ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ КОМПОНОВКА ДЛЯ ЗАКРЫТОГО КОНТЕЙНЕРА И СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЧЕРЕЗ СТЕНКУ КОНТЕЙНЕРА Российский патент 2023 года по МПК G01D21/00 

Настоящее изобретение относится к чувствительной компоновке для закрытого контейнера и к способу для использования чувствительной компоновки для передачи измеренных данных от датчика, расположенного внутри контейнера, через стенку контейнера на внешнюю сторону контейнера.

Во множестве прикладных задач является желательным передавать измеренные данные от датчика, расположенного внутри закрытого контейнера, на внешнюю сторону контейнера, например, через стальную стенку контейнера. В частности, значение датчика, обнаруженное устройством датчика внутренней схемы, размещенной внутри закрытого контейнера, должно быть передано внешней схеме, размещенной снаружи контейнера, без прокладки провода или другого проводника через стенку контейнера. Таким образом, беспроводная передача является желательной. Однако, в зависимости от материала контейнера может быть трудно или невозможно передавать электромагнитные волны через стенку контейнера, например, если стенка контейнера изготовлена из токопроводящего материала, такого как сталь. Другой проблемой, которая должна быть устранена, является беспроводная подача мощности для внутренней схемы. Это, в частности, является проблемой в прикладных задачах, в которых внутри закрытого контейнера преобладает высокая температура 60ºC или более и/или давление выше или ниже атмосферного давления. Примером такой прикладной задачи является передача данных изнутри дистилляционной или ректификационной колонны через ее стальную стенку на ее внешнюю сторону.

US 6 037 704 A раскрывает чувствительную компоновку согласно преамбуле п. 1 формулы изобретения и способ согласно преамбуле п. 13.

ES 2 639 765 A1 раскрывает чувствительную компоновку, содержащую внутреннюю схему, размещенную внутри контейнера и внешнюю схему снаружи контейнера. Внутренняя схема содержит схему передатчика, имеющую устройство датчика, внутренний контроллер, цифро-аналоговый преобразователь и первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь. Внутренний контроллер формирует двоичные слова, содержащие информацию датчика. На основе этого двоичного слова цифро-аналоговый преобразователь модулирует несущий сигнал посредством модуляции с фазовым сдвигом, так что информация, которая должна быть передана, содержится в фазе или изменениях фазы аналогового сигнала, который используется для управления первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем, который создает соответствующий акустический информационный сигнал, который вносится в стенку контейнера. Внешняя схема содержит схему приемника, имеющую внешний контроллер, первый внешний пьезоэлектрический преобразователь и аналого-цифровой преобразователь. Акустический информационный сигнал принимается первым внешним пьезоэлектрическим преобразователем и пересылается аналого-цифровому преобразователю для демодуляции для того, чтобы извлекать двоичное слово из аналогового сигнала. Внутренняя схема также содержит схему получения мощности, имеющую устройство сохранения энергии и второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь. Схема подачи мощности для внешней схемы содержит источник мощности и второй внешний пьезоэлектрический преобразователь. Схема подачи мощности создает сигнал мощности, вносимый в стенку контейнера через второй внешний пьезоэлектрический преобразователь. Второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь принимает этот сигнал мощности и подает электрическую мощность в устройство сохранения энергии. Электрическая энергия, сохраненная в устройстве сохранения энергии, может быть использована для работы внутренней схемы. Однако, фазовая модуляция требует сложных схем и, таким образом, потребляет заметное количество энергии.

Другая чувствительная компоновка раскрывается в US 2015/0049587 A1. Внутренняя и внешняя схемы используют одну единственную пару пьезоэлектрических преобразователей для одновременной двухсторонней передачи данных и энергии. Несущий сигнал модулируется внешней схемой и способен передавать информацию и энергию внутренней схеме. Во внутренней схеме огибающая несущего сигнала определяется и дискретизируется с помощью аналого-цифрового преобразователя. Связь между внутренней и внешней сторонами реализуется посредством приложения незатухающего несущего сигнала, создаваемого внешней схемой, на пьезоэлектрическом преобразователе внутренней схемы. Преобразователь внутренней схемы способен изменять характеристики поглощения или отражения, и, таким образом, незатухающий несущий сигнал может быть модулирован и отражен обратно внешней схеме. Также эта чувствительная компоновка является сложной и потребляет много энергии.

Чувствительная компоновка согласно DE 10 2007 038 419 A1 выполнена так, чтобы передавать значения измерений с внутренней стороны на внешнюю сторону контейнера посредством модуляции колеблющегося несущего сигнала в зависимости от значения измерения. Это модулированный сигнал преобразуется в акустическую волну и передается через стенку контейнера.

