包含折叠式天线装置的物位测量设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测量散装材料表面的拓扑的物位测量设备，所述物位测量设备包括折叠式天线装置。天线装置具有折叠状态和展开状态。在将测量设备安装在容器上时，在折叠状态下可通过相对较小的容器开口放入天线装置。在安装测量设备之后，将天线装置展开。由此能够减小安装复杂度。
【专利说明】
包含折叠式天线装置的物位测量设备
技术领域
[0001]本发明涉及对填充材料和散装材料的物位、体积及质量的测定。特别地，本发明涉及用于测定散装材料表面的拓扑的相应测量设备、该测量设备的用于测定移动液体的黏度的用途以及该测量设备的用于测定传送带上的散装材料的材料通过量的用途。
【背景技术】
[0002]在监测对象或监测散装材料的领域中使用的已知物位测量设备或其它测量设备发射电磁波或超音波，这些电磁波或超声波在填充材料、散装材料或相应对象的表面上至少被部分反射。随后可通过测量设备的天线装置接收至少被部分反射的发射信号，并通过与之相连的电子装置分析该发射信号。
[0003]通过对填充材料或散装材料的表面进行扫描，能够测定该表面的拓扑(topology)。在本说明书的上下文中，“拓扑”是指填充材料或散装材料(或更广义的对象)的表面的形状。就此而言，也可使用术语“构形(topolography)”。
[0004]这种用于测定拓扑的测量设备的制造、安装及操作通常比较复杂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种用于测定散装材料表面的拓扑的装置，该装置易于被安装在容器中或上。
[0006]上述目的是通过独立权利要求的特征实现的。从属权利要求以及下面的说明给出了本发明的进一步方案。
[0007]本发明的第一形式涉及一种用于测定散装材料表面的拓扑的测量设备。所述测量设备包括主体、驱动轴、天线装置及旋转装置。驱动轴以能够旋转的方式被支承和紧固在主体上。旋转装置用于将天线装置以能够旋转的方式紧固在驱动轴上，使得天线装置能够进入折叠状态或展开状态。
[0008]在将测量设备安装在填充材料容器上或中时，通过上述方案能在折叠状态下通过相对较小的安装口放入天线装置。安装口例如具有内螺纹(例如:G 1.5")，且能够将测量设备旋拧到内螺纹中。由此，能够显著地减小安装复杂度，这是因为不需要先将不包括天线的测量设备设置在容器上或中，且随后不需要从容器的内部将天线设置在测量设备上。
[0009]可在安装或操作测量设备期间通过接头(旋转装置)将天线从安装位置移动至操作位置。于是，与采用已知的测量设备的情形相比，可针对安装采用较小的容器开口。
[0010]借助天线装置的折叠机构，能够通过设定的较小的容器开口来安装包括具有相对较大物理尺寸的天线装置的测量设备。
[0011]根据本发明的实施方式，旋转装置用于将天线装置以能够旋转的方式紧固在驱动轴上，使得在将测量设备设置在散装材料容器上之后能够改变驱动轴的旋转轴(即其纵轴)与天线装置的纵向延伸之间的角度。
[0012]旋转装置可被设计成其仅允许天线装置围绕相对旋转装置呈刚性的轴线进行轴向旋转。
[0013]根据本发明的另一实施方式，旋转装置在不位于天线装置的重心处的位置上连接到天线装置，使得天线装置仅通过在驱动轴使天线装置旋转时产生的离心力能够从折叠状态进入展开状态。
[0014]能够将包含折叠的天线的测量设备安装在容器上。在此，通过容器开口将折叠的天线放入容器的内部。在启动测量设备时，驱动轴开始旋转，从而使天线装置旋转。由于旋转装置没有设置在天线的重心上，所以由作用于天线上的离心力引起的转矩因旋转而作用于天线上。转矩导致天线装置从折叠状态移动至能够进行测量的展开状态。
[0015]由于仅通过离心力便能实现展开，所以不需要弹簧机构或拉力机构或其它用于将天线展开的机构。
[0016]相反地，根据本发明的另一实施方式，旋转装置可在不位于天线装置的重心处的位置上连接到天线装置，使得天线装置在驱动轴静止时(即驱动轴不旋转时)仅通过作用于天线装置上的重力以及相关的转矩能够从折叠状态进入展开状态。
[0017]为此，例如可在天线装置上紧固有质量元件，以用于在天线装置不旋转并因而不存在离心力作用时使转矩作用于天线装置。该转矩使天线折叠。
