KR101587188B1 - 마이크로웨이브 배리어 및 마이크로웨이브 경로 내에서 대상을 검출하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로웨이브 배리어(microwave barrier)(10)와 관련이 있으며, 상기 마이크로웨이브 배리어는 마이크로웨이브 송신기 및 마이크로웨이브 신호를 송출하기 위한 제 1 안테나(16a)를 갖는 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)과 마이크로웨이브 수신기 및 상기 마이크로웨이브 신호를 수신하기 위한 제 2 안테나(16b)를 갖는 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b) 그리고 수신되는 마이크로웨이브 신호로부터 상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)과 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b) 사이에 있는 마이크로웨이브 경로(12) 상에 대상(17)이 존재하는지 검출하기 위해 형성된 평가 유닛을 구비한다. 이 경우 상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a) 및 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)은 마이크로웨이브 신호를 송출 및 수신하기 위해서 각각 고주파 트랜시버(high frequency transceiver)를 갖고, 상기 고주파 트랜시버는 통합된 무선 통신용 디지털 컴포넌트의 부분이다.
Description
본 발명은 청구항 1 및 12의 전제부에 따른 마이크로웨이브 배리어(microwave barrier) 및 마이크로웨이브 경로 내에서 대상을 검출하기 위한 방법과 관련이 있다.
대상을 비접촉식으로 검출하기 위해서는 광 배리어(light barrier)가 빈번하게 사용된다. 그러나 광학 스펙트럼이 모든 적용예에 적합하지는 않은데, 예를 들어 불순물들이 많은 환경에서는 적합하지 않다. 이 때문에 마이크로웨이브 배리어가 더 바람직한 선택임을 보여주는 응용 분야가 존재한다. 마이크로웨이브는 불투명한 미세 입자를 통과할 뿐만 아니라 적어도 비금속성 대상의 얇은 층을 통과하며 그에 따라 심지어는 폐쇄된 용기 내부까지 모니터링을 가능하게 한다. 기본적으로 마이크로웨이브 배리어는 광 배리어처럼 작동한다: 모니터링될 영역의 한 측면에서 마이크로웨이브 신호가 송신되고 반대편에서 다시 수신된다. 이러한 마이크로웨이브 경로 내로 대상이 유입되면, 수신되는 마이크로웨이브 신호가 변경됨으로써 상기 대상의 존재가 검출될 수 있다.
마이크로웨이브 배리어의 특수한 일 적용예는 액체 또는 벌크 물질(bulk material)과 같은 용기 내부의 매질의 경계 레벨(boundary level)을 검출하는 것이다. 이 경우 검출될 대상은, 소정의 충진 레벨(filling level) 또는 경계 레벨부터 마이크로웨이브 경로에 도달하고 그렇게하여 마이크로웨이브 신호를 감쇠하는 매질이다. 따라서 충진 레벨의 조절이 적시에 이루어질 수 있도록 특히 임계 충진 레벨은 오버플로(overflow) 또는 휴지 상태(idle state)에 대해 모니터링하게 된다. 경계 레벨 검출에 있어서는 예를 들어 음차형 센서(tuning fork sensor), 레이더 센서, 초음파 기반 또는 용량성 시스템과 같은 다수의 다른 대안예가 공지되어 있다. 이에 반해서 마이크로웨이브 배리어는 온도, 압력, 더스트(dust) 또는 소음과 같은 간섭 영향들에 대한 견고성(robustness)과 관련한 장점들을 입증한다.
대상을 비접촉식으로 검출하기 위해서는 광 배리어(light barrier)가 빈번하게 사용된다. 그러나 광학 스펙트럼이 모든 적용예에 적합하지는 않은데, 예를 들어 불순물들이 많은 환경에서는 적합하지 않다. 이 때문에 마이크로웨이브 배리어가 더 바람직한 선택임을 보여주는 응용 분야가 존재한다. 마이크로웨이브는 불투명한 미세 입자를 통과할 뿐만 아니라 적어도 비금속성 대상의 얇은 층을 통과하며 그에 따라 심지어는 폐쇄된 용기 내부까지 모니터링을 가능하게 한다. 기본적으로 마이크로웨이브 배리어는 광 배리어처럼 작동한다: 모니터링될 영역의 한 측면에서 마이크로웨이브 신호가 송신되고 반대편에서 다시 수신된다. 이러한 마이크로웨이브 경로 내로 대상이 유입되면, 수신되는 마이크로웨이브 신호가 변경됨으로써 상기 대상의 존재가 검출될 수 있다.
마이크로웨이브 배리어의 특수한 일 적용예는 액체 또는 벌크 물질(bulk material)과 같은 용기 내부의 매질의 경계 레벨(boundary level)을 검출하는 것이다. 이 경우 검출될 대상은, 소정의 충진 레벨(filling level) 또는 경계 레벨부터 마이크로웨이브 경로에 도달하고 그렇게하여 마이크로웨이브 신호를 감쇠하는 매질이다. 따라서 충진 레벨의 조절이 적시에 이루어질 수 있도록 특히 임계 충진 레벨은 오버플로(overflow) 또는 휴지 상태(idle state)에 대해 모니터링하게 된다. 경계 레벨 검출에 있어서는 예를 들어 음차형 센서(tuning fork sensor), 레이더 센서, 초음파 기반 또는 용량성 시스템과 같은 다수의 다른 대안예가 공지되어 있다. 이에 반해서 마이크로웨이브 배리어는 온도, 압력, 더스트(dust) 또는 소음과 같은 간섭 영향들에 대한 견고성(robustness)과 관련한 장점들을 입증한다.
예를 들어 DE 33 02 731 A1호에 공지된 것과 같은 종래의 마이크로웨이브 배리어는 송신- 및 수신 유닛으로 분류된다. 이는 우선적으로, 마이크로웨이브 배리어가 서로 교환될 수 없는 두 개의 상이한 유닛으로 구성되었다는 것을 의미한다. 또한, 다른 무엇보다 다수의 마이크로웨이브 배리어가 병렬로 작동되는 경우, 다양한 관점에서 송신 유닛과 수신 유닛 간의 할당이 보장되어야 한다. 따라서 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 배리어 관련 유닛에 대한 방향성을 달성하기 위해, 방사 패턴(radiation pattern)이 작은 안테나 디자인이 선택된다. 이러한 안테나는 장착시 방해가 되는 큰 치수를 가질 수 있으며, 동시에 유닛들의 매우 정확한 장착과 정렬이 필요하다.
그 밖에 캐리어 주파수, 변조 주파수 또는 편광 방향(polarization direction)과 같은 파라미터가 수신 유닛과 같이 송신 유닛에도 동일하게 설정되어야 하며, 그럼으로써 관련 유닛들은 상호 식별되고, 관련없는(extraneous) 다른 마이크로웨이브 배리어 유닛들로부터 가능한 한 적게 영향을 받는다. 상기와 같은 설정은 마이크로웨이브의 작동 방식에 대한 정확한 이해로만 이루어질 수 있으며, 관련 전공자에게 조차 작동 개시에 필요한 시간적 소모가 증가한다. 명확한 할당을 보장하기 위한 언급된 제약들은 유닛들의 할당 가능성에도 영향을 미치는데, 상기 유닛들은 예를 들어 부적절한 할당(misallocation)을 방지하기 위해 서로 충분한 간격을 가져야 한다. 종래의 송신 유닛과 수신 유닛 사이에는 더 우수한 수준의 정보 통신 기술 결합이 존재하지 않기 때문에, 감소하는 송전 전력 또는 다중 경로 전파(multipath propagation)와 같은 간섭 영향들이 제어되기 어렵다.
그 밖에 캐리어 주파수, 변조 주파수 또는 편광 방향(polarization direction)과 같은 파라미터가 수신 유닛과 같이 송신 유닛에도 동일하게 설정되어야 하며, 그럼으로써 관련 유닛들은 상호 식별되고, 관련없는(extraneous) 다른 마이크로웨이브 배리어 유닛들로부터 가능한 한 적게 영향을 받는다. 상기와 같은 설정은 마이크로웨이브의 작동 방식에 대한 정확한 이해로만 이루어질 수 있으며, 관련 전공자에게 조차 작동 개시에 필요한 시간적 소모가 증가한다. 명확한 할당을 보장하기 위한 언급된 제약들은 유닛들의 할당 가능성에도 영향을 미치는데, 상기 유닛들은 예를 들어 부적절한 할당(misallocation)을 방지하기 위해 서로 충분한 간격을 가져야 한다. 종래의 송신 유닛과 수신 유닛 사이에는 더 우수한 수준의 정보 통신 기술 결합이 존재하지 않기 때문에, 감소하는 송전 전력 또는 다중 경로 전파(multipath propagation)와 같은 간섭 영향들이 제어되기 어렵다.