DE 10 2004 014 288 A1 раскрывает устройство и способ для передачи данных и энергии через стенку контейнера. Внешняя схема содержит осциллятор, внешний преобразователь для внесения акустического сигнала мощности в стенку контейнера. Внутренняя схема получения мощности имеет устройство сохранения энергии и внутренний преобразователь, который выполнен так, чтобы, по меньшей мере, частично преобразовывать принятый акустический сигнал мощности в электрическую мощность, которая может быть сохранена в устройстве сохранения энергии.

Целью настоящего изобретения является предоставление чувствительной компоновки и способа, в частности, для обнаружения физического параметра внутри закрытого контейнера и передачи соответствующих данных через стенку контейнера на внешнюю сторону контейнера, который, по меньшей мере, является подходящим для передачи небольших объемов данных через стенку контейнера, который является простым, устойчивым, в частности, к высоким температурам и/или высоким или низким давлениям, преобладающим в контейнере, и минимизирует потребление энергии.

Эта цель решается посредством чувствительной компоновки с признаками из п. 1 и способа с признаками из п. 13 формулы изобретения.

Чувствительная компоновка настоящего изобретения содержит внутреннюю схему, выполненную для размещения внутри закрытого контейнера, и внешнюю схему, выполненную для размещения снаружи закрытого контейнера. Внутренняя схема содержит схему передатчика, имеющую устройство датчика, внутренний контроллер и первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь. Внутренний контроллер выполнен так, чтобы создавать выходной сигнал, содержащий информацию датчика, принятую от устройства датчика. Информация датчика содержит значение датчика, которое характеризует физический параметр, обнаруженный или измеренный устройством датчика. Таким образом, также выходной сигнал контроллера характеризует упомянутый физический параметр, обнаруженный или измеренный посредством устройства датчика. Выходной сигнал контроллера прикладывается к первому внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю. Как следствие, первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь создает акустический информационный сигнал на основе выходного сигнала контроллера. Первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь размещается так, что он вносит акустический информационный сигнал внутрь стенки контейнера. Внешняя схема имеет схему приемника. Схема приемника содержит первый внешний пьезоэлектрический преобразователь и внешний контроллер. Первый внешний пьезоэлектрический преобразователь выполняется с возможностью принимать акустический информационный сигнал, передаваемый через стенку контейнера. Внешний контроллер выполнен так, чтобы принимать информацию датчика, содержащуюся в принятом информационном сигнале. Информация датчика может быть дополнительно обработана и/или выведена (например, на дисплее) и/или передана внешнему устройству.

Выходной сигнал контроллера и/или информационный сигнал создается способом без информации датчика, содержащейся в амплитуде или фазе выходного сигнала контроллера и/или информационном сигнале. Скорее, выходной сигнал контроллера и/или информационный сигнал кодируется/кодируются посредством изменения продолжительности, по меньшей мере, одного фрагмента сигнала. Выходной сигнал контроллера и/или информационный сигнал просто содержит временную последовательность различаемых фрагментов сигнала, а именно, по меньшей мере, одну последовательность из колеблющегося фрагмента сигнала и постоянного фрагмента сигнала. Двоичное значение, которое должно быть передано, характеризуется продолжительностью, по меньшей мере, одного фрагмента сигнала. При этом информация может быть закодирована в выходном сигнале контроллера и/или информационном сигнале без необходимости предоставлять сложные компоненты модуляции по амплитуде, фазе или частоте. Простое и надежное кодирование акустического информационного сигнала является нечувствительным к низкочастотной вибрации работающего резервуара, которая может влиять на информационный сигнал во время передачи через стенку контейнера.

В общем, чувствительная компоновка настоящего изобретения является особенно подходящей для обнаружения физического параметра внутри закрытого контейнера и для передачи соответствующих данных через стенку контейнера на внешнюю сторону контейнера и является простой, надежной и минимизирует потребление энергии. Дополнительным преимуществом является то, что чувствительная компоновка не нуждается в каком-либо умножителе или обработке сигнала.

Предпочтительно выходной сигнал контроллера кодируется, чтобы включать в себя информацию датчика, и может быть использован непосредственно для приведения в действие первого внутреннего пьезоэлектрического преобразователя. В частности, после того как акустический информационный сигнал был создан первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем, он лишь вносится внутрь стенки контейнера без какой-либо дополнительной обработки сигнала и/или кодирования. В преимущественном варианте осуществления выходной сигнал контроллера создается включающим в себя информацию датчика на основе широтно-импульсной модуляции. Выходной сигнал контроллера и информационный сигнал, таким образом, являются сигналами, подвергнутыми широтно-импульсной модуляции, содержащими информацию датчика и необязательно дополнительную информацию.

Благодаря простой конструкции внутренней схемы необходимо лишь небольшое число компонентов. Эти компоненты могут быть выбраны, чтобы выдерживать жесткие условия внутри контейнера. Контейнер является, например, дистилляционной или ректификационной колонной. Внутренняя схема в дистилляционной колонне подвергается воздействию температур, равных, по меньшей мере, от 60ºC и до 225ºC.

