用于液体的非侵入性连续液位测量的系统和方法

摘要

本发明描述了用于液体的非侵入性连续液位测量的系统和方法，液体被容器的实体壁封闭。系统包括产生超声波并用于将其发射到容器壁中的超声发射器、接收穿过容器壁的超声波的超声接收器和控制发射器和接收器的操作并根据超声波的飞越时间确定液位的至少一个电子控制和数据处理单元。发射器是可调频的发射器，其放置在容器壁外面并位于液体表面的液位下的第一位置，使得发射器能够将超声波作为初兰姆波发射到容器壁中，使得部分初兰姆波从容器壁以压力波形式在朝着液体表面倾斜且向上的方向泄漏到液体中。接收器放置在容器壁外面并位于液体表面的液位下的第二位置，使得接收器能够接收压力波在被液体表面反射之后撞击容器壁而产生的次兰姆波。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于液体的非侵入性连续液位测量的系统和方法，其中液体被容器的实体壁所封闭。

背景技术

液位传感器用于确定包含液体的容器的填充液位。

今天，液位测量方法主要使用侵入性技术，其意味着需要在容器的壁中开口，以便将液位传感器引入到容器中。

然而，在某些工业中，例如在食品或药品工业中，为了避免污染，将外物带入液体附近或甚至与液体接触是不符合要求的。甚至在其它领域，例如在化学或石油天然气工业中，侵入性液位测量可能由于液体是爆炸性的、易燃性的、腐蚀性的或遭遇极端温度而不会被标示出来。

因此，在过去为了测量未打开的容器的填充液位研究出了非侵入性测量技术。这种非侵入性传感器可为基于例如X射线或γ射线的技术。因为X射线或γ射线的使用关联某些危险并因此不仅仅是潜在有害的，而且还是昂贵的，所以通常只有不存在备选方案时才应用它。

备选方案可采用声学非侵入性方法的形式。

从US7694560B1和US20100242593A1获悉超声波液位传感器，其中声信号从容器底部的下面朝着液位界面发送，并以相同的方式反射回来。术语“液位界面”指液体的表面。由这些传感器发送的超声信号直接穿过容器壁，以便在直线路径中以竖直方向进入和穿过液体。US7694560B1和US20100242593A1的测量方法的缺点在于，它们需要接近容器或箱的底部，其在工业应用中时常没有给出来。

在JP2006322825A中，描述了一种非侵入性液位测量方法，其应用了上述液位测量技术。在图1中显示了通用的机构。这里，容器1包含了液体2和位于液体2上面的气态介质3。在液体2和气态介质3之间的界面被称为液体表面4或液位界面。超声波脉冲8的飞越时间被测量，其中超声波脉冲8从容器1底部的外面通过第一超声波收发器5进行发射，并被液体表面4反射回来。为了计算液体2的填充液位，需要超声波的传播速度，即其在液体2中的声音速度。声音速度通过第二超声波收发器7来确定，其定位在箱的侧壁上，并且其沿着容器1的水平直径测量第二脉冲9的飞越时间。在JP2006322825A中需要容器1的直径是已知的大小，从而直接计算超声波脉冲9的声音速度。

换句话说，在图1中，声信号8朝着液位界面或液体表面4发送，其被反射回来，然后被同一换能器5接收。声信号8的飞越时间t被测量。然后通过将液体2中的信号传播速度c_medium乘以飞越时间t的一半而计算出换能器5至液体表面4和从而液位的距离L，信号传播速度c_medium对于声信号而言是声音速度，即

L=(t*c_medium)/2 (1)。

在US6925870B2中提出了另一非侵入性方案，其基于直接发射到液体中的超声信号的使用。这里收发器定位在容器的侧壁上。一个超声信号以水平方向发射，并从相反的容器侧壁反射回来。这个信号用于测量声音速度，即液体中的超声波束的移动速度。另一超声信号以成角度的方向发射，使得其被液体表面和相反的容器侧壁之间的交会部反射回来。根据这个第二信号的飞越时间，可确定液体表面相对于换能器位置的高度。

使US6925870B2的方法起作用的先决条件是液体表面(即液位界面)和容器壁限定了矩形转角。换句话说，该方法只适用于具有竖直壁的容器。对于非竖直对准的壁，超声信号将不会反射回发射器，而是至不同的位置，这依赖于发射束的角度和壁的角度。

