包括能量传送装置的料位测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测定填充材料表面的拓扑的料位测量装置，且料位测量装置包括可旋转天线单元。天线单元包括高频及信号处理单元，且高频及信号处理单元能够产生测量信号并至少部分地处理所接收的信号。通过一个或多个滑动接触部或者一个或多个线圈对向所述天线单元供应电能。也通过所述滑动接触部或者所述线圈对进行数据交换。
【专利说明】
包括能量传送装置的料位测量装置
技术领域
[0001]本发明涉及料位测量。特别地，本发明涉及用于测定填充材料或散装材料的表面的拓扑的料位测量装置、该料位测量装置的用于测定移动液体的黏度或密度的用途以及该料位测量装置的用于测定位于输送带上的散装材料的质量流量的用途。
【背景技术】
[0002]例如，用于对象监测或散装材料监测的领域中的测量装置发射例如具有传送信号的形式的电磁波或超声波，这些电磁波或超声波在填充材料表面或相应的对象上被至少部分地反射。接着，通过测量装置的天线单元可以接收被至少部分地反射的传送信号(也被称为测量信号)，并且通过与天线单元连接的电子装置来评估传送信号。
[0003]通过扫描填充材料或对象的表面，能够分别确定填充材料表面或对象的拓扑。在料位测量领域中，“拓扑”应被理解为填充材料的表面的形状。在上下文中，也可以使用术语“构形(topography)”。
[0004]为了向测量装置供电并将获得的数据传送至外部设备，测量装置可配备有所谓的“四线接口”。在替代性配置中，此类测量装置也可配备有所谓的“双线接口”(4_20mA接口)。
[0005]为了检测填充材料表面的拓扑，可使整个料位测量装置(例如雷达料位测量装置)进行旋转。还可仅使发送和/或接收单元(下文将其称为天线单元)进行旋转。在此情况下，可通过波导将从位于料位测量装置的壳体中的高频单元发送的传送信号发送至天线单元。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种替代型的料位测量装置，以用于经由旋转的天线来检测填充材料表面或散装材料表面的拓扑。
[0007]上述目的是通过独立权利要求的特征来实现的。从属权利要求及下面的说明给出了本发明的进一步拓展。
[0008]本发明的第一方面涉及一种用于测定填充材料或散装材料的表面的拓扑的料位测量装置。料位测量装置包括可旋转天线单元。在天线单元上设置有由多个辐射器元件或多个天线元件或多个单独天线构成的结构(阵列)，以用于朝向填充材料表面发射测量信号，并用于接收从填充材料表面反射的测量信号(所接收的信号)。阵列的辐射器元件可布置在例如与天线单元的旋转轴构成不等于90°的角度α的平面中。例如，角度α为30至60°，并例如为45° ο
[0009]为此设置相对于天线与填充材料表面之间的垂直直接连线的不等于90°的角度α，可增大天线的测量范围。由于测量范围的增大，可在较大范围上高质量地测量填充材料表面的拓扑。
[0010]当天线单元与料位测量装置共同安装在包含填充材料的容器中或容器上时，天线单元的旋转轴例如可以是竖直旋转轴。
[0011]这些辐射器元件例如是指大体二维的平面状贴片。但这些辐射器元件也可设置成其它形式的福射器。
[0012]阵列例如是包含单独一个列的辐射器元件的一维阵列。但阵列也可以是可为包含平行布置的多个列以及以垂直于这些列的方式布置的多个行的二维阵列，这些列和行皆由多个单独的辐射器元件构成。
[0013]为了测量填充材料表面或散装材料表面的拓扑，可以使天线单元进行旋转。设置有高频及信号处理单元，高频及信号处理单元布置在可旋转天线单元上，并且用于产生测量信号并至少部分地处理所接收的被反射的测量信号(接收信号)。因此，直接在天线单元上进行信号(预)处理。因此，当天线单元进行旋转时，高频及信号处理单元随着天线单元旋转，以便进行拓扑测量。