[0018]然而，如果在天线旋转时离心力足够大，则该转矩沿相反的方向起作用，使得天线展开。
[0019]根据本发明的另一实施方式，测量设备具有用于天线装置及旋转装置的柔性包套，以保护天线装置及旋转装置免受污染。柔性包套足以使天线所发射的测量信号穿过。柔性包套例如是PTFE编织袋。
[0020]根据本发明的另一实施方式，测量设备具有第一及第二紧固凸缘。第一紧固凸缘与测量设备的主体刚性地连接。第二紧固凸缘以能够沿驱动轴移动的方式布置，并在将测量设备安装在容器上时沿驱动轴朝第一紧固凸缘移动，因此在将测量设备设置在容器的凸缘上之后，第二紧固凸缘位于容器凸缘与第一紧固凸缘之间。
[0021]根据本发明的另一实施方式，设置有拉力元件，该拉力元件被紧固在天线装置上并用于使天线装置从折叠状态进入展开状态。
[0022]拉力元件例如可以是鲍登线并与第二紧固凸缘连接，并由此在将测量设备安装在容器上时，第二紧固凸缘在其朝第一紧固凸缘移动时在拉力元件上进行牵拉，从而将天线装置从折叠状态拉入展开状态。但该“拉力元件”还可用于对天线装置施加压力，使得天线装置从展开状态进入折叠状态。
[0023]根据本发明的另一实施方式，设置有止动装置，以在天线装置不旋转时将天线装置保持在展开状态中。可在拆卸设备前将止动装置从容器取下。例如，此时天线自动地折叠从而进入折叠状态，或者，通过将测量设备从容器开口拉出而使天线折叠从而进入折叠状
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[0024]根据本发明的另一实施方式，设置有驱动单元，以用于使驱动轴旋转，进而使天线装置围绕沿驱动轴的纵向延伸的旋转轴线旋转。
[0025]根据本发明的另一实施方式，天线装置具有阵列，以用于发射及接收由天线装置发出的测量信号。在天线装置的展开状态下，阵列布置在与驱动单元的旋转轴线构成不等于90°的角度α的平面中。例如，该角度α为30至60度，例如为45度。
[0026]于是，能够通过结合旋转来增大天线的测量范围。
[0027]当天线装置安装在包含填充材料的容器中或上时，驱动轴的旋转轴线例如可以是垂直旋转轴线。
[0028]例如，阵列例如是指包含单个列的发射器元件的一维阵列，该单个列沿天线装置的纵向延伸而延伸。这些发射器元件例如是指大体为二维的且呈平面状的贴片。这些发射器元件也可以是其它形式的发射器。
[0029]阵列还可以是包含多个彼此平行的列以及垂直于这些列的多个行的二维阵列，这些列和行由这些单独发射器元件构成。阵列的列沿天线单元的纵向延伸，且阵列的行沿天线单元的横向延伸。阵列的每行的发射器元件传导地互连。
[0030]根据本发明的另一实施方式，天线装置具有用于产生测量信号的高频单元，其中，高频单元被集成在天线单元中。高频单元还可被集成在驱动单元中。
[0031]根据本发明的另一实施方式，天线单元具有分析电子装置，当通过驱动单元使天线装置旋转时，分析电子装置随天线装置一同旋转。
[0032]例如，分析电子装置位于天线装置的背面上，即位于背离填充材料或散装材料的一侧上。
[0033]根据本发明的另一实施方式，分析电子装置被集成在天线装置或驱动单元中。
[0034]根据本发明的另一实施方式，测量设备是物位测量设备，例如是物位雷达指示器。
[0035]根据本发明的另一实施方式，物位测量设备仅通过双线连接来获取测量所需的能量，其中，双线线路用于通信，特别是用于将至少拓扑测量值或由此导出的测量值(例如容器中的质量)输出。物位测量设备例如具有供电及通信接口，以用于将物位测量设备连接至双线线路，可通过双线线路为物位测量设备供应测量操作所需的能量，且可通过双线线路将测量数据传输至远距离的控制单元。
[0036]根据本发明的另一形式，将上下文所述的测量设备用于测定运动液体的黏度。
[0037]根据本发明的另一形式，将上下文所述的测量设备用于测定传送带上的散装材料的材料通过量。
[0038]下面参照附图来描述本发明的实施例。
【附图说明】
[0039]图1示出安装在容器上的第一物位测量设备。
[0040]图2示出同样安装在容器上的第二物位测量设备。
[0041]图3示出根据本发明的实施例的安装在容器上的测量设备。
[0042]图4示出根据本发明的另一实施例的安装在容器上的测量设备。
[0043]图5示出根据本发明的又一实施例的测量设备。