在DE68903015T2、RU2112221C1和超声学41(2003)第319-322页的Sakharov等人的“利用超声兰姆波的液位传感器”中描述了用于非侵入性液位测量的不同技术。那里描述的技术基于沿着容器壁或壁传播的超声兰姆波的使用，并且不适用于液位高度的连续测量，相反适用于检测预定的液位是否被液体表面所超越。此外，同之前所述的超声信号直接发射到液体中的超声波传感器相反，超声兰姆波产生并很大程度上保持在包围液体的壁中。换句话说，在连续的液位传感器使用直接发射和反射的超声信号的同时，点位液位传感器使用在容器壁内部移动的超声兰姆波。此外，虽然在连续的液位传感器中，超声信号利用与发射束相同路径被反射回来，使得发射器和接收器放置在容器壁外面的相同位置上，但点位液位传感器具有成对的发射器和相对应的接收器，其放置在相同的高度，但不同的横向位置上。

兰姆波或也被称为板波，其是板中产生的机械波，其中波的传播在壁的侧面受到波的反射影响，并因而受到有限的传播空间的影响。它们因而显示了与波在波导中传播相似的属性。兰姆波以不同的模式传播，其具有不同的属性，尤其不同的传播速度以及不同的衰减。通常在低频率下，可能发生对称模式S0和反对称或非对称模式A0，其在图2中有所描绘。理想地，波在板的侧面被全部反射，并因而保持在板的内部。这对于气态介质或真空中的板而言是第一近似有效的。

在板与液体接触的情况下，界面的反射率被减少，并且兰姆波可将声能发射到周围液态介质中。这在低频率下发生尤其非对称模式。由于声能发射到周围介质中，它们还被称为泄漏的兰姆波。这个声能发射到液体中导致波的强烈衰减，该效应在DE68903015T2、RU2112221C1和Sakharov的文献的点位液位传感器中尤其用于检测液体的存在。

虽然DE68903015T2和Sakharov的文献的点位液位传感器纯粹基于在容器壁内部移动的兰姆波，但是RU2112221C1的点位液位传感器将兰姆波发射到容器壁中，并将纵向超声波发射到液体中。这两种波水平地并平行于液体表面而扩散。通过测量这两个信号的衰减，获得了更可靠且更精确的结果。

在Sakharov的文献中描述了，为了产生和检测兰姆波，声能换能器被附着在由聚氨基甲酸脂制成的声楔上。声能换能器将产生体纵波，其然后将被聚氨基甲酸脂楔转变成兰姆波。在容器壁的表面和发射并接收的兰姆波的方向之间的楔角θ经过选择，从而满足条件 ，其中v_B是楔中的体纵波的速度，并且v_L是容器壁中的兰姆波的速度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种备选方法和备选系统，其用于非侵入性地和连续地测量容器中的液体表面的高度。

这个目的是通过根据独立权利要求的系统和方法来实现的。

从例如上述Sakharov的文献中知道，该系统包括超声发射器、超声接收器、至少一个电子控制和数据处理单元，超声发射器用于产生超声波并用于将其发射到容器壁中，超声接收器用于接收穿过容器壁的超声波，所述至少一个电子控制和数据处理单元用于控制发射器和接收器的操作，用于确定超声波的飞越时间，并用于根据飞越时间确定液位。

根据本发明，发射器是可调频的发射器，其放置在容器壁外面并位于液体表面的液位之下的第一位置，使得发射器能够将超声波作为初兰姆波发射到容器壁中，使得初兰姆波的一部分从容器壁以压力波的形式在朝着液体表面倾斜且向上的方向泄漏到液体中。接收器放置在容器壁外面并位于液体表面的液位之下的第二位置，使得接收器能够接收压力波在被液体表面反射之后撞击容器壁而产生的次兰姆波。所述至少一个电子控制和数据处理单元适合于

控制发射器(38,48)以不同的频率发射初兰姆波(30)

对于各个不同的频率，确定压力波的飞越时间和/或所接收的次兰姆波的幅度(amplitude)，

改变发射器的频率，直至确定的飞越时间达到最小值，或者直至确定的幅度达到最大值，且

基于如下关系而确定液位，即最小飞越时间或与次兰姆波的最大幅度相对应的飞越时间等于压力波的传播路径的长度除以液体中的压力波的速度。

术语“飞越时间”涉及在信号的发射和接收之间消逝的时间。

短语“倾斜且向上的方向”要求压力波和水平轴之间的辐射角在零至九十度之间。

此外，应注意，所提议的系统的至少一个电子控制和数据处理单元适合于执行以下所述的各种方法的用于获得测量值并用于确定各种大小的所有步骤，所述各种大小在后面用于产生液位作为输出结果。