[0014]此外，设置有供电及通信单元，供电及通信单元布置在料位测量装置的静止区域中，故不随着天线单元旋转。供电及通信单元具有一个或多个滑动接触部和/或一个或多个线圈对，以用于将供电及通信单元耦接至高频及信号处理单元，从而向高频及信号处理单元供应测量操作所需的电能。
[0015]也可通过该/这些接口将来自高频及信号处理单元的数据传送至供电及通信单
J L ο
[0016]例如，高频及信号处理单元被集成在天线单元中。
[0017]根据本发明的另一实施例，料位测量装置包括供电及通信接口，以用于将供电及通信单元连接至双线线路，双线线路用于向料位测量装置供应测量操作所需的能量并用于将测量数据传送至远程控制单元。
[0018]料位测量装置仅提供双线连接来获取用于测量及用于旋转天线的能量，双线连接还用于与控制单元的通信，特别是用于输出至少一个拓扑测量值或至少一个由拓扑测量值推导出的测量值(例如容器中的质量)。
[0019]根据本发明的另一实施例，料位测量装置包括第一定子-转子线圈对，以用于将测量操作所需的电能从供电及通信单元无线传送至天线装置。换言之，可以以无线的方式传送电能。此方案较为有利，因为在测量过程中天线装置需要相对于料位测量装置的主体进行旋转。
[0020]根据本发明的另一实施例，料位测量装置包括第二定子-转子线圈对，以用于将由天线装置接收且由高频及信号处理单元处理的测量信号从高频及信号处理单元传送至供电及通信单元。因此，不需要设置滑动接触部。
[0021]作为第一和/或第二定子-转子线圈对的替代或附加方案，还可设有滑动接触部。
[0022]根据本发明的另一实施例，料位测量装置包括旋转编码器，以用于测定天线单元的旋转角。
[0023]例如，设置有电动机，电动机用于在测量信号被发射的期间使天线单元进行旋转，其中，旋转编码器、第一滑动接触部或第一线圈对、电动机布置在共同的旋转轴上。
[0024]根据本发明的另一实施例，料位测量装置包括无线近程通信装置，无线近程通信装置设置在高频及信号处理单元上并用于传输由高频及信号处理单元产生的测量数据。
[0025]根据本发明的另一实施例，滑动接触部或线圈对用于向高频及信号处理单元传送能量并用于将来自高频及信号处理单元的数据传送至电源及通信单元。
[0026]在这种情况下，例如采用时分复用或合适的信号变换(调制)方法，以便传送数据和能量二者。
[0027]本发明的另一方面涉及上文或下文描述的料位测量装置的用于测定移动液体的其它物理特性值的用途。例如，可在容器几何形状已知且转速较高的情况下，根据液体表面的拓扑来测定移动液体的黏度和/或密度。
[0028]本发明的另一方面涉及上文或下文描述的料位测量装置的用于测定传送带上的散装材料的质量流量的用途。
[0029]本发明的另一方面涉及一种用于测定填充材料或散装材料的表面的拓扑的方法。首先，通过供电及通信单元向天线单元供应测量操作所需的电能，其中供电及通信单元通过滑动接触部或线圈对连接至天线单元。为进行测量，使天线单元进行旋转，并通过天线单元的高频及信号处理单元产生测量信号。通过天线单元，朝向填充材料表面或散装材料表面发射测量信号，并随后接收从表面反射的测量信号。为此，天线单元包括辐射器元件的阵列。在另一步骤中，通过旋转天线单元的高频及信号处理单元至少部分地处理所接收的被反射的测量信号。
[0030]用于发射测量信号的辐射器元件可不同于用于接收被反射的测量信号的辐射器元件。但也可采用以下方案:这些辐射器元件中的一部分或所有辐射器元件既用于发射测量信号又用于接收测量信号。
[0031]随后，可以以无线或有线的方式将经处理的测量信号传送至测量装置的供电及通信单元。
[0032]供电及通信单元可随后进一步处理数据，并通过双线线路将所述数据传送至远程控制单元，其中双线线路也用于传送测量操作所需的能量。
