包括长期能量存储器的传播时间传感器的制作方法

本发明涉及包括长期能量存储器的物位测量装置，且特别涉及具有雷达、时域反射(timedomainreflectometry)或超声传播时间传感器的形式的物位测量装置。

背景技术：

通常根据雷达、tdr或超声原理工作的物位测量装置且特别用于物位测量的传播时间传感器具有显著波动的能耗，能耗波动是由高耗能的测量阶段和评估阶段与具有相当低的能量需求的空载时间之间的转换引起的。

如果这种物位测量装置连接至双线回路，那么由双线操作(4-20ma或叠加有数字通信的恒定电流)引起的能量消耗至少暂时地恒定，并且在测量阶段中，当前可用的电功率可小于当前所需的功率。

这就需要用于存储能量的缓冲存储器，以便弥补暂时的功率不足。

包括用于长时间供应能量的蓄能器的传播时间传感器也是已知的，然而，这种蓄能器不通过双线回路进行充电。必须在给定时间单独地对这种蓄能器充电。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有长期能量存储器的物位测量装置，长期能量存储器在长时间段内可靠地为物位测量装置提供能量。

本发明的一个方面涉及物位测量装置，物位测量装置包括用于连接外部电源的连接部，通过连接部，物位测量装置可连接至外部电源。设置有用于检测传感器电信号的传感器电子器件，基于传感器电信号可推导出物位。例如，传感器信号可以是回波曲线。

另外，物位测量装置包括长期能量存储器，长期能量存储器可由外部电源充电并且用作对缓冲电容器充电或者直接补偿物位测量装置的波动的能耗的电源。在前一种情况下，使用缓冲电容器来补偿物位测量装置的波动的能耗，然而，可由长期能量存储器对电容器充电。

另外，设置有连接至长期能量存储器的第一部件，以防止电流从长期能量存储器朝向连接部流动。另外，设置有连接至长期能量存储器的第二部件，以便当外部电源不向物位测量装置供应能量时防止电流从长期能量存储器朝向传感器电子器件流动。

例如，第一部件是二极管或开关单元。例如，第二部件是开关单元，当外部电源未向物位测量装置供应能量或物位测量装置关闭时，开关单元中断长期能量存储器与传感器电子器件之间的连接。

如果能量供应恢复或者物位测量装置再次接通，则切换开关单元，使得电流可再次在长期能量存储器和传感器电子器件之间流动。

第一开关单元也可以以相应的方式工作。

例如，长期能量存储器可以是超级电容器(supercap)或双电层电容器(edlc，electricdouble-layercapacitor)，或者也可以为蓄能器。

根据本发明的另一个实施例，外部电源是4-20ma双线回路，通过双线回路可向物位测量装置供应用于测量操作的能量，并且通过该双线回路可将测量值传送到外部设备。

根据本发明的另一个实施例，长期能量存储器还用于当物位水平测量装置关闭时向物位测量装置的元件或部件供应能量。例如，该元件或部件是用于确保其数据保持(dataretention)的实时时钟(rtc，real-timeclock)或数字存储器。

根据本发明的另一个实施例，物位测量装置包括电池和将电池(其也可以为蓄能器)连接至长期能量存储器的开关单元。电池和开关单元用于仅当物位测量装置关闭时才向长期能量存储器供应能量。换言之，当物位测量装置接通时，开关单元会中断电池和长期能量存储器之间的连接，并且在物位测量装置关闭时建立连接。

根据本发明的另一个实施例，物位测量装置包括用于补偿物位测量装置的波动的能耗的缓冲电容器和将长期能量存储器连接至缓冲电容器的开关单元，开关单元用于使长期能量存储器仅在接通物位测量装置之后才对缓冲电容器进行充电。

根据本发明的另一个实施例，物位测量装置包括用于补偿物位测量装置的波动的能耗的第一缓冲电容器和与并联连接的电阻器和开关单元串联连接的第二缓冲电容器。这种串联电路又与第一缓冲电容器并联连接。在开关单元以高欧姆方式连接的情况下，与对第一缓冲电容器充电的过程相比，在电阻器的作用下对第二缓冲电容器充电的过程较慢，即发生延迟。相反，在开关单元以低欧姆方式连接的情况下，这两个电容器作为并联连接的电容器相互作用。

