包含優化的電源的填充物位測量裝置的制造方法

包含優化的電源的填充物位測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及用于獲取填充至某物中的材料的表面的拓撲的物位指示器，所述物位指示器包括轉動天線設備。安裝在所述天線設備上的蓄能器在第一時間段內被充電，并且在測量期間供給高頻單元所需的能量。因此，在測量過程中無需送至轉動傳感器部件的無線能量傳輸，這樣測量不會因EMC干擾而失真。
【專利說明】
包含優化的電源的填充物位測量裝置
技術領域
[0001]本發明涉及填充物位測量。更具體地，本發明涉及用于連接至填充物位測量裝置的天線設備、包括天線設備的填充物位測量裝置、天線設備或填充物位測量裝置的用于確定液體的粘性的用途、這種類型的天線設備或填充物位測量裝置的用于確定輸送帶上的散裝材料的質量流(m a s s f 1 〇 w)的用途，來以及用于確定填充料或散裝材料的表面拓撲 (topology)的方法。【背景技術】
[0002]例如被用于監測物體領域中的填充物位測量裝置和其它測量裝置是已知的，并且它們以傳輸信號的形式發射電磁波或超聲波，這些波至少部分地從填充料表面或對應物體反射。接著，可以由測量裝置的天線單元接收至少部分被反射的傳輸信號(測量信號)，并由與其連接的電子器件對所述傳輸信號進行分析。[〇〇〇3]通過掃描填充料或物體的表面，能夠分別確定填充料表面或物體的拓撲。在填充物位測量領域，“拓撲”被理解為表示填充料或散裝材料的表面的形狀。在這種情況下，可以使用術語“形貌(topography)”。
[0004]為了向測量裝置供給電能并將所獲得的數據傳輸至外部裝置，測量裝置可以配備有被稱為“四線接口”的部件。
【發明內容】

[0005]本發明的目的在于公開一種能夠檢測填充料表面的拓撲并產生高質量測量結果的填充物位測量裝置。
[0006]該目的由獨立權利要求的特征實現。從屬權利要求和以下說明可以對本發明進行展開。
[0007]本發明的第一方面涉及用于連接至填充物位測量裝置的天線設備。天線設備包括天線單元、驅動軸以及第一能量儲存器。天線單元被設計成朝向填充料表面或散裝材料表面發射測量信號，并接收從填充料或散裝材料表面反射的所述測量信號。
[0008]在測量過程中，所述驅動軸使所述天線單元繞著驅動軸的縱軸轉動。第一能量儲存器用于向天線設備供給其操作所需的電能。除產生、發射并接收傳輸信號外，所述操作還能夠部分地包括后續的信號處理。
[0009]為此，所述第一能量儲存器連接至所述天線設備，例如，直接連接至所述天線單元的后部，使得當所述天線單元被所述驅動軸轉動時，該第一能量儲存器與所述天線單元一起轉動。
[0010]例如，所述天線單元為單獨的輻射體元件的陣列，所述陣列被用來發射測量信號并接收反射的所述測量信號。[〇〇11]所述陣列中的所述輻射體元件能夠被布置在如下平面中:例如，該平面與所述天線單元的轉動軸形成非90°的角度a。例如，角度a介于30°至60°之間，例如為45°。
[0012]通過為天線和填充料表面之間的垂直直接連接線設置非90°的角度a，能夠擴大天線的測量范圍。由于測量范圍被擴大，能夠高質量地對大范圍的填充物位檢測填充料表面的形貌。
[0013]例如，如果天線設備安裝在填充物位測量裝置上并且填充物位測量裝置安裝在含有填充料的容器中或容器上，那么轉動軸線(驅動軸的縱長方向)可以為垂直轉動軸線。
[0014]例如，輻射體元件基本為二維平坦塊體。然而，也可以提供以不同方式設計的輻射體形式的福射體元件。
[0015]例如，所述陣列為包括單列輻射體元件的一維陣列。然而，所述陣列也可以為具有分別由個體輻射體元件組成的多個平行列和與這些平行列垂直布置的多個行的二維陣列。