따라서 본 발명의 과제는 단순화된 구조 및 향상된 측정 특성을 갖는 마이크로웨이브 배리어를 제시하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1 및 12에 따른 마이크로웨이브 배리어 및 마이크로웨이브 경로 내에서 대상을 검출하기 위한 방법에 의해 해결된다. 이 경우 본 발명은, 마이크로웨이브 경로를 설정하는 두 개의 마이크로웨이브 유닛을 송신기 및 수신기로 분류하지 않고, 오히려 두 개의 마이크로웨이브 유닛을 서로 동일한 형태로 송신기로뿐만 아니라 수신기로 함께 형성한다는 기본 개념에서 출발한다. 마이크로웨이브 유닛들의 이러한 형성은 조정(coordination), 검사 및 데이터 교환을 위한 쌍방향 통신도 가능하게 한다. 이 경우 송신 및 수신을 위한 트랜시버(transceiver)로서 통합된 컴포넌트, 특히 디지털 컴포넌트 또는 혼합 신호 컴포넌트(mixed signal component)가 사용되며, 상기 통합된 컴포넌트는 마이크로웨이브 배리어용으로 설계 및 제조된 것이 아니라, 오히려 예를 들어 전파 인식(RFID, radio frequency, identification) 분야의 또는 로컬 네트워킹(local networking)을 위한 무선 통신용으로 설계 및 제조되었다. 상기와 같은 컴포넌트는 마이크로웨이브 배리어를 염두에 둔 것은 아니지만 매우 유익하게 이용될 수 있는 많은 기능을 제공한다.
본 발명은 전용 송신기 및 수신기 대신에 언제나 동일한 형태의 마이크로웨이브 유닛들이 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 그럼으로써 제조, 취급 및 보관이 간편화된다. 통합된 고주파 트랜시버(high frequency transceiver)는 매우 저렴하게 그리고 시중에서 구매 가능함으로써, 적은 제조 비용, 짧은 개발 주기 그리고 마이크로웨이브 배리어와 관련한 더 많은 개발 행위 없이도 무선 통신 기술 분야의 지속적인 개선과 자동 연결/연계를 구현한다. 휴대용 기기용으로 최적화된 트랜시버 컴포넌트의 매우 적은 전력 소비로 인해, 마이크로웨이브 배리어는 예컨대 2선 방식-HART-접속 단자와 같이 전력 공급이 적은 애플리케이션들로도 작동되고, 또는 경우에 따라 심지어 배터리로도 작동된다.
무선 통신은 또한 간섭 영향 및 약한 신호 조건들에서의 사용을 위해 설계되었다. 마이크로웨이브 배리어는 상기와 같은 설계로부터 두께가 얇은 대상, 매질의 작은 전파 경로 및 검출될 대상의 작은 유전율(dielectric constant)에 대한 높은 측정 감도 형태(measuring sensitivity)로 이득을 얻는다. 마이크로웨이브 유닛의 정렬 및 위치에 대한 요구 조건들은 종래의 마이크로웨이브 배리어에 비해 현저하게 적다. 그 이유는 특정 신호의 검출 및 전용 할당 또한 무선 통신의 통상적인 과제에 포함됨으로써, 컴포넌트는 복잡한 기본 조건들(basic conditions) 하에서 올바른 마이크로웨이브 신호를 찾아서 할당하는 상응하는 해결책들을 이미 가지고 있다. 그에 따라 다수의 마이크로웨이브 배리어의 상호 영향들은 말하자면 자동으로 고려되고 배제된다. 결과적으로 상응하는 변경들의 쌍방향 통신을 통해 온도 변동 및 노화로 인한 송신 신호의 출력 감소를 포함하여 드리프트(drift)에 대한 상승된 안정성을 충족시킬 수 있다.
바람직하게 고주파 트랜시버는 2.4-GHz-ISM-주파수 대역(Industrial, Scientific and Medical Band)으로 설계되었다. ISM-주파수 대역은 동의없이 사용될 수 있는데, 다시 말해 전 세계적으로 무선 기술 허가에 의한 제한이 없다. 동시에 ISM-대역에서 작동되는 기기는 간섭에 대한 저항성을 갖게 되는데, 그 이유는 상기 SIM-대역 내에서는 항상 다른 송신기가 예상될 수 있기 때문이다. 그러나 무선 통신용 컴포넌트는 이러한 문제를 자체적으로 해결할 수 있다.
바람직하게 평가 유닛은 마이크로웨이브 경로 상에 존재하는 대상을 마이크로웨이브 신호의 강도 평가를 통해 식별하기 위해서 형성되었다. 대상은 마이크로웨이브 경로 방향에서 자신의 크기 및 자신의 유전 특성에 따라서 마이크로웨이브 신호의 감쇠 작용을 변경한다. 무선 통신용 컴포넌트는 이와 같은 정보를 RSSI(Received Signal Strength Indicator)로서 제공할 뿐만 아니라, 링크 품질을 위한 품질 계수의 형태로, 예컨대 LQI(Link Quality Indicator)로 편집한다. 다시 말해 이 경우, 통상적으로 통신 링크의 품질 및 안정성을 평가하기 위해 이용되는 평가들은 마이크로웨이브 경로 상의 대상의 판단을 위한 새로운 기능에 사용된다.
바람직하게 평가 유닛은 자유로운 마이크로웨이브 경로 및/또는 공지된 대상을 갖는 마이크로웨이브 경로에 대한 강도값들이 결정되고 저장되는 티치인 모드(teach-in mode)용으로 형성되었다. 그에 따라 작동 중에 새로운 대상을 검출하기 위하여 또는 마이크로웨이브 경로 내에서 변화를 검출하기 위하여 적합하게 조정된 기준값이 사용된다. 또한, 티치인 방식으로 실행되는 강도값들로부터는 스위칭 임계값(switching threshold)이 즉시 결정될 수 있으며, 이때 상기 강도값들은 상기 스위칭 임계값의 형태로 저장된다.
바람직하게 평가 유닛은 마이크로웨이브가 전혀 전송되지 않는 검사 모드용으로 형성되었다. 상기 목적과 관련하여 한 마이크로웨이브 유닛의 송신기가 비활성화되면, 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 유닛이 그에 상응하게 예상되는 강도 감소를 측정하는지 검사된다. 그것으로 고주파 트랜시버 또는 이 고주파 트랜시버에 할당된 전자 장치의 고장이 검출될 수 있다.
바람직하게 컴포넌트는 평가 유닛을 갖춘 전자 카드상에 통합되어 있다. 상기 사실은 마이크로웨이브 배리어의 특히 단순하고 콤팩트한 구조를 가능하게 한다. 마찬가지로 상기 평가 유닛과 함께 전자 카드상에는 추가의 전자 장치, 예를 들어 인터페이스를 제어하기 위한 I/O-컴포넌트도 제공될 수 있다.
바람직하게 제 1 안테나 및/또는 제 2 안테나는 무지향성(nondirectional) 송출 수행한다. 이 경우 무지향성이라는 표현은 또한 비교적 폭이 넓은 안테나 로브(antenna lobe)도 포함하는데, 상기 안테나 로브는 예를 들어 도달 범위 증가에 대해 제한되어 있고 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 유닛에 대해 대략적으로 방향 설정될 수 있지만, 뚜렷이 상기 맞은편 마이크로 웨이브 이상으로 방사된다. 그러므로 이와 관련하여 '무지향성 송출'이란 반드시 전방향성 송출을 의미하는 것이 아니라, 오히려 상기 안테나 로브가 할당되지 않은 마이크로웨이브 유닛들에도 입사될 수 있다는 것을 의미한다.