根据本发明的另一个实施例，设置有限流电路，限流电路用于向长期能量存储器仅供应来自外部电源且不被物位测量装置的通信电路和测量电子器件需要的能量。

根据本发明，可防止发生以下问题：

-由于能量存储器的充电而使传感器具有长的启动时间；

-由于能量存储器的放电而导致关闭期间的能量损失，在间隔操作期间这尤其具有破坏性，其中由于能量原因，仅能以长时间间隔产生测量值；

-由于大的临时能量存储器而导致空间/成本要求；以及

-由于能量存储器的有限电容量而在低电源电压下产生问题。

物位测量装置的优点特别为：

-快速的启动时间，这是因为通过使用来自长期能量存储器的能量，可避免当物位测量装置接通时能量存储器的慢充电，或可显著地改善慢充电；

-关闭后减少能量流出；

-由于能量存储器的更大的总电容量而使能耗更“平滑”，并因此更适于为物位测量装置提供较小的电源电压；

-改善了对物位测量装置的间隔操作的适应性，其中，在该物位测量装置中，由于能量原因(例如具有无线连接的独立提供的现场设备)，仅以长时间间隔产生测量值；以及

-可同时将长期能量存储器用作如下开关部件(例如实时时钟、用于存储事件、参数或可执行软件代码的数字存储器)的备用电源，需要以不需要电源电压的程度来保持这些开关部件的功能。

在下文中，将参照附图对本发明的实施例进行说明。

附图说明

图1为物位测量装置的框图。

图2为根据本发明的第一实施例的物位测量装置的框图。

图3为根据本发明的另一个实施例的物位测量装置的框图。

图4为根据本发明的另一个实施例的物位测量装置的框图。

图5为根据本发明的另一个实施例的物位测量装置的框图。

图6为根据本发明的另一个实施例的物位测量装置的框图。

图7为根据本发明的另一个实施例的物位测量装置的框图。

图8为根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

附图中的视图是示意性且不按比例的。

在附图的以下说明中，在不同的附图中使用相同的附图标记，这些相同的附图标记表示相同或相似的元件。然而，相同或相似的元件也可以由不同的附图标记表示。

图1是物位测量装置100的框图，物位测量装置100包括用于与双线线路(电流回路)的连接的连接部118、119。借助双线线路，向测量装置100供应装置操作所需的能量，并且将来自物位测量的测量值传输至也与双线线路连接的远程终端(在此未示出)。物位测量装置包括传感器回路接口101，传感器回路接口101包括emc输入电路103，以用于电流限制、电压限制、emc滤除以及可选的防爆。另外，传感器回路接口101还包括用于控制双线线路中流动的回路电流的控制器105以及并联分支(分流器)106，控制器包括实际回路电流值检测部104和默认的回路电流目标值114。

实际回路电流值检测部(电流感测部)104用于感测实际电流值，以作为电流控制器105的输入变量。

在示出的实施例中，电流控制器105用于将回路电流控制成期望输出电流，期望输出电流表示电流回路中的测量值。控制器将实际电流值与由通信电路113提供的电流目标值114进行比较。例如，经由双线线路的模拟测量值传输的形式被称为4-20ma双线回路，并且被广泛使用。

应当指出，也可通过双线线路数字地传输测量值。在这种情况下，例如，回路电流通过电流控制器105平均地保持恒定。可以通过使用相应的ac电压信号调制电流来以数字的形式传输测量值。

分流器106可抽取总电流(回路电流)的未被传感器的后续电路消耗的一部分。分流器被构造为电压限制器或电压控制器(例如，用于控制电流控制器105的串联通道晶体管(seriespasstransistor)上的预定电压降)。

除了模拟测量值传输之外或替代模拟测量值传输，在物位测量装置100与远程终端(未示出)之间经由双线线路进行数字通信，这例如可通过标准化hart通信来实现。为此目的，物位测量装置100包括hart调制解调器102。hart调制解调器102经由双线线路从主机(远程通信终端；未示出)接收hart请求信号，并通过电流控制器105将hart响应信号调制至回路电流。调制解调器从通信电路113接收hart数据并向通信电路113发送hart数据。

能量存储器或缓冲存储器1001用于能量缓冲，以便补偿能量峰值。在传感器从电流回路断开时，能量存储器放电，并且在接通(换句话说，在将传感器连接至电流回路时)之后，必须首先缓慢地向能量存储器充电。能量存储器的大小取决于传感器的平均能量消耗和最大能量消耗的比例以及缓冲电容器上的最大允许电压和最小允许电压之差。

