可浸没的自持物位测量系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年3月18日提交的国际专利申请pct/ep2020/057457的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及工业环境中的过程测量技术和过程自动化。特别地，本发明涉及自持传感器、该自持传感器的用于检测至少一种介质的填充物位、极限物位或压力或用于运输容器中的介质混合物的界面测量的用途、自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统以及该物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统的用于运输容器中的介质混合物的界面测量的用途。此外，本发明涉及用于检测至少一种介质的填充物位或极限物位或压力或用于运输容器中的介质混合物的界面测量的方法、程序和计算机可读介质。
背景技术：4.如今，电子式的极限物位传感器、填充物位传感器或压力传感器被广泛使用，并且可以被配置为自持的。为此，这些传感器具有内部电源，使得它们独立于外部电源。特别地，为了进行通信，可以设置例如wlan接口或蓝牙接口形式的无线通信接口。
5.极限物位传感器、压力传感器或填充物位传感器通常安装在容器开口或容器壁上。然而，尤其当容器是塑料容器(例如，ibc容器)时，这些传感器也可以位于容器外部。
6.用于确定极限物位、填充物位或压力的雷达传感器可以穿过塑料容器的壁辐射传输信号，并然后将计算后的测量值无线传送到云端或外部服务器。
7.已知的自持物位传感器越来越多地用于监测填充物位并且在移动的、可运输的容器中使用。迄今为止使用的大多数实施例都是根据基于雷达的距离传感器，该距离传感器可以从外部穿过容器壁检测容器中的填充物位，并且通过无线通信装置将其传输到云端。然而，对于迄今为止可用的传感器，通常需要将它们机械地固定在容器上。由于大量现有的、可运输的容器没有用于容纳物位传感器的专用固定装置，因此通常通过粘附、夹紧或捆绑到相应的容器上而进行安装。
技术实现要素：8.本发明的目的在于简化对极限物位、压力或填充物位的确定以及对过程容器中的界面监测。
9.该目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的改进示例在从属权利要求和实施例的以下说明中得出。
10.本发明的第一方面涉及一种自持传感器，其被配置为检测至少一种介质的填充物位、极限物位或压力或者用于运输容器中的介质混合物的界面测量。自持传感器包括封闭的壳体和具有一个或多个传感器元件的传感器元件组件。封闭的壳体被配置为浸没在至少一种介质中。一个或多个传感器元件布置在壳体中或上。传感器被设计为在测量期间停留
在容器的底部上且/或漂浮在介质混合物的界面上，而没有固定到容器上。
11.自持传感器可被设计为使得传感器可以通过容器开口被引入或抛入到容器中，并且可以在重力的作用下沉入到待测量的介质中。换句话说，自持传感器可被配置为在至少一个操作阶段期间被容器内的至少一种介质中的至少一者完全包围。当传感器到达容器底部时，其形状和重量分布导致传感器处于站立位置，在该站立位置上，至少一个传感器元件可以不受容器壁阻碍地进行测量。例如，形状和重量分布被设计为使得传感器(例如以不倒翁的形式)可以始终直立。通过将自持传感器置于容器内，可以提供一种非常容易的安装方式，其中，同时可以可靠地防止运输期间的不受控分离。
12.例如，自持传感器可被配置为检测作为介质或填充材料的液体。替代地，介质也可以是松散材料。因此，自持传感器可以在安装到容器内之后逐渐被松散材料覆盖，并且在测量期间穿过松散材料介质无线传输一个或多个测量值。
13.壳体可被配置为防止介质渗入自持传感器的内部。
14.自持传感器可用于运输容器。例如，运输容器可以是作为最常用的容器类型之一的所谓的中型散装容器(简称为ibc容器)。替代地，自持传感器也可以在其他容器中使用，例如金属容器。
15.根据另一实施例，传感器的密度介于水的密度和油的密度之间。
16.介质混合物可以是由处于明确分离的相中的至少两种液体或两种介质(例如，由水基介质(例如，水)和碳氢化合物(例如，油))组成的非均相溶液。因此，可以形成具有用于分离不同介质的界面的多层溶液系统。替代地，介质混合物可以包括具有界面的两种松散材料。
17.由于介质混合物的不同介质中的密度变化，自持传感器可以布置在容器底部或漂浮在混合物的界面上，以便检测或确定各个介质的填充物位和介质之间的边界层。
18.根据另一实施例，传感器元件组件具有彼此相对布置的两个传感器元件。
19.根据另一实施例，两个传感器元件是第一压力传感器元件和第二压力传感器元件。第一压力传感器元件被配置为确定至少一种介质的第一测量值，并且第二压力传感器元件被配置为确定至少一种介质的第一测量值和第二测量值。
20.自持传感器可以布置在介质中，使得传感器可以直立在容器底板上并且第一压力传感器元件和第二压力传感器元件可以分别处于介质中的不同高度位置。当自持传感器直立在介质中时，第一压力传感器元件和第二压力传感器元件之间的高度差可以对应于两个压力传感器元件之间的距离d。
21.通过有针对性地使用不同的物理效应，例如可以利用传感器来检测容器中的介质的填充物位，并使用上级控制系统的有线或无线通信装置将所检测的物位向外部传输。
22.根据另一实施例，特别是在极限物位传感器或压力传感器的情况下，壳体的外部形状和自持传感器中的重量分布被设计为使得至少一个传感器元件可以始终不受容器壁阻碍地在填充材料或介质中进行测量。为此，可以在壳体外部或在壳体的上侧和/或下侧上设置隔栅。隔栅也可被配置为在排空容器时通过相应地增大自持传感器的机械尺寸而防止传感器被冲出，并且防止在其中一个测量单元被加载的情况下由于自持传感器可能被停留在容器底部而造成测量值的可能篡改。因此，有利地，自持传感器可以容易且同时安全地装配或安装在容器上或中。
23.根据另一实施例，壳体被设计为球形的。
24.根据另一实施例，自持传感器(特别是极限物位传感器或压力传感器)的重心在壳体中心点的下方。