В предпочтительном варианте осуществления внутренний контроллер непосредственно соединяется с первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем для приложения выходного сигнала контроллера непосредственно без дополнительной модификации или усиления к первому внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю.

Является предпочтительным обеспечивать асинхронную передачу. Как объяснено выше, информационный сигнал может быть передан от внутренней схемы внешней схеме. В любое время электрическая мощность может быть передана от внешней схемы внутренней схеме. Внешняя схема может содержать схему подачи питания, соединенную с источником питания и содержащую второй внешний пьезоэлектрический преобразователь. Схема подачи питания выполнена так, чтобы создавать сигнал мощности, предпочтительно сигнал акустической мощности, посредством управления вторым внешним пьезоэлектрическим преобразователем. Второй внешний пьезоэлектрический преобразователь выполняется с возможностью вносить сигнал мощности внутрь стенки контейнера. Сигнал мощности может иметь постоянную частоту колебания. В таком варианте осуществления внутренняя схема может содержать схему получения мощности, имеющую устройство сохранения энергии и второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь. Второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь выполняется с возможностью принимать сигнал мощности через стенку контейнера. Колебание, приложенное ко второму внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю, по меньшей мере, частично преобразуется в электрическую мощность и может быть сохранено в устройстве сохранения энергии для работы внутренней схемы.

Как упомянуто ранее, схема передатчика внутренней схемы может быть выполнена так, чтобы создавать выходной сигнал контроллера и/или информационный сигнал с помощью широтно-импульсной модуляции. Согласно изобретению выходной сигнал контроллера и/или информационный сигнал содержат, по меньшей мере, одну, а предпочтительно множество последовательностей, каждая из которых сформирована посредством колеблющегося фрагмента сигнала и постоянного фрагмента сигнала. Постоянный фрагмент сигнала может непосредственно следовать за колеблющимся фрагментом сигнала или наоборот. Суммарная продолжительность, по меньшей мере, одной последовательности и/или продолжительность колеблющегося фрагмента сигнала и/или продолжительность постоянного фрагмента сигнала характеризует одно из двоичных значений. Например, продолжительность колеблющегося фрагмента может изменяться, так что первая продолжительность характеризует одно из двоичных значений (например, "0"), а другая вторая продолжительность характеризует соответствующее другое из двоичных значений (например, "1").

Предпочтительно амплитуда и/или частота колеблющегося фрагмента сигнала является постоянной. Амплитуда постоянного фрагмента сигнала является постоянной и предпочтительно равна нулю.

В одном варианте осуществления число колебаний одного колеблющегося фрагмента сигнала характеризует одно из двух возможных двоичных значений. Например, первое число колебаний характеризует одно из двоичных значений (например, "0"), а другое второе число колебаний характеризует соответствующее другое из двоичных значений (например, "1").

Схема передатчика внутренней схемы может быть выполнена, чтобы создавать выходной сигнал контроллера и/или информационный сигнал без информации датчика, содержащейся в частоте (акустического) информационного сигнала. В частности, частотная модуляция колеблющегося фрагмента не выполняется для кодирования информации датчика или другой информации, которая должна быть извлечена во внешней схеме.

Схема передатчика - и, например, устройство датчика - предпочтительно выполнена так, чтобы предоставлять информацию, которая должна быть передана, включающую в себя, по меньшей мере, информацию датчика от устройства датчика, как строку символов. Эта строка символов может затем быть закодирована в двоичные значения, например, с помощью ASCII-кода или любого другого известного кода для определения символов. При этом строка символов может быть преобразована посимвольно в слово из множества двоичных значений. Это слово используется для кодирования выходного сигнала контроллера, как уже объяснено выше.

Выходной сигнал контроллера может содержать дополнительную информацию, отличную от измеренного значения, например, идентификатор, который характеризует тип измерения. Идентификатор, ассоциированный с измеренным значением, может быть любым символом или словом, который предоставляет возможность идентифицировать измеренное значение, например, "T" или "Temp" может быть использовано в качестве идентификатора для значения температуры. Аналогично, "P" или "Pressure" может быть использовано в качестве идентификатора для значения давления, и/или "H" или "Hum" может быть использовано в качестве идентификатора для значения влажности. Это предоставляет возможность использовать более одного устройства датчика во внутренней схеме. Выходной сигнал контроллера и информационный сигнал могут, таким образом, содержать информацию датчика для более чем одного устройства датчика.

Предпочтительные варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением описываются со ссылкой на прилагаемые чертежи в последующем.

Фиг. 1 является схематичной иллюстрацией чувствительной компоновки, содержащей внутреннюю схему, размещенную внутри закрытого контейнера, и внешнюю схему, размещенную снаружи контейнера.

Фиг. 2 является схематичной иллюстрацией варианта осуществления внутренней схемы и внешней схемы.

