CN112762979A - 双重传感器 - Google Patents

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Abstract

具有第一电路和第二电路的双重传感器，所述第一电路被配置用于所述传感器的自给操作，所述第二电路被配置用于所述传感器的非自给操作。

Description

双重传感器
技术领域
本发明涉及工业环境中的测量技术。本发明尤其涉及双重传感器、双重传感器的多种用途、利用传感器测量过程变量的方法、程序元件以及计算机可读介质。
背景技术
为了检测工业环境中的过程变量，使用能够检测填充物位、极限物位、流量、压力或任何其它测量变量的传感器。这些传感器中的许多传感器通过电缆供电。例如，它们可以被配置为连接到4至20mA的双线回路，该回路不仅可以为传感器供电，还可以实现与控制室或其它外部设备的通信。
在特定位置或对于特定的应用，为传感器提供有线的能量供应可能代价高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可灵活使用的替代传感器。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求和实施例的以下说明中得出本发明的进一步改进。
第一方面涉及具有第一电路和第二电路的双重传感器。第一电路被配置用于传感器的自给操作，在该自给操作中，没有或不必从外部电源向传感器供电。第二电路被配置用于传感器的非自给操作，在该非自给操作中，通过外部电源向传感器供电。
术语第一电路和第二电路将被广义地解释。因此，它们可以是单独的电路、开关电路或其它装置。但它们也可以布置成分布式的。
因此，第一电路和第二电路可以是彼此分开的单独电路。然而，这两个电路也可以设置成共享某些部件或组件。
例如，这些组件可以是产生实际测量信号或传输信号的高频电路。在这种情况下，双重传感器例如为填充物位雷达设备。
例如，外部电源可以为4至20mA的双线电缆，当传感器处于非自给操作状态时，可以经由该双线电缆进行供电并且与外部设备进行数据交换。例如，测量值经由该电缆传送。
根据一实施例，双重传感器具有壳体，第一电路和第二电路布置在壳体中。
根据另一实施例，第一电路具有带有第一时钟频率的第一处理器，且第二电路具有带有第二时钟频率的第二处理器。在此，第一时钟频率高于第一时钟频率，因此第二处理器比第一处理器功能强大。
根据另一实施例，第一电路具有被配置为使用第一无线电协议的第一传输单元。第二电路可以具有被配置为使用第二无线电协议的第二传输单元。第二无线电协议比第一无线电协议具有更高的能量消耗。原因例如在于，与使用第一无线电协议相比，使用第二无线电协议的传感器能够提供更高的数据传输速率和/或更大的数据传输范围。例如，第一无线电协议的示例为NB-IoT或LoRa(窄带IoT或远程广域网)。
根据另一实施例，第一电路被配置为以第一测量精度评估测量信号。第二电路被配置为以第二测量精度评估测量信号。在此，第二测量精度高于第一测量精度。
换句话说，双重传感器被构造为与使用第一电路相比，使用第二电路能够提供更精确的测量结果。
第一电路还可以被配置为执行第一测量过程，且第二电路被配置为执行第二测量过程，其中第一测量过程比第二测量过程具有更低的功率消耗。更低的功耗可能有多种原因。例如，与在第二测量过程期间相比，在执行第一测量过程时测量的频率更低。例如，在第一测量过程中，仅每12小时测量一次，其中传感器在测量暂停期间转变到睡眠模式以节省能量。例如，在第二测量过程中测量的频率要高得多，并且尤其是进行完整测量所需的时间，即，从生成测量信号通过发射测量信号直到评估接收信号的时间被设置为500ms以下的时间，因此测量结果几乎可以实时输出。
第一测量过程还可以由于第一测量过程产生比第二测量过程更低测量精度的测量结果而具有更低的功耗。除了实际的测量值之外，在第二测量过程中还可以计算并输出诸如双重传感器的诊断数据等其它数据，然而该数据不在第一测量过程中输出。
根据另一实施例，第一电路具有电池，电池被配置为在双重传感器执行第一测量过程时独自向双重传感器供电。在这种情况下，不需要外部电源。另外，太阳能模块等也可用于向第一电路部分供电。