[0016]根據本發明的實施例，天線設備包括用于產生測量信號的高頻單元，高頻單元集成在天線單元中，或者附接至所述天線單元。高頻單元也可以集成在驅動軸的驅動單元中。
[0017]根據本發明的另一個實施例，天線設備包括評估電子器件，當驅動單元使天線單元轉動時，所述評估電子器件與所述天線單元一起轉動。
[0018]例如，所述評估電子器件位于所述天線單元的后部上，S卩，位于背對填充料的一側。
[0019]根據本發明的另一個實施例，所述評估電子器件集成在天線單元中或驅動單元中。
[0020]根據本發明的另一個方面，提供了一種用于檢測拓撲的填充物位測量裝置，該填充物位測量裝置僅通過兩線連接來吸取其進行檢測所需的能量，并且所述兩線連接被設計用于通信，尤其用于輸出至少一個拓撲測量值或從其導出的測量值(例如，容器中的容量)。
[0021]根據本發明的另一個實施例，填充物位測量裝置被設計用來確定填充料的填充物位以及用來確定填充料(或散裝材料)的表面的拓撲。一旦確定了表面的拓撲，就能夠以更高的準確度來確定填充物位。填充物位測量裝置包括主體，該主體具有用于向測量裝置供給能量的電源和用于與外部裝置進行通信的通信單元。另外，設置有電動馬達，所述電動馬達也能夠附接在主體中或附接至主體。
[0022]此外，填充物位測量裝置包括如上和如下所述的天線設備。如果所述天線設備附接至所述填充物位測量裝置，則所述天線設備的驅動軸能夠連接至所述主體的所述電動馬達。因此，所述電動馬達能夠轉動所述驅動軸并由此轉動天線單元。
[0023]根據本發明的另一個實施例，填充物位測量裝置包括電源和用于將電源和通信單元連接至兩線線路或四線線路的通信接口，由此能夠向填充物位測量裝置供給測量操作所需的能量，并且能夠將測量數據從填充物位測量裝置傳輸至遠程控制單元。
[0024]根據本發明的另一個實施例，填充物位測量裝置包括第一定子-轉子線圈對，所述第一定子-轉子線圈對被設計成用于從主體的電源和通信單元向天線設備無線地傳輸對第一能量儲存器進行充電所需的能量。換言之，因此能夠無線地傳輸充電能量。由于在進行測量時天線設備將會相對于主體進行轉動，因此這是有利的。
[0025]根據本發明的另一個實施例，填充物位測量裝置包括第二定子-轉子線圈對，其用于將由天線設備接收的測量信號從所述天線設備無線地傳輸至所述主體的電源和通信單元。因此，不需要滑動接觸。
[0026]根據本發明的另一個實施例，填充物位測量裝置包括第二能量儲存器，其用于向電動馬達供給轉動所述天線單元所需的能量。第二能量儲存器例如布置在填充物位測量裝置的所述主體中，并且特別地，位于所述填充物位測量裝置的固定部分中。
[0027]根據本發明的另一個實施例，所述主體的所述電源和通信單元被設計成在測量開始之前對所述第一能量儲存器和所述第二能量儲存器進行充電。填充物位測量裝置能夠被編程為使得直到兩個能量儲存器被充分充電才進行測量，從而由于所需的能量僅由兩個能量儲存器提供，因此無需外部電源即可測量實際拓撲和/或填充物位。
[0028]本發明的另一方面詳細說明了如上和如下所述的天線設備或如上和如下所述的填充物位測量裝置的用于確定移動液體的其它物理特性的用途。例如，當攪拌器的幾何形狀和速度為已知時，能夠基于液體表面的拓撲來確定移動的液體的粘性和/或密度。
[0029]本發明的另一方面詳細說明了如上和如下所述的天線設備或如上和如下所述的填充物位測量裝置的用于確定輸送帶上的散裝材料的質量流的用途。