컴포넌트 내에는 바람직하게 공존 전략(coexistance strategy)이 설정되어 있는데, 상기 공존 전략에 의해서는 마이크로웨이브 신호와 마이크로웨이브 유닛이 서로 명확하게 연관된다. 무선 통신시 요구되는 명확한 기기 식별은 어떠한 경우라도 상응하는 컴포넌트에 제공되며 상기 컴포넌트에서 안테나 로브의 방향 설정 및 제한 없이도 해당하는 마이크로웨이브 유닛을 식별하기 위해 이용된다. (주파수 대역) 상호 확산을 위한 상응하는 통신 채널들을 제공하기 위해서는 마이크로웨이브 신호의 특징들이 변하는데, 예를 들어 주파수 변경, 코드화된 변조 또는 주파수 확산(FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum, DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)에 의해서 변한다. 그럼으로써 다수의 마이크로웨이브 유닛이 동시에(parallel) 송신할 수 있고 선택적으로 쌍으로 또는 기타 그룹으로 할당될 수 있다. 공존 전략 내 파라미터는 마이크로웨이브 유닛의 명확한 식별을 위해 예를 들어 일련 번호 또는 기기 번호로부터 도출된다.
바람직하게는 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 유닛이 제공되어 있으며, 상기 추가의 마이크로웨이브 유닛은 제 1 마이크로웨이브 유닛 및/또는 제 2 마이크로웨이브 유닛과 함께 마이크로웨이브 경로 내에서 대상들을 검출하기 위한 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 경로를 형성한다. 다수의 마이크로웨이브 유닛의 이러한 어레인지먼트는 아주 많은 상황에서 고려될 수 있다. 이러한 결과는, 개별 마이크로웨이브 유닛이 송신뿐만 아니라 수신도 할 수 있으며 그리고 상대 파트너(counterpart) 쪽으로 방향 설정되어 송신할 뿐만 아니라 폭이 더 넓은 안테나 로브를 이용하여 상이한 위치에 있는 마이크로웨이브 유닛들에도 도달할 수 있기 때문에 가능하다. 일 예시로서 모니터링 영역의 한 측면에 하나의 마이크로웨이브 유닛이 장착되고 맞은 편에는 다수의 마이크로웨이브 유닛이 서로 간격을 두고 장착된다. 그에 따라 일종의 마이크웨이브 격자가 나타난다. 당연히 이러한 격자는 다수의 마이크로웨이브 유닛 쌍에 의해서 생성될 수도 있다. 그러나 이러한 전형적인 격자는 모니터링 될 마이크로웨이브 유닛의 수에 비해 두 배의 마이크로웨이브 유닛 수를 필요로 하는 반면, 직전에 기술된 본 발명의 바람직한 실시예에서는 단 하나의 추가 마이크로웨이브 유닛으로 충분하다.
마이크로웨이브 유닛들 중 적어도 하나의 마이크로웨이브 유닛은 바람직하게 마이크로웨이브 배리어로부터 그리고/또는 마이크로웨이브 배리어로 데이터를 전송하기 위한 인터페이스를 갖는다. 상기 인터페이스는 예를 들어 I/O-링크 또는 다른 통신 프로토콜을 통해서 응답(respond)한다. 특히 바람직하게 적어도 하나의 마이크로웨이브 유닛은 자체 인터페이스를 갖지 않고, 오히려 다른 마이크로웨이브 유닛의 마이크로웨이브 경로 및 인터페이스를 통해 데이터를 교환한다. 이 경우 마이크로웨이브 유닛들 간 쌍방향 링크를 갖는 상기 마이크로웨이브 경로는 에어 인터페이스(air interface) 또는 와이어리스 I/O-링크-브릿지(wireless I/O link bridge)로서 사용된다. 이때 상기와 같이 연결된 마이크로웨이브 유닛은 더 이상 유선 데이터 라인과 접속될 필요가 없다. 그에 따라 직전 단락에 기술된 바와 같이 모니터링 영역의 한 측면에 하나의 마이크로웨이브 유닛을 그리고 모니터링 영역의 다른 측면에 다수의 마이크로웨이브 유닛을 갖춘 상황에서는, 전체 마이크로웨이브 유닛을 작동할 수 있기 위해서 단 하나의 마이크로웨이브 유닛을 유선으로 접속하는 것으로 충분하다.
바람직한 개선예에서 용기 내 매질의 충진 높이를 결정하기 위한 충진 레벨 센서 또는 경계 레벨 모니터는 본 발명에 따른 적어도 하나의 마이크로웨이브 배리어를 갖는다. 이미 전술된 바와 같이, 검출될 대상은 용기 내 매질일 수도 있는데, 예를 들어 액체 또는 벌크 물질일 수 있다. 마이크로웨이브 배리어는 그의 설치 높이를 통해, 모니터링된 경계 레벨이 초과되는지 혹은 미달되는지 검출한다. 이 경우, 경계 레벨 오버플로의 시간별 히스토리 추적, 수신된 마이크로웨이브 강도의 (수치적 평가 대신) 임계값 평가 그리고 설치 높이가 상이한 다수의 마이크로웨이브 유닛 신호들의 공동 처리에 의해, 마이크로웨이브 유닛들의 불연속적인 설치 높이 사이에서도 어느 정도까지는(to a certain extent) 충진 레벨이 추론될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 유사한 방식으로 개선될 수 있으며, 이 경우 유사한 장점들을 보여준다. 상기와 같은 바람직한 특징들은 예시적으로, 그러나 예시에만 한정되지 않도록 독립 청구항들에 연결되는 종속 청구항들에 기술되어 있다.
본 발명은 다음에서 추가의 특징들 및 장점들과 관련해서도 실시예들 및 첨가된 도면들을 참조하여 예시적으로 더 상세하게 설명된다.
상기 과제는 청구항 1 및 12에 따른 마이크로웨이브 배리어 및 마이크로웨이브 경로 내에서 대상을 검출하기 위한 방법에 의해 해결된다. 이 경우 본 발명은, 마이크로웨이브 경로를 설정하는 두 개의 마이크로웨이브 유닛을 송신기 및 수신기로 분류하지 않고, 오히려 두 개의 마이크로웨이브 유닛을 서로 동일한 형태로 송신기로뿐만 아니라 수신기로 함께 형성한다는 기본 개념에서 출발한다. 마이크로웨이브 유닛들의 이러한 형성은 조정(coordination), 검사 및 데이터 교환을 위한 쌍방향 통신도 가능하게 한다. 이 경우 송신 및 수신을 위한 트랜시버(transceiver)로서 통합된 컴포넌트, 특히 디지털 컴포넌트 또는 혼합 신호 컴포넌트(mixed signal component)가 사용되며, 상기 통합된 컴포넌트는 마이크로웨이브 배리어용으로 설계 및 제조된 것이 아니라, 오히려 예를 들어 전파 인식(RFID, radio frequency, identification) 분야의 또는 로컬 네트워킹(local networking)을 위한 무선 통신용으로 설계 및 제조되었다. 상기와 같은 컴포넌트는 마이크로웨이브 배리어를 염두에 둔 것은 아니지만 매우 유익하게 이용될 수 있는 많은 기능을 제공한다.
본 발명은 전용 송신기 및 수신기 대신에 언제나 동일한 형태의 마이크로웨이브 유닛들이 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 그럼으로써 제조, 취급 및 보관이 간편화된다. 통합된 고주파 트랜시버(high frequency transceiver)는 매우 저렴하게 그리고 시중에서 구매 가능함으로써, 적은 제조 비용, 짧은 개발 주기 그리고 마이크로웨이브 배리어와 관련한 더 많은 개발 행위 없이도 무선 통신 기술 분야의 지속적인 개선과 자동 연결/연계를 구현한다. 휴대용 기기용으로 최적화된 트랜시버 컴포넌트의 매우 적은 전력 소비로 인해, 마이크로웨이브 배리어는 예컨대 2선 방식-HART-접속 단자와 같이 전력 공급이 적은 애플리케이션들로도 작동되고, 또는 경우에 따라 심지어 배터리로도 작동된다.
무선 통신은 또한 간섭 영향 및 약한 신호 조건들에서의 사용을 위해 설계되었다. 마이크로웨이브 배리어는 상기와 같은 설계로부터 두께가 얇은 대상, 매질의 작은 전파 경로 및 검출될 대상의 작은 유전율(dielectric constant)에 대한 높은 측정 감도 형태(measuring sensitivity)로 이득을 얻는다. 마이크로웨이브 유닛의 정렬 및 위치에 대한 요구 조건들은 종래의 마이크로웨이브 배리어에 비해 현저하게 적다. 그 이유는 특정 신호의 검출 및 전용 할당 또한 무선 통신의 통상적인 과제에 포함됨으로써, 컴포넌트는 복잡한 기본 조건들(basic conditions) 하에서 올바른 마이크로웨이브 신호를 찾아서 할당하는 상응하는 해결책들을 이미 가지고 있다. 그에 따라 다수의 마이크로웨이브 배리어의 상호 영향들은 말하자면 자동으로 고려되고 배제된다. 결과적으로 상응하는 변경들의 쌍방향 통신을 통해 온도 변동 및 노화로 인한 송신 신호의 출력 감소를 포함하여 드리프트(drift)에 대한 상승된 안정성을 충족시킬 수 있다.