此外，双重传感器还可以具有被配置为用于在第一测量过程和第二测量过程之间切换的开关。在此，开关可以是壳体上的用户可用的机械开关，以便在安装双重传感器时用户可以轻松地从第一测量过程切换到第二测量过程，反之亦然。然而，该开关也可以为软件控制的开关，根据应用条件和环境条件，该开关可以从第一测量过程切换到第二测量过程，反之亦然。
例如，双重传感器在第二电路连接到外部电源时进行检测，并然后自动从第一测量过程切换到第二测量过程。
双重传感器也可以被配置为使得在没有足够能量时或在外部电源低于特定阈值时，其总是自动从第二测量过程切换到第一测量过程，以节省能量。
另一方面涉及上述和下述的双重传感器的用于压力测量的用途，另一方面涉及上述和下述的双重传感器的用于填充物位测量的用途，另一方面涉及上述和下述的双重传感器的用于极限物位测量的用途。另一方面涉及上述和下述的双重传感器的用于流量测量的用途。
另一方面涉及一种利用传感器测量过程变量的方法，在该方法中，首先检测第一测量信号，并由此计算过程变量(填充物位、压力、极限物位、流速等)。为此，使用第一测量过程，其中传感器处于自给操作并不由外部电源供电。随后，从第一测量过程切换到第二测量过程。然后，在传感器的非自给操作中，检测第二测量信号，并根据在第二测量过程中检测的第二测量信号计算过程变量，在该非自给操作中传感器由外部电源供电。
另一方面涉及一种程序元件，当在双重传感器的一个处理器(或多个处理器)上执行该程序元件时，该程序元件使双重传感器执行上述和下述的步骤。
另一方面涉及一种存储有上述程序元件的计算机可读介质。
例如，程序元件可以被加载和/或存储在诸如数据处理器等数据处理设备的主存储器中，其中，数据处理设备也可以是本发明的实施例的一部分。该数据处理设备可以被配置为执行上述方法的方法步骤。此外，数据处理设备还可以被配置为自动执行计算机程序或方法和/或执行用户的输入。计算机程序也可以经由诸如因特网等数据网络提供，并可以从该数据网络下载到数据处理设备的主存储器中。计算机程序还可以包括对现有计算机程序的更新，由此例如能够使现有计算机程序执行上述方法。
计算机可读(存储器)介质尤其可以为但不必须是非易失性介质，其尤其适合于存储和/或发布计算机程序。计算机可读存储介质可以为CD-ROM、DVD-ROM、光学存储介质、固态介质等，该计算机可读存储介质可与其它硬件一起提供或作为硬件的一部分提供。附加地或替代地，计算机可读存储介质还可以以其它形式分发或出售，例如，经由诸如因特网等数据网络或其它有线或无线电信系统。为此，计算机可读存储介质例如可以被实施为一个或多个数据包。
下面将参考附图说明实施例。附图中的表示是示意性的，并且未按比例绘制。
附图说明
图1示出了双重传感器。
图2示出了方法的流程图。
图3示出了均具有双重传感器的四个不同的测量设备。
图4示出了另一双重传感器。
具体实施方式
图1示出了双重传感器1000。双重传感器1000具有第一电路101和第二电路102以及被第一电路和第二电路使用的第三电路103。
第一电路被配置用于传感器的自给操作，在该自给操作中，传感器不由外部电源提供能量。第二电路被配置用于传感器的非自给操作，在该非自给操作中，传感器由外部电源提供能量。
所有三个电路可以布置在同一壳体中。
第一电路具有用于数字信号处理和控制的第一处理器1011。第一处理器1011通过电池1014或其它内部能量存储器以及与其连接的电源1013供电。第一处理器控制产生测量信号的电路1031。在雷达填充物位测量设备的情况下，电路1031为产生雷达传输信号的高频电路。HF电路1031连接到天线1032，天线1032朝向填充材料表面发射传输信号并接收从其反射的信号，从而可以由此计算出填充物位。
第一处理器1011连接到第一传输单元1012，该第一传输单元被配置为使用第一无线电协议，以便发送所计算的测量结果，并例如从外部接收控制数据或参数化数据。
第二电路102也具有处理器1021，该处理器也连接到测量信号产生电路1031，以便对其进行控制并从其接收所接收的测量信号，然后可以对测量信号进行评估。
设置有电源1023，第二电路不是(仅)由电池供电的，而是经由接口1025由外部电源供电。接口1025例如可以是4至20mA的双线接口。
另外，还设置有通信接口1022，该通信接口也连接到接口1025(用于自身供电并用于数据交换)，且还连接到第二处理器1021(用于数据交换)。