[0030]本發明的另一方面詳細說明了用于確定填充料或散裝材料的表面的拓撲的方法。 首先，對布置在填充物位測量裝置的可轉動區域中的第一能量儲存器進行充電。在此以前、 與此同時或在此之后，對布置在填充物位測量裝置的固定區域中的第二能量儲存器進行充電。可以通過外部電源提供充電操作所需的能量。
[0031]然后，使用存儲在所述第二能量儲存器中的電能轉動填充物位測量裝置的天線單元。在所述天線單元的轉動期間，使用存儲在所述第一能量儲存器中的能量產生并發射測量信號。接著，所述天線單元接收從填充料或散裝材料的表面反射的所述測量信號，并且運算單元(也被稱為信號處理單元)通過分析被接收的反射的所述測量信號，基于接收的測量數據對填充料表面的拓撲進行計算。
[0032]接著，能夠將計算得到的測量值通過兩線線路傳輸至遠程控制單元，所述能量儲存器通過所述兩線線路還能夠被供給有測量操作所需的能量。
[0033]可替代兩線線路地或除兩線線路之外地，也可以提供任意其它通信鏈路。特別地， 可以經由無線電傳輸數據。在這種情況下，測量裝置包括無線電通信模塊。
[0034]下面將參照附圖對本發明的實施例進行說明。【附圖說明】
[0035]圖1示出了安裝在容器上的填充物位測量裝置。[〇〇36]圖2示出了根據本發明的實施例的填充物位測量裝置。
[0037]圖3為根據本發明的實施例的方法流程圖。【具體實施方式】
[0038]附圖中的圖是示意性的，且不是按比例繪制的。
[0039]在附圖的以下說明中，當在不同附圖中使用相同的附圖標記時，它們表示相同或相似元件。然而，也可以使用不同附圖標記來表示相同或類似的元件。
[0040]本發明可以結合包括至少一個發送和/或接收單元(以下被稱為“天線單元”)的填充物位測量裝置使用，當進行測量時，該天線單元繞著一個或多個軸機械地轉動。在這方面，特別感興趣的是這樣的雷達物位指示器:其通過機械地轉動的發送和/或接收單元對容器內空間中來自不同方向的回波曲線進行記錄，并且基于從所述回波曲線導出的特性值來計算容器中填充料的表面的紋路(course)(拓撲)。可以由測量裝置直接輸出該拓撲，或者可以被轉換成其它特性，例如容器中所包含的體積或容器中所包含的填充料的質量。
[0041]圖1示出了填充物位測量裝置101，該填充物位測量裝置通過朝著填充料表面113 發射電磁信號或聲信號來記錄容器112內反射率的表現(representat1n)。特別地，填充物位測量裝置可以基于從表面113反射的測量信號來計算填充料表面的拓撲。
[0042]填充物位測量裝置101包括電源和通信單元102、電動馬達103、旋轉編碼器104以及一個定子-轉子線圈對，旋轉編碼器用于確定發送和/或接收單元相對于容器112的方向并由此確定測量數據(距離數據)如何與待確定的形貌相關聯，線圈分別用于在填充物位測量裝置的“固定”區域107和“轉動”區域108( “轉子”)之間傳輸能量(線圈對105,120)并且傳輸信息(線圈對106,121)。[〇〇43]填充物位測量裝置的轉動區域包括至少一個轉動軸109,其中，高頻和信號處理單元110以及例如平面天線形式的發送和/或接收單元111被緊固至該轉動軸。應當理解，在這種情況下，轉動區域108的轉動軸109可以部分地插入至固定區域107中，以在固定區域中連接至馬達103。
[0044]在填充物位測量裝置的操作過程中，由電源單元102向電動馬達103供給電能，在此之后使測量裝置的轉子108轉動。同時，電源單元102通過第一定子-轉子線圈對105,120 將能量傳輸至轉子，特別地，將能量傳輸至高頻和信號處理單元110的高頻單元。[〇〇45] 通過與高頻和信號處理單元110的信號處理單元進行交互，例如附接至天線單元 111的后部的高頻單元檢測容器112的各區域中的反射率，特別地，檢測填充料表面113區域中的反射率。然后，信號處理單元(也被上文稱為評估電子器件)能夠確定填充料表面的拓撲或由其導出的特性，并能夠通過第二定子-轉子對線圈106將該拓撲或特性傳送回通信單元102。接著，通信單元(其也可以被設計用來控制電源，并在這種情況下被表示為電源和通信單元)能夠將確定值傳輸至外部單元。