Фиг. 3 является блок-схемой последовательности операций, которая иллюстрирует предпочтительный способ кодирования и декодирования информации датчика.

Фиг. 4 является схематичной иллюстрацией предпочтительного принципа кодирования выходного сигнала контроллера во внутренней схеме.

Фиг. 5 является схематичной иллюстрацией форм сигнала во время обработки сигнала во внутренней схеме для кодирования информации датчика в акустическом информационном сигнале, во время передачи акустического сигнала через стенку контейнера и во время обработки сигнала во внешней схеме для извлечения информации датчика.

Фиг. 6 является схематичной иллюстрацией, показывающей различные величины частоты, используемые для передачи данных с одной стороны и используемые для передачи мощности с другой стороны.

Фиг. 1 показывает очень схематичную иллюстрацию чувствительной компоновки 10. Чувствительная компоновка 10 выполнена так, чтобы обнаруживать или измерять физический параметр внутри закрытого контейнера 11, создавать акустический информационный сигнал, характеризующий физический параметр, и передавать акустический информационный сигнал беспроводным образом на внешнюю сторону контейнера 11. В настоящем варианте осуществления чувствительная компоновка 10 дополнительно выполнена так, чтобы подавать энергию беспроводным образом внутрь контейнера 11. В варианте осуществления, описанном в данном документе, контейнер 11 может быть дистилляционной колонной.

Чувствительная компоновка 10 содержит внутреннюю схему 12, размещенную внутри закрытого контейнера 11, и внешнюю схему 13, размещенную снаружи контейнера 11. Внутренняя схема 12 и внешняя схема 13 связываются друг с другом беспроводным образом через одну из стенок 14 контейнера 11, внося акустические колебания внутрь стенки 14 на передающей стороне и принимая акустические колебания на противоположной принимающей стороне.

Внутренняя схема 12 и внешняя схема 13, каждая, содержат одну часть схемы, которая выполнена для передачи данных изнутри наружу, и другую часть схемы, которая выполнена для передачи мощности снаружи внутрь между внутренней схемой 12 и внешней схемой 13, соответственно. В частности, внутренняя схема 12 содержит схему 15 передатчика и схему 16 получения мощности, а внешняя схема 13 содержит схему 17 приемника и схему 18 подачи мощности.

На фиг. 2 схематично иллюстрируется предпочтительный вариант осуществления внутренней схемы 12 и внешней схемы 13. Схема 15 передатчика содержит устройство 22 датчика, которое выполнена так, чтобы измерять физический параметр внутри контейнера 11, такой как, например, температура, давление, влажность или любое другое желаемое значение. Устройство датчика создает значение SV датчика на основе измерения. В предпочтительном варианте осуществления устройство 22 датчика выполнена так, чтобы создавать информацию SI датчика, содержащую значение SV датчика. Информация SI датчика передается внутреннему контроллеру 23 схемы 15 передатчика. В этом варианте осуществления устройство 22 датчика содержит библиотеку, и созданная информация SI датчика может иметь форму строки символов STR, как объяснено ниже со ссылкой на фиг. 3 более подробно.

На основе информации SI датчика внутренний контроллер 23 создает выходной сигнал OS контроллера, который используется для управления первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем 24 схемы 15 передатчика. При этом первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь 24 создает акустический информационный сигнал DS, который соответствует выходному сигналу OS. Первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь 24 схемы 15 передатчика соединяется присоединяется к стенке 14 контейнера 11 и, таким образом, выполняется с возможностью вносить акустический информационный сигнал DS в стенку 14 контейнера 11, так что он может быть передан через упомянутую стенку 14 и принят на внешней стороне контейнера 11.

Первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь 24 соединяется со стенкой 14 с помощью любого подходящего соединительного средства, которое может создавать посадку с натягом и/или соответствие форме и/или соединение со связыванием материала. В этом варианте осуществления соединительный слой 25 предусматривается между первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем 24 и стенкой. Этот клейкий соединительный слой 25 предоставляет более упругую или гибкую опору для первого внутреннего пьезоэлектрического преобразователя 24 и гарантирует, что он может вибрировать или колебаться. Предпочтительно соединительный слой 25 может формировать клейкий слой для прикрепления первого внутреннего пьезоэлектрического преобразователя 24 к стенке 14. Например, акриловый материал может быть использован в качестве клейкого соединительного слоя 25.

Схема 17 приемника содержит первый внешний пьезоэлектрический преобразователь 30, который присоединяется к стенке 14 предпочтительно в непосредственном выравнивании с первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем 24. Первый внешний пьезоэлектрический преобразователь 30 может быть присоединен к стенке 14 любым подходящим соединительным средством, аналогичным первому внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю 24, и предпочтительно с помощью клейкого соединительного слоя 25.