双重传感器1000在概念上被构造成使得其处于极度节能的第一电路部分(第一电路101)和最大程度/部分分离的第二电路部分(第二电路102)。第二电路102被设计为满足过程控制或自动化控制的要求。这两个电路都位于同一传感器壳体中。
第一电路可用于自给的物流或控制过程，并满足以下要求。为了控制例如IBC集装箱的物流过程、控制过程、库存可视化或库存管理(工业4.0中的供应链管理)，传感器需要自给地工作并将数据无线传输到上级系统。
在此情况下，通过电池或蓄电池向双重传感器供电。传感器被构造成节省能量。无需使用显示器。数据(诸如填充物位等测量数据以及诸如位置、温度等额外数据)被无线传送到上级系统。
为了节省能量，在不需要传感器时将其停用。这是通过以下方式实现的：将处理器关闭，并在定义的时间之后通过触发器将其唤醒并启动。传感器以一定的时间间隔被短暂激活，测量相应要求的值(例如，填充物位)，将所测量的值存储和/或传送到上级系统，并然后被再次停用。
两次连续测量之间的典型时间间隔例如为12小时或24小时。
由于通常仅涉及材料流或物流的计划或控制，因此传感器需要相对较低的测量精度。例如，在容器中，测量精度/分辨率在10％或20％的范围内就足够了。对于典型的IBC容器，这相当于雷达传感器的10cm至20cm的测量精度。
由于容器中的填充物位不变且容器中没有安装件或其它干扰，所当容器用于物流(储罐)时，测量任务本身(例如，雷达传感器对回波曲线的评估)通常相对简单。因此，例如，与在过程容器中相比，可以更简单地构造测量值评估。
因此，第一电路101被进行了节能优化，以便实现尽可能长的电池运行时间(系统运行时间)。
另外，双重传感器可以通过以下措施节省能量：
-首先，可以使用具有相对较低的时钟频率的第一处理器。
-可以将节能的无线电标准(无线电协议)用于测量值的传输。
-在雷达传感器中，可以以较低的分辨率(扫描)计算回波曲线，并可以以较窄的带宽产生FMCW传输信号。
-可以进行设置，使得第一处理器仅计算绝对必要的值，例如仅计算测量值。
-可以使用非常节能的部件和组件。
-由于不必实时提供测量结果，所以周期时间(从测量到产生测量值)可以相对较长。
-可以使用最简单的算法来确定测量值(例如，回波评估)，因为此时评估的挑战较少。
对于满足其它要求的第二电路102，情况有所不同。该电路可用于过程控制或自动化。为了控制过程(例如，IBC卸料站或加油站的控制)，需要传感器能够将“实时”数据(例如，当前填充物位)传送到控制系统或控制器。利用该当前填充物位将直接控制设备。例如，由于基于该值停止或开始填充/排空，或控制搅动装置的速度，因此双重传感器应显示当前的填充物位。必须在传感器输出端能够直接获取当前的填充物位。可以通过接口(例如，插头、电缆、磁性/电感性等)向传感器供电。
传感器(尤其为第二电路)可以被配置为满足以下要求：
-测量非常精确且可重复的。用于过程控制的雷达传感器的典型测量精度为±2mm。
-由于设备或过程是根据确定的填充物位进行控制的，因此必须快速且以尽可能短的周期时间进行测量。典型的测量间隔例如为500ms。
-可以通过接口向传感器供电。
-传感器上设置有显示器。
-数据传输可以被设置为无线和/或有线的(通过接口)。
-传感器不必节能。在通过接口向传感器供电的时间内，传感器必须连续地传输诸如填充物位信息等数据，因为将基于该信息做出决定。为此，时间偏延迟应尽可能的短。
-还可以提供关于测量值状态等和测量值品质的额外信息。因此，传感器不仅提供了填充物位，还提供了其它信息。
总而言之，第二电路102被优化以高精度尽可能快地确定测量值。节能方面在此为次要的；可用能量(例如，在连接到4至20mA的双线回路时)将最佳地利用。
第二电路可以具有以下特征以满足这些要求：
例如，处理器1021可以设置有高时钟频率。传输单元1022可以被配置为使用无线电标准以尽可能快地传输测量值或有线传输测量值。
对于雷达传感器，将以高分辨率扫描回波曲线和/或将高带宽用于FMCW传输信号。由于存在足够的能量，第二处理器1021还可以执行额外的算法，以便计算额外的诊断值或其它的信息。
第二电路中设置的部件和组件已针对性能进行了优化。
期望的是，周期时间(从测量到产生测量值)可以尽可能短，从而可以基本上实时地提供测量结果。
为了获得充分的测量可靠性和测量精度，可以使用相对复杂的算法确定测量值(例如，回波评估)。
应当最大程度地避免或至少识别出错误测量。