[0044]图6示出图5所示的包含展开的天线装置的测量设备。
[0045]图7示出根据本发明的实施例的用于测定传送带上的散装材料的材料通过量的测量设备。
[0046]图8示出根据本发明的实施例的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0047]附图是示意性的且是非等比例的。
[0048]在下面的对附图的描述在不同的附图中使用相同的附图标记时，则这些附图标记表示相同或相似的元件。但相同或相似的元件也可能使用不同的附图标记来表示。
[0049]本发明特别是在这类物位测量设备被设计成用于测定填充材料表面或散装材料表面的拓扑时应用于物位测量设备的领域。
[0050]本发明还可应用于对象监测领域。另一应用领域是对可自由接近的散装材料堆的质量和/或体积进行测定。
[0051 ]图1示出物位测量设备101，物位测量设备101通过向填充材料表面103发射测量信号102 (例如电磁测量信号)来检测容器104中的反射条件的表征。
[0052]经由例如为凸缘或螺纹的机械配接器106将物位测量设备101或者至少发射单元和/或接收单元105紧固在容器的现有开口 107上。容器开口 107可具有机械延伸B 108，机械延伸B 108的大小至少足以允许将物位测量设备101的发射单元和/或接收单元105插入容器104中。
[0053]图2示出能够测量散装材料表面202的拓扑的物位测量设备301。为此，测量设备301例如具有由布置在单个列中的多个发射器元件206构成的一维天线阵列203。天线阵列用于发射及接收雷达信号。可设置能够对天线阵列的主发射方向和/或接收方向进行调节的电子波束控制装置。
[0054]为了检测填充材料表面202的不同区域中的反射条件，通过由驱动单元513驱动的驱动轴302使发射单元和/或接收单元(下文也将其称作天线装置)旋转。发射单元和/或接收单元203可具有相对较大的机械尺寸bl 205，该机械尺寸通常大于常规的容器开口的尺寸108(参照图1)。
[0055]故通常仅以与上部开口的容器或散装材料堆相结合的方式使用物位测量设备的天线装置203。作为替代方案，在将主体309安装在容器的紧固凸缘上之后，从容器的内部将天线装置203安装在主体309上。此方案较为复杂，且需要安装人员进入容器内部。
[0056]图3示出根据本发明的实施例的测量设备。测量设备301包括主体309，在主体中例如布置有驱动单元513。在主体上设置有紧固凸缘308，以将测量设备301连接到容器凸缘。在主体上连接有驱动轴302，在安装测量设备时，驱动轴的旋转轴线311垂直定向。在驱动轴302的端部处设置有旋转装置305，天线装置203经由旋转装置连接到驱动轴302。箭头310表示天线装置203的纵向延伸。
[0057]在天线装置的底面上设置有由各个单独发射器元件206构成的阵列，例如一维阵列。但也可设置有二维阵列，其中，每个行中的发射器元件例如传导地互连。
[0058]天线装置203被驱动轴302旋转地支承，并与驱动轴构成不等于90°的角度cu45°的角度被证实为特别有利，由此能够检测来自容器308的宽广部分的信号。
[0059]若采用数字波束形成并结合天线的旋转来检测±45°的角度范围，则可以测量包含散装材料的整个半空间(half-space)。但也可以采用〈45°的角度，以避免数字波束形成期间的含混性或提尚分辨率。
[0060]沿天线的延伸设置有多个发射元件和/或接收元件。这些元件中的每者能够处理来自不同角方向的信号。可通过利用已知数字波束形成算法，由这些元件单独地接收的信号可用于在预定的角度范围内改变天线装置的主发射方向和/或接收方向。若为此选择与垂直主波束方向成±45°的角度范围，则通过将还出现的旋转考虑在内能够检测填充处理的表面上的每个点。
[0061 ]这种布置有利地将主波束方向的机械变化(在此:旋转)的优点与电子波束扫描的优点相结合。于是能够实现极快的测量速率(例如小于10秒)，并同时实现较为简单的机械构造(转速较小，通常为约60转/分钟)及(例如由于天线阵列的一维构造而)大幅减小电子装置的复杂度。数目为20的元件通常足以实现一维阵列的各行。
[0062]如果在随后的信号处理期间在由各阵列元件检测的测量信号中分析由天线旋转引起多普勒频移，则显著地改善横向方向(径向(Xa延伸))上的聚焦。为此，可采用已知的算法，例如合成孔径雷达(SAR)及旋转式合成孔径雷达(R0SAR，其基于旋转天线)。