[0046]為此，使用設置在通信單元102上的通信接口 115,例如模擬接口(4_20mA接口)或數字接口(HART、Prof ibus、USB、Ethernet、WLAN和GSM) 〇[〇〇47]由于電動馬達103必須與高頻和信號處理單元110的操作同時地操作，因此無法隨意降低測量所需的電力。更具體地，在兩線技術下(通過該兩線技術向測量裝置供給能量 (回路供電))，不能在4_20mA電流接口上操作測量裝置，這是因為在這種情況下，能夠經由該接口被取用的電力不足。
[0048]為此，將圖1的測量裝置101設計成使用四線技術。[〇〇49]經由第二對布線114從外部供給操作測量裝置額外所需的電力。
[0050]例如，在這里所述的從定子單元到轉子單元的無線能量傳輸的情況下，通過電源單元102使定子線圈105中產生在幾千赫茲的范圍內的AC電壓，該電壓繼而在轉子線圈120 中感應出在幾千赫茲的范圍內的AC電壓。同時，接近于轉子線圈105的高頻單元110必須檢測從填充料表面113反射的信號。在這種情況下，特別是在FMCW系統中，能夠產生在0Hz至典型地500kHz范圍內的代表反射率的中頻信號。由于能量傳輸的頻譜和測量數據的檢測交叉，因此測量可能非常不準確，這是因為中頻信號會因經由線圈105，120的能量傳輸的電磁影響而失真。
[0051]在下文中，將對以節能方式對介質的拓撲進行測量的設備進行說明，該設備允許相對應的測量裝置以兩線技術(回路供電)實現，并針對測量信號的失真，降低甚至消除上述非接觸式能量傳輸的缺點。圖2示出了相應的測量設備的實施例。[〇〇52]測量裝置201可以被設計成使得其操作所需的所有能量均從連接至遠程控制單元 211的合并的電源和通信線206中吸取。例如，合并的電源和通信線206為具有模擬4-20mA通信的兩線連接。[〇〇53]由于經由該接口提供的用于直接操作填充物位測量裝置201的供電(典型地，40毫瓦10V的電壓)可能不足，因此電源和通信單元102使用所提供的電力對位于填充物位測量裝置的轉動區域108上至少一個第一能量儲存器205(例如電容器或蓄電池)充電。[〇〇54]第一線圈對105，120也用于在定子部和轉子部之間傳輸能量。另外，電源和通信單元102可以被設計成在第二步中使用被提供用來對位于填充物位測量裝置的定子區域上的第二能量儲存器203充電的電力。電源和通信單元102、馬達103、第二能量儲存器203和兩個定子-轉子線圈對105,120以及106,121位于填充物位測量裝置的主體212中。主體包括接口 210,電源和通信單元102可以通過該接口連接至兩線線路206。
[0055]在收集電能的第一時間段期間，高頻單元和信號處理單元均處于節能模式(“掉電 (power down)模式”)，在該節能模式下，在通過第二定子-轉子線圈對106,121進行通信的過程中高頻單元和信號處理單元被電源和通信單元102預先布置。
[0056]也可以使電動馬達103關閉，以防止不必要地延長上述能量收集階段。[〇〇57] 如果電源和通信單元102使兩個能量儲存器203，205被充分地充電，那么當將要進行新測量時，電源和通信單元就通過通信接口 1〇6，121來激活高頻和信號處理單元110。