25.根据另一实施例，壳体具有多边形横截面，特别是六边形或八边形横截面。
26.根据另一实施例，壳体包括凹陷部，其中一个传感器元件布置在该凹陷部中。
27.根据另一实施例，通过凹陷部保护传感器元件以避免与容器底部接触。
28.根据另一实施例，壳体具有镜像对称的设计。
29.根据另一实施例，自持传感器还包括评估装置，该评估装置布置在壳体中，并且被配置为基于第一测量值和/或第二测量值来确定第三测量值。
30.例如，第一压力传感器元件的第一测量值可以是第一压力值p1，并且第二压力传感器元件的第二测量值可以是第二压力值p2。自持传感器可被配置为将来自两个压力传感器元件的两个压力值传输到评估装置。评估装置可被配置为通过根据压力测量原理比较和评估所确定的第一压力值p1和第二压力值p2来计算第三测量值(例如，填充物位)，因为诸如介质的密度ρ、叠加的大气压力p
at
和两个压力传感器元件之间的距离d等所使用的参数是已知的。
31.评估装置可以被配置为根据两个压力值之间的绝对差值(将该绝对差值除以重力加速度和距离d的乘积)连续地检测容器中的介质的密度ρ，由此可以通过设置第二压力传感器元件来有利地最小化自持传感器的测量误差并且显著提高测量精度。
32.根据另一实施例，自持传感器还包括通信装置，该通信装置布置在壳体中，并被配置为穿过壳体将确定的测量值以无线的方式传输到外部。
33.根据另一实施例，通信装置被配置为利用lpwan或具有低于1ghz的无线电频率的远程窄带无线电技术传输无线电信号。
34.自持传感器或通信装置可被配置为通过低频窄带无线电技术(例如，lpwan)或远程窄带无线电技术发射无线电信号，该远程窄带无线电技术的无线电频率低于1ghz，特别是低于500mhz。低频窄带无线电技术可以通过集成到市售的半导体元件中而以低成本和节能的方式获得。例如，lpwan可以是lora、sigfox、nb-iot或mioty。然而，也可以使用低于1ghz的其他无线电技术。原则上，在容器内部的发射器(例如，自持传感器)和容器外部的接收器之间的要穿过的介质的影响下，尤其在导电介质的情况下，上述技术的范围可能被大幅减小。然而，减小的范围仍足以到达装配在容器附近的基站。
35.根据另一实施例，自持传感器还包括网关，该网关被配置为布置在容器上，接收来自通信装置的无线电信号并将其传输到容器外部的接收器。
36.可以通过无线通信技术在接收器(例如，网关)的方向上穿过介质和容器壁传输自持传感器的测量值。由于介质可能存在的导电性，信号在穿过介质时可以被大幅衰减，考虑到介质中的较短距离以及无线电技术造成的高但仍可接受的信号衰减，这是可以接受的。应注意的是，由于无线电信号被完全屏蔽，因此不能考虑在金属容器中的使用。
37.例如，网关可以布置或安装在金属容器上或容器壁上或容器的盖上，并且可以接收来自自持传感器的通信装置的无线电信号，且/或可以将该无线电信号再次传输到容器外部的接收器。容器的盖可被设计为替换盖。因此，即使金属容器由于其结构而通常不能在任意位置上装配额外的开口，也可以有利地将具有网关的自持传感器和使用自持传感器的
自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统用于金属容器。因此，网关可以是集成在盖中的容器网关。
38.替代地，网关可以设置在容器开口附近的内部或在盖内侧上，并且被配置为接收来自容器中的传感器的无线电信号，并且通过可设置在盖外侧上的第二天线再次向外辐射该无线电信号。因此，与例如将雷达物位传感器直接安装在盖中相比，有利的是，在关闭容器盖时以及在打开容器盖时都可以确保物位测量的功能性。因此，特别是在通过插入到开口中的软管进行填充或排空期间，可以不受限地继续进行物位测量。
39.根据另一实施例，自持传感器还包括电源，该电源布置在壳体中并且被配置为通过布置在壳体中的计时器以预定的时间间隔来激活。
40.因此，可以在容器内部的自持传感器和布置在容器外部的接收器之间进行无线通信。与应始终使用测量所需能量的有线通信相比，随着更先进、更节能的无线技术的出现，用于监测填充物位值、极限物位值或压力值的电池供电型传感器可能变得越来越重要。在工业环境中的过程自动化领域(例如，物流)的应用具有特别的优势。
41.术语“工业环境中的过程自动化”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的操作机器和设备的所有措施。过程自动化的一个目标是在化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在控制室中可以监测诸如物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。
42.工业环境中的过程自动化的一个子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传感器和角度传感器使建筑物内或单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是例如用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监测领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与对象大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、led、2d相机或3d相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(tof：time of flight)检测距离。
43.工业环境中的过程自动化的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物生产自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测对象的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。