Схема 17 приемника дополнительно содержит усилитель 31, компаратор 32 и внешний контроллер 33. Первый внешний пьезоэлектрический преобразователь 30 принимает акустический информационный сигнал DS и создает колеблющийся аналоговый выходной сигнал TO преобразователя, соответствующий акустическому информационному сигналу DS. Первый внешний пьезоэлектрический преобразователь 30 соединяется с усилителем 31, чтобы предоставлять выходной сигнал TO преобразователя усилителю 31, который выводит усиленный выходной сигнал TOA преобразователя. Усилитель соединяется с компаратором 32 и предоставляет усиленный выходной сигнал TOA преобразователя входной стороне компаратора 32. Компаратор 32 выполнен так, чтобы оцифровывать усиленный выходной сигнал TOA преобразователя, и выводит соответствующий сигнал CS компаратора. Компаратор 32 соединяется с внешним контроллером 33, который выполнен так, чтобы принимать сигнал CS компаратора. Во внешнем контроллере 33 информация, содержащаяся в акустическом информационном сигнале DS, в частности, информация SI датчика, извлекается и может быть дополнительно обработана или выведена. В настоящем варианте осуществления, как иллюстрировано, внешний контроллер 33 выводит извлеченную информацию, содержащуюся в акустическом информационном сигнале DS, на дисплей 34 или любое другое подходящее устройство пользовательского интерфейса.

Все еще со ссылкой на фиг. 2, внешний контроллер 33 дополнительно выполнен так, чтобы управлять управляемым блоком 38 питания схемы 18 подачи питания. Блок 38 питания соединяется с источником 39 электрической мощности, который может быть источником 39 мощности переменного тока (AC) или постоянного тока (DC). Источник 39 мощности является, например, сетью, предоставляющей AC-мощность. Блок 38 питания может содержать блок 40 переключения, который преобразует предоставляемую электрическую мощность от источника 39 мощности в переменный сигнал более высокой частоты. Блок 38 питания может дополнительно содержать задающий блок 41, чтобы усиливать переменный сигнал. При этом блок 38 питания создает переменный сигнал AS питания. Переменный сигнал AS питания может быть прямоугольным импульсным сигналом, как иллюстрировано схематично на фиг. 6. Блок 38 питания может использовать любую известную топологию преобразователя для преобразования электрической мощности, предоставляемой источником 39 мощности, в переменный сигнал AS питания. Переменный сигнал AS питания выводится из блока 38 питания и используется для управления вторым внешним пьезоэлектрическим преобразователем 42. Он создает акустический сигнал PS мощности, который вносится в стенку 14 для передачи схеме 16 получения мощности внутренней схемы 12.

Является предпочтительным, что акустический сигнал PS мощности является ультразвуковым сигналом. В настоящем примере частота переменного сигнала AS питания и акустического сигнала PS мощности равна, по меньшей мере, 1 МГц. Частота переменного сигнала AS питания и акустического сигнала PS мощности может быть постоянной.

Второй внешний пьезоэлектрический преобразователь 42 присоединяется к стенке 14 в местоположении, отдаленном от или непосредственно рядом с первым внешним пьезоэлектрическим преобразователем 30, чтобы вносить акустический сигнал PS мощности внутрь стенки 14. Для приема акустического сигнала PS мощности схема 16 получения мощности содержит второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь 43, который присоединяется к стенке 14 предпочтительно в непосредственном совмещении со вторым внешним пьезоэлектрическим преобразователем 42. Второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь 43 выполнен так, чтобы создавать электрический сигнал PE мощности, соответствующий акустическому сигналу PS мощности, принятому через стенку 14.

Следует отметить, что аналогично другим пьезоэлектрическим преобразователям 24, 30, также второй внешний пьезоэлектрический преобразователь 42 и второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь 43 могут быть присоединены к стенке 14 любым подходящим соединительным средством, а предпочтительно с помощью клейкого соединительного слоя 25. В предпочтительном варианте осуществления резонансная частота всех пьезоэлектрических преобразователей 24, 30, 42, 43 имеет величину около 40 кГц. Альтернативно, каждая пара преобразователей может иметь различные резонансные частоты. Преобразователи одной общей пары 24, 30 и 42, 43, которые предоставляются, чтобы связываться друг с другом, имеют предпочтительно одинаковую резонансную частоту и могут быть идентичными.

Дополнительно ко второму внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю 43 схема 16 получения мощности содержит DC-преобразователь 44 и устройство 45 сохранения энергии. DC-преобразователь 44 предпочтительно непосредственно соединяется со вторым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем 43 для приема электрического сигнала PE мощности. DC-преобразователь 44 выполнен для преобразования переменного электрического сигнала PE мощности в DC-напряжение DCV, которое подходит для работы компонентов внутренней схемы 12. DC-напряжение DCV может иметь величину около 5 В в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения. Устройство 45 сохранения энергии присоединяется к выходу DC-преобразователя 44. Электрическая мощность, предоставляемая DC-преобразователем 44, сохраняется в устройстве 45 сохранения энергии. DC-преобразователь 44 выполнен так, чтобы регулировать DC-напряжение DCV на своем выходе и в устройстве 45 сохранения энергии.