바람직하게 고주파 트랜시버는 2.4-GHz-ISM-주파수 대역(Industrial, Scientific and Medical Band)으로 설계되었다. ISM-주파수 대역은 동의없이 사용될 수 있는데, 다시 말해 전 세계적으로 무선 기술 허가에 의한 제한이 없다. 동시에 ISM-대역에서 작동되는 기기는 간섭에 대한 저항성을 갖게 되는데, 그 이유는 상기 SIM-대역 내에서는 항상 다른 송신기가 예상될 수 있기 때문이다. 그러나 무선 통신용 컴포넌트는 이러한 문제를 자체적으로 해결할 수 있다.
바람직하게 평가 유닛은 마이크로웨이브 경로 상에 존재하는 대상을 마이크로웨이브 신호의 강도 평가를 통해 식별하기 위해서 형성되었다. 대상은 마이크로웨이브 경로 방향에서 자신의 크기 및 자신의 유전 특성에 따라서 마이크로웨이브 신호의 감쇠 작용을 변경한다. 무선 통신용 컴포넌트는 이와 같은 정보를 RSSI(Received Signal Strength Indicator)로서 제공할 뿐만 아니라, 링크 품질을 위한 품질 계수의 형태로, 예컨대 LQI(Link Quality Indicator)로 편집한다. 다시 말해 이 경우, 통상적으로 통신 링크의 품질 및 안정성을 평가하기 위해 이용되는 평가들은 마이크로웨이브 경로 상의 대상의 판단을 위한 새로운 기능에 사용된다.
바람직하게 평가 유닛은 자유로운 마이크로웨이브 경로 및/또는 공지된 대상을 갖는 마이크로웨이브 경로에 대한 강도값들이 결정되고 저장되는 티치인 모드(teach-in mode)용으로 형성되었다. 그에 따라 작동 중에 새로운 대상을 검출하기 위하여 또는 마이크로웨이브 경로 내에서 변화를 검출하기 위하여 적합하게 조정된 기준값이 사용된다. 또한, 티치인 방식으로 실행되는 강도값들로부터는 스위칭 임계값(switching threshold)이 즉시 결정될 수 있으며, 이때 상기 강도값들은 상기 스위칭 임계값의 형태로 저장된다.
바람직하게 평가 유닛은 마이크로웨이브가 전혀 전송되지 않는 검사 모드용으로 형성되었다. 상기 목적과 관련하여 한 마이크로웨이브 유닛의 송신기가 비활성화되면, 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 유닛이 그에 상응하게 예상되는 강도 감소를 측정하는지 검사된다. 그것으로 고주파 트랜시버 또는 이 고주파 트랜시버에 할당된 전자 장치의 고장이 검출될 수 있다.
바람직하게 컴포넌트는 평가 유닛을 갖춘 전자 카드상에 통합되어 있다. 상기 사실은 마이크로웨이브 배리어의 특히 단순하고 콤팩트한 구조를 가능하게 한다. 마찬가지로 상기 평가 유닛과 함께 전자 카드상에는 추가의 전자 장치, 예를 들어 인터페이스를 제어하기 위한 I/O-컴포넌트도 제공될 수 있다.
바람직하게 제 1 안테나 및/또는 제 2 안테나는 무지향성(nondirectional) 송출 수행한다. 이 경우 무지향성이라는 표현은 또한 비교적 폭이 넓은 안테나 로브(antenna lobe)도 포함하는데, 상기 안테나 로브는 예를 들어 도달 범위 증가에 대해 제한되어 있고 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 유닛에 대해 대략적으로 방향 설정될 수 있지만, 뚜렷이 상기 맞은편 마이크로 웨이브 이상으로 방사된다. 그러므로 이와 관련하여 '무지향성 송출'이란 반드시 전방향성 송출을 의미하는 것이 아니라, 오히려 상기 안테나 로브가 할당되지 않은 마이크로웨이브 유닛들에도 입사될 수 있다는 것을 의미한다.
컴포넌트 내에는 바람직하게 공존 전략(coexistance strategy)이 설정되어 있는데, 상기 공존 전략에 의해서는 마이크로웨이브 신호와 마이크로웨이브 유닛이 서로 명확하게 연관된다. 무선 통신시 요구되는 명확한 기기 식별은 어떠한 경우라도 상응하는 컴포넌트에 제공되며 상기 컴포넌트에서 안테나 로브의 방향 설정 및 제한 없이도 해당하는 마이크로웨이브 유닛을 식별하기 위해 이용된다. (주파수 대역) 상호 확산을 위한 상응하는 통신 채널들을 제공하기 위해서는 마이크로웨이브 신호의 특징들이 변하는데, 예를 들어 주파수 변경, 코드화된 변조 또는 주파수 확산(FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum, DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)에 의해서 변한다. 그럼으로써 다수의 마이크로웨이브 유닛이 동시에(parallel) 송신할 수 있고 선택적으로 쌍으로 또는 기타 그룹으로 할당될 수 있다. 공존 전략 내 파라미터는 마이크로웨이브 유닛의 명확한 식별을 위해 예를 들어 일련 번호 또는 기기 번호로부터 도출된다.
바람직하게는 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 유닛이 제공되어 있으며, 상기 추가의 마이크로웨이브 유닛은 제 1 마이크로웨이브 유닛 및/또는 제 2 마이크로웨이브 유닛과 함께 마이크로웨이브 경로 내에서 대상들을 검출하기 위한 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 경로를 형성한다. 다수의 마이크로웨이브 유닛의 이러한 어레인지먼트는 아주 많은 상황에서 고려될 수 있다. 이러한 결과는, 개별 마이크로웨이브 유닛이 송신뿐만 아니라 수신도 할 수 있으며 그리고 상대 파트너(counterpart) 쪽으로 방향 설정되어 송신할 뿐만 아니라 폭이 더 넓은 안테나 로브를 이용하여 상이한 위치에 있는 마이크로웨이브 유닛들에도 도달할 수 있기 때문에 가능하다. 일 예시로서 모니터링 영역의 한 측면에 하나의 마이크로웨이브 유닛이 장착되고 맞은 편에는 다수의 마이크로웨이브 유닛이 서로 간격을 두고 장착된다. 그에 따라 일종의 마이크웨이브 격자가 나타난다. 당연히 이러한 격자는 다수의 마이크로웨이브 유닛 쌍에 의해서 생성될 수도 있다. 그러나 이러한 전형적인 격자는 모니터링 될 마이크로웨이브 유닛의 수에 비해 두 배의 마이크로웨이브 유닛 수를 필요로 하는 반면, 직전에 기술된 본 발명의 바람직한 실시예에서는 단 하나의 추가 마이크로웨이브 유닛으로 충분하다.
마이크로웨이브 유닛들 중 적어도 하나의 마이크로웨이브 유닛은 바람직하게 마이크로웨이브 배리어로부터 그리고/또는 마이크로웨이브 배리어로 데이터를 전송하기 위한 인터페이스를 갖는다. 상기 인터페이스는 예를 들어 I/O-링크 또는 다른 통신 프로토콜을 통해서 응답(respond)한다. 특히 바람직하게 적어도 하나의 마이크로웨이브 유닛은 자체 인터페이스를 갖지 않고, 오히려 다른 마이크로웨이브 유닛의 마이크로웨이브 경로 및 인터페이스를 통해 데이터를 교환한다. 이 경우 마이크로웨이브 유닛들 간 쌍방향 링크를 갖는 상기 마이크로웨이브 경로는 에어 인터페이스(air interface) 또는 와이어리스 I/O-링크-브릿지(wireless I/O link bridge)로서 사용된다. 이때 상기와 같이 연결된 마이크로웨이브 유닛은 더 이상 유선 데이터 라인과 접속될 필요가 없다. 그에 따라 직전 단락에 기술된 바와 같이 모니터링 영역의 한 측면에 하나의 마이크로웨이브 유닛을 그리고 모니터링 영역의 다른 측면에 다수의 마이크로웨이브 유닛을 갖춘 상황에서는, 전체 마이크로웨이브 유닛을 작동할 수 있기 위해서 단 하나의 마이크로웨이브 유닛을 유선으로 접속하는 것으로 충분하다.