[0063]天线例如可由包含m个单独元件的一维天线阵列构成。这些单独元件可被实施为以合适方式设计的印刷电路板贴片或者合适的波导端或其它已知的发射装置。
[0064]通过天线阵列的发射器元件中的每者接收从填充材料表面反射的信号，并将这些信号单独地供应到数字分析单元。数字分析单元例如布置在驱动单元中。通过采用数字波束形成算法，分析单元能够通过组合这些信号使天线的主波束和/或接收方向改变特别是与天线单元的垂线309成±45°的角度。
[0065]在天线装置的背面上可设置有质量元件303。
[0066]该测量设备包括比图2所示的设备略长的驱动轴302，发射元件和/或接收元件203(也将其称作天线装置或发射元件和/或接收元件)通过旋转装置305(下文也将其称作旋转元件)被紧固至驱动轴302，使得发射元件和/或接收元件可改变其相对驱动轴302的角度α307。
[0067]因为物位测量设备301(特定地，在此为发射单元和/或接收单元203)的机械尺寸因天线装置的垂直定向(即，天线装置的纵向延伸以与旋转装置的纵轴平行的方式定向)而减小为相对较小的值b2 306，所以在现有容器104中的安装最初极为简单。
[0068]由于此值小于容器开口117的机械尺寸B 108，所以有助于简化传感器301的安装及机械紧固。特别地，可设置有螺纹紧固装置或包含凸缘308的凸缘紧固装置，而无需在将测量设备安装在容器上时对天线进行后续加装。
[0069]在测量设备启动之后，通过使驱动轴302旋转来使天线装置203旋转。在此情形下，在安装在天线装置203上的质量元件303上发生作用且与转速相关的离心力会导致天线装置朝着散装材料表面的拓扑的实际检测所需的操作角α307。在测量设备301停止操作时，质量元件303的重力使天线装置203返回到原始折叠位置，从而允许拆卸测量设备。
[0070]图4示出测量设备的另一实施例。容器104具有直径例如为1.5或2英寸的螺纹口403，可通过旋拧将物位测量设备301机械地紧固在该螺纹口中。测量设备301具有可通过回转关节305偏转的天线装置203，并在启动之后天线装置在离心力的作用下偏转至操作角α307(所谓“展开状态”)。为保护测量设备，特别是天线装置203及被实施为回转关节305的旋转装置免受污染，可设置有例如可被实施为PTFE编织袋的天线罩404。天线罩具备机械柔性，故可通过极小的容器开口 403进行安装。
[0071]在测量设备的另一实施例中，在测量设备的操作阶段中完全不利用离心力来定位发射单元和/或接收单元203 ο对应实施例请参照图5和6。
[0072]图5示出测量设备301被安装在容器凸缘上的阶段。设备301具有与测量设备的主体(壳体)309静态地连接的第一凸缘502及能够沿驱动轴302移动的第二紧固凸缘504，在拆卸状态下，通过弹簧装置505使第二紧固凸缘与静态紧固凸缘502之间保持预定距离。
[0073]第二紧固凸缘504通过拉力元件506与被旋转地支承的发射单元和/或接收单元203连接，该拉力元件可具有转向装置512。
[0074]在将测量设备301安装在容器上时，朝容器104的容器凸缘510下压(参照箭头508)。在此，通过转向装置512使天线装置203偏转至操作角α307，从而允许测量设备301操作以检测介质的表面202的拓扑。装置的拆卸以相反顺序进行，其中，弹簧装置505使天线装置203返回到原来位置(折叠状态)。由此能够拆除测量设备，而不必先取下天线装置。
[0075]拉力元件的形式例如可以是牵引索或鲍登线。在此情形下，为使天线装置从展开状态(图6)进入折叠状态(图5)，作用于天线上的重力需要产生相应的转矩来折叠天线。这是通过以下方式实现的:天线的在折叠时向下倾转的区域的重量大于在折叠时向上倾转的区域的重量。
[0076]作为替代方案，拉力装置不仅能施加拉力，也能施加压力。
[0077]图7示出传送带701，在该传送带上对散装材料702进行传输。散装材料形成不规则表面703，可通过测量设备301测量该表面。例如，测量设备301可为物位测量设备，例如雷达物位仪，其除散装材料表面的构形外还能计算和输出填充材料的物位。整体地，该设备能够测定传送带上的散装材料的材料通过量。
