7展示了两个传感器之间(或换能器与一个传感器之间)的已知距离如何帮助求解方程组和/或校正声音在材料中的速度。在图7所示的特定配置中，传感器720A附接到容器壁，其方式为使得BCy＝BAy且BCx＝BAx并且纵向和横向距离还彼此相等。
如果以此示例性方式对所有传感器进行分组，则可以最小化来自反弹或其它现象的噪声。此外，***700可以被配置成校正自身，并且传感器布置可以用于计算任何脉冲产生的方向。例如，可以使用传感器之间的已知距离计算波的方向性，并且这可以用于忽略从不期望的方向传播的任何波，如从罐壁的上边缘和下边缘反射的波。还可以通过考虑具有已知间隔的两个传感器之间的TOF并且考虑波传播的方向来实现关于声速的自校正。这种另外的信息可以进一步通知控制计算机110计算容器几何尺寸，并且可以用于例如通过消除不良数据并且任选地提供局部声速测量结果来更精确地确定容器的容积。
图8中描绘了容器容积校正***800的示例性配置，所述图是圆柱形储存容器的壁855的“展开的”二维视图。如所示出的，***800包括两纵行传感器(行825和820)，所述传感器被布置成使得在要测量周长的壁上的相应高度处设置多组传感器。***800还可以包含一个或多个移动脉冲发生器。在一些配置中，一个或多个换能器可以具有移动配置(例如，安装在机器人上)，使得其可以移动到位以测量各个水平高度处的容器周长。在图8所示的***800的特定配置中，包含多个换能器的纵向带850以纵向定向安装到壁上。在操作中，每个相应高度处的传感器将接收脉冲，并且控制装置(110，未示出)可以使用传感器之间的已知纵向距离(y)补偿一个或多个换能器与传感器之间的任何未对齐。例如，这种补偿可以包含确定小高度差内的可能足够精确的平均周长，这取决于应用的所需精度。另外或可替代地，可以纵向调整所述换能器中的一个或多个换能器的高度，直到实现如前所描述的与所述一个或多个传感器的适当纵向对齐，然后进行下一次测量。
图9中描绘了容器容积校正***900的示例性配置，所述图是圆柱形储存容器的壁955的“展开的”二维视图。***900可以是例如传感器的长期装置。如所示出的，***900包括各自包含在水平方向上间隔开已知距离x的两纵行传感器的两个组或“带”925和920。因此，每个带被布置成使得在将测量周长的壁上的相应高度处设置两个传感器。另外，传感器还在纵向方向上间隔开已知距离y。如所示出的，***900还包含脉冲发生器930。
图9所示的传感器的示例性配置可以促进以更高的精度确定周长和/或以消除移动换能器的需要。例如，如果期望具有单个静止脉冲发生器(这与使用移动换能器实现的更高精度相反)，则可以通过确定每个传感器在三维空间中的位置并且然后使用与换能器处于同一水平高度的两个传感器来计算此水平高度处的容器直径从而得出周长测量结果。因此，控制计算机可以被配置成使用单个脉冲计算包含一对相对传感器的每个水平高度的直径，并且因此确定容器的相应周长和/或总容积。在期望频繁监测的情况下，这种示例性***配置将是有益的。此外，值得注意的是，可以借助于将两组传感器放置在表面955上使得其定位在容器的大致相对侧(例如，在顺时针和逆时针方向两者上围绕圆柱形容器的920与926之间具有总体相等的圆周距离)来进一步简化容器几何尺寸的计算。
在此时，应该注意的是，尽管大多数先前描述已经涉及用于校正储存容器的容积的***和方法，但是本文公开的***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***和方法可以适用于使用各种类型的机械波并且不限于声学装置来测量容器容积。
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。应当理解，附图中的类似数字贯穿若干附图表示类似要素，并且并非所有实施例或布置都需要参考附图描述和展示的所有组件和/或步骤。
因此，本发明的***和方法的说明性实施例和布置提供了用于校正储存容器的容积的***和计算机实施的方法、计算机***和计算机程序产品。附图中的流程图和框图展示了根据各个实施例和布置的***、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。在此方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、片段或代码部分，其包括用于实施一个或多个指定的逻辑功能的一条或多条可执行指令。还应该注意的是，在一些替代性实现方案中，框中标注的功能可以不按附图中标注的顺序发生。例如，实际上可以基本同时执行按顺序示出的两个框，或者有时候可以按相反的顺序执行所述框，这取决于所涉及的功能。还将注意的是，可以通过执行特定功能或动作的基于专用硬件的***或专用硬件和计算机指令的组合来实施框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不旨在限制本公开。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。本文中对“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及另外的项。
上文描述的主题仅通过说明的方式提供并且不应被解释为具有限制性。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 (18)