[0033]因此，能够在可旋转的传感器单元(天线单元)中结合有能量传送、角度检测、旋转驱动及数据传送，且为此所需的电子单元分布在装置的静止部件与装置的旋转部件之间。
[0034]因此，料位测量装置可包括设置在装置的旋转部件上的旋转天线，旋转天线包括用于料位测量装置的子电子单元以及多个用于在静止部件与旋转部件之间进行能量及信息传送的附加单元。
[0035]下面结合附图来说明本发明的实施例。
【附图说明】
[0036]图1示出包括可旋转天线的料位测量装置。
[0037]图2示出根据本发明的一个实施例的料位测量装置。
[0038]图3示出根据本发明的另一实施例的料位测量装置。
[0039]图4示出根据本发明的另一实施例的料位测量装置。
[0040]图5A示出根据本发明的一个实施例的电驱动器。
[0041]图5B示出根据本发明的一个实施例的发电单元。
[0042]图5C示出根据本发明的一个实施例的角度检测单元(旋转编码器)。
[0043]图f5D示出根据本发明的另一实施例的料位测量装置。
[0044]图6示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0045]附图中的图示是示意性的且不是等比例的。
[0046]在附图的以下说明中，当在不同附图中使用相同参考标记时，这些参考标记表示相同或相似元件。然而，也可以使用不同参考标记来表示相同或类似元件。
[0047]本发明可与包括至少一个在测量期间围绕一个或多个轴线机械地旋转的发送和/或接收单元(下文也将其称作天线单元)的料位测量装置结合在一起使用。在此所关注的是如下的雷达物位测量装置，该雷达物位测量装置通过机械地旋转的发送和/或接收单元从容器中的空间中的不同方向检测回波曲线，并根据从这些回波曲线推导出的特性值来计算容器中的填充材料的表面的轮廓(拓扑)。测量装置可直接输出拓扑或将其转换成其它特性值，例如容器中包含的填充材料的体积或质量。
[0048]图1示出料位测量装置101，料位测量装置通过朝向填充材料108的填充材料表面107发射电磁或声学信号来检测容器109中的反射特性的表示(representat1n)。特别地，料位测量装置可根据在表面上被反射的测量信号来计算填充材料表面的拓扑。
[0049]测量装置101例如包括高频单元102，且高频单元将多个例如处于79GHz的范围内的高频信号接入到波导103中。旋转耦合装置104连接到波导103，并将这些微波信号传送至可相对于第一波导103旋转的第二波导105。
[0050]第二波导可固定地连接到至少一个发送和/或接收装置(例如平面天线106)，其中发送和/或接收装置将这些微波信号朝向容器109中的介质108的表面107发射，并且/或者自从该表面接收这些微波信号。
[0051]例如通过电动机110使由第二波导105和天线106构成且可相对于容器109旋转的组合结构进行旋转。由此，可从容器的不同角方向来检测多个回波曲线。为了根据所测量的回波曲线计算介质表面107的拓扑的数字表示，为此目的所需的信号处理单元111需要天线单元106的分别与所检测的每个回波曲线相关的相对于容器109的绝对旋转角113。
[0052]可通过旋转编码器来检测旋转角，并随后将其提供到信号处理单元111。
[0053]信号处理单元可通过未图示的连接部连接到供电及通信单元113，供电及通信单元例如通过4-20mA电流接口和/或通过数字通信向外部提供一个或多个测量值或由测量值推导出的特性值。供电及通信单元113也可具有四线接口，以用于向测量装置101供电，并且测量装置101通过四线接口向外部提供一个或多个测量值或由测量值推导出的特性值。
[0054]例如，例如可针对6GHz或24GHz的范围内的较低频率以相对经济的方式制造旋转耦合装置，因为需要满足的机械构造精度的要求由于这些信号的较大波长而较低。针对较高的频率，例如针对79GHz的范围内的信号，旋转耦合装置的机械构造的要求或显著地提升。而且，在过程测量技术的背景下，针对测量装置的操作温度期望更高的要求，且在较小的机械容差的情况下难以通过使用旋转耦合装置来满足这些要求。