本发明的基本思想是在朝着反射的液体表面的某一角度下通过箱或容器壁发射超声信号，并在相邻或相反的容器壁上检测超声信号的反射。超声信号的角度通过利用泄漏性的兰姆波的特征而被控制在某一范围内，使得从实体壁发射到液体中的压力波的辐射角随着兰姆波的频率而变化。因此，发射器选择为可调频的兰姆波发射器，并且相应地适配接收器。

在测量过程中，发射的超声波的辐射角依据频率或波长而变化，以便找到在发射和接收信号之间的最小时间，或者找到接收信号中的最大幅度。液体中的声音速度要么被假定为是已知且恒定的，或者在测量液位之前得以确定。

为了替代单个发射器和单个接收器，可使用两个换能器，各个换能器包含发射器和接收器。这在确定液体中的声音速度时可为有利的。

容器壁中的兰姆波的产生可以不同的方式来实现，其具有变化的频率或变化的波长。

发射器可为压电发射器或电磁声音发射器，其可优选安装在声楔上。在那种情况下，为了确保接收器只对某一方向是选择性的，并因此只接收属于反射压力波且相应地在某一角度范围内到达的超声信号，接收器也通过声楔而连接在容器壁上。

或者，压电发射器可用于与直接放置在其前面的机械栅格相结合，或者与电子栅格相结合，导致所谓的叉指型发射器，其由梳状电极组成。

附图说明

本发明和其实施例将从下面结合附图所述的示例和其实施例中变得显而易见，其中：

图1显示之前已知的用于容器中的液位测量的机构的侧视图，其包括液体中的声音速度的测量；

图2显示兰姆波的两个零阶模式的示意性的行为；

图3显示通过楔形发射器在液体中产生成角度压力波的原理；

图4显示用于测量液位的第一实施例；

图5显示第一实施例的几何关系；

图6显示用于测量液位的第二实施例；

图7显示用于测量液体中的声音速度的第一实施例；

图8显示用于测量液体中的声音速度的第二实施例；

图9显示用于测量液体中的声音速度的第三实施例；且

图10显示声音速度与壁厚、壁材料和信号频率的相关性。

具体实施方式

如上面解释的那样，这里呈现的液位测量基于兰姆波的使用。图2显示了在具有厚度d的板或壁中传播的兰姆波的两个基本零阶模式。如图可见，对称的零阶模式S0在板内部以对称的方式相对于板的正中面移动，正中面定位于厚度的一半d/2处。对称的零阶模式S0也被称为扩展模式，因为波在波动方向上拉伸和压缩板。对于非对称的零阶模式A0，板随着其上表面和下表面以相同的方向移动而弯曲。非对称的零阶模式A0也被称为挠曲模式，因为大多数波的运动发生在板的法线方向上，并且只有很少的运动发生在与板平行的方向上。

在图3中，显示了当板31与液体32接触时发生了什么。在那种情况下，朝向液体32的板的外表面的反射率被减少，并且兰姆波30以压力波33的形式将声能发射到液体32中。这在低频率下发生尤其非对称模式A0。在这种情形下，兰姆波变成泄漏性的兰姆波。

发射的声能作为更具方向性的声信号发送到液体中。信号发射的方向因而通过壁中的声音速度和液体中的声音速度根据如下方程来确定

cose(α)=cL/(cW(f))　　　　　　(2)。

从图3中可看出，其中α是在壁31和压力波33之间的角度，cL是液体32中的声音速度，并且cW(f)是壁中的兰姆波30，也被称为初兰姆波的可能与频率相关的相位速度。

在壁中的兰姆波的声音速度变化的情况下，发射束方向也将变化。通过选择具有频率相关的声音速度的兰姆模式，发射束的方向可以很容易地通过改变发射的兰姆波的频率而变化。

零阶非对称的模式A0对于这里所述的液位测量目的是个良好的选择，因为其确保了声能在广泛的频率范围内有效地辐射到液体中。除此之外，A0-模式的传播速度是与频率强相关的。但也可使用其它模式，如果它们具有这些相同的属性。