44.例如，在货物物流领域中，可以通过对移动容器中填充物位的连续自动监测以及将值优选地无线传输到中央评估点来以简单的方式和方法实现跨地点的库存管理。例如，如果可以优化运输车辆供应物资的行驶路线，则可以使用检测的数据根据相应存在的问题实现显著的成本降低。
45.自持传感器还可以包括计时器、布置在计时器和评估装置之间的逻辑电路以及开关元件，该开关元件被配置为连接电源、逻辑电路和评估装置。此外，评估装置或处理器可以设置用于激活电源的自锁信号。
46.根据另一实施例，自持传感器还包括倾斜传感器元件，该倾斜传感器元件布置在壳体中，并且被配置为确定物位传感器、极限物位传感器或压力传感器的倾斜度。
47.评估装置可被配置为还特别考虑由倾斜传感器元件确定的自持传感器相对于垂线的倾斜度并且以更高的精度确定填充物位h。特别是当移动或固定的容器具有不平坦的底面时，倾斜传感器元件的提供和使用可以是有利的。
48.例如，在装载容器时或在运输期间，安装的传感器也可能发生不希望的分离。ibc容器的特征在于体积和重量优化的结构，特别是可以用叉式装卸机装载到载重汽车上。在装载和拆卸时，由于疏忽可能会反复发生轻微碰撞，这可能导致容器的机械变形和/或安装到容器外侧的测量传感器的分离。因此，自持传感器可能不是竖直布置的，而是倾斜地布置在容器底部上。
49.自持传感器可以在进入到容器中之后在重力的作用下穿过介质在容器底部的方向上基本不受控地下沉，并且可以保持在容器底部上的随机出现的位置处。因此，不能认为自持传感器相对于容器底部的垂线保持在预定义的角位置。通过考虑由倾斜传感器元件确定并例如是传感器的倾斜角的第四测量值，可以在测量期间控制测量精度的提高或误差信号的输出。
50.另一方面涉及自持传感器的用于检测至少一种介质的填充物位、极限物位或压力或者用于运输容器中的介质混合物的界面测量的用途。
51.根据另一实施例，运输容器是车辆储罐。
52.另一方面涉及自持传感器的用于检测用于地下水位测量的填充物位、极限物位或压力的用途。
53.明确地说，在诸如油罐车、液罐车、圆桶、管桶、船舶储罐、飞机储罐或汽车储罐或其他移动容器等任何形式的移动容器中的应用都可以包括在本发明的范围内。
54.本发明的原理可以有利地应用于固定安装容器的情况。因此，在高度倾斜或难以接近的一系列容器中的困难安装的情况下或在监测地下水位时特别具有优势。自持传感器的应用对于高度倾斜、难以接近的燃料箱也可能是有利的。
55.另一方面涉及一种自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统，其包括第一自持传感器和第二自持传感器。第一自持传感器具有与第二自持传感器不同的密度。
56.自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统可被配置为用于混合物的界面测量或过程容器中的分离过程的界面监测。
57.该混合物可以包括两种介质，即具有第一密度ρ1的第一介质(例如，诸如油等碳氢化合物)和具有第二密度ρ2的第二介质(例如，诸如水等水基液体)。水被油覆盖，并且在两种相互不能混溶的介质之间存在界面。
58.此外，自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统可被配置为使得第一自持传感器的密度在第一密度ρ1和第二密度ρ2之间，例如为0.9g/cm3，而第二自持传感器的密度大于第二密度ρ2，例如大于1g/cm3。利用不同的密度，第二自持传感器可以在容器中的安装或测量期间下沉到容器底部，而第一自持传感器可以漂浮在第一介质油和第二介质水之间的界面上。第二自持传感器可以根据上述原理进行设计，例如基于一个或多个压力测量来设计，以根据第一介质的第一密度ρ1确定第一介质的第一物位h1，根据第二介
质的第二密度ρ2确定第二介质的第二物位h2，并且将这两个物位以无线的方式发送或传输到外部，且/或直接发送或传输到第二自持传感器，该第二自持传感器包括具有接收单元的评估装置，该接收单元用于接收来自第一传感器的无线电信号或测量值。
59.特别地，可以设置接收器，该接收器可以布置在容器外侧或容器下方或容器外部，以便接收来自第一自持传感器和第二自持传感器的无线电信号和测量值。
60.例如，容器外部的作为评估装置或云端的接收器可以接收第一自持传感器的测量值或第一填充物位h1并且将其存储以用于进一步处理。第二自持传感器可被配置为借助于另一通信装置直接从第一自持传感器或通过接收器接收该测量值(即，第一填充物位h1)，并且可以根据接收的测量值并使用与第一自持传感器相同或不同的测量原理确定第二测量值(例如，第二填充物位h2)。例如，可以根据已知的第二介质的第二密度ρ2确定容器底部的压力值、到界面的第二填充物位h2，并由此确定总填充水平或总填充物位h，并且将其无线传输到外部。测量值可以由安装在容器外部的接收器或外部接收器接收、进一步处理和/或特别是传输到商品管理系统或云端。
61.根据另一实施例，自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统还包括极限物位传感器，该极限物位传感器被配置为侧向地固定在容器内壁上，并用于向外部输出警报信号。
62.例如，极限物位传感器可以是音叉传感器，该音叉传感器可以通过磁性支架安装在容器的上部区域中。极限物位传感器也可被配置为在到达可在安装侧调节的物位值hg时向外部提供或输出警报信号。如果可以在容器外侧上设置相应的机械固定安装或高度可调节的金属板，则磁性支架也可用于传统的塑料罐。
63.因此，自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统可用于极限物位监测。
64.在这一点上应指出的是，自持传感器可被配置为使用不同的物理原理来确定填充物位值或极限物位值。例如，作为压力传感器元件的替代方案，可以考虑提供电容或导电传感器元件、振动传感器元件、温度传感器元件或诸如ph值传感器元件等化学传感器元件。
65.根据另一实施例，本发明涉及填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统的用于运输容器中的介质混合物的界面测量的用途。