电源110可以是用于向所有功能单元(电路部件)供电的电源电路，并包括例如开关控制器(降压控制器、升压控制器)、电压控制器和平滑电容器，以便提供稳定的输出电压。

传感器电子器件111是用于生成传感器电信号的电路部件，其中，传感器电信号与测量值相关，或者可基于传感器电信号计算或推导出测量值。传感器电子器件111用于将物理测量变量(例如，测量信号来往于传感器和填充材料表面的传播时间)转换成电信号(例如，回波曲线)，并且包括例如高频电路部件(发射器、接收器、耦合器、天线、混频器和放大器)。

测量电子器件112是用于评估传感器电信号并基于(例如，具有回波曲线评估、杂波处理、确定输出值等的形式的)传感器电信号来计算或推导相应的测量值的电路部件。测量电子器件112控制周期性重复测量并且组织整个测量装置的能量管理。

通信电路113组织传感器与外界之间的所有通信，将输出值(电流值)传输到电流控制器，组织hart通信，组织与可选的显示和操作单元(未示出)的通信并包括可选的用于无线通信的电路部件。

物位测量装置100可通过连接部118、119连接至外部电源。在示出的实施例中，外部电源为双线线路(4-20ma)。

能量存储器1001布置在传感器回路接口101与电源110之间。电源110向传感器电子器件111、测量电子器件112和通信电路113提供电能，并且其自身通过双线回路被供应能量。能量存储器1001也通过双线回路被供应能量并且确保对物位测量装置100的波动的能量消耗的直接补偿。

通信电路113经由线路114向电流控制器105发送输出电流目标值。hart调制解调器102经由线路115与通信电路113通信，并且可经由线路117向电流控制器105发射信号。

电源线121从连接部118通往电源电路110。单元103、104、105、106和能量存储器1001连接至该电源线或布置在该电源线中。

图2是根据本发明的一个实施例的物位测量装置100的框图。图1中的电路的能量存储器1001被替换为长期能量存储器108。另外，还采取了额外措施以在物位测量装置从电流回路断开(关闭状态)时保持所存储的能量。这是通过形成为二极管的第一部件107的实现的。可选地，第一部件也可形成为开关单元。第一部件107防止长期能量存储器108向双线环路(即，在朝向连接部118、119的方向上)放电。因此，二极管107位于长期能量存储器108与连接部118、119中一者之间。

另外，还设置例如形成为开关单元的第二部件109，第二部件109位于长期能量存储器108与电源110之间。当物位测量装置关闭时(即，当物位测量装置从电流回路断开时)，该开关单元具有高欧姆性，并防止长期能量存储器通过传感器电路进行放电，这些传感器电路包括传感器电子器件111、测量电子器件112和通信电路113。例如，开关单元可以是具有串联开关的形式的场效应晶体管。

有利的长期能量存储器通常仅适用于低电压(例如从3至5v)。如果能量存储器由于长时间关闭而放电，则在重新接通时，存储器需要相应长的时间来再次充电。这个过程使物位测量装置启动时间较长。

在本发明中，长期能量存储器108是优选地能够存储(保持)其能量的能量存储器，而不管对物位测量装置的能量供应的状态如何。无论经由双线线路对传感器的外部能量供应如何，长期能量存储器中的电荷均能够在很大程度上保持守恒。通过部件107、109来确保以上目标，部件107和109防止能量朝向物位测量装置连接部和传感器电路流出。

图3是根据本发明的另一个实施例的框图。

与图2中的实施例相比，长期能量存储器108不用作整个传感器电路111、112、113的能量缓冲器(在图2的情况下，能量存储器直接位于传感器的(唯一)电源110的上游)，而是仅用于缓冲传感器电子器件111的能量，这是因为能量峰值至少主要由传感器电子器件引起。由于长期储能电容器通常具有较低的电气强度的原因，在电源的部件303(例如，降压控制器，4v的输出电压)上将传感器回路接口101的输出处的电压转换为较低电压。长期能量存储器108位于电源的部件303的下游。用于防止反向电流流向传感器回路接口101的二极管107位于长期能量存储器108与电源的部件303之间。电源的用于向传感器电子器件111供电的额外部件304位于长期能量存储器的下游。部件304例如包括降压转换器，以例如确保传感器电子器件111以3.3v进行工作。