바람직한 개선예에서 용기 내 매질의 충진 높이를 결정하기 위한 충진 레벨 센서 또는 경계 레벨 모니터는 본 발명에 따른 적어도 하나의 마이크로웨이브 배리어를 갖는다. 이미 전술된 바와 같이, 검출될 대상은 용기 내 매질일 수도 있는데, 예를 들어 액체 또는 벌크 물질일 수 있다. 마이크로웨이브 배리어는 그의 설치 높이를 통해, 모니터링된 경계 레벨이 초과되는지 혹은 미달되는지 검출한다. 이 경우, 경계 레벨 오버플로의 시간별 히스토리 추적, 수신된 마이크로웨이브 강도의 (수치적 평가 대신) 임계값 평가 그리고 설치 높이가 상이한 다수의 마이크로웨이브 유닛 신호들의 공동 처리에 의해, 마이크로웨이브 유닛들의 불연속적인 설치 높이 사이에서도 어느 정도까지는(to a certain extent) 충진 레벨이 추론될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 유사한 방식으로 개선될 수 있으며, 이 경우 유사한 장점들을 보여준다. 상기와 같은 바람직한 특징들은 예시적으로, 그러나 예시에만 한정되지 않도록 독립 청구항들에 연결되는 종속 청구항들에 기술되어 있다.
본 발명은 다음에서 추가의 특징들 및 장점들과 관련해서도 실시예들 및 첨가된 도면들을 참조하여 예시적으로 더 상세하게 설명된다.
도 1은 마이크로웨이브 배리어의 개략적인 횡단면도이고;
도 2는 도 1에 따른 마이크로웨이브 배리어의 마이크로웨이브 유닛의 구성도이며;
도 3은 충진 레벨- 및 경계 레벨 모니터링을 위해 도 1에 따른 마이크로웨이브 배리어가 용기에 설치된 것을 도시한 횡단면도이고;
도 4는 충진 레벨- 및 경계 레벨 모니터링을 위해 추가의 마이크로웨이브 유닛들을 갖는 마이크로웨이브 배리어가 용기에 설치된 다른 일 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 마이크로웨이브 배리어의 마이크로웨이브 유닛의 구성도이며;
도 3은 충진 레벨- 및 경계 레벨 모니터링을 위해 도 1에 따른 마이크로웨이브 배리어가 용기에 설치된 것을 도시한 횡단면도이고;
도 4는 충진 레벨- 및 경계 레벨 모니터링을 위해 추가의 마이크로웨이브 유닛들을 갖는 마이크로웨이브 배리어가 용기에 설치된 다른 일 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 1은 마이크로웨이브 배리어(10)의 개략적인 횡단면도를 도시한다. 마이크로웨이브 신호는 마이크로웨이브 경로(12) 상에서 안테나(16a)를 갖는 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)에 의해 송출되어 제 2 안테나(16b)를 갖는 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)에 의해 수신되거나 그 반대로도 이루어진다. 상기 마이크로웨이브 경로(12) 상에서 마이크로웨이브 신호가 대상(17)을 관통하면, 이 대상(17)의 폭 및 유전 특성에 따라서 상기 마이크로웨이브 신호는 감쇠된다. 그것으로 상기 마이크로웨이브 경로(12)가 자유로운지 혹은 이 마이크로웨이브 경로에 대상(17)이 존재하는지 검출될 수 있다.
도 2는 마이크로웨이브 유닛(14)을 구성도로 도시한다. 이 경우 두 개의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)은 구조적으로 동일함으로써, 도 2는 선택적으로 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a) 또는 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)의 도면으로서 간주될 수 있다. 통합된 고주파 트랜시버(18)는 마이크로웨이브 신호를 송출하거나 수신하기 위해 안테나(16)에 연결되었다. 상기 고주파 트랜시버(18)는 디지털 컴포넌트(20)의 부분이거나 쌍방향 무선 통신용 혼합 신호 컴포넌트의 부분이며, 예컨대 와이어리스/핸드헬드(wireless/handheld) 분야에서 구매 가능한 저비용 컴포넌트이다.
상기 디지털 컴포넌트(20)는 평가- 및 제어 유닛(22) 그리고 I/O-컴포넌트(24)와 함께 전자 카드(26)상에 통합된다. 마이크로웨이브 유닛(14)을 파라미터화(parametrize)하거나 데이터를 출력하기 위해, 인터페이스(28)는 I/O-링크 또는 임의의 다른 링크를 이용하여 상기 I/O-컴포넌트(24)를 통해서 응답할 수 있다. 대안적으로 상기 파라미터화 및/또는 데이터 출력은 동작 제어 소자 및 디스플레이를 통해 이루어진다.
마이크로웨이브 배리어(10)는 일반적으로 대상(17)의 존재를 검출하기 위해서 이용될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서 마이크로웨이브 배리어(10)는, 도 3에서 그 내부에 매질(32), 예를 들어 액체 또는 도시된 바와 같이 벌크 물질을 갖는 용기(30) 및 용기 벽에 장착된 마이크로웨이브 배리어(10)의 횡단면도로 도시된 바와 같은 충진 레벨- 또는 경계 레벨 모니터링을 위해 사용된다. 하기에서는 경계 레벨 모니터링에 대한 본 실시예의 마이크로웨이브 배리어(10)의 개별 특징들 및 상기 마이크로웨이브 배리어의 측정 방법들이 기술되지만, 상기 마이크로웨이브 측정 방법들은 마이크로웨이브 신호에 미치는 대상(17) 및 매질(32)의 영향들이 서로 상응하는 경우 대개 일반적인 존재 검출에 적용될 수 있다.
경계 레벨 측정을 위해 마이크로웨이브 유닛(14a-b)의 고주파 트랜시버(18)는 마이크로웨이브 신호를 생성하고, 상기 마이크로웨이브 신호는 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 유닛(14a-b)에서 수신된다. 적은 에너지 소비를 달성하기 위해서 그리고 그럼에도 불구하고 큰 도달 범위를 달성하기 위해서 주파수는 가능한 한 작게 선택되어야 한다. 상기 목적을 위해서 바람직하게는 2.4GHz의 ISM-대역이 이용될 수 있으며, 상기 ISM-대역을 위해서 적합한 디지털 컴포넌트(20)가 이용되도록 통합된 다양한 솔루션들이 개발되었다.
종래의 시스템에 비해 2.4GHz의 작은 상기 주파수는 원래 더 큰 안테나를 필요로 한다. 그에 따라 안테나 디자인에 있어서 즉시 단점들이 발생하지만, 상기 단점들은 본 출원서에 제안된 신호 처리 공정 및 안테나 특성에 대한 더 적은 요구 조건들에 의해 해소된다. 안테나(16a-b)들은 송신- 및 수신 특성 곡선을 가능한 한 좁고 긴밀하게 형성하는 것을 최적화하는 것이 아니라, 오히려 상기 안테나(16a-b)들에서는 전적으로 폭이 더 넓은 송출 로브가 허용된다. 그에 따라 설치가 간편해지는데, 그 이유는 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 서로가 더 이상 선행 기술에 상응하게 정확하게 정렬될 필요가 없기 때문이다.
측정 유닛(22)은 매질(32)을 통과하여 마이크로웨이브 경로(12)에서 개시되는 스위칭 신호를 생성한다. 상기 스위칭 신호에 의해 마이크로웨이브 배리어는 모니터링 된 경계 레벨이 도달되었는지 혹은 도달되지 않았는지 정보를 출력한다. 상기 목적을 위해서 신호 감쇠가 평가되고, 이를 바탕으로 디지털 컴포넌트에 의해서 제공된 품질 계수가 형성된다. 고려 가능한 척도로는 IEEE 802.15.4.에 따른 소위 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 또는 LQI(Link Quality Indicator)가 있다. 따라서 바람직하게는 강도가 직접적으로 측정되지 않고, 오히려 디지털 컴포넌트(20)에서 어떠한 경우라도 제공되는 사전 처리 공정이 간단하게 비교 가능한 품질 계수에 이용된다. 이 경우 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 간 통신 채널 특징들에 대한 상기 정보로부터 스위칭 신호가 도출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에서는 용기(30)의 일 영역의 충진 레벨에 대한 스위칭 신호뿐만 아니라 연속적인 측정 신호가 도출되며, 상기 용기의 일 영역에서는 마이크로웨이브 신호가 전파된다. 따라서 이 경우에는 직접적인 마이크로웨이브 경로(12)가 중요할 뿐만 아니라, 심지어 상기 적용예의 연속적인 충진 레벨 측정에 도움이 될 수 있는 다중 경로 전파도 영향을 미친다. 예를 들어 매질(32)로서, 쏟았을 때 원뿔형 산을 형성하는 벌크 물질의 경우에는 충진 레벨의 일정한 변화에 의해 마이크로웨이브 신호의 감쇠가 일정하게 변한다.