66.另一方面涉及一种用于检测至少一种介质的填充物位、极限物位或压力或者用于运输容器中的介质混合物的界面测量的方法，该方法包括以下步骤：提供和布置自持传感器，该自持传感器包括封闭的壳体和具有一个或多个传感器元件的传感器元件组件，该自持传感器停留在容器的底部上且/或漂浮在介质混合物的界面上而没有固定到容器上；以及在通过内部电源激活自持传感器时，通过计时器以预定的时间间隔执行测量。传感器元件组件具有两个传感器元件，这两个传感器元件是第一压力传感器元件和第二压力传感器元件，并且彼此相对地布置在自持传感器的壳体中。
67.该方法还可以包括以下步骤：检查计时器的当前时间t是否大于或等于下一个预参数化的唤醒时间t
wake
，如果是这种情况，则向评估装置或处理器供电，并且加载程序。
68.该方法还可以包括以下步骤：通过自持传感器的倾斜传感器元件读出倾斜角，并且确定周围介质的密度ρ。
69.根据另一实施例，该方法还包括以下步骤：通过第一压力传感器元件确定至少一
种介质的第一测量值，通过第二压力传感器元件确定至少一种介质的第二测量值，并且通过评估装置根据第一测量值和/或第二测量值来确定第三测量值。
70.例如，第一测量值和第二测量值可以分别为第一压力值p1和第二压力值p2。可以将第一测量值p1和第二测量值p2进行比较，以检查自持传感器是直立的还是倒置的，或者第一压力传感器元件和第二压力传感器元件是否布置在不同的高度位置上，或者是否p1》p2还是p1》p2。通过评估装置根据第一测量值和第二测量值确定第三测量值(例如，物位h)。在p1＝p2的情况下，可以根据第一压力值和第二压力值中的一者来确定介质的填充物位h。替代地或补充地，由于第一压力传感器元件和第二压力传感器元件的高度位置相同而不再执行密度测量，输出错误消息，使用最近知道的密度值和/或使用预参数化的密度值来确定填充物位h。
71.该方法还可以包括以下步骤：激活通信装置，将填充物位h无线地传输到外部，将处理器或评估装置的下一次测量的时间传输到计时器，并且停用通信装置。
72.然后，处理器再次断开自持传感器的开关元件，因此除计时器之外，再次停用整个系统，从而处于最大节能的状态。因此，可以最大化自持传感器的电池或蓄电池的寿命，这尤其可以实现具有能够运行多年的永久安装的电池的自持传感器。因此，可以有利地简化生产，降低生产和操作期间的成本，并且可以以简单的方式确保传感器壳体的密封性。
73.本发明的另一方面涉及一种程序，当其在自持传感器的处理器上执行时，该程序指示自持传感器执行上述方法的步骤。
74.本发明的另一方面涉及一种存储有程序的计算机可读介质。
75.下面将参考附图来说明本发明的实施例。如果在附图说明中使用相同的附图标记，则它们描述了相同或相似的元件。附图中的图示是示意性的，并且未按比例绘制。
附图说明
76.图1示意地示出了根据一实施例的用于测量运输容器中的至少一种介质的填充物位、极限物位或压力的自持传感器。
77.图2示意地示出了根据一实施例的自持传感器的结构。
78.图3以更高细化程度示意地示出了根据一实施例的基于以功能为导向的原理图的自持传感器的结构。
79.图4示意地示出了根据另一实施例的用于测量运输容器中的至少一种介质的填充物位、极限物位或压力的自持传感器。
80.图5示意地示出了根据一实施例的用于检测运输容器中的介质混合物的自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统。
81.图6示意地示出了根据一实施例的用于检测运输容器中的至少一种介质的自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统。
82.图7示意地示出了根据一实施例的用于检测至少一种介质的填充物位、极限物位或压力或用于测量运输容器中的介质混合物的界面的方法的流程图。
具体实施方式
83.图1示出了用于检测运输容器102中的至少一种介质106的填充物位、极限物位或
压力的自持传感器101。自持传感器101被构造为在测量期间停留在运输容器的底部109上，而没有固定到容器上。
84.例如，图1示出了自持传感器在ibc容器102上的布置、装配或安装。重量优化、体积优化和成本优化的容器102在配送和物流行业中特别受欢迎，并且能够容易地向客户供应多种介质。ibc容器102包括容器开口107、货板103、金属框架104以及容器囊105，容器囊105优选地由塑料制成并包含介质106。
85.自持传感器101可被构造为使得可以在装配或安装期间通过盖开口或容器开口107将自持传感器引入或抛入到容器中，并且在重力作用下沉入到待测量的介质106中。换句话说，可以通过盖开口使自持传感器101下降到容器102的内部空间108中，使得传感器可以穿过介质(例如，液体)106朝向容器底部109下沉。因此，在安装完成之后，自持传感器101可以由于重力而基本上位于容器底部109上，从而可以开始测量以例如确定填充材料或介质106的填充物位h。由于安装在容器102内部，原则上可以排除自持传感器101从容器102的不受控的分离或移除。如果容器102在容器底部的区域中具有用于排空的开口，则自持传感器101的机械轮廓和尺寸可被设计为能够在排空期间防止封闭容器开口或冲出该传感器。
86.此外，图2示意地示出了自持传感器101的基本结构，该基本结构包括被配置为浸没在至少一种介质106中的封闭壳体206以及具有布置在壳体206中或上的至少一个传感器元件204、205的传感器元件组件。
87.壳体206可被配置为防止介质渗入自持传感器101的内部。
88.例如，图2示出了传感器元件组件具有两个传感器元件204、205(即，第一传感器元件204和第二传感器元件205)，这两个传感器元件彼此相对地布置并且可被配置为感测直接和/或基本上完全围绕传感器101的介质106的物理特性。
89.自持传感器101还包括评估装置202或测量值确定装置，该评估装置或测量值确定装置可以例如以处理器的形式集成在传感器中，并且可被配置为基于通过第一传感器元件204和/或第二传感器元件205测量的具有密度ρ的介质106的物理特性来确定至少一个测量值，例如容器102中的填充水平或填充物位h。