[0055]图2示出根据本发明的一个实施例的料位测量装置的第一示例。测量装置201包括主体212，在该主体中布置有电动机202，以用于使(不必为高频波导的)管道203与紧固在管道上的发送和/或接收单元(也将其称为可旋转天线单元)204—起旋转。
[°°56] 测量装置201还包括供电及通信单元205，该供电及通信单元连接到电动机202、旋转编码器206及两个滑动接触部207，208。第一滑动接触部207可用于将高频及信号处理单元209所需的电能传送至旋转的管道203。第二滑动接触部208可用于将由旋转编码器206检测的角度传送至信号处理单元209。
[0057]而且，第二滑动接触部还可用于将设定或软件更新传送至信号处理单元209，其中，这些设定或软件更新是用户或远程中央单元211例如经由双线线路并通过数字通信推送至4-20mA接口 210中的设定或软件更新。
[0058]在测量周期结束之后，高频及信号处理单元209可使用第二滑动接触部208将所检测的测量值传送至供电及通信单元205，且供电及通信单元可向外部提供相应值。
[0059]此外，也可将旋转编码器206集成在管道203中，从而减小所要传送的数据的数量。
[0060]在本实施例及下文将要描述的实施例中，可将任意形式的已知旋转传感器用作旋转编码器。特别地，可采用基于激光原理、电感原理或电容原理操作的非接触式旋转编码器，即，特别是可采用旋转变压器或霍尔传感器。
[0061]在本实施例及下文将要描述的实施例中，可将任意形式的电动电动机用作电动机，即，特别是采用直流电动机、步进电动机、磁阻电动机、无刷直流电动机、同步电动机或异步电动机。
[0062]这些电动机的控制电子装置可被集成在电动机自身中，或者也可被包含在料位测量装置中，并且在此情形下例如被包含在供电及通信单元205中。在采用伺服电动机的情况下，也可将旋转编码器206集成在电动机202自身中。
[0063]图2的实施例消除了高成本的旋转耦合装置104的使用要求，这是因为现在将原来仅被包含在料位测量装置101的静止部分中的电子装置部分地转移至旋转部分。在此情形下，可采用机械滑动接触部207、208，尽管它们的寿命受到限制。
[0064]图3示出测量装置的另一实施例，该测量装置能够克服上述缺点。测量装置301包括改进的供电及通信单元302，且供电及通信单元连接到第一环状定子线圈303及第二环状定子线圈304。
[0065]与改进的高频及信号处理单元307连接的第一转子线圈305位于被电动机202驱动的管道203上，并在空间中靠近第一定子线圈303。此外，第二转子线圈306以在空间中靠近第二定子线圈304的方式设置，且也连接到高频及信号处理单元307。
[0066]第一定子/转子线圈对303，305用于将由供电及通信单元302提供的电能传送至高频及信号处理单元307。为此，供电及通信单元302可以以合适的方式驱动第一定子线圈。改进的高频及信号处理单元307可包含多个电路组件，这些电路组件适于根据在第一转子线圈305上获取的信号来产生高频及信号处理单元307的操作所需的供电电压。
[0067]第二定子/转子线圈对304，306用于将由供电及通信单元302传送的信息(例如参数值、设定、软件更新、角度值)传送至高频及信号处理单元307。为此，供电及通信单元302可以以合适的方式驱动第二定子线圈。
[0068]改进的高频及信号处理单元307可包含多个电路组件，这些电路组件适于根据在第二转子线圈306上获取的信号来提取所传送的信息。此外，改进的高频及信号处理单元307也适于通过第二转子线圈306及第二定子线圈304将信息(状态信息、检测的测量值)传送至改进的供电及通信单元302，以便向外部将所述信息提供给用户。