В частности, как иллюстрировано на фиг. 2, DC-преобразователь 44 может содержать выпрямитель 46, например, диодный мост. Диодный мост содержит предпочтительно четыре диода для выпрямления электрического сигнала PE мощности и, таким образом, предоставляет выпрямленный сигнал PR мощности. Предпочтительно выпрямитель 46 не содержит какие-либо управляемые переключающие элементы, а скорее формируется только из диодов. Регулятор 47 напряжения последовательно с выпрямителем 46 выполнен так, чтобы принимать выпрямленный сигнал PR мощности и подавать электрическую DC-мощность устройству 45 сохранения энергии, тем самым, регулируя DC-напряжение DCV, чтобы соответствовать предварительно заданному значению DC-напряжения. В предпочтительном варианте осуществления устройство 45 сохранения энергии содержит, по меньшей мере, один конденсатор 48. Устройство 45 сохранения энергии предпочтительно формируется только посредством одного или более конденсаторов 48 для сохранения электрической энергии. Как показано на фиг. 2, отрегулированное DC-напряжение DCV и сохраненная энергия предоставляются для работы схемы 15 передатчика и, в частности, внутреннего контроллера 23 и/или устройства 22 датчика.

Как уже упомянуто, контейнер 11 может быть дистилляционной колонной. Внутренняя схема 12 подвергается воздействию температур около 225ºC и химической обработке в дистилляционной колонне. Таким образом, компоненты, используемые для внутренней схемы 12, должны выдерживать эти жесткие условия. В предпочтительном варианте осуществления следующие компоненты используются для внутренней схемы 12:

- Honeywell HT83C51 в качестве внутреннего контроллера 23;

- керамический конденсатор 48, например, Kemet TCR Series;

- Honeywell HTPLREG в качестве регулятора 47 напряжения;

- два CHT-CALLISTO (каждый содержит два диода), чтобы формировать диодный мост выпрямителя 46;

- TRS 200HD от TRS Technologies в качестве пьезоэлектрических преобразователей.

Вся внутренняя схема 12 предпочтительно заключается в защитный пластмассовый материал, например, эпоксидную смолу. Как вариант, внутренняя схема 12 может быть альтернативно или дополнительно размещена внутри защитной оболочки в зависимости от типа химического процесса внутри дистилляционной колонны.

Множество возможностей существуют, чтобы гарантировать, что достаточно энергии сохраняется в устройстве 45 сохранения энергии схемы 16 получения мощности. В этом варианте осуществления внешний контроллер 33 может активизировать схему 18 подачи мощности в регулярных предварительно определенных временных интервалах или альтернативно по какому-либо инициирующему событию, например, по приеме запроса. Следом за активизацией схемы 18 подачи мощности акустический сигнал PS мощности создается в течение определенного периода передачи мощности. В течение этого периода передачи мощности акустический сигнал PS мощности может иметь постоянную частоту 1 МГц или более. Продолжительность периода передачи мощности является довольно длинной, так что достаточно электрической мощности передается схеме 16 получения мощности, которая предоставляет возможность работать схеме 15 передатчика для передачи, по меньшей мере, одного акустического информационного сигнала DS схеме 17 приемника. Эта процедура также предоставляет возможность использовать передачу энергии схеме 16 получения мощности в качестве триггера или запроса для передачи фактической информации SI датчика посредством акустического информационного сигнала DS.

Со ссылкой на фиг. 3-5, сигналы, созданные и используемые для передачи данных, объясняются более подробно.

Как упомянуто ранее, устройство 22 датчика измеряет значение SV датчика, на основе которого информация SI датчика в форме строки символов STR создается и передается внутреннему контроллеру 23. В примере на фиг. 3 устройство 22 датчика является температурным датчиком, и строка символов STR содержит идентификатор (например, "T" или "Temp" или "T=" или "TEMP="), указывающий, что измеренное значение SV датчика является значением температуры. Идентификатор может быть в начале строки символов STR. Следом за идентификатором измеренное значение SV датчика (например, значение температуры) вместе с соответствующей единицей измерения содержится в строке символов STR.

Альтернативно иллюстрированному варианту осуществления значение SV датчика может быть предоставлено от устройства 22 датчика внутреннему контроллеру 23, и внутренний контроллер 23 может быть выполнен так, чтобы создавать строку символов STR.

Предпочтительно идентификатор содержит определенное число символов в строке символов STR. Также значение SV датчика и единица измерения могут содержать определенное число символов в строке символов STR. При этом внутренний контроллер 23 может исполнять проверку достоверности того, содержит ли строка символов STR предварительно определенное суммарное число символов. Это предоставляет возможность обнаружения, по меньшей мере, некоторых неправильностей в созданной или переданной строке символов STR.