在图3中，还显示了超声发射器38安装在声楔36上，其附着在板31的外面或干的侧面上。这样就预先确定了可在什么大体方向上将压力波发射在液体32中，其中发射的压力波33的精确角度然后围绕该大体方向而变化，这根据方程2依赖于所选择的频率。

在图4中，显示了用于连续且非侵入性地测量容器41的液位的系统的第一实施例。超声发射器48安装在第一声楔46上，用于产生超声波，并用于将其发射到容器壁中。超声接收器49安装在第二声楔47上，用于接收穿过容器壁的超声波。至少一个电子控制和数据处理单元6设置为用于控制发射器48和接收器49的操作，并用于根据超声波的飞越时间确定液位H。所述至少一个电子控制和数据处理单元6可为独立单元，或者其可集成在发射器48和/或接收器49中。

发射器48是可调频发射器，优选是压电发射器或电磁声音发射器，其与第一声楔46一起放置在位于容器壁外面且位于液体表面44的液位之下的第一位置([h1,d1]，见图6)，使得发射器48能够将超声波作为初兰姆波(30)发射到容器壁中，使得初兰姆波的一部分从容器壁以压力波43的形式在朝着液体表面44倾斜且向上的方向(以某一角度α)泄漏到液体中。

接收器49与第二声楔47一起放置在位于容器壁外面且位于液体表面44的液位之下的第二位置([h2,d2]，见图6)，使得接收器49能够接收由于压力波43的反射45撞击容器壁而产生的次兰姆波，其中原始压力波43被液体表面44反射。接收压力波反射的过程与图3中针对发射压力波所示是相同的，只是相反方向。因此，图3的压力波33将变成朝着板31(或容器壁)移动的压力波的反射，并以角度α撞击板，这将产生在板(或容器壁)的内部朝着接收器的声楔传播的次兰姆波。

所述至少一个电子控制和数据处理单元6适合于重复地确定压力波43,45的飞越时间t，改变发射器48的超音频f直至确定的飞越时间达到最小值tmin，或者接收器49所接收的次兰姆波的幅度达到最大值，并且基于如下关系而确定液位H，即最小飞越时间tmin或具有最大次兰姆波幅度的信号的飞越时间等于压力波43,45的移动路径的长度(a1+a2，见图5)除以液体中的压力波的速度cL。

在图5中描绘了第一实施例的几何关系，其中在第一实施例中，发射器48和接收器49放置在容器51的壁的直接相对的部分上，并位于不同的高度h1和h2。因此，在发射器48和接收器49的位置之间的距离等于容器51的外径D。出于简单起见，该方法这里以圆柱形状的容器进行举例说明。然而，该方法也可应用于任何其它形状的容器。在图6中所示的更一般性的第二实施例中，发射器48和接收器49没有放置在容器51的壁的直接相对的部分上，而是放置在分别远离外径D的某一距离d1和d2处。因此，声楔46和47需要相应地通过例如在不止一个方向上具有倾斜度而定制形状，从而确保压力波43的反射45被接收器49所接收。当比较图5和图6时，可能注意到，在图5中，发射器48在水平方向定位于d1=0处，并且接收器49位于d2=D处。

从图2,5和6中可以懂得，所述至少一个电子控制和数据处理单元6可适合于根据成形于第一位置[d1,h1]、第二位置[d2,h2]和压力波43被液体表面54反射所处的点R之间的三角形的几何尺寸确定压力波43,45的移动路径的长度a1+a2。

如上面解释得那样，发射器48与第一声楔46一起适合于发射具有显著的非对称的零阶模式A0的初兰姆波(30)，其一部分作为压力波43泄漏到液体中。通过电子控制和数据处理单元6改变发射器48的激励频率，液体42中的发射的压力波43的方向基于非对称的零阶模式A0的频率相关的相位速度而变化，直至压力波43和其反射45的确定的飞越时间达到最小值tmin。

对于第一实施例(见图5)，然后可从以下方程确定液位H(也被称为填充液位)

　　　　(2)。

对于第二实施例(见图6)，可从更一般性的方程确定液位H

　　　　(3)。

如已经提到得那样，液体42中的压力波43,45的速度cL可被假定是已知且恒定的，或者其可在测量液位H之前，在校准声音速度期间进行确定。

后者将在下文中结合图7至10进行解释。

声音速度依赖于介质并随温度而变化是被认可的。例如，声音速度对于液体而言从针对四氯化碳(CCl4)的943m/s变化至针对苯胺的1660m/s，其对应于大约70%的变化。在水中，在室温下的温度变化同样大约为1800ppm/K。