90.例如，两个传感器元件可以是第一压力传感器元件204和第二压力传感器元件205，它们可以分别是第一压力测量单元204和第二压力测量单元205，并且可被配置为例如基于压力测量原理确定至少一种介质的第一测量值和第二测量值。例如，在与布置在壳体206的第一表面208上的第一压力测量单元204协作的情况下，评估装置202可以确定可直接取决于介质106的填充高度h和密度ρ的第一测量值或压力值p1。此外，由介质106产生的取决于先前参数的流体静压力p
hyd
中相加了叠加的大气压力p
at
。根据对物位测量的精度要求(可以容忍高达几厘米的误差)，在多数情况下，可以将叠加的气体压力估计为p
at_norm
＝1013mbar。此外，经常将具有已知密度的同一介质106在容器102中从供应商运送到客户，这使得可以在安装到传感器上之前预先输入密度。因此，可以已知这些参数，并且评估装置202可以通过以下方式从测量的压力p1中以良好的近似值确定填充物位h：减去假设的大气压力p
at_norm
并且最后将差值除以重力加速度和预参数化的密度ρ的乘积。
91.此外，可以在自持传感器101中设置第二压力传感器元件或第二压力测量单元205，该第二压力传感器元件或第二压力测量单元205布置在壳体206的与第一表面基本相对的第二表面209上。在介质106中进行测量时，由于距离d，可能导致第一压力传感器204的
测量点处的压力值p1和第二压力传感器205的测量点处的压力值p2不同。评估装置202可被配置为根据两个压力值之间的绝对差值(该绝对差值除以重力加速度和距离d的乘积)继续检测容器102中的介质106的密度ρ，以最小化误差，提高测量精度，并从而优化测量。
92.此外，自持传感器101还可以包括隔栅207，该隔栅207设置在壳体206的外部或壳体206上，并且可被配置为通过相应地扩展自持传感器101的机械尺寸来防止在排空容器102期间冲出传感器101。此外，隔栅207可被配置为防止在其中一个测量单元204、205被加载的情况下由于自持传感器101可能停留在容器底部109上而导致的由传感器元件204、205确定的测量值或压力值的可能篡改。因此，可以有利地实现将自持传感器容易且同时安全地装配或安装在容器上或中。
93.此外，自持传感器101包括通信模块或装置203，该通信模块或装置203布置在壳体206内并且被配置为穿过壳体将确定的测量值无线传输或传送到外部。
94.此外，自持传感器101包括电源201，该电源201例如可以是诸如电池201或蓄电池等为整个传感器系统供电的能量存储器201。电源布置在壳体206中并且可被配置为通过节能模块来激活。
95.例如，可以通过通信装置203将确定的测量值(例如，填充物位h)传送或传输到外部，其中，通信装置203可被实施在专用的节能模块中。可设想的是，自持传感器101可以装配有无线电技术，该无线电技术可以在电池寿命方面是节能的，在制造成本方面是低成本的，并且在需要穿透至少一种介质106方面相对于可接受的路径衰减是非常稳健的。
96.自持传感器101或通信装置203可被配置为通过低频窄带无线电技术(例如，lpwan)或远程窄带无线电技术发射无线电信号，该远程窄带无线电技术的无线电频率低于1ghz，特别是低于500mhz。低频窄带无线电技术可以通过集成到市售的半导体元件中而以低成本和节能的方式获得。例如，lpwan可以是lora、sigfox、nb-iot或mioty。然而，也可以使用低于1ghz的其他无线电技术。原则上，在容器102内部的发射器(例如，自持传感器101)和容器外部的接收器之间的要穿过的介质106的影响下，特别是在导电介质106的情况下，上述技术的范围可能被大幅减小。然而，减小的范围仍足以到达装配在容器102附近的基站。
97.图3以更高细化程度进一步示出了基于以功能为导向的原理图的图2中的自持传感器101的结构。除电源201之外，自持传感器101还包括计时器301、布置在计时器301和评估装置202之间的逻辑电路302以及开关元件303，该开关元件303被配置为连接电源201、逻辑电路302和评估装置202。计时器301可以布置在壳体206中并且被配置为以预定的时间间隔激活电源201。例如，计时器301可被配置为在过去4小时之后触发开关脉冲，该开关脉冲可以从逻辑电路302传递到开关元件303，该开关元件可以例如是继电器或晶体管电路。
98.例如，可被设计为处理器202的评估装置202可以通过闭合或接通开关元件303而被供电，并且可以启动用于执行测量的顺序程序。此外，处理器202可以激活自锁信号308。此外，评估装置202可以在程序运行期间确定至少一个物理测量变量，该物理测量变量可以是第三测量值。例如，第三测量值可以是压力值p1，其取决于周围介质106并且由处理器202通过测量值确定装置305、306(例如，压力确定电路305、306)确定。电路305、306可被配置为使用第一压力传感器元件和第二压力传感器元件或压力测量单元204、205(例如，陶瓷或金属的压力测量单元204、205)中的一者来确定至少一个压力。作为图2的替代方案，两个压力
传感器元件或压力测量单元204、205可以侧向地布置在壳体206的同一表面上，并且可以在测量期间以距离d处于在不同的高度。
99.为了节省成本并降低精度要求，也可以通过特殊设计的壳体部分来实现压力测量单元204、205，这些壳体部分在外部压力的影响下弯曲。在这种情况下，可以通过应变仪309、310检测弯曲。也可以使用低成本的半导体压力传感器。
100.传感器壳体206还可以无缝隙地围绕自持传感器101，以便将传感器相对于介质106气密地密封，这可以有助于成本特别低的生产。评估装置202可被配置为基于测量的物理量(即，第一测量值和第二测量值或压力值p1和p2)确定第三测量值或填充物位h。
101.此外，自持传感器101还包括倾斜传感器元件304，该倾斜传感器元件304布置在壳体206中，并且被配置为确定自持传感器的倾斜度。