Посредством внутреннего контроллера 23 эта строка символов STR преобразуется в двоичное слово BW, содержащее множество двоичных значений (0 или 1). Для преобразования строки символов STR может быть использован ASCII-код или любой другой подходящий код. В этом примере, с помощью ASCII-кода, каждый символ в строке символов STR преобразуется в число ASCII-кода, и это число ASCII-кода преобразуется в двоичное число, формирующее последовательность битов определенной длины, например, длиной восемь битов. Каждая битовая последовательность, таким образом, соответствует одному символу строки символов STR. Например, первым символом идентификатора является "T", соответствующий значению 020 ASCII-кода, которое соответствует восьмибитовой последовательности 00010100. Все битовые последовательности добавляются, чтобы формировать двоичное слово BW. Таким образом, все символы в строке символов STR преобразуются в битовую последовательность и сцепляются, чтобы формировать законченное двоичное слово BW.

Следует отметить, что схема 15 передатчика может также содержать более одного устройства 22 датчика. Внутренний контроллер 23 может добавлять две или более строк символов STR, переданных от одного или более устройств 22 датчиков, чтобы формировать одно двоичное слово BW. Идентификаторы, содержащиеся в двоичном слове BW, предоставляют возможность идентифицировать каждое содержащееся значение SV датчика.

После создания двоичного слова BW внутренний контроллер 23 создает подвергнутый широтно-импульсной модуляции выходной сигнал OS контроллера на основе двоичного слова BW, как схематично иллюстрировано на фиг. 4.

Выходной сигнал OS контроллера формируется, чтобы содержать множество последовательностей S, каждая формируется посредством колеблющегося фрагмента PO сигнала и постоянного фрагмента PC сигнала. Предпочтительно, колеблющийся фрагмент PO сигнала является прямоугольным импульсным сигналом, имеющим постоянную частоту, и все импульсы могут иметь одинаковое пиковое значение. Постоянный фрагмент PC сигнала имеет постоянную амплитуду, например, амплитуда постоянного фрагмента PC сигнала может быть нулевой. Таким образом, каждая последовательность S может рассматриваться как пакетный сигнал.

В настоящем варианте осуществления продолжительность, по меньшей мере, одного из фрагментов PO, PC сигнала изменяется, так что различные интервалы продолжительности указываются, каждый из которых соответствует ассоциированному значению. В этом примере два различных интервала продолжительности определяются: по одному для каждого двоичного значения 0 или 1. Также является возможным различать между более чем двумя различными значениями, если соответствующее число различных продолжительностей используется.

В частности, как иллюстрировано на фиг. 4, колеблющийся фрагмент PO сигнала имеет либо первую продолжительность t1, соответствующую двоичному значению 0, либо вторую продолжительность t2, соответствующую двоичному значению 1, или наоборот. За каждым колеблющимся фрагментом PO сигнала следует постоянный фрагмент PC сигнала для того, чтобы различать колеблющиеся фрагменты PO сигнала отдельных последовательностей S друг от друга. В этом примере вторая продолжительность t2 короче первой продолжительности t1. Первая продолжительность t1 может быть, по меньшей мере, в 1,5-2,0 раза дольше второй продолжительности t2. В одном предпочтительном варианте осуществления первая продолжительность t1 равна 4 мс, а вторая продолжительность t2 равна 2 мс. Эта разница продолжительности предоставляет возможность четкого различения между закодированными двоичными значениями 0 и 1, даже если передача сигнала подвержена шуму.

Постоянный фрагмент PC сигнала имеет предпочтительно постоянную третью продолжительность t3, которая является, по меньшей мере, такой же продолжительной, что и первая продолжительность t1. В этом варианте осуществления третья продолжительность t3, по меньшей мере, в 2,0 раза дольше первой продолжительности t1. Третья продолжительность t3 может иметь интервал 10 мс. Сохранение третьей продолжительности t3 постоянного фрагмента PC сигнала постоянной и изменение продолжительности колеблющегося фрагмента PO сигнала изменяет суммарную продолжительность последовательности S, как показано на фиг. 4, чтобы сохранять суммарное время для передачи сигнала настолько коротким, насколько возможно.

Акустический информационный сигнал DS создается посредством первого внутреннего пьезоэлектрического преобразователя 24 на основе подвергнутого широтно-импульсной модуляции выходного сигнала OS контроллера и вносится в стенку 14 для передачи первому внешнему пьезоэлектрическому преобразователю 30. Как показано на фиг. 5, амплитуда акустического информационного сигнала DS может быть уменьшена вследствие эффектов затухания во время передачи. Соответственно, выходной сигнал TO преобразователя имеет более низкую амплитуду по сравнению с акустическим информационным сигналом DS. По этой причине усилитель 31 предусматривается и конфигурируется, чтобы усиливать выходной сигнал TO преобразователя. Соответственно, усиленный выходной сигнал TOA преобразователя имеет увеличенную амплитуду по сравнению с выходным сигналом TO преобразователя. Увеличенная амплитуда усиленного выходного сигнала TOA преобразователя увеличивает точность различения компаратора при оцифровке усиленного выходного сигнала TOA преобразователя, чтобы формировать сигнал CS компаратора. Как схематично иллюстрировано на фиг. 5, сигнал CS компаратора содержит прямоугольные попеременные фрагменты, отделенные друг от друга фрагментами с постоянной амплитудой. Сигнал компаратора, таким образом, является цифровым сигналом, отражающим последовательности S, содержащиеся в выходном сигнале OS контроллера.