[0058]同時，激活電動馬達103,這時電動馬達使天線單元圍繞驅動軸109轉動一次或多次。[〇〇59]在這個階段期間，從固定能量儲存器203和轉動能量儲存器205中取用操作各部件所需的供電。因此，在使用高頻信號的測量期間，無需使電源線圈1〇5，120工作。
[0060]在完成測量之后，電源和通信單元102使馬達103和高頻和信號處理單元110的高頻單元關閉。
[0061]接著，高頻和信號處理單元110的信號處理單元計算填充料或散裝材料的表面113 的拓撲，并且將結果值傳送回電源和通信單元102。
[0062]在一個實施例中，在這個階段期間，由于高頻測量過程中的干擾多發的數據檢測已經結束，因此能夠通過能量供給線圈105，120再次從定子單元向轉子單元傳輸能量。 [〇〇63]高頻和信號處理單元110的信號處理單元例如經由供電線206向外部提供確定值， 直至在新值被確定的下次測量操作中的更新為止。例如，以模擬(4-20mA)和/或數字(HART) 方式進行該操作。
[0064]圖3為根據本發明的實施例的方法的流程圖。該方法適用于操作上述測量裝置 201。該方法開始于起始狀態300。在步驟301中，首先對轉子蓄電池205(第一能量儲存器)進行充電。接著，在步驟303中，對定子蓄電池203(第二能量儲存器)進行充電。這些操作也可以以相反的方式進行或者同時進行。
[0065]如果定子蓄電池充滿足夠量的能量，那么在步驟305中開始轉子部中的測量。在步驟306中，轉子的轉動也被激活。在此期間，由高頻和信號處理單元110檢測實際測量數據。 [〇〇66]在步驟307中，測量被停止(通過關掉轉子和高頻單元)，在此之后，在步驟308中，信號處理確定要被確定的值(拓撲、質量、體積和/或填充物位)。
[0067]在完成所述確定之后，在最終步驟(步驟309)中，將結果傳輸至通信單元202,并通過供電線206輸出。接著，使信號處理單元110關閉，并以對能量儲存器進行充電(步驟301) 再次開始該方法。
[0068]這里所描述的順序是在測量裝置中能夠被執行的步驟的順序的示例。不言而喻， 其它的順序是可能的，例如，同時對兩個能量儲存器進行充電，或例如在借助信號處理單元的數據檢測和結果計算之間在停用耗電量大的組件的情況下增加額外的充電周期。也能夠使用特別節能的馬達，以基于目前正由傳感器(測量裝置)經由供電線206吸取的能量來進行直接操作，在這種情況下，能量儲存器205也用于為高頻和信號處理單元110供電。在這種情況下，可以省略能量儲存器203。
[0069]還要指出，借助線圈從定子107向轉子108傳輸能量和信息僅是一種可能的變形例。在測量裝置的轉動單元上，測量裝置包括在第一時間段中被充電并在測量過程中提供高頻單元所需能量的能量儲存器。因此，在測量過程中無需向轉動傳感器部的無線能量傳輸，這能夠防止或者至少降低因EMC噪音導致的測量失真。
[0070]為了完整起見，應該注意的是，“包括”和“具有”不排除其它元素或步驟的可能性， 而“一”和“一個”并不排除多個的可能性。還應當注意的是，參照上述實施例之一進行說明的特征或步驟也能夠結合其它上述實施例的其它特征或步驟進行使用。權利要求中的附圖標記不應被解釋為具有限制性。
【主權項】