102.图4示出了评估装置202可被配置为还特别考虑由倾斜传感器元件304确定的自持传感器101相对于垂线的倾斜度并且以更高的精度确定填充物位h。所确定的填充物位h可以由评估装置202传递或传输到通信装置203(例如，lora调制解调器203)，并且可以使用集成在传感器101中的天线307在接收器的方向上穿过周围介质106无线地向外辐射。
103.尤其当如图4所示的移动或静止的容器102具有不平坦的底表面109时，倾斜传感器元件304的提供和使用是有利的。自持传感器101可以在进入到容器102中之后在重力的作用下穿过介质106在容器底部109的方向上基本不受控地下沉，并且可以保持在容器底部109上的随机出现的位置401处。因此，不能认为自持传感器101相对于容器底部的垂线保持在预定义的角位置。通过考虑由倾斜传感器元件304确定并例如是传感器的倾斜角的第四测量值，可以在测量期间控制误差信号的输出，以提高测量精度。例如，如果传感器101在容器底部上保持倚靠在侧表面上，则可以将传感器配置为通过评估装置202根据第一压力值和第二压力值中的一者来确定介质106的填充物位h。替代地或补充地，传感器可被配置为由于压力测量单元204、205处于相同的高度位置而不再执行密度测量。因此，传感器可被配置为输出错误消息，以将最近知道的密度值和/或预参数化的密度值用于确定填充物位h。如果传感器101如图4所示地保持为倾斜的，则可以根据已知的距离d和传感器101的倾斜角来确定最终的高度差d
res
，从而可以提高测量精度。
104.图5示出了用于检测运输容器中的介质混合物的自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统，该自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统包括至少两个自持传感器(即，第一自持传感器101和第二自持传感器501)。
105.例如，容器102存储由具有不同密度ρ1、ρ2的至少两种介质502、503组成的介质混合物。例如，这两种介质可以是具有第一密度ρ1的作为第一介质的碳氢化合物(例如，油502)以及具有第二密度ρ2的作为第二介质的水基介质(例如，水503)，其中，水503被油502覆盖，并且在两种不相溶的介质502、503之间存在界面504。
106.自持的物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统被配置为使得第一自持传感器101具有与第二自持传感器501不同的密度。此外，自持的物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统可被配置为使得第一自持传感器101的密度在第一密度ρ1和第二密度ρ2之间，例如为0.9g/cm3，而第二自持传感器501的密度大于第二密度ρ2，例如大于1g/cm3。利用不同的密度，第二自持传感器501可以在容器102中的安装或测量期间下沉到容器底部109上，而第一自持传感器101可以漂浮在第一介质油502和第二介质水503之间的界面
504上。第二自持传感器501可以根据上述原理进行设计，例如基于一个或多个压力测量值来设计，以根据第一介质502的第一密度ρ1确定第一介质502的第一填充物位h1，根据第二介质503的第二密度ρ2确定第二介质503的第二填充物位h2，并且将这两个物位以无线的方式发送或传输到外部。
107.特别地，可以设置接收器507，该接收器可以布置在容器102外侧或容器下方或容器外部，以便接收来自第一自持传感器101和第二自持传感器501的无线电信号和测量值。
108.例如，作为评估装置或云端的接收器507可以接收第一自持传感器101的测量值或第一填充物位h1并且将其存储以用于进一步处理。第二自持传感器501还可以借助于另一通信装置(未示出)直接从第一自持传感器或通过接收器507接收该测量值(即，第一填充物位h1)，并且可以根据接收的测量值并使用与第一自持传感器101相同或不同的测量原理确定另一物理测量值。例如，可以确定容器底部109的压力值，然后根据已知的第二介质503的第二密度ρ2确定到界面504的第二填充物位h2，并由此确定总填充物位h，并且将其无线传输到外部。测量值可以由安装在容器102外部的接收器507接收，或者替代地由另一外部接收器(在此未示出)接收，将其进一步处理和/或特别是转发到商品管理系统或云端。
109.因此，自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统可以有利地用于对运输容器中的介质混合物进行界面测量。此外，可以最佳地执行对过程容器中界面的监测或对分离过程的监测。
110.原则上，也可以将提供具有定义的不同密度的多个传感器101、501以实现漂浮在预定义的介质边界层504上的原理用于其他组合或在具有大量边界层504的应用中使用。鉴于上述示例性实施例，还可以实现具有多个边界层并装配有适用于此的传感器的应用。
111.还可以设计一种密度非常低的自持传感器，该自持传感器可以漂浮在顶部并连续确定叠加的气压。如果将确定的叠加气压传送到云端和/或位于相应容器中的其他传感器101、501，则可以因此提高测量精度。
112.到目前为止示出的示例性实施例和应用场景旨在通过无线通信技术穿过相应的介质106、502、503和容器壁105在接收器(例如，网关)的方向上传输来自传感器101、501的测量值。由于介质106、503可能存在的导电性，信号在穿过它们时会被大幅衰减，考虑到介质中的较短距离以及无线电技术造成的高但根据本发明是可接受的信号衰减，这是可以接受的。然而，由于完全屏蔽无线电信号的原理，不能考虑到在如图6所示的金属容器601中的使用。