特别地，当使用第二电路102时，双重传感器不仅从当前和先前记录的测量值中推导出填充物位，还推导出其它诊断值和其它测量值。
在上面说明中可以清楚地看出，用于物流和自动化的传感器的要求可能非常不同。图1的双重传感器1000满足这两种要求。双重传感器由两个不同的(独立的)电路部分构成。第一电路101被设计为用于物流并且是节能的。第二电路102被配置用于自动化，用于快速确定测量值并在必要时还可以显示测量值。
两个电路101、102可以共享一个或多个电路部件，例如，用于从测量数据确定测量值的电路部件。
传感器例如由三个不同的电路101、102、103构成。开关104可以在第一电路101和第二电路102之间来回切换。
第一电路101针对自给模式和节能模式进行了优化。第二电路102针对其中传感器连接到控制器的模式进行了优化。第三电路103由两个电路101、102共同使用。
第一电路101具有传输单元1012，该传输单元针对低能耗进行了优化，并例如使用NB-IoT或LoRa。数字部分装配有非常节能的且由此还缓慢的处理器1011。在数字部分中，使用集成在处理器中的模数转换器，以便扫描雷达信号/包络曲线。
电池1014和电源1013针对能量消耗进行了优化。
第二电路102具有以下特定特性：通信(测量值的传输)经由有线接口(例如，M12连接器1025)运行。此外，通信还可以经由诸如蓝牙或WLAN等无线电标准进行。数字部分装配有快速处理器1021。可以使用专门的处理器或具有高数位的额外的模数转换器来评估包络曲线。
除了单纯确定测量值之外，第二电路102还可以被配置为控制能够计算诊断数据的额外的诊断部。
电源1023针对相应的接口(IO-Link、4…20mA/HART等)进行了优化。可以将其它开关输出(例如，晶体管)集成到电源中，当每次将其连接到连接器时，都会通过IO-Link主机调整其开关点。
第三电路103根据使用的测量原理而不同。例如，在填充物位雷达设备的情况下，它具有信号处理部1031和天线1032。在压力测量的情况下，它为测量单元和测量值处理部。在极限物位测量的情况下，它例如为压电驱动器和音叉或电容探头。在流量测量的情况下，它例如是钳式超声换能器。
例如，第三电路也可以具有用于校准的存储器。因此，可以更简单地存储被两个电路部分使用的数据或参数。或者，对于诊断所需的参数和信息存储在同一存储器中。
图2示出了用于利用双传感器1000测量过程变量的方法的流程图。在步骤201中，记录第一测量信号，并且在步骤202中，在传感器的自给操作中，根据在第一测量序列中的记录的测量信号来计算过程变量，其中传感器没有从外部能源供电。在步骤203中，从第一测量序列切换到第二测量序列。在步骤204中，记录第二测量信号，并且在步骤205中，在传感器的非自给运行中，根据第二测量序列中的记录的测量信号来计算过程变量，其中，传感器1000被从外部电源供电。
图3示出了四个不同的测量装置，每个测量装置具有双传感器1000。该测量装置尤其可以是填充物位测量装置100、压力测量装置200、极限物位测量装置300或流量测量装置400。
图4示出了另一双重传感器1000。与图1的双重传感器相比，在此第三电路103具有存储器1033，该存储器既连接到第一处理器1011又连接到第二处理器1021，并用于存储被两个电路部分(处理器)使用的数据和参数。例如，这可以是最小和最大的调整和/或干扰信号存储部。因此，在电路部分2运行时可以产生这些参数，并以两个电路部分都可以访问的方式存储该参数。
另外，应注意，“包括”和“具有”不排除任何其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应当指出，已参考上述示例性实施例中的一者说明的特征或步骤也可以与上述其它示例性实施例的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应视为限制性的。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月21日提交的德国专利申请10 2019 216 171.5的优先权，其全部内容通过引入方式并入本文。

Claims (16)

1.一种双重传感器(1000)，其包括：
第一电路(101)，其被配置为用于所述传感器的自给操作，在所述自给操作中，没有通过外部电源向所述传感器供电；