1.一种使用多个声学装置测量储存容器的容积的方法，所述多个声学装置包含换能器和一个或多个传感器，所述方法包括：
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，其中所述一个或多个传感器声学地耦合到所述表面并且被配置成检测沿所述表面传播的脉冲，并且其中所述换能器声学地耦合到所述表面并且被配置成产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲在至少第一圆周路径和第二圆周路径中沿着所述表面远离所述换能器并且朝向所述一个或多个传感器辐射；
使用所述换能器产生一个或多个脉冲，其中每个脉冲在脉冲时间产生；
使用所述一个或多个传感器检测沿所述第一圆周路径和所述第二圆周路径辐射的所述一个或多个脉冲，并且记录沿相应圆周路径辐射的所述一个或多个脉冲被检测到的相应时间；
由与所述一个或多个传感器电子通信的计算装置基于所述脉冲时间和所述相应检测时间计算所述一个或多个脉冲的相应飞行时间(TOF)，其中每个相应TOF是所述脉冲沿特定的圆周路径在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间；
用所述计算装置基于所述相应TOF和声音穿过所述壁的速度计算所述声学装置之间的在第一圆周方向和第二圆周方向中的每一个方向上的相应距离；以及
用所述计算装置基于所计算的相应距离确定所述储存容器的所述容积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中部署所述多个声学装置包括在分隔已知距离的相应位置处部署至少第一声学传感器和第二声学传感器，并且所述方法进一步包括以下步骤：
用所述计算装置计算在具有已知间隔距离的所述第一声学传感器与所述第二声学传感器之间辐射的所述脉冲的TOF；以及
用所述计算装置基于在所述第一声学传感器与所述第二声学传感器之间辐射的所述脉冲的所述TOF和所述已知间隔距离计算声音穿过所述壁的所述速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
基于所计算的TOF使所述声学装置中的至少两个声学装置在横向方向和纵向方向中的一个或多个方向上相对于所述容器的所述圆周壁对齐。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述对齐步骤包括：
在所述横向方向和所述纵向方向中的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声学装置在所述表面上的所述相应位置，以及
重复所述产生、检测和计算TOF的步骤，直到一个或多个重新计算的TOF指示所述声学装置中的至少两个声学装置的所述相应位置在横向方向和纵向方向中的一个或多个方向上对齐。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述部署步骤包括使用在所述计算装置的控制下操作的一个或多个机器人来将所述一个或多个声学装置部署在所述表面上的相应位置处。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述迭代地调整所述声学装置中的一个或多个声学装置的所述相应位置的步骤包括：
使用所述计算装置和机器人使所述换能器在所述纵向方向上移动规定量，其中所述换能器的所述相应位置和所述规定量是使用所述机器人上的一个或多个位置传感器近实时地测量的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在相应位置处将所述多个传感器部署在所述容器的所述表面上包括：将所述多个传感器部署在所述容器的所述表面上的不同相应高度处；
使用机器人沿所述容器的所述表面在所述纵向方向上递增地重新定位所述换能器；
针对所述换能器的每个位置重复所述产生、检测和计算所述一个或多个脉冲的TOF的步骤；
基于所计算的TOF确定所述换能器是否在所述纵向方向上与所述传感器中的一个或多个传感器对齐；以及
基于所述所计算的TOF计算所述容器的在确定所述换能器与所述多个传感器中的一个或多个传感器对齐的每个位置处的周长。
8.一种用于测量储存容器的容积的***，所述***包括：
多个声学装置，所述多个声学装置被配置成部署在所述容器的圆周壁的外表面上的相应位置处，所述声学装置包含：
多个传感器，所述多个传感器被配置成声学地耦合到所述圆周壁并且检测沿所述表面辐射的脉冲，
换能器，所述换能器被配置成声学地耦合到所述表面并且产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲沿相应圆周路径沿所述表面远离所述换能器并且朝向所述多个传感器辐射；以及
控制计算***，所述控制计算***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、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：
信号控制模块，所述信号控制模块将所述处理器配置成使用所述换能器在相应脉冲时间产生一个或多个脉冲，其中所述信号控制模块将所述处理器进一步配置成使用所述传感器分别检测所述一个或多个脉冲到达所述传感器并且记录相应检测时间，
信号分析模块，所述信号分析模块将所述处理器配置成基于所述相应脉冲时间和所述相应检测时间计算所述一个或多个脉冲的相应飞行时间(TOF)，其中相应TOF是所述脉冲沿相应圆周路径在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间，以及