113.图6示出了可以设置用于自持传感器101、501的网关602，并且该网关可被配置为布置或安装在金属容器601上或容器壁604上或容器601的盖603上并且接收来自自持传感器101的通信装置203的无线电信号且/或将该无线电信号传输到容器外部的接收器507。容器的盖603可被设计为替换盖603。因此，即使金属容器601由于其构造而通常不能在任意位置上装配额外的开口605，也可以有利地将自持传感器101、501和自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统以及网关602用于金属容器601。图6示出了集成在盖603中的容器网关602，该容器网关被配置为接收位于容器601中的传感器101、606的无线电信号，并且通过位于盖外侧的第二天线再次向外辐射无线电信号。
114.网关602可以设置在容器内部，例如在开口附近，或者可以设置在盖内侧。因此，与例如将雷达物位传感器直接安装在盖603中的情况下相比，有利的是，在关闭容器盖603时
以及在打开容器盖603时都可以确保物位测量的功能性。因此，尤其在通过插入到开口605中的软管进行填充或排空期间，可以不受限地继续进行物位测量、极限物位测量或压力测量。
115.图6还示出了自持物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统还包括极限物位传感器606，该极限物位传感器被配置为侧向地固定在容器601的内壁上并用于向外部输出警报信号。例如，极限物位传感器606可以是音叉传感器606，其通过磁性支架安装在容器601的上部区域中，并且可被配置为在到达可在安装侧调节的填充物位hg时向外部提供或输出警报信号。如果在容器外侧设置相应的机械固定地安装或高度可调节的金属板，则所示的磁性支架也可用于传统的塑料罐。
116.在这一点上应指出的是，自持传感器101、501可被配置为使用不同的物理原理来确定填充物位或极限物位。例如，可以考虑的是，代替压力传感器元件204、205，可以将电容或导电传感器元件、振动传感器元件、温度传感器元件或化学传感器元件(例如，ph值传感器元件)用作传感器元件组件的传感器元件。
117.当测量系统使用多个自持传感器502、503或使用容器网关602时，可以同步安装在各个部件中的计时器301的测量时间，使得参与相应测量的部件基本上同时被激活。计时器301的同步也可以以本领域技术人员已知的方式提供。
118.自持传感器101、501还可以包括用于拆卸的装置。因此，表面元件可被设计为使得它们能够被例如由用户通过容器102、601的开口605插入的磁体检测到。因此，通过从容器中取出服务磁体，也可以再次从容器中或从地下井中取出自持传感器101、501。
119.图7示出了通过自持传感器101、501的用于检测至少一种介质106的填充物位或极限物位或压力或用于对运输容器102、601中的介质混合物502、503进行界面测量的方法的流程图。
120.该方法从第一步骤701中的初始状态开始，在该步骤中，提供并布置包括封闭的壳体206和具有一个或多个传感器元件204、205的传感器元件组件的自持传感器101、501，以将其停留在容器的底部上且/或使其漂浮在介质混合物502、503的界面504上而没有固定到容器上。例如，传感器元件组件具有两个传感器元件，这两个传感器元件是第一压力传感器元件204和第二压力传感器元件205，并且彼此相对地布置在自持传感器101、501的壳体206中。在步骤702中，在通过内部电源201激活自持传感器101、501时，通过计时器301以预定的时间间隔执行测量。为此，检查计时器301的当前时间t是否大于或等于下一个预参数化的唤醒时间t
wake
。如果是这种情况，则在步骤703中，向评估装置202或处理器202供电，并且加载程序。在步骤704中，通过第一压力传感器元件204确定第一测量值或第一压力值p1。在步骤705中，通过第二压力传感器元件205确定第二测量值或第二压力值p2。在步骤706中，通过自持传感器101、501的倾斜传感器元件304读出倾斜角。在步骤707中，确定周围介质106、502的密度ρ。
121.在步骤708中，通过比较第一测量值p1和第二测量值p2，检查自持传感器是直立的还是倒置的以及第一压力传感器元件204和第二压力传感器元件205是否布置在不同的高度，或者是p1》p2还是p1》p2。在步骤709、710中，通过评估装置202根据面向容器底部109的压力传感器元件204、205的第一和第二测量值确定第三测量值(例如，填充物位h)。在p1＝p2的情况下，传感器可被配置为根据第一压力值和第二压力值中的一者确定介质的填充物位h。
替代地或补充地，传感器被配置为由于第一压力传感器元件和第二压力传感器元件的高度位置相同而不再执行密度测量。因此，传感器可被配置为输出错误消息，使用最近知道的密度值和/或使用预参数化的密度值来确定填充物位h。如果自持传感器保持倾斜，则可以例如在考虑从第一压力传感器元件204和第二压力传感器元件205之间的已知距离d和倾斜角得到的高度差d
res
的情况下确定填充物位，从而提高测量精度。
122.在步骤711中激活通信装置203之后，在步骤712中，将填充物位无线地传输到外部，其中，在这种情况下，无线电信号至少部分地穿过周围介质106。在步骤713中停用通信装置，并且之后在步骤714中，处理器或评估装置202将下次测量时间传输到计时器301。
123.在步骤715中，处理器202再次断开开关元件303，因此除计时器301之外，再次停用整个系统，从而处于最大节能的状态。因此，可以最大化电池201或蓄电池201的寿命，这尤其可以实现具有能够运行多年的永久安装的电池的自持传感器101。因此，可以有利地简化生产，降低生产和操作期间的成本，并且可以以简单的方式确保传感器壳体206的密封性。
124.此外，应指出，“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。此外，还应指出，已参考其中一个上述示例性实施例说明的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被解释为限制性的。
