СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ОБЪЕМА ЗАГРУЖАЕМОГО МАТЕРИАЛА, ИМЕЮЩАЯ НЕСКОЛЬКО РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ
SYSTEM FOR RECORDING VOLUME OF LOADED MATERIAL, HAVING SEVERAL RADAR SENSORS

Область техники
Изобретение касается измерения уровня наполнения. В частности, изобретение касается системы  измерения уровня наполнения для регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости, способа регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости, элемента программы и компьютерно-читаемого носителя данных.
Предшествующий уровень техники
Для определения топологии поверхности загружаемого материала, которая также называется контуром поверхности, или для определения объема сыпучего материала может применяться устройство измерения уровня наполнения, которое считывает поверхность загружаемого материала. Альтернативно может применяться система из нескольких устройств для измерения уровня наполнения, на основании данных измерений которых может определяться топология поверхности загружаемого материала или, соответственно, объем загружаемого материала. Эти универсальные измерительные системы часто сложны и затратны.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является предоставить эффективную, гибкую и оптимальную по стоимости систему измерения для регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости.
Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Усовершенствованные варианты осуществления изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.
Первый аспект изобретения касается системы  измерения уровня наполнения для регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости, которая имеет первое и по меньшей мере одно второе устройство  измерения уровня наполнения. Первое устройство  измерения уровня наполнения является устройством  измерения уровня наполнения, выполненным в качестве главного устройства, а второе или вторые устройства  измерения уровня наполнения являются измерительными устройствами, выполненными в качестве подчиненных устройств, которые должны подключаться каждое к главному устройству на некотором пространственном расстоянии от главного устройства. При этом главное устройство выполнено для передачи сигналов управления указанному или указанным подчиненным устройствам для управления указанным/указанными подчиненными устройствами.
Здесь следует заметить, что, хотя далее речь идет только об одном подчиненном устройстве, могут быть также предусмотрены несколько соответствующих подчиненных устройств. Главное устройство может быть, в частности, выполнено для подключения к большому количеству подчиненных устройств (последовательно и/или параллельно) и, в частности, для определения (путем связи с соответствующими подчиненными устройствами), сколько подчиненных устройств соединены с главным устройством.
Главное устройство выполнено для осуществления задач, которые не может самостоятельно осуществлять подчиненное устройство. Этими дополнительными задачами могут быть, например, координация всей измерительной деятельности системы и по меньшей мере некоторые части последующей деятельности по аналитической обработке. Главное устройство ответственно, в частности, за управление временным графиком измерительной деятельности системы. Также может быть предусмотрено, чтобы главное устройство полностью или частично брало на себя аналитическую обработку и управление данными измерения подчиненных устройств.
Также может быть предусмотрено, чтобы главное устройство запускало измерение с помощью соответствующего подчиненного устройства.
Таким образом, подчиненное устройство зависимо от главного устройства и не является так называемым отдельным устройством, которое также может применяться для измерения уровня наполнения без главного устройства. При этом можно изготавливать подчиненные устройства с более низкими затратами, чем это происходит до сих пор, так как речь идет об «урезанных» измерительных устройствах, которые не способны совершенно самостоятельно управлять задачами измерения и полностью осуществлять аналитическую обработку принятых эхо-кривых. Под полной аналитической обработкой в этой связи следует понимать, в частности, нахождение топологии поверхности и/или расчет объема сыпучего материала, находящегося под датчиками.
Может быть также предусмотрено, чтобы текущая роль главного устройства и подчиненного устройства задавалась соответствующей конфигурацией программного обеспечения. В этом случае главное устройство и подчиненное устройство не отличаются ни своим аппаратным обеспечением, ни своим встроенным программным обеспечением.
Главное устройство, а также подчиненное устройство могут представлять собой свободно излучающие радиолокационные устройства уровня наполнения или устройства  измерения уровня наполнения по принципу направленной микроволны. Но в принципе, возможно также, чтобы эти измерительные устройства представляли собой ультразвуковые датчики или лазерные датчики. Может быть также предусмотрено комбинирование отдельных датчиков, имеющих различные принципы измерения, в пределах одной измерительной системы.