[0078]图8示出根据本发明的实施例的方法的流程图。在步骤801中，通过填充材料容器的开口插入设置在测量设备的驱动轴上的天线装置。在步骤802中将测量设备紧固在容器上，以及在步骤803中使天线装置从折叠状态进入展开状态。随后，在步骤804中通过驱动轴使天线旋转，以及在步骤805中测定填充材料表面的拓扑。
[0079]此外需要指出的是，“包括”及“具有”并非将其它元件或步骤排除在外，且“一”或“一个”并非将多个排除在外。还需要指出的是，还可将参照上述实施例中的任一者描述的特征或步骤与上述其它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构成限制。
【主权项】
1.一种用于测定散装材料表面的拓扑的测量设备，其包括: 主体(309); 驱动轴(302)，其以能够旋转的方式被支承和紧固在所述主体上； 天线装置(203);以及 旋转装置(305)，其用于将所述天线装置以能够旋转的方式紧固在所述驱动轴上，使得所述天线装置能够进入折叠状态和展开状态。2.如权利要求1所述的测量设备，其中，所述旋转装置(305)用于将所述天线装置(203)以能够旋转的方式紧固在所述驱动轴上，使得在所述测量设备被设置在散装材料容器上之后能够改变所述驱动轴(302)的旋转轴线(311)与所述天线装置的纵向延伸(310)之间的角度。3.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其中，所述旋转装置(305)在不处于所述天线装置的重心处的位置上连接到所述天线装置(203)，使得所述天线装置仅通过在所述驱动轴(302)使所述天线装置旋转时产生的离心力能够从所述折叠状态进入所述展开状??τ O4.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其中，所述旋转装置(305)在不处于所述天线装置的重心处的位置上连接到所述天线装置(203)，使得所述天线装置在所述驱动轴(302)静止时仅通过作用于所述天线装置上的重力以及相关的转矩能够从所述展开状态进入所述折叠状态。5.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其包括用于所述天线装置(203)的柔性包套(404)，以保护所述天线装置和所述旋转装置(305)免受污染。6.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其包括: 第一紧固凸缘(502)，其与所述主体(309)刚性地连接；以及 第二紧固凸缘(504)，其以能够沿所述驱动轴(302)移动的方式布置，且在所述测量设备被设置在容器凸缘(510)上之后位于所述容器凸缘与所述第一紧固凸缘之间。7.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其包括: 拉力元件(506)，其被紧固在所述天线装置(203)上并用于使所述天线装置从所述折叠状态进入所述展开状态。8.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其还包括: 驱动单元(513)，其用于使所述驱动轴(302)和所述天线装置(203)围绕旋转轴线(311)旋转。9.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其中，所述天线装置(203)包括用于发射和/或接收测量信号的阵列。10.如权利要求9所述的测量设备，其中，所述阵列是包含单个列的发射器元件(206)的一维阵列，所述单个列沿所述天线装置(203)的纵向延伸(310)延伸。11.如前述权利要求中任一项所述的测量设备，其中，所述测量设备是物位测量设备。12.—种如权利要求1至11中任一项所述的测量设备的用于测定移动液体的黏度的用途。13.—种如权利要求1至11中任一项所述的测量设备的用于测定传送带上的散装材料的材料通过量的用途。
【文档编号】H01Q1/22GK105874307SQ201480071665
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年2月11日
【发明人】罗兰·韦勒, 莱温·迪特尔勒
【申请人】Vega格里沙贝两合公司