技术特征：1.一种自持传感器(101、501)，其被配置为检测至少一种介质(106)的填充物位、极限物位或压力或者用于运输容器(102、601)中的介质混合物(502、503)的界面测量，所述自持传感器包括：封闭的壳体(206)，其被配置为浸没在所述至少一种介质中；以及传感器元件组件，其包括布置在所述壳体中或上的一个或多个传感器元件(204、205)，其中，所述传感器(101、501)被配置为在测量期间停留在所述容器的底部(109)上且/或漂浮在所述介质混合物的界面上，而没有固定到所述容器上。2.根据权利要求1所述的自持传感器(101、501)，其中，所述传感器的密度介于水的密度和油的密度之间。3.根据权利要求1或2所述的自持传感器(101、501)，其中，所述传感器元件组件包括彼此相对地布置的两个传感器元件(204、205)。4.根据权利要求3所述的自持传感器(101、501)，其中，所述两个传感器元件是第一压力传感器元件(204)和第二压力传感器元件(205)，其中，所述第一压力传感器元件被配置为确定所述至少一种介质的第一测量值，并且所述第二压力传感器元件被配置为确定所述至少一种介质的第二测量值。5.根据权利要求4所述的自持传感器(101、501)，其还包括：评估装置(202)，其布置在所述壳体中，并且被配置为基于所述第一测量值和/或所述第二测量值来确定第三测量值。6.根据前述任一项权利要求所述的自持传感器(101、501)，其还包括：通信装置(203)，其布置在所述壳体中，并且被配置为穿过所述壳体将所确定的测量值无线地传输到外部。7.根据权利要求6所述的自持传感器(101、501)，其中，所述通信装置(203)被配置为利用lpwan或具有低于1ghz的无线电频率的远程窄带无线电技术传输无线电信号。8.根据权利要求6或7所述的自持传感器(101、501)，其还包括：网关(602)，其被配置为布置在所述容器(102、601)上，接收来自所述通信装置(203)的所述无线电信号，并将所述无线电信号传输到所述容器外部的接收器(507)。9.根据前述任一项权利要求所述的自持传感器(101、501)，其还包括：电源(201)，其布置在所述壳体中，并且被配置为通过布置在所述壳体中的计时器(301)以预定的时间间隔来激活。10.根据前述任一项权利要求所述的自持传感器(101、501)，其还包括：倾斜传感器元件(304)，其布置在所述壳体(206)中，并且被配置为确定所述自持传感器的倾斜度。11.根据权利要求1至10中任一项所述的自持传感器(101、501)的用于检测至少一种介质(106)的填充物位、极限物位或压力或者用于测量运输容器(102、601)中的介质混合物(502、503)的界面的用途。12.根据权利要求11所述的自持传感器(101、501)的用途，其中，所述运输容器(102、601)是车辆储罐。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的自持传感器(101、501)的用于检测用于地下水位测量的填充物位、极限物位或压力的用途。14.一种自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统，其包括：根据权利要求1至10中任一项所述的第一自持传感器(101)；以及根据权利要求1至10中任一项所述的第二自持传感器(501)，其中，所述第一自持传感器与所述第二自持传感器具有不同的密度。15.根据权利要求14所述的自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统，其还包括：极限物位传感器(606)，其被配置为侧向地安装在所述容器(102、601)的内壁上，并且用于向外部输出警报信号。16.根据权利要求14或15所述的自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统的用于运输容器(102、601)中的介质混合物(502、503)的界面测量的用途。17.一种用于检测至少一种介质(106)的填充物位、极限物位或压力或者用于运输容器(102、601)中的介质混合物(502、503)的界面测量的方法，所述方法包括：提供和布置自持传感器(101、501)以使其停留在所述容器的底部上且/或漂浮在所述介质混合物的界面上而没有固定到所述容器上的步骤(701)，所述自持传感器包括封闭的壳体(206)和具有一个或多个传感器元件(204、205)的传感器元件组件，其中，所述传感器元件组件具有两个传感器元件，所述两个传感器元件是第一压力传感器元件(204)和第二压力传感器元件(205)并且彼此相对地布置在所述自持传感器的所述壳体中；以及在通过内部电源(201)激活所述自持传感器(101、501)时通过计时器(301)以预定的时间间隔执行测量的步骤(702)。18.根据权利要求17所述的方法，其还包括：通过所述第一压力传感器元件(204)确定所述至少一种介质的第一测量值的步骤(704)；通过所述第二压力传感器元件(205)确定所述至少一种介质的第二测量值的步骤(705)；通过评估装置(202)基于所述第一测量值和/或所述第二测量值来确定第三测量值的步骤(709、710)。19.一种程序，当其在自持传感器(101、501)的处理器(202)上执行时，所述程序指示所述自持传感器执行根据权利要求17或18所述的方法的步骤。20.一种存储有根据权利要求19所述的程序的计算机可读介质。
技术总结本发明涉及自持传感器(101、501)和自持传感器的用于检测至少一种介质(106)的填充物位、极限物位或压力或者用于运输容器(102、601)中的介质混合物(502、503)的界面测量的用途。自持传感器包括被配置为浸没在至少一种介质中的封闭壳体(206)以及具有布置在壳体中或上的一个或多个传感器元件(204、205)的传感器元件组件。传感器被设计为在测量期间停留在容器的底部上且/或漂浮在介质混合物的界面上，而没有固定到容器上。此外，本发明涉及自持的填充物位测量系统、极限物位测量系统或压力测量系统及其用于运输容器中的介质混合物的界面测量的用途、用于检测运输容器中至少一种介质的填充物位、极限物位或压力的方法、程序以及计算机可读介质。及计算机可读介质。及计算机可读介质。
技术研发人员：罗兰
受保护的技术使用者：VEGA格里沙贝两合公司
技术研发日：2021.03.05
技术公布日：2022/11/1