Система  измерения уровня наполнения способна определять контур поверхности (топологию) и/или объем в бункере с сыпучим материалом путем применения нескольких пространственно разделенных устройств  измерения уровня наполнения, при этом одно из измерительных устройств выполняет функцию главного устройства и берет на себя управление и аналитическую обработку сигналов всех других измерительных устройств (подчиненных устройств).
По одному из вариантов осуществления изобретения главное устройство подключено к внешнему энергоснабжению, которое выполнено, например, в виде двухпроводной петли. При этом главное устройство выполнено для энергоснабжения подчиненного устройства. Например, может быть предусмотрено, чтобы главное устройство было выполнено в качестве единственного источника энергоснабжения подчиненного устройства, то есть чтобы разные включенные в систему подчиненные устройства не имели собственного энергоснабжения. Предоставляемая главным устройством энергия может отдаваться различным подчиненным устройствам, и может быть предусмотрено, чтобы всегда точно определенное подчиненное устройство снабжалось энергией от главного устройства именно тогда, когда оно также нуждается в этом. Также может быть предусмотрено, чтобы избыточная энергия отдавалась одним подчиненным устройством другому подчиненному устройству, именно когда это соответственно другое подчиненное устройство имеет соответствующую потребность в энергии.
Подчиненные устройства могут иметь аккумуляторы энергии в виде накопительных конденсаторов или батарей, которые заряжаются, прежде чем осуществляется измерение уровня наполнения соответствующим подчиненным устройством.
По одному из вариантов осуществления изобретения сигналы управления, которые передаются главным устройством подчиненному устройству, выполнены для инициирования, то есть для запуска измерения соответствующим подчиненным устройством. То есть подчиненные устройства не способны автономно решать, должно ли происходить измерение или нет, а перед каждым измерением получают указание о выполнении измерения от главного устройства.
Дополнительно к этому может быть предусмотрено, чтобы, когда главное устройство отдает подчиненному устройству указание о выполнении измерения, в следующую очередь обеспечивается, чтобы аккумулятор энергии подчиненного устройства был также достаточно полон, чтобы можно было безукоризненно выполнять измерение. Только в этом случае будет фактически выполняться измерение. Эта функциональная возможность может отводиться подчиненному устройству.
По другому варианту осуществления изобретения подчиненное устройство выполнено для регистрации эхо-кривой, по которой может определяться расстояние между подчиненным устройством и поверхностью загружаемого материала. Также подчиненное устройство выполнено для передачи либо полной эхо-кривой, некоторой ее части, либо извлеченных из нее подчиненным устройством данных главному устройству. Извлеченные из эхо-кривой данные могут, например, представлять собой положения выводимого их эхо-кривой эхо, а также его амплитуды. Благодаря этому может сокращаться передача данных между подчиненными устройствами и главным устройством.
В частности, может быть предусмотрено, чтобы подчиненное устройство передавало эхо-кривую или извлеченные из нее данные главному устройству только тогда, когда оно определило, что уровень наполнения (или другой интересующий параметр эхо-кривой, такой как, например, амплитуда эхо загружаемого материала) изменился на определенную величину, например, на 2 см (или в случае амплитуды на 30% или 50%). Таким образом можно избежать отправки эхо-кривых или других данных подчиненным устройством главному устройству, когда это не требуется, так как уровень наполнения совсем не изменился или изменился только незначительно. Благодаря этому также может сокращаться передача данных между главным и подчиненными устройствами.
По другому варианту осуществления изобретения главное устройство также выполнено для регистрации эхо-кривой, по которой может определяться расстояние между главным устройством и поверхностью загружаемого материала. Помимо этого, главное устройство может рассчитывать топологию поверхности загружаемого материала и/или объем загружаемого материала по переданным всеми подчиненными устройствами эхо-кривым или извлеченным из них подчиненными устройствами данным, а также по собственной зарегистрированной эхо-кривой.