在那些通常用作用于容器壁的材料的金属中，声音速度依赖于壁内部的声信号是否是纵波或切变波而变化。对于纵波，钢中的声音速度是5400m/s，在铝中是5100m/s，并且在Ni/Fe合金的因瓦合金中是4300m/s。这对应于25%的变化。对于切变波，钢中的声音速度是3200m/s，在铝中是3100m/s，并且在因瓦合金中是2700m/s，其对应于18%的变化。壁金属中的温度变化是150ppm/K。

因此，可以观测到在液态介质的声音速度方面可能发生相当大的变化，这依赖于介质的温度和化学成分，使得在测量容器中的液体液位之前需要单独地确定声音速度。

图7,8和9各显示了从容器71,81,91的顶部看去的视图，其用于测量包含在容器中的液体72,82,92中的声音速度。声音发射器77,87,97安装在液体表面下面，并且位于容器71,81,91的外面，用于将直接的声信号79,89,99发射到液体中，以便其在第一移动平面内部朝着声音接收器75,85,95移动。有利的是，该声音发射器和接收器与用于后面液位测量(见图9)的发射器和接收器是相同的。然而，在图7和图8的实施例中，对于声音速度校准只需要一个换能器，其具有集成的发射器和接收器。因此，要么发射器48或接收器49或两者都可以是换能器的一部分，该换能器然后可用于校准液体42中的声音速度。结果，图2,5和6的实施例将各包括至少一个额外用于执行声音速度校准的接收器。

图7,8和9中的假定的第一移动平面是水平的圆形平面，并平行于容器71,81,91的底部。

用于接收直接声信号79,89,99的声音接收器75,85,95也安装在液体表面的下面。声音接收器75,85,95设置为用于接收被容器71,81,91的壁反射之后的直接声信号79,89,99，该壁至少在一定程度上与发射器77,87,97和接收器75,85,95安装所在的壁相反。因此，发射器77,87,97设置为用于在某一方向上发射直接声信号79,89,99，该方向垂直于容器壁的第一反射表面，使得直接声信号29朝着其原点并因此朝着接收器75,85,95反射回来。

发射器77,87,97进一步设置为用于将声壁信号70,80,90以声波形式发射到容器71,81,91的壁中，以便其在移动容器壁内部沿着第一移动平面的周边移动，直至其被接收器75,85,95接收。

所述至少一个电子控制和数据处理单元6然后进一步设置为用于

通过测量在相应信号的发射和接收之间的时间周期而获得直接声信号79,89,99的第一飞越时间t1和声壁信号70,80,90的第二飞越时间t2；

从数据存储器中获得容器71,81,91的壁中的声音速度cW，其中容器的壁中的声音速度cW被假定是已知且恒定的，即其预先作为参数储存在数据存储器中；

根据容器壁中的声音速度cW和第二飞越时间t2确定第一移动平面的周长P，即图7,8,9中所示的圆的周长；

根据第一移动平面的周长和关于第一移动平面的几何形状的信息确定直接声信号79,89,99的移动路径D的长度，其在这种情况下是圆直径的长度的两倍；且

根据直接声信号的移动路径的长度和第一飞越时间t1确定液体72,82,92中的声音速度cL。

关于第一移动平面的几何形状的信息也储存在数据存储器中，该数据存储器优选集成在电子控制和数据处理单元中。

第一移动平面的周长P可基于一般关系P=t2*cW来确定。在圆直径的情况下，移动路径D的长度可基于一般关系D=2*P/π进行确定，并且声音速度可基于cL=D/t1进行确定。实际上，额外的物理效应必须加以考虑，例如发生在发射器和/或接收器的电子器件中的时延。

以不同的方式解释，图7,8,9显示了为了测量液体中的声音速度产生了两个声信号，其中一个(79,89,99)穿过介质移动至相对的容器侧面并被反射回来，另一个沿着实体容器壁围绕容器81,91移动一次。两个信号的移动时间被测量出来。这种方案基于对实体壁中的声速随壁材料和温度比在容器内部的液体中变化更少的认识。因此，容器壁中的声音速度cW被假定是已知的。容器壁中的移动时间与假定的声音速度cW一起用于确定容器的周长和因而直径。利用确定的容器直径，可根据介质中的移动时间计算出液体中的声音速度。