[0069]在此需要指出的是，可将第一及第二定子线圈实施为共用单元。这同样适用于第一及第二转子线圈。可使用同一个单元来进行能量传送及信息传送，例如通过时分复用或通过合适的信号变换(调制)方法来实现。后者也适用于图2所示的包括滑动接触部的实施例。
[0070]在根据图3的测量装置中，以非接触的方式将时间敏感信息(如传感器206的角度值)传送至信号处理装置307。由于电磁兼容性干扰，可能难以以这种方式传送时间敏感信息。
[0071]为此，图4示出包括供电及通信单元402的测量装置401的另一实施例。该机构与图3所示的结构的区别在于，旋转编码器206被转移至旋转的传感器部件203。现在，改进的高频及信号处理单元403直接连接到旋转编码器206，并直接从其读取当前的旋转角。因此，不需要将该信息从不旋转的传感器部件传送至旋转的传感器部件。
[0072]图5D示出测量装置的另一集成实施例。在所示的结构中，在单个旋转轴505上执行电驱动器202，502、电源205，503、高频及信号处理单元209以及旋转编码器206，504的功能。
[0073I图5A的截面图详细示出电驱动器202。通过控制单元511 (例如具有集成矢量驱动的伺服控制器)的驱动，转子周围的定子绕组509被供应电压，以便产生在旋转轴周围移动的磁场。
[0074]转子510可包含多个永磁体，这些永磁体根据外部磁场使转子进行旋转运动。也可不在转子中设置这些永磁体，并根据磁阻原理使转子进行旋转。
[0075]图5B的截面图详细示出位于电驱动器下方的发电单元503。被紧固在静止传感器部件中的磁体512,513(较佳地，永磁体)产生静止磁场。在此磁场中旋转的电枢514以及在此情况下特别是位于该电枢上的电枢绕组515由于旋转而经历磁场的变化，从而产生可用于对高频及信号处理单元209进行供电的感应电压。
[0076]图5C的截面图详细示出同样设置在旋转轴505上的角度检测单元504。由高频及信号处理单元209产生的电流流过传感器绕组516，从而建立磁场。由线圈516所接收的电流根据旋转磁体与静止金属518之间的间距d 517而发生变化。高频及信号处理单元209可根据该变化推算出当前的旋转角。
[0077]当然，在本实施例中也可根据上文描述的任一原理来实现电驱动器及旋转编码器的结构。
[0078]可简单地通过数字式近距离通信装置520 (例如通过蓝牙、WLAN或GSM)或通过类似的无绳无线电链路将由高频及信号处理单元209测定的测量值传送至通信单元519。在此，通信可受到加密，从而防止第三方窃听或操纵测量信号。
[0079]此外，也可以以光学、电磁学或声学的方式将数据传送至位于旋转管道(此处未绘示)内部的通信单元519。
[0080]图6为根据本发明的一个实施例的方法的流程图。在步骤601中通过供电及通信单元向天线单元供应测量操作所需的电能，其中供电及通信单元通过滑动接触部或线圈对耦接到天线单元。在步骤602中使天线单元进行旋转，在步骤603中与天线单元一起旋转的高频及信号处理单元产生测量信号，并且随后在步骤604中将测量信号朝向填充材料表面发射。随后，测量信号在填充材料表面上被至少部分反射，且随后在步骤605中天线单元重新接收测量信号。在步骤606中通过高频及信号处理单元至少部分地对所接收的被反射的测量信号进行处理，进而在步骤607中将经(预)处理的测量信号传送至供电及通信单元，其中供电及通信单元可执行另一信号处理并可将由此获得的数据传送至远程中央单元。为此，可设置通过4-20mA接口与料位料位测量装置连接的双线线路。
[0081 ]应该指出的是，“包括”和“具有”不排除其它元件或步骤的可能性，而“一”和“一个”并不排除多个的可能性。还应当指出的是，参照上述实施例之一说明的特征或步骤也能够与其它上述实施例的其它特征或步骤组合地使用。权利要求中的参考标记不应被解释为具有限制性。
【主权项】