По другому варианту осуществления изобретения как главное устройство, так и подчиненное устройство имеют каждое собственный датчик положения, по данным измерения которого могут определяться положения устройств. При этом подчиненное устройство выполнено для передачи своих данных положения, определенных по данным измерения датчика положения, главному устройству.
Главное устройство принимает отправляемые всеми подчиненными устройствами данные положения, которые затем учитываются при расчете топологии или, соответственно, объема загружаемого материала. При этом не требуется, чтобы пользователь вручную вводил положение соответствующего подчиненного устройства, так как эти положения определяются датчиком положения, который, например, представляет собой GPS приемник (англ. global positioning system, глобальная система навигации и определения местоположения).
По другому варианту осуществления изобретения подчиненное устройство выполнено для автоматического определения и передачи своих данных положения главному устройству, как только оно подключается к главному устройству и приводится в действие. Тем самым может гарантироваться, что главное устройство будет знать положения подчиненных устройств, когда оно получит их эхо-кривые или извлеченные из них данные.
Другой аспект изобретения касается способа регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости. Сигналы управления передаются от главного устройства ко множеству подчиненных устройств для управления подчиненными устройствами. Как главное устройство, так и подчиненные устройства представляют собой устройства  измерения уровня наполнения, например, радиолокационные датчики уровня наполнения.
После этого каждое устройство, то есть как главное устройство, так и каждое из подчиненных устройств, регистрирует собственную эхо-кривую, по которой определяется соответствующее расстояние между подчиненным устройством или, соответственно, главным устройством и поверхностью загружаемого материала. Это определение осуществляется либо с помощью соответствующего подчиненного устройства, либо централизованно в главном устройстве.
После регистрации данных осуществляется передача зарегистрированных эхо-кривых или извлеченных из них соответствующим подчиненным устройством данных главному устройству, после чего осуществляется расчет топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала по переданным всеми подчиненными устройствами эхо-кривым или извлеченным из них подчиненными устройствами данным, а также по эхо-кривой, зарегистрированной главным устройством.
Другой аспект изобретения касается элемента программы, который, когда он выполняется на процессорах системы  измерения уровня наполнения, как это описано выше и далее, заставляет систему  измерения уровня наполнения выполнять этапы способа, описанные выше и далее.
Последний аспект изобретения касается компьютерно-читаемого носителя данных, на котором сохранен описанный выше элемент программы.
При этом элемент программы может, например, быть частью программного обеспечения, которое сохранено в процессоре системы  измерения уровня наполнения. Кроме того, элемент программы может применяться в изобретении уже с самого начала, или представлять собой элемент программы, который при актуализации (апдейте) побуждает существующий элемент программы к применению изобретения.
Далее со ссылкой на фигуры описываются примеры осуществления изобретения.
Краткое описание фигур
На фиг.1 показана система  измерения уровня наполнения по одному из примеров осуществления изобретения.
На фиг.2 показана блок-схема способа по одному из примеров осуществления изобретения.
Подробное описание примеров осуществления
Изображения на фигурах являются схематичными и без соблюдения масштаба.
На фиг.1 показана система  измерения уровня наполнения по одному из примеров осуществления изобретения. Система измерения уровня наполнения имеет выполненное в виде главного устройства устройство 101  измерения уровня наполнения. При этом речь идет, например, о радаре уровня наполнения для бесконтактного измерения. Главное устройство соединено линией 113 с внешним источником 104 энергии. Линия 113 служит, в частности, для энергоснабжения главного устройства. Однако может быть предусмотрено, чтобы по этой линии передавались также данные между узлом 104 и устройством. В этом случае узел 104 может представлять собой центральный пульт управления или т.п., а линия 113 может быть выполнена, например, в виде двухпроводной линии или четырехпроводной линии. Но возможно также, чтобы главное устройство 101 снабжалось энергией по проводам, и осуществлялась бескабельная передача данных между главным устройством и пультом управления.
К главному устройству 101 может подключаться множество подчиненных устройств 102, 103, например, последовательно.