具有开关单元的形式的第二部件109布置在长期能量存储器108与电源的第二部件304之间，以防止当现场设备关闭或从外部电源断开时电流从长期能量存储器流向传感器电子器件111。

电源的第三部件302向通信电路113和测量电子器件112供应电力，而不向传感器电子器件111供应电力(电源的部件303、304串联连接，并且长期能量存储器108与两个部件107、109布置在二者之间，这两个部件303、304负责向传感器电子器件供电)。

即使在现场设备关闭时，被构造成可使用非常少量的能量操作的某些电路部件仍可通过长期能量存储器108来保持其功能性。现场设备例如是实时时钟(rtc，real-timeclock)301。在这种状态下，长期能量存储器还可通过向数字存储器提供为此目的所需的极少量能量来确保数字存储器保持数据。

图4是根据本发明的另一个实施例的框图。在这种情况下，当物位测量装置关闭时，通过额外电池或额外蓄能器401向长期能量存储器108供应能量，由此可改善或完全避免当物位测量装置接通时长期能量存储器108的较长充电时间。

可设置开关单元402，开关单元402布置在长期能量存储器108与额外能量供应部401、实时时钟301之间，并且仅当物位测量装置已进入关闭状态或已关闭时，部件401、108之间的连接线才会闭合。当物位测量装置关闭时，电路部件301同样也仅由长期能量存储器108供应能量。

因此，开关109和402的功能完全相反。如果一个开关切换成接通，则另一个开关断开，反之亦然。

这两个开关109、402也可以进行组合(以形成一个开关)，组合开关在两个导电路径之间来回切换。

图5是根据本发明的另一个实施例的物位测量装置的框图。与图4中的实施例相比，长期能量存储器108不直接缓冲基本上由传感器电子器件111引起的能量峰值。而是将“正常的”存储电容器501设置为缓冲电容器设置以用于直接缓冲该能量峰值。在接通物位测量装置时，长期能量存储器108可有利地用于尽可能快地对缓冲电容器501充电。由此，现场设备具有非常短的启动时间或者使在接通时刻时与在记录第一测量值时之间的时间非常短。

在本实施例中，与所有其它实施例相同，长期能量存储器可设置成当物位测量装置关闭时向一个或多个电路部件(例如实时时钟301)供应能量。可设置二极管503来代替图4中的开关单元402，二极管503布置在实时时钟301与长期能量存储器108之间并防止电流从能量存储器401流向长期能量存储器108。在实时时钟301与电池401之间还设置有二极管502，二极管502与上述二极管503相反地设置并且防止电流从长期能量存储器108流向电池401。然而，由于该电路，电流可从电池401和长期能量存储器108这二者流向实时时钟301。

长期能量存储器108与缓冲电容器501一起位于第一电源单元303的下游和(用于传感器电子器件111的)第二电源单元304的上游。充电单元505直接从第一电源单元303的下游分支，充电单元505连接至长期能量存储器108，并且使用来自双线回路的能量对长期能量存储器108充电。该能量也可用于实时时钟301。

充电单元505从第一电源303与第二电源304之间的连接线506分支。在分支的下游，二极管107位于连接线506中，接着是第二分支507，第二分支507连接到至缓冲电容器501并通过开关单元504连接至长期能量存储器108。在物位测量装置接通期间或接通之后闭合开关单元504，使得长期能量存储器108可对缓冲电容器501充电。同时或此后，还闭合开关单元109，使得存储在缓冲电容器中的能量可用于传感器电子器件111。

在这里未示出的另外实施例中，与图5相比，充电单元从电路中的其他适当点分支。原则上，电路中的能够从双线回路向充电电路供电的任何点均是合适的。例如，这些点是电源302、303、304的输出或这些电源的输入线。换言之，对于本发明而言重要的是充电单元505从双线回路获取其能量，而不是经由哪个路径来获取能量。

在此仍需要提及的是，充电电路505可仅允许电流朝向长期能量存储器108流动，并且不使电流沿相反方向远离能量存储器108流动。在最简单的情况下，为此可使用二极管。

图6是根据本发明的另一个实施例的框图。与图5的框图相比，充电电路505将长期能量存储器108充电至合适电压(例如4v)。根据连接部118、119处的电源电压或传感器回路接口101的输出电压(例如≥8v)，正常的存储电容器501在较高电压下工作。还可设置二极管602来代替长期能量存储器108与第一缓冲电容器501之间的开关单元504，二极管602允许电流从长期能量存储器108流动至第一缓冲电容器501，但是禁止电流沿相反方向流动。