디지털 컴포넌트(20) 이용시 큰 장점은, 무선 통신을 위해 예를 들어 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum), 펄스 시퀀스 코드화 또는 다이렉트 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)과 같은 공존 전략에 대한 솔루션들이 이미 통합되어 있다는 것으로, 이를 바탕으로 예컨대 ISO/OSI-모델의 레이어-2-프로토콜로서 CSMA/CA가 구현된다. 그에 따라 상기 디지털 컴포넌트(20)가 통신 링크를 위해 제공하는 상기 프로토콜은 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 간의 명확한 할당을 실행하기 위해서 이용될 수 있다. 그럼으로써 매우 많은 마이크로웨이브 배리어(10)들 또는 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들이 그들의 측정 작업시 서로 영향을 미치지 않으면서 동시에 작동될 수 있다.
스위칭 임계값들의 파라미터화는 감쇠 기본값(default)에 의해 이루어진다. 상기 목적을 위해서 예를 들어 마이크로웨이브 유닛들 간 마이크로웨이브 링크의 품질 계수는 용기(30) 내에서 매질(32)이 없이 또는 마이크로웨이브 경로(12)에 대한 매질(32)의 충분한 간격에 의해 결정된다. 상기 사실을 바탕으로 목표하는 시스템 감도로부터는 스위칭 임계값이 도출되고, 이때 상기 목표하는 시스템 감도와 요구되는 측정 시간 사이에는 물리적으로 야기된 상호 관계가 존재한다.
두 개의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)은 서로 적어도 송신기 및 수신기로서 두 가지 역할을 충족시킨다는 점에 한에서 동일한 하드웨어 내에 구성되어 있다. 그에 따라 스위칭 정보가 상기 두 개의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)의 인터페이스(28)에서 대기한다. 상기 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들이 마이크로웨이브 링크를 통해서 서로 통신될 수 있기 때문에, 하나의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)만 인터페이스(28)를 갖는 것으로 충분하다. 측정 데이터와 같은 파라미터, 즉 예를 들어 감도, 임계값, 응답 지연 또는 스위칭 상태는 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 간의 상기 무선 인터페이스를 통해 교환될 수 있다. 기본적으로 마이크로웨이브 배리어(10)는 임의의 다른 데이터를 위한 통신 링크로서도 이용될 수 있다. 예를 들어 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들이 I/O-링크 또는 다른 프로토콜에 의해서 상위 시스템에 통합되면, 마이크로웨이브 링크는 상기 상위 시스템의 구성 요소 간의 I/O-링크-브릿지로서 또는 다른 프로토콜에 따른 브릿지로서 이용될 수 있다.
마이크로웨이브 배리어(10) 및 이 마이크로웨이브 배리어에 적합하게 조정된 시스템 제어를 통해 안전 시스템을 구현하기 위해서는 도면에는 도시되어 있지 않은, 예를 들어 IEC61131에 따른 추가의 스위칭 인풋이 제공될 수 있으며, 상기 스위칭 인풋을 통해 개별 마이크로웨이브 유닛(14a-b)의 송신 기능이 비활성화될 수 있다. 그에 따라 오류 없는 기능성을 보장하기 위한 시스템 검사가 이루어질 수 있다. 검사를 목적으로 한 기능의 일시적인 비활성화는, 예컨대 고주파 신호를 차단하거나 단락하는 독립적인 하드웨어 스위칭에 의한 정상적인 정보 처리와는 무관하게 유지되어야 한다. 이때는 통신 링크가 중단되기 때문에, 그 밖에 자유로운 전파 경로에서는 상위 시스템의 제어가 스위칭 신호의 변경을 결정하여 시스템을 검사할 수 있다.
대상(17)들을 다수의 위치에서 검출하거나 또는 매질(32)의 다수의 경계 레벨을 모니터링하기 위해서는 다수의 마이크로웨이브 배리어(10)가 서로 평행하게 배치될 수 있다. 앞에서 여러 번 논의한 바와 같이 디지털 컴포넌트(20)의 공존 전략은, 이 경우에 다양한 마이크로웨이브 유닛(14)의 배치가 유지되는 것을 보장한다.
그러나 마이크로웨이브 배리어(10)의 평행한 다중 배치에 대해서는 더 적은 장치 비용을 갖는 대안예도 존재한다. 그 이유는 선행 기술에 따른 송신기 및 수신기의 엄격한 쌍 방식의 배치와는 다르게 마이크로웨이브 유닛(14)이 자체의 쌍방향 송신- 및 수신 기능으로 인해 다수의 마이크로웨이브 경로를 형성할 수도 있기 때문이다.
도 4는 매질(32)의 다수의 경계 레벨을 위한 경계 레벨 모니터로서 다수의 마이크로웨이브 유닛(14a-e)을 갖는 마이크로웨이브 배리어(10)에 대한 일 예시를 도시한다. 이 경우 용기(32)의 한 측면에는 단 하나의 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)이 바람직하게 모니터링 될 최고 충진 레벨에 장착되어 있고, 다른 측면에는 다수의, 본 예시에서는 네 개의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)이 장착되어 있다. 상기 다수의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)의 설치 높이는 모니터링 될 충진 레벨에 상응하고, 이때 직선의 경사진 마이크로웨이브 경로(12a-d)로 인해 상기 설치 높이와 상기 모니터링 될 충진 레벨 사이에는 편차가 야기될 수 있으며, 이 경우 상기 편차는 실제 설치 높이를 위해 고려된다. 극단적인 경우에는 거의 전방향성의 폭 넓은 송출로 인해, 한 측면에 있는 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)의 마이크로웨이브 신호는 다른 측면에 있는 모든 마이크로웨이브 유닛(14b-e)에 의해서 수신되거나 그 반대로도 이루어진다. 이 경우 상기 다수의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)은 상기 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)에 할당되도록 파라미터화 된다. 따라서 평행하게 장착된 다수의 마이크로웨이브 배리어에 비해 마이크로웨이브 유닛(14)의 수는 현저하게 감소되고, 그에 따라 마이크로웨이브 유닛(14)뿐만 아니라 장착 비용, 플랜지(flange) 등도 생략된다.
본 실시예에서는 특히, 하나의 마이크로웨이브 유닛(14a)만 인터페이스(28)를 갖고, 다수의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)은 마이크로웨이브 경로(12a-d) 및 상기 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)을 통해 통신되는 경우가 유용하다. 그에 따라 전체 정보는 상기 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)에 모이고 그곳에서 입력되고 인출될 수 있다. 따라서 상기 마이크로웨이브 유닛(14b-e)들을 통신 시스템에 연결하기 위한 와이어링 복잡성(wiring complexity)이 생략된다.
도 2는 마이크로웨이브 유닛(14)을 구성도로 도시한다. 이 경우 두 개의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)은 구조적으로 동일함으로써, 도 2는 선택적으로 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a) 또는 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)의 도면으로서 간주될 수 있다. 통합된 고주파 트랜시버(18)는 마이크로웨이브 신호를 송출하거나 수신하기 위해 안테나(16)에 연결되었다. 상기 고주파 트랜시버(18)는 디지털 컴포넌트(20)의 부분이거나 쌍방향 무선 통신용 혼합 신호 컴포넌트의 부분이며, 예컨대 와이어리스/핸드헬드(wireless/handheld) 분야에서 구매 가능한 저비용 컴포넌트이다.
상기 디지털 컴포넌트(20)는 평가- 및 제어 유닛(22) 그리고 I/O-컴포넌트(24)와 함께 전자 카드(26)상에 통합된다. 마이크로웨이브 유닛(14)을 파라미터화(parametrize)하거나 데이터를 출력하기 위해, 인터페이스(28)는 I/O-링크 또는 임의의 다른 링크를 이용하여 상기 I/O-컴포넌트(24)를 통해서 응답할 수 있다. 대안적으로 상기 파라미터화 및/또는 데이터 출력은 동작 제어 소자 및 디스플레이를 통해 이루어진다.