Каждое из устройств 101, 102, 103 может иметь собственный датчик 107, 105, 106 положения, например, в виде GPS-приемника, с помощью которого может устанавливаться точное положение устройства. Для топологии и определения объема загружаемого материала 108 важно, в частности, относительное положение различных устройств друг к другу. Это относительное положение может рассчитываться главным устройством 101 при знании данных положения отельных устройств.
Каждое из устройств имеет антенну, которая посылает сигнал 110, 111, 112 измерения в направлении поверхности 109 загружаемого материала. Тогда отраженный там сигнал измерения принимается соответствующей антенной и затем может аналитически обрабатываться.
Изображенная на фиг.1 измерительная система может быть выполнена с возможностью модульного расширения. Другими словами, может быть предусмотрено, чтобы к главному устройству подключалось по существу свободно выбираемое заказчиком количество подчиненных устройств. При этом главное устройство распознает количество подключенных подчиненных устройств, и по переданным подчиненным устройствам данным, также их положения. Тогда по переданным подчиненными устройствами данным главное устройство, после того, как оно выполнило свое собственное измерение, может определять топологию поверхности 109 сыпучего материала или, соответственно, объем сыпучего материала 108.
Таким образом, предоставляется система  измерения уровня наполнения, которая может гибко использоваться заказчиком для точного замера контура поверхности и/или объема сыпучего материала. Выполненное в качестве главного устройства устройство 101  измерения уровня наполнения берет на себя функцию главного устройства и координирует регистрацию данных измерений пространственно удаленных подчиненных устройств 102, 103.
Разные подчиненные устройства 102, 103, в отличие от традиционных устройств  измерения уровня наполнения, имеют  ограниченные функциональные возможности аппаратного и программного обеспечения, и могут, таким образом, изготавливаться с более низкими затратами. Однако они не могут эксплуатироваться как отдельные устройства.
При электромонтаже устройств друг с другом становится возможным обмен сигналами, данными и энергией между главным устройством и подчиненными устройствами. Система в целом способна определять показатели поверхности сыпучего материала и/или объема среды 108, находящейся под измерительным устройством. Это нахождение в итоге координируется главным устройством 101, и им полностью или по меньшей мере частично выполняется аналитическая обработка данных измерений. Предварительная обработка данных измерений может осуществляться уже в соответствующем подчиненном устройстве, когда подчиненное устройство устроено соответствующим образом. Но в обычном случае главное устройство 101 само будет брать на себя как можно большее количество задач, так чтобы подчиненные устройства 102, 103 могли изготавливаться наиболее экономичным возможным образом.
В частности, может быть предусмотрен интерфейс 113, через который определенные показатели могут передаваться наружу, например, на центральный пульт 104 управления, причем этот интерфейс «скрывает» реализацию измерения несколькими датчиками. Это означает, что для внешнего блока 104, в принципе, будет безразлично, соединена ли с ним вышеописанная система  измерения уровня наполнения или традиционная измерительная система, выполненная для регистрации топологии.
Так, соответственно этому, создается масштабируемое измерительное устройство на основе нескольких устройств  измерения уровня наполнения для регистрации по меньшей мере одного показателя поверхности или объема, при этом по меньшей мере одно главное устройство взаимодействует с по меньшей мере одним подчиненным устройством, чтобы обмениваться сигналами, командами управления, данными и/или энергией, и с применением данных указанного по меньшей мере одного подчиненного устройства предоставлять показатель на внешний интерфейс.
Система  измерения уровня наполнения состоит, например, из ровно одного главного устройства и по меньшей мере одного подчиненного устройства, при этом главное устройство и подчиненное устройство находятся друг от друга на некотором пространственном расстоянии, которое больше, чем длина волны радиолокационного или ультразвукового сигнала, применяемого для измерения уровня наполнения. Устройства  измерения уровня наполнения смонтированы над загружаемым материалом.