几何分析模块，所述几何分析模块将所述处理器配置成基于所述相应TOF和声音穿过所述壁的速度计算所述声学装置之间的距离，并且基于所计算的距离计算所述储存容器的所述容积。
9.根据权利要求8所述的***，其进一步包括：
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声学装置部署在所述圆周壁的所述表面上，其中所述机器人包含驱动***和用于监测所述机器人的位置的一个或多个位置传感器，其中所述机器人被配置成可控制地将所述一个或多个声学装置部署在所述表面上；以及
所述软件模块中的位置控制模块，其中所述位置控制模块将所述处理器配置成使用所述机器人在纵向方向上迭代地调整所述换能器在所述表面上的所述相应位置并且重新计算相应TOF，直到所述换能器在所述纵向方向上与所述声学传感器中的至少一个声学传感器对齐，其中当所述处理器识别到在所述换能器与所述至少一个传感器之间行进的脉冲的重新计算的TOF最小时实现对齐。
10.根据权利要求8所述的***，其中所述多个传感器包含部署在相应位置处的至少第一声学传感器和第二声学传感器，所述相应位置在所述纵向方向和横向方向中的一个或多个方向上分隔已知距离。
11.根据权利要求10所述的***，其中所述信号分析模块将所述处理器进一步配置成计算在具有已知间隔距离的所述第一声学传感器与所述第二声学传感器之间辐射的所述脉冲的TOF，并且将所述处理器进一步配置成基于在所述第一声学传感器与所述第二声学传感器之间辐射的所述脉冲的所述TOF和所述已知间隔距离计算声音穿过所述壁的所述速度。
12.根据权利要求10所述的***，其进一步包括：
声学传感器阵列，所述阵列包含至少两纵行平行的声学传感器，并且
其中纵行中的所述声学传感器间隔开已知的纵向间距，并且其中所述两行在所述横向方向上间隔开已知的横向间距。
13.一种用于测量储存容器的容积的***，所述***包括：
多个声学装置，所述多个声学装置被配置成部署在所述容器的圆周壁的外表面上的相应位置处，所述声学装置包含：
多个传感器，所述多个传感器被配置成声学地耦合到所述圆周壁并且检测沿所述表面辐射的脉冲，
换能器，所述换能器被配置成声学地耦合到所述表面并且产生一个或多个脉冲，所述一个或多个脉冲沿相应圆周路径沿所述表面远离所述换能器并且朝向所述多个传感器辐射；
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声学装置部署在所述圆周壁的所述表面上，其中所述机器人包含驱动***和用于监测所述机器人的位置的一个或多个位置传感器，其中所述机器人被配置成可控制地将所述一个或多个声学装置部署在所述表面上；以及
控制计算***，所述控制计算***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：
信号控制模块，所述信号控制模块将所述处理器配置成使用所述换能器在相应脉冲时间产生一个或多个脉冲，其中所述信号控制模块将所述处理器进一步配置成使用所述传感器分别检测所述一个或多个脉冲到达所述传感器并且记录相应检测时间，
信号分析模块，所述信号分析模块将所述处理器配置成基于所述相应脉冲时间和所述相应检测时间计算所述一个或多个脉冲的相应飞行时间(TOF)，其中相应TOF是所述脉冲沿相应圆周路径在所述声学装置中的两个声学装置之间行进的经过时间，
几何分析模块，所述几何分析模块将所述处理器配置成基于所述相应TOF和声音穿过所述壁的速度计算所述声学装置之间的距离，并且基于所计算的距离计算所述储存容器的所述容积，以及
位置控制模块，所述位置控制模块将所述处理器配置成使用所述机器人迭代地调整所述声学装置中的一个或多个声学装置在所述表面上的所述相应位置并且重新计算相应TOF，直到所述声学装置中的至少两个声学装置在横向方向和纵向方向之一上对齐，其中当在所述至少两个声学装置之间辐射的脉冲的重新计算的TOF最小化时实现所述至少两个装置的对齐。
14.根据权利要求13所述的***，其中所述多个传感器包含部署在相应位置处的至少第一声学传感器和第二声学传感器，所述相应位置在所述横向方向和所述纵向方向中的一个或多个方向上分隔已知距离。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述信号分析模块将所述处理器进一步配置成计算在具有已知间隔距离的所述第一声学传感器与所述第二声学传感器之间辐射的所述脉冲的TOF，并且将所述处理器进一步配置成基于在所述第一声学传感器与所述第二声学传感器之间辐射的所述脉冲的所述TOF和所述已知间隔距离计算声音穿过所述壁的所述速度。
16.根据权利要求13所述的***，其中所述处理器被配置成基于所计算的TOF控制所述声学装置中的至少两个声学装置在横向方向和纵向方向中的一个或多个方向上相对于所述容器的所述圆周壁的对齐。
17.根据权利要求16所述的***，其中所述位置控制模块将所述处理器配置成在所述纵向方向上调整所述换能器的位置规定量，直到所述换能器与所述多个传感器中的一个或多个传感器对齐。
18.根据权利要求17所述的***，其中所述处理器被配置成针对所述换能器与所述多个传感器中的所述一个或多个传感器对齐的每个位置计算所述容器的周长。
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