마이크로웨이브 배리어(10)는 일반적으로 대상(17)의 존재를 검출하기 위해서 이용될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서 마이크로웨이브 배리어(10)는, 도 3에서 그 내부에 매질(32), 예를 들어 액체 또는 도시된 바와 같이 벌크 물질을 갖는 용기(30) 및 용기 벽에 장착된 마이크로웨이브 배리어(10)의 횡단면도로 도시된 바와 같은 충진 레벨- 또는 경계 레벨 모니터링을 위해 사용된다. 하기에서는 경계 레벨 모니터링에 대한 본 실시예의 마이크로웨이브 배리어(10)의 개별 특징들 및 상기 마이크로웨이브 배리어의 측정 방법들이 기술되지만, 상기 마이크로웨이브 측정 방법들은 마이크로웨이브 신호에 미치는 대상(17) 및 매질(32)의 영향들이 서로 상응하는 경우 대개 일반적인 존재 검출에 적용될 수 있다.
경계 레벨 측정을 위해 마이크로웨이브 유닛(14a-b)의 고주파 트랜시버(18)는 마이크로웨이브 신호를 생성하고, 상기 마이크로웨이브 신호는 맞은 편에 놓인 마이크로웨이브 유닛(14a-b)에서 수신된다. 적은 에너지 소비를 달성하기 위해서 그리고 그럼에도 불구하고 큰 도달 범위를 달성하기 위해서 주파수는 가능한 한 작게 선택되어야 한다. 상기 목적을 위해서 바람직하게는 2.4GHz의 ISM-대역이 이용될 수 있으며, 상기 ISM-대역을 위해서 적합한 디지털 컴포넌트(20)가 이용되도록 통합된 다양한 솔루션들이 개발되었다.
종래의 시스템에 비해 2.4GHz의 작은 상기 주파수는 원래 더 큰 안테나를 필요로 한다. 그에 따라 안테나 디자인에 있어서 즉시 단점들이 발생하지만, 상기 단점들은 본 출원서에 제안된 신호 처리 공정 및 안테나 특성에 대한 더 적은 요구 조건들에 의해 해소된다. 안테나(16a-b)들은 송신- 및 수신 특성 곡선을 가능한 한 좁고 긴밀하게 형성하는 것을 최적화하는 것이 아니라, 오히려 상기 안테나(16a-b)들에서는 전적으로 폭이 더 넓은 송출 로브가 허용된다. 그에 따라 설치가 간편해지는데, 그 이유는 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 서로가 더 이상 선행 기술에 상응하게 정확하게 정렬될 필요가 없기 때문이다.
측정 유닛(22)은 매질(32)을 통과하여 마이크로웨이브 경로(12)에서 개시되는 스위칭 신호를 생성한다. 상기 스위칭 신호에 의해 마이크로웨이브 배리어는 모니터링 된 경계 레벨이 도달되었는지 혹은 도달되지 않았는지 정보를 출력한다. 상기 목적을 위해서 신호 감쇠가 평가되고, 이를 바탕으로 디지털 컴포넌트에 의해서 제공된 품질 계수가 형성된다. 고려 가능한 척도로는 IEEE 802.15.4.에 따른 소위 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 또는 LQI(Link Quality Indicator)가 있다. 따라서 바람직하게는 강도가 직접적으로 측정되지 않고, 오히려 디지털 컴포넌트(20)에서 어떠한 경우라도 제공되는 사전 처리 공정이 간단하게 비교 가능한 품질 계수에 이용된다. 이 경우 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 간 통신 채널 특징들에 대한 상기 정보로부터 스위칭 신호가 도출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에서는 용기(30)의 일 영역의 충진 레벨에 대한 스위칭 신호뿐만 아니라 연속적인 측정 신호가 도출되며, 상기 용기의 일 영역에서는 마이크로웨이브 신호가 전파된다. 따라서 이 경우에는 직접적인 마이크로웨이브 경로(12)가 중요할 뿐만 아니라, 심지어 상기 적용예의 연속적인 충진 레벨 측정에 도움이 될 수 있는 다중 경로 전파도 영향을 미친다. 예를 들어 매질(32)로서, 쏟았을 때 원뿔형 산을 형성하는 벌크 물질의 경우에는 충진 레벨의 일정한 변화에 의해 마이크로웨이브 신호의 감쇠가 일정하게 변한다.
디지털 컴포넌트(20) 이용시 큰 장점은, 무선 통신을 위해 예를 들어 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum), 펄스 시퀀스 코드화 또는 다이렉트 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)과 같은 공존 전략에 대한 솔루션들이 이미 통합되어 있다는 것으로, 이를 바탕으로 예컨대 ISO/OSI-모델의 레이어-2-프로토콜로서 CSMA/CA가 구현된다. 그에 따라 상기 디지털 컴포넌트(20)가 통신 링크를 위해 제공하는 상기 프로토콜은 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 간의 명확한 할당을 실행하기 위해서 이용될 수 있다. 그럼으로써 매우 많은 마이크로웨이브 배리어(10)들 또는 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들이 그들의 측정 작업시 서로 영향을 미치지 않으면서 동시에 작동될 수 있다.
스위칭 임계값들의 파라미터화는 감쇠 기본값(default)에 의해 이루어진다. 상기 목적을 위해서 예를 들어 마이크로웨이브 유닛들 간 마이크로웨이브 링크의 품질 계수는 용기(30) 내에서 매질(32)이 없이 또는 마이크로웨이브 경로(12)에 대한 매질(32)의 충분한 간격에 의해 결정된다. 상기 사실을 바탕으로 목표하는 시스템 감도로부터는 스위칭 임계값이 도출되고, 이때 상기 목표하는 시스템 감도와 요구되는 측정 시간 사이에는 물리적으로 야기된 상호 관계가 존재한다.
두 개의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)은 서로 적어도 송신기 및 수신기로서 두 가지 역할을 충족시킨다는 점에 한에서 동일한 하드웨어 내에 구성되어 있다. 그에 따라 스위칭 정보가 상기 두 개의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)의 인터페이스(28)에서 대기한다. 상기 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들이 마이크로웨이브 링크를 통해서 서로 통신될 수 있기 때문에, 하나의 마이크로웨이브 유닛(14a-b)만 인터페이스(28)를 갖는 것으로 충분하다. 측정 데이터와 같은 파라미터, 즉 예를 들어 감도, 임계값, 응답 지연 또는 스위칭 상태는 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들 간의 상기 무선 인터페이스를 통해 교환될 수 있다. 기본적으로 마이크로웨이브 배리어(10)는 임의의 다른 데이터를 위한 통신 링크로서도 이용될 수 있다. 예를 들어 마이크로웨이브 유닛(14a-b)들이 I/O-링크 또는 다른 프로토콜에 의해서 상위 시스템에 통합되면, 마이크로웨이브 링크는 상기 상위 시스템의 구성 요소 간의 I/O-링크-브릿지로서 또는 다른 프로토콜에 따른 브릿지로서 이용될 수 있다.
마이크로웨이브 배리어(10) 및 이 마이크로웨이브 배리어에 적합하게 조정된 시스템 제어를 통해 안전 시스템을 구현하기 위해서는 도면에는 도시되어 있지 않은, 예를 들어 IEC61131에 따른 추가의 스위칭 인풋이 제공될 수 있으며, 상기 스위칭 인풋을 통해 개별 마이크로웨이브 유닛(14a-b)의 송신 기능이 비활성화될 수 있다. 그에 따라 오류 없는 기능성을 보장하기 위한 시스템 검사가 이루어질 수 있다. 검사를 목적으로 한 기능의 일시적인 비활성화는, 예컨대 고주파 신호를 차단하거나 단락하는 독립적인 하드웨어 스위칭에 의한 정상적인 정보 처리와는 무관하게 유지되어야 한다. 이때는 통신 링크가 중단되기 때문에, 그 밖에 자유로운 전파 경로에서는 상위 시스템의 제어가 스위칭 신호의 변경을 결정하여 시스템을 검사할 수 있다.