1.一種用于連接至填充物位測量裝置(201)的天線設備，所述天線設備包括:天線單元(111)，所述天線單元用于朝向填充料表面發射測量信號，并接收從所述填充 料表面反射的所述測量信號；驅動軸(109)，在所述測量信號被發射時，所述驅動軸使所述天線單元繞著驅動軸線轉 動；第一能量儲存器(203)，所述第一能量儲存器用于為所述天線設備供給所述天線設備 的操作所需的電能，其中，所述天線單元包括輻射體元件的陣列，所述陣列被設計用來發射所述測量信號并接收 被反射的所述測量信號，并且，所述第一能量儲存器附接至所述天線設備，使得當所述天線單元被所述驅動軸 轉動時，所述第一能量儲存器與所述天線單元一起轉動。2.根據權利要求1所述的天線設備，還包括:高頻單元(110 )，所述高頻單元用于生成所述測量信號。3.根據權利要求2所述的天線設備，其中，所述高頻單元(110)集成至所述天線單元(111)中，或附接至所述天線單元。4.一種用于確定填充料或散裝材料的表面的拓撲的填充物位測量裝置(201)，所述填 充物位測量裝置包括:主體(212)，所述主體具有電源和通信單元(102)和電動馬達(103);根據權利要求1-3中任一項所述的天線設備，其中，所述天線設備的驅動軸(109)被設計成用于連接至所述電動馬達。5.根據權利要求4所述的填充物位測量裝置(201 )，還包括:電源和通信接口(210)，所述電源和通信接口用于將所述電源和通信單元(102)連接至 兩線線路，通過所述兩線線路能夠向所述填充物位測量裝置供給測量操作所需的能量，并 且能夠將測量數據傳輸至遠程控制單元(211)。6.根據權利要求4或5所述的填充物位測量裝置(201)，還包括:第一定子-轉子線圈對(1〇5，120)，所述第一定子-轉子線圈對用于從所述主體(212)的 所述電源和通信單元(102)向所述天線設備無線地傳輸對所述第一能量儲存器(205)進行 充電所需的能量。7.根據權利要求4-6中任一項所述的填充物位測量裝置(201 )，還包括:第二定子-轉子線圈對(106)，所述第二定子-轉子線圈對用于將由所述天線設備接收 的測量信號從所述天線設備無線地傳輸至所述主體(212)的所述電源和通信單元(102)。8.根據權利要求4-7中任一項所述的填充物位測量裝置(201)，還包括:第二能量儲存器(203)，所述第二能量儲存器用于向所述電動馬達(103)供給轉動天線 單元(111)所需的能量。9.根據權利要求4-8中任一項所述的填充物位測量裝置(201)，其中，所述主體(212)的所述電源和通信單元(102)被設計成在在測量開始之前對所述第一 能量儲存器(205)和所述第二能量儲存器(203)進行充電。10.根據權利要求1-3中任一項所述的天線設備或根據權利要求4-9中任一項所述的填充物位測量裝置的用于確定移動液體的粘性和/或密度的用途。11.根據權利要求1-3中任一項所述的天線設備或根據權利要求4-9中任一項所述的填 充物位測量裝置的用于確定輸送帶上的散裝材料的質量流的用途。12.—種用于確定填充料或散裝材料的表面的拓撲的方法，所述方法包括如下步驟: 對布置在填充物位測量裝置(201)的可轉動區域中的第一能量儲存器(205)進行充電； 對布置在所述填充物位測量裝置的固定區域中的第二能量儲存器(203)進行充電；使用存儲在所述第二能量儲存器中的能量轉動所述填充物位測量裝置的天線單元(111);使用存儲在所述第一能量儲存器中的能量產生并傳輸測量信號；接收從所述表面反射的所述測量信號;并且 基于反射的所述測量信號對所述表面的拓撲進行計算。13.根據權利要求12所述的方法，還包括如下步驟:通過數據線路將計算得到的測量值傳輸至遠程控制單元，所述能量儲存器(203,205) 通過所述數據線路被供給測量操作所需的能量。
【文檔編號】G01F23/284GK106030901SQ201480076012
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年2月21日
【發明人】萊溫·迪特爾勒, 羅蘭·韋勒
【申請人】Vega格里沙貝兩合公司