Главное устройство передает сначала энергетические сигналы и/или сигналы управления по меньшей мере одному подчиненному устройству, после чего это подчиненное устройство с помощью радиолокационного сигнала (или ультразвукового сигнала) определяет расстояние до лежащего под ним загружаемого материала. Подчиненное устройство может быть, например, предназначено, чтобы перед собственным измерением сначала накапливать энергию, которую оно получает от главного устройства, например, через двухпроводной интерфейс.
Подчиненное устройство во время собственного измерения определяет по меньшей мере одну эхо-кривую, которую оно в аналоговом, цифровом или же цифровом сжатом виде передает главному устройству. Может быть также предусмотрено, чтобы подчиненное устройство передавало главному устройству только один показатель эхо-кривой, например, положение эхо загружаемого материала и при необходимости его амплитуду.
Главное устройство может быть предназначено для того, чтобы параллельно или последовательно во времени с помощью энергетических сигналов и/или сигналов управления активировать множество подчиненных устройств, переводить их в режим измерения и принимать от них результаты измерений.
После этого главное устройство по множеству принятых результатов отдельных измерений определяет показатели, которые касаются формы поверхности сыпучего материала и/или находящегося под датчиками объема. После этого главное устройство предоставляет эти результаты наружу на центральный для заказчика интерфейс, например, посредством HART, Ethernet, дисплея оператора, WLAN, Bluetooth, Smartphone-App, и пр.
Может быть предусмотрено, чтобы главное устройство само было выполнено в виде двухпроводного датчика и также снабжало энергией все подчиненные устройства. Но может быть также предусмотрено, чтобы подчиненные устройства самостоятельно получали свою энергию, например, через собственное проводное соединение.
Коммуникация между главным устройством и подчиненным устройством может происходить с управлением в зависимости от времени или в зависимости от событий. Например, в последнем случае может быть предусмотрено, чтобы подчиненное устройство посылало новые данные главному устройству только тогда, когда уровень наполнения после последнего измерения изменился на определенную величину, например, на 2 см. В качестве средств связи возможны как проводные аналоговые и/или цифровые средства, так и беспроводные средства соединения.
На фиг.2 показана блок-схема способа по одному из примеров осуществления изобретения. На этапе 201 осуществляется подключение нескольких подчиненных устройств к одному главному устройству, а также приведение их в действие. На этапе 202 подчиненные устройства измеряют свое текущее положение и передают соответствующие данные положений главному устройству, которое рассчитывает по ним относительные положения различных устройств друг к другу. На этапе 203 главное устройство передает подчиненным устройствам сигналы управления, чтобы управлять ими и запускать разные измерения уровня наполнения. На этапе 204 как главное устройство, так и различные подчиненные устройства регистрируют каждое собственную эхо-кривую, по которой может определяться расстояние между главным устройством или, соответственно, соответствующим подчиненным устройством и поверхностью загружаемого материала. Найденные подчиненными устройствами эхо-кривые на этапе 205 передаются главному устройству. Альтернативно этому может быть предусмотрено, чтобы каждое подчиненное устройство выполняло предварительную обработку принятой эхо-кривой и передавало главному устройству только соответствующие предварительно обработанные данные. В частности, может быть предусмотрено, чтобы эта передача данных происходила только тогда, когда данные достаточно сильно измелились по сравнению с предыдущим измерением. Благодаря этому может сокращаться передача данных.
Наконец, на этапе 206 на основе эхо-кривых, переданным подчиненными устройствами главному устройству, и извлеченных из них данных, а также основе эхо-кривой, зарегистрированной главным устройством, рассчитывается топология поверхности загружаемого материала и/или объем загружаемого материала. Этот расчет осуществляется главным устройством.
На этапе 207 конечный результат передается в центральное устройство.
В дополнение следует указать, что «включающий в себя» и «имеющий» не исключает других элементов или этапов, и «одна» или «один» не исключает множества. Далее, следует указать, что признаки или этапы, которые были описаны со ссылкой на один из вышеприведенных примеров осуществления, могут применяться также в комбинации с другими признаками или этапами других вышеописанных примеров осуществления. Ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не должны считаться ограничениями.