대상(17)들을 다수의 위치에서 검출하거나 또는 매질(32)의 다수의 경계 레벨을 모니터링하기 위해서는 다수의 마이크로웨이브 배리어(10)가 서로 평행하게 배치될 수 있다. 앞에서 여러 번 논의한 바와 같이 디지털 컴포넌트(20)의 공존 전략은, 이 경우에 다양한 마이크로웨이브 유닛(14)의 배치가 유지되는 것을 보장한다.
그러나 마이크로웨이브 배리어(10)의 평행한 다중 배치에 대해서는 더 적은 장치 비용을 갖는 대안예도 존재한다. 그 이유는 선행 기술에 따른 송신기 및 수신기의 엄격한 쌍 방식의 배치와는 다르게 마이크로웨이브 유닛(14)이 자체의 쌍방향 송신- 및 수신 기능으로 인해 다수의 마이크로웨이브 경로를 형성할 수도 있기 때문이다.
도 4는 매질(32)의 다수의 경계 레벨을 위한 경계 레벨 모니터로서 다수의 마이크로웨이브 유닛(14a-e)을 갖는 마이크로웨이브 배리어(10)에 대한 일 예시를 도시한다. 이 경우 용기(32)의 한 측면에는 단 하나의 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)이 바람직하게 모니터링 될 최고 충진 레벨에 장착되어 있고, 다른 측면에는 다수의, 본 예시에서는 네 개의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)이 장착되어 있다. 상기 다수의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)의 설치 높이는 모니터링 될 충진 레벨에 상응하고, 이때 직선의 경사진 마이크로웨이브 경로(12a-d)로 인해 상기 설치 높이와 상기 모니터링 될 충진 레벨 사이에는 편차가 야기될 수 있으며, 이 경우 상기 편차는 실제 설치 높이를 위해 고려된다. 극단적인 경우에는 거의 전방향성의 폭 넓은 송출로 인해, 한 측면에 있는 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)의 마이크로웨이브 신호는 다른 측면에 있는 모든 마이크로웨이브 유닛(14b-e)에 의해서 수신되거나 그 반대로도 이루어진다. 이 경우 상기 다수의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)은 상기 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)에 할당되도록 파라미터화 된다. 따라서 평행하게 장착된 다수의 마이크로웨이브 배리어에 비해 마이크로웨이브 유닛(14)의 수는 현저하게 감소되고, 그에 따라 마이크로웨이브 유닛(14)뿐만 아니라 장착 비용, 플랜지(flange) 등도 생략된다.
본 실시예에서는 특히, 하나의 마이크로웨이브 유닛(14a)만 인터페이스(28)를 갖고, 다수의 마이크로웨이브 유닛(14b-e)은 마이크로웨이브 경로(12a-d) 및 상기 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)을 통해 통신되는 경우가 유용하다. 그에 따라 전체 정보는 상기 개별 마이크로웨이브 유닛(14a)에 모이고 그곳에서 입력되고 인출될 수 있다. 따라서 상기 마이크로웨이브 유닛(14b-e)들을 통신 시스템에 연결하기 위한 와이어링 복잡성(wiring complexity)이 생략된다.
Claims (13)
- 마이크로웨이브 배리어(10)로서,
상기 마이크로웨이브 배리어(10)는 마이크로웨이브 송신기 및 마이크로웨이브 신호를 송출하기 위한 제 1 안테나(16a)를 갖는 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)과 마이크로웨이브 수신기 및 상기 마이크로웨이브 신호를 수신하기 위한 제 2 안테나(16b)를 갖는 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b) 그리고 수신되는 마이크로웨이브 신호로부터 강도 평가에 의해, 상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)과 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b) 사이에 있는 마이크로웨이브 경로(12) 상에 대상(17, 32)이 존재하는지 검출하기 위해 형성된 평가 유닛(22)을 구비하며,
상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a) 및 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)은 마이크로웨이브 신호를 송출 및 수신하기 위해서 각각 고주파 트랜시버(high frequency transceiver)(18)를 갖고,
상기 고주파 트랜시버(18)는 무선 통신용으로 발전된 적어도 하나의 통합된 컴포넌트(20)의 부분이며, 통신 링크의 품질 및 안정성을 평가하고, 상기 평가 유닛(22)에 의해서 마이크로웨이브 경로(12) 상의 대상의 판단을 위한 강도에 대한 정보로서 이용되는 평가가 상기 컴포넌트에서 이루어지고, 그리고 마이크로웨이브 신호와 마이크로웨이브 유닛이 서로 명확하게 연관되는 공존 전략(coexistence strategy)이 상기 컴포넌트 내에 설정되어 있는,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항에 있어서,
상기 고주파 트랜시버(18)는 2.4-GHz-ISM-주파수 대역(Industrial, Scientific and Medical Band)으로 설계된,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평가 유닛(22)은, 상기 마이크로웨이브 경로(12) 상에 존재하는 대상(17, 32)을 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 평가 또는 링크 품질용 품질 계수 평가를 통해 검출하기 위해서 형성된,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평가 유닛(22)은 자유로운 마이크로웨이브 경로(12) 및/또는 공지된 대상(17, 32)을 갖는 마이크로웨이브 경로(12)에 대한 강도값들이 결정되고 저장되며, 그로부터 적어도 하나의 스위칭 임계값이 도출되는 티치인 모드(teach-in mode)를 위해 형성된,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평가 유닛(22)은 마이크로웨이브가 전혀 송신되지 않는 검사 모드를 위해 형성된,
마이크웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 컴포넌트(20)는 상기 평가 유닛(22)과 함께 전자 카드(26)상에 통합된,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 안테나(16a) 및/또는 제 2 안테나(16b)는 무지향성(nondirectional) 송출을 수행하는,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 컴포넌트(20)에는 공존 전략으로서 주파수 변경 또는 주파수 확산이 설정되어 있는,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 유닛(14c-e)이 제공되어 있고, 상기 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 유닛은 상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a) 및/또는 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)과 함께 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 경로(12b-d) 내에서 대상(17, 32)을 검출하도록 상기 적어도 하나의 추가 마이크로웨이브 경로(12b-d)를 설정하는,
마이크로웨이브 배리어. - 제 9 항에 있어서,
상기 마이크로웨이브 유닛(14a-e)들 중 적어도 하나의 마이크로웨이브 유닛은 마이크로웨이브 배리어(10)로부터 그리고/또는 마이크로웨이브 배리어(10)로 데이터를 전송하기 위한 인터페이스(28)를 갖고, 적어도 하나의 마이크로웨이브 유닛(14a-e)은 자체 인터페이스(28)를 갖지 않고, 오히려 다른 마이크로웨이브 유닛(14a-e)의 마이크로웨이브 경로(12a-d) 및 인터페이스(28)를 통해 데이터를 교환하는,
마이크로웨이브 배리어. - 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 적어도 하나의 마이크로웨이브 배리어(10)를 이용하여 용기(30) 내부의 매질(32)의 충진 레벨(filling level)을 결정하기 위한 충진 레벨 센서.
- 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)과 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b) 간에 마이크로웨이브 신호를 전송함으로써 마이크로웨이브 경로(12) 내에서 대상을 검출하기 위한 방법으로서,
상기 마이크로웨이브 신호가 고주파 트랜시버(18)에 의해서 쌍방향으로 상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)에서 상기 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b)으로 그리고 그 반대로도 송출 및 수신되고, 상기 마이크로웨이브 신호의 강도 평가에 의해, 상기 제 1 마이크로웨이브 유닛(14a)과 제 2 마이크로웨이브 유닛(14b) 사이에 있는 마이크로웨이브 경로(12) 상에 대상(17, 32)이 존재하는지 검출되며,
상기 고주파 트랜시버(18)의 고주파 처리는 통합된 무선 통신용 컴포넌트(20)에서 그리고 상기 무선 통신용 컴포넌트(20)에 설정된 방법을 바탕으로 이루어지고, 이러한 설정된 방법에서 통신 링크의 품질 및 안정성이 평가되며, 이와 같은 평가는 마이크로웨이브 경로 상의 대상의 판단을 위한 강도에 대한 정보로서 이용되고, 그리고 추가의 이러한 설정된 방법에서 마이크로웨이브 신호와 마이크로웨이브 유닛이 서로 명확하게 연관되도록 공존 전략이 사용되는,
마이크로웨이브 경로 내에서 대상을 검출하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 적어도 하나의 마이크로웨이브 배리어(10)를 이용하여 용기(30) 내부의 매질(32)의 충진 레벨을 결정하기 위한 경계 레벨 모니터.
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