第二电路(102)，其被配置为用于所述传感器的非自给操作，在所述非自给操作中，通过所述外部电源向所述传感器供电。
2.根据权利要求1所述的双重传感器(1000)，其包括壳体，所述第一电路(101)和所述第二电路(102)布置在所述壳体中。
3.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)，
其中，所述第一电路(101)包括具有第一时钟频率的第一处理器(1011)；
其中，所述第二电路(102)包括具有第二时钟频率的第二处理器(1021)；
其中，所述第二时钟频率高于所述第一时钟频率。
4.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)，
其中，所述第一电路(101)具有被配置为使用第一无线电协议的第一传输单元(1012)；
其中，所述第二电路(102)具有被配置为使用第二无线电协议的第二传输单元(1022)；
其中，所述第二无线电协议比所述第一无线电协议具有更高的能量消耗。
5.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)，
其中，所述第一电路(101)被配置为以第一测量精度评估测量信号；
其中，所述第二电路(102)被配置为以第二测量精度评估测量信号；
其中，所述第二测量精度高于所述第一测量精度。
6.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)，
其中，所述第一电路(101)被配置为执行第一测量过程；
其中，所述第二电路(102)被配置为执行第二测量过程；
其中，所述第一测量过程比所述第二测量过程具有更低的功率消耗。
7.根据权利要求6所述的双重传感器(1000)，
其中，所述第一电路(101)包括电池(1014)，所述电池被配置为在所述双重传感器执行所述第一测量过程时独自向所述双重传感器供电。
8.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)，其包括开关(104)，所述开关被配置为在所述第一测量过程和所述第二测量过程之间进行切换。
9.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)，
其中，所述双重传感器被配置为检测所述第二电路(102)与所述外部电源的连接，并随后从所述第一测量过程切换到所述第二测量过程。
10.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)的用于填充物位测量的用途。
11.根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)的用于压力测量的用途。
12.根据根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)的用于极限物位测量的用途。
13.根据根据前述任一项权利要求所述的双重传感器(1000)的用于流量测量的用途。
14.一种利用传感器测量过程变量的方法，其包括以下步骤：
在所述传感器的自给操作中的第一测量过程内，检测第一测量信号，并根据所检测的所述测量信号计算过程变量，其中，在所述自给操作中，没有通过外部电源向所述传感器供电；
从所述第一测量过程切换到第二测量过程；
在所述传感器的非自给操作中的所述第二测量过程内，检测第二测量信号，并根据所检测的所述测量信号计算所述过程变量，其中，在所述非自给操作中，通过所述外部电源向所述传感器供电。
15.一种程序元件，在通过双重传感器(1000)的处理器执行所述程序元件时，所述程序元件使所述双重传感器执行以下步骤：
在所述传感器的自给操作中的第一测量过程内，检测第一测量信号，并根据所检测的所述测量信号计算过程变量，其中，在所述自给操作中，没有通过外部电源向所述传感器供电；
从所述第一测量过程切换到第二测量过程；
在所述传感器的非自给操作中的所述第二测量过程内，检测第二测量信号，并根据所检测的所述测量信号计算所述过程变量，其中，在所述非自给操作中，通过所述外部电源向所述传感器供电。
16.一种存储有根据权利要求15所述的程序元件的计算机可读介质。
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