在图7,8,9中，直接信号(79,89,99)水平地通过介质发送至相反的壁侧面上，其被反射回来并在发送器处被再次接收。第二信号(70,80,90)作为壁中的板波而产生并通过壁围绕容器的圆周而移动。第二信号也将在发送器被再次接收。这两个信号的移动时间被测量出来。直接信号的飞越时间将如上所述用于介质(72,82,92)中的声音速度测量。第二信号用于确定箱的周长长度，然后据此可确定直径和因而直接信号(79,89,99)的移动距离。

周长的长度可依据方程(1)根据第二信号(20)的飞越时间来确定，其中传播速度再次必须是已知的，例如容器壁中的声音速度。从上面给定的用于不同壁材料的声音速度值中可看出，在不同金属之间的声音速度的变化比液体低得多，尤其对于剪波速度。另外，随温度的变化同液体相比为1/10。因而，周长测量的不确定性比第二信号(70,80,90)在液态介质中移动时更低。另外，只有很少的材料选择通常用作用于工艺容器的壁材料，并且所使用的壁材料时常是已知的。因此，当壁材料类别是已知的，那么不确定性将甚至更低。另外，壁的温度比液体的温度更容易确定，例如其可通过表面温度传感器来测量，并因而可通过已知的壁材料的温度依赖性进一步补偿传播速度或声音速度的温度依赖性。因此，用于液位测量的液体中的声音速度cL的值的不确定性被减少至壁材料的声音速度的不确定性。

图9的实施例不同于图7的实施例之处在于，在具有高阻尼因数的液体92的情况下，第一声信号99不从相对的容器壁反射回来，以减少移动距离。在图3的系统中，发射器97设置为用于以成角度方向发射直接声信号99，成角度方向不垂直于容器的壁的第一反射表面，使得第一声信号99笔直朝着接收器95移动。因此，产生的用于声音速度校准的信号(99)不需要在整个箱直径/周长上移动。在发射器和接收器之间没有差异，而是使用具有发射和接收能力的换能器的情况下，额外的换能器可用于容器周长的第二点上。按照图9所示的相同方式，用于声音校准(99)的信号可朝着这个第二换能器进行定向，并必须只移动更短的距离。通过容器壁移动的第二信号，即声壁信号90也将被这个第二换能器接收，并且也将必须只覆盖更短的路径。这在液体92或容器91的壁或两者中具有高衰减的情况下，或者在容器91中的安装部件阻碍直通容器91中点的路径的情况下将具有优势。

图8中所示的实施例不同于图7的实施例之处在于，穿过液体82的直接声信号89不会笔直发送至接收侧，而是在某个角度下。其然后沿着容器壁进行若干次反射。利用这个实施例，在容器81中间安装的问题再次得以避免，即箱中间的阻塞部件不再是问题。在图8的系统中，发射器87和接收器85集成在同一装置中，并安装在容器81的壁的外面。发射器87设置为用于以角度方向发射直接声信号89，该角度方向不垂直于容器壁的第一反射表面，使得第一声信号89在被接收器85接收之前不止一次被容器81的壁反射。

在图7至图9的实施例的描述概览中，可能注意到，直接声信号要么直接(图9)被接收器接收，或者作为其反射(图7,8)被接收器接收。此外，容器全部被假定至少在执行声音速度测量的区域具有圆柱形状。在图7至图9中，始终显示了从容器的顶部看去的视图。由于在声音速度测量的高度处的圆柱形状，容器71,81,91的壁全部显示为圆形。然而，这里提出的方案可适用于任何其它几何形式，只要这种形式容许在知道平面周长时获得直接声信号的移动长度即可，其中直接声信号跨该平面传播。

在下文中，描述了图7至图9的进一步的实施例，其中发射器77,87,97设置为用于以对称的零阶模式S0和非对称的零阶模式A0发射声壁信号作为兰姆波。这些不同的兰姆波模式的频率行为用于考虑壁厚作为又一容器参数，从而以较高的精度确定容器壁中的声音速度。

被发射器77,87,97发射的声波被称为板波或兰姆波，其在容器壁中传播。如上面解释的那样，这些波发生在各具有不同的声音速度和不同的声音速度对频率f的相关性的不同种类的模式下，频率f还依赖于壁的厚度d。