1.一种用于测定填充材料或散装材料的表面的拓扑的料位测量装置(201)，其包括: 可旋转天线单元(204)，其包括: 多个辐射器元件的阵列，其用于朝向填充材料表面发射测量信号和/或接收从所述填充材料表面反射的所述测量信号;及 高频及信号处理单元(209)，其用于产生所述测量信号，并用于至少部分地处理所接收的被反射的所述测量信号； 供电及通信单元(205)，其经由滑动接触部(207)或线圈对(303，305)耦接至所述高频及信号处理单元，以便向所述高频及信号处理单元供应测量操作所需的电能。2.如权利要求1所述的料位测量装置(201)， 其中，所述高频及信号处理单元(209)被集成在所述天线单元(204)中。3.如权利要求1或2所述的料位测量装置(201)，其还包括: 供电及通信接口(210)，其用于将所述供电及通信单元(102)连接至双线线路(213)，所述双线线路用于向所述料位测量装置(201)供应测量操作所需的能量并用于将测量数据传送至远程控制单元(211)。4.如前述权利要求中任一项所述的料位测量装置(201)， 其中，所述第一线圈对(303，305)是第一定子-转子线圈对(303，305)，以用于将所述天线单元(204)的所述高频及信号处理单元(209)的操作所需的能量从所述供电及通信单元(205)无线地传送至所述天线单元(204)的所述高频及信号处理单元(209)。5.如前述权利要求中任一项所述的料位测量装置(201)，其还包括: 第二定子-转子线圈对(304，306)，其用于将由所述天线单元(204)接收并由所述高频及信号处理单元(209)处理的所述测量信号从所述高频及信号处理单元(209)无线地传送至所述供电及通信单元(205)。6.如前述权利要求中任一项所述的料位测量装置(201)，其还包括: 旋转编码器(206)，其用于测定所述天线单元(204)的旋转角。7.如权利要求6所述的料位测量装置(201)，其还包括: 电动机(202)，其用于在所述测量信号被发射的期间使所述天线单元(204)进行旋转； 其中，所述第一滑动接触部(207)或所述第一线圈对(303，305)与所述电动机布置在共同的旋转轴(505)上。8.如前述权利要求中任一项所述的料位测量装置(201)，其还包括: 无线近程通信装置(520)，其设置在所述高频及信号处理单元(209)上并用于传送由所述高频及信号处理单元(209)产生的测量数据。9.如前述权利要求中任一项所述的料位测量装置(201)， 其中，所述滑动接触部(207)或所述线圈对(303，305)用于向所述高频及信号处理单元(209)传送能量并用于将来自所述高频及信号处理单元(209)的数据传送至所述供电及通信单元(205)。10.—种如权利要求1至9中任一项所述的料位测量装置的用于测定移动液体的黏度和/或密度的用途。11.一种如权利要求1至9中任一项所述的料位测量装置的用于测定传送带上的散装材料的质量流量的用途。12.—种用于测定填充材料或散装材料的表面的拓扑的方法，其包括: 通过供电及通信单元(205)向天线单元(204)供应测量操作所需的电能，其中，所述供电及通信单元经由滑动接触部(207)或线圈对(303，305)耦接至所述天线单元； 使天线单元进行旋转； 通过所述天线单元的高频及信号处理单元(209)产生测量信号； 通过所述天线单元的辐射器元件的阵列，朝向填充材料表面发射测量信号并且/或者接收从所述填充材料表面反射的所述测量信号； 通过所述高频及信号处理单元至少部分地处理所接收的被反射的所述测量信号。
【文档编号】H01Q1/22GK105981220SQ201480074985
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年2月21日
【发明人】约瑟夫·费伦巴赫, 罗兰·韦勒, 莱温·迪特尔勒
【申请人】Vega格里沙贝两合公司