由于长期能量存储器108支持第一缓冲电容器501的原因，在接通物位测量装置时，物位测量装置为能够执行第一测量而被充分充电所需的时间较少。为了进一步减少该时间，使用具有相对低的电容量的“常规的”缓冲电容器501直到记录第一测量值。随后，为了提高能量效率，将预先慢充电的额外电容器601与缓冲电容器501并联连接。长期能量存储器108的电容通常从几毫法到几法拉，而缓冲电容器501的电容则在几百微法的范围内。额外电容器601的电容量通常至少与电容器501的电容量完全一样大，优选地比电容器501的电容量大约两到三倍。

如果接通物位测量装置，则首先对第一缓冲电容器501充电。在这种情况下，长期能量存储器108和来自双线线路的能量会辅助该充电。因此，可在现场设备接通后相对很快地进行第一测量。

同时，第二缓冲电容器601以被连接在两个电容器501、601之间的电阻器604延迟的速率进行充电。一旦额外缓冲电容器601已经充电，则可使用例如由评估电子器件112控制的方式来闭合位于两个缓冲电容器501、601之间的开关603(与充电电阻器604并联)，使得两个电容器501、601现在均可向传感器电子器件111提供能量。

对第二缓冲电容器601充电的过程可能需要几分钟。如果两个电容器并联操作，则当传感器电子器件111进行测量时，这些电容器不会被放电至仅设置有单个缓冲电容器的程度，因此可对两个电容器进行能量上更有利的充电处理。因此，可以节约能量。

图7是根据本发明的另一个实施例的框图。与图6的框图相比，物位测量装置100包括限流电路701，限流电路701确保用于测量电子器件112和通信电路113的电源302优先操作。因此，当打开物位测量装置时，非常快速地向这两个电路块112、113供应能量，并可启动这两个电路块。

存储电容器108和缓冲电容器501、601仅从限流电路701获得被优先供应的电路部112、113剩余的电荷，以保证其预期的操作。由于设置有长期能量存储器108，因此用于缓冲电容器501的能量的这种短缺具有更小的缺点。因此，确保了可快速启动测量电子器件112，并且缓冲电容器501快速具有足够的可用缓冲电荷，以便执行测量。

限流701设置在分支120中的电容器装置108、501、601的上游，分支120直接从用于通信电路113和测量电子器件112的电源单元302的上游的电源线121分支。

图8是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。在801处，首先接通物位测量装置，并然后在802处闭合布置在物位测量装置的长期能量存储器108与传感器电子器件111之间的开关单元109，使得电流可从长期能量存储器流向传感器电子器件。

接着，在803处，借助外部电源对长期能量存储器充电，该外部电源还向物位测量装置的传感器电子器件111、测量电子器件112和通信电路113提供能量。

在接通物位测量装置之后，直接从外部电源向通信电路113和测量电子器件112供应足够的能量，以便进行装置的启动过程。使用来自外部电源的剩余能量对缓冲电容器501充电，并且同时由长期能量存储器108对该缓冲电容器充电。

在804处，在第一缓冲电容器501充电过程之后或甚至在其充电过程期间，在来自下，可通过受到第一缓冲电容器501的能量支持的传感器电子器件111进行第一测量。同时，在805处，可使用来自外部电源的剩余能量对第二缓冲电容器601充电，随后通过受到两个缓冲电容器501、601的支持的传感器电子器件111进行第二测量。

应当指出，优选地，开关单元109、402、504、603为例如具有晶体管或模拟开关形式的电子开关单元。优选地，在测量装置100的电路内部生成用于启动或关闭电子开关单元的切换信号。例如，布置在测量电子器件112中的数字控制单元(cpu：中央处理单元)可发射相应的切换信号。同样，测量装置内部的特定电压也适于用作切换信号。优选地，例如，可通过基于连接部118处的电压得到的电压来启动开关单元109。

还应当注意，“包括”和“具有”并不排除其它元件或步骤的可能性，并且不定冠词“一”或“一个”也不排除多个的可能性。还应当注意，参考上述实施例之一说明的特征或步骤也可与其它上述实施例的其它特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应被视为具有限制性。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月15日提交的德国专利申请第102015225303.1号的申请日的权益，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。