在图10中显示了用于群速的两个基本模式S0和A0的声音速度或声速与频率乘以壁厚的依赖性，其中描绘了用于两种壁材料铝和钢的不同的曲线图。

在图10中，强调了兰姆波的声音速度与频率的相关性与其壁厚的相关性相耦合。这种组合的频率/厚度相关性通过频率和厚度的乘积f*d来描述，其在图10中描绘于曲线图的X轴上。

假定不变的厚度，那么从图10中可看出S0模式的声音速度对低频率而言几乎是恒定的。在5000和5500m/s之间的值分别对应于上面给定的铝或钢体材料中的纵波声音速度。对于较高的频率，S0模式的声音速度将减少。

A0模式的声音速度随着频率增加至高达大约3000m/s的值，如同上面铝或钢体材料中的剪波速度给定的那样。在较高的频率下，A0模式的声音速度保持几乎恒定。在较高的频率下，对于A0模式而言，在钢和铝的声音速度之间的差别也比较低。因而对于声壁信号70,80,90使用这个较高频率范围内的频率将具有优势。

对称的S0模式还显示对于较高的频率，当声音速度降低时，对于不同材料具有相当类似的行为，造成用于不同材料的声音速度在较高的频率*厚度范围内是相当类似的。这是为什么这个频率*厚度范围将有利于进一步减少声音速度的不确定性的另一原因。

因为精确的壁厚时常是先天未知的，并且因为不同模式的声音速度依赖于频率*厚度的乘积，所以图10中所示的曲线图可被加以利用。为此需要知道在图10的c(f*d)曲线中的哪个部分或在哪个点上可获得正确的壁中的声音速度。对于上述简单的测量，在以对称的S0模式测量的情况下可选择低频率，或者在以非对称的A0模式测量的情况下可选择高频率，其中相应的频率经过选择，使得对于有待预计的所有壁厚的值，频率和壁厚的所得乘积将仍然造成属于相应的恒定的声音速度范围的声音速度。

为了进一步减少容器壁材料的声音速度的变化，每次执行测量时使用固定的频率*厚度值将是有利的。已经认可的是，可以容易检测的频率*厚度值应是针对这两个不同模式的声音速度值的交集，如图10中圆形所示。在未知的或变化的壁厚的情况下，这个交点将有助于停留在固定的频率*厚度值。该交集可通过在发射器77,87,97中以增加的频率激励传播模式S0和A0的脉冲来检测。当两个模式S0和A0的脉冲同时到达相应的接收器75,85,95时，就达到了两个模式的交点。但其它频率*厚度值还可通过比较两个模式的频率行为，例如通过比较两个模式的传播速率或传播速度彼此的关系c_S0/c_A0而进行检测。对于给定的频率*厚度值，这个关系将是恒定的，并且通过改变频率直至针对这两个模式的飞越时间的关系将相反地等于传播速度的这种关系t_A0/t_S0=c_S0/c_A0时，可获得固定的频率*厚度值。

但高阶模式的使用对于确定特定的频率*厚度值或者获得较低的壁材料的声音速度变化范围也是可能的。

另外，通过确定获得这个固定频率*厚度值时所在的频率，据此利用因而已知的频率可计算出壁厚。

在图8的情况下，直接声信号89在某一角度下发送出来，并沿着周长反射若干次，直至其到达接收器85，信号一直靠近壁移动，从而不受安装于容器81中间的影响。这种路径可通过利用兰姆波以相似的方式来产生，如上述周长/直径测量(声壁信号70,80,90)所用方式，因为某些兰姆波模式可能将声波从壁辐射到液体中，这依赖于频率*厚度的乘积。如已经提到的那样，这种兰姆波也被称为泄漏性兰姆波。在A0模式的情况下，泄漏性兰姆波发生在较宽的频率*厚度值范围内，此时壁靠近液体，其中A0模式在壁中传播。辐射束的方向并不垂直于壁，而在某一角度下，这依赖于兰姆波的声音速度和液体中的声音速度。因而，通过以不同的激励模式和频率产生兰姆波，从而可产生用于测量周长/直径以及用于声音速度校准的信号。

在存在液体的情况下，壁中的兰姆波可受到抑制，这依赖于模式和其频率*厚度值。因此，在空箱上以声壁信号70,80,90执行周长/直径的测量是有利的。周长/直径的测量只需要在安装之后执行一次，然后可用于液体中的声音速度和液位的进一步测量。