Обращаясь обратно к фиг. 4, внешний контроллер 33 принимает сигнал CS компаратора. Для извлечения содержащейся информации SI датчика выходной контроллер 33 подсчитывает импульсы каждого отдельного попеременного фрагмента в сигнале CS компаратора. В зависимости от числа импульсов, содержащихся в одном отдельном чередующемся фрагменте сигнала CS компаратора, внешний контроллер 33 определяет, соответствует ли этот переменный фрагмент сигнала CS компаратора двоичному значению 0 или двоичному значению 1. В частности, если отдельный переменный фрагмент сигнала CS компаратора имеет первое число импульсов (например, 160 импульсов), он был создан на основе колеблющегося фрагмента PO сигнала с первой продолжительностью t1, а если отдельный переменный фрагмент сигнала CS компаратора имеет второе число импульсов (например, 80 импульсов), он был создан на основе колеблющегося фрагмента PO сигнала со второй продолжительностью t1. При этом двоичное слово BW может быть декодировано внешним контроллером 33.

На последующем этапе внешний контроллер 33 использует тот же код, что и внутренний контроллер 23, для преобразования двоичного слова BW обратно в строку символов STR, в этом варианте осуществления ASCII-код. Декодированная строка символов STR может быть отображена и/или использована иным образом.

Кодирование информации для передачи на основе способа широтно-импульсной модуляции в подвергнутом широтно-импульсной модуляции выходном сигнале OS контроллера, как объяснено выше, уменьшает сложность схемы 15 передатчика и схемы 17 приемника заметно. Информация не кодируется посредством модуляции по амплитуде, фазе или частоте выходного сигнала OS контроллера. Также подвергнутый широтно-импульсной модуляции выходной сигнал OS контроллера и соответствующий акустический информационный сигнал DS являются нечувствительными к шуму, и правильное декодирование содержащейся информации является простым и надежным.

Частота колеблющегося фрагмента PO сигнала предпочтительно является заметно более низкой по сравнению с частотой переменного сигнала AS питания и акустического сигнала PS мощности, как схематично иллюстрировано на фиг. 6. Это устраняет помеху между акустическим сигналом PS мощности и акустическим информационным сигналом DS в случае, когда оба сигнала PS, DS передаются одновременно или в перекрывающихся временных периодах. Частота колеблющегося фрагмента PO сигнала может иметь величину, соответствующую резонансной частоте преобразователей, например, 40 кГц. Частота переменного сигнала AS питания.

Вследствие уменьшенной сложности передачи информации и низкого числа требуемых компонентов, потребление мощности передающей схемы 15 является низким. Также требуемое пространство для внутренней схемы 12 является небольшим и может иметь величину около 60 см³.

Список обозначений ссылок:

10 чувствительная компоновка 11 контейнер 12 внутренняя схема 13 внешняя схема 14 стенка контейнера 15 схема передатчика 16 схема получения мощности 17 схема приемника 18 схема подачи мощности 22 устройство датчика 23 внутренний контроллер 24 первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь 25 соединительный слой 30 первый внешний пьезоэлектрический преобразователь 31 усилитель 32 компаратор 33 внешний контроллер 34 дисплей 38 блок питания 39 источник мощности 40 блок переключения 41 возбуждающий блок 42 второй внешний пьезоэлектрический преобразователь 43 второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь 44 DC-преобразователь 45 устройство сохранения энергии 46 выпрямитель 47 регулятор напряжения 48 конденсатор AS переменный сигнал питания BW двоичное слово CS сигнал компаратора DCV DC-напряжение DS акустический информационный сигнал PS акустический сигнал мощности OS выходной сигнал PE электрический сигнал мощности PC постоянный фрагмент выходного сигнала PO колеблющийся фрагмент выходного сигнала PR выпрямленный сигнал мощности PS акустический сигнал мощности S последовательность SI информация датчика STR строка символов SV значение датчика t1 первая продолжительность t2 вторая продолжительность t3 третья продолжительность TO выходной сигнал преобразователя TOA усиленный выходной сигнал преобразователя

Изобретение относится к метрологии, в частности, к датчикам для измерения параметров среды, размещенной в закрытой емкости. Устройство содержит два внутренних и два внешних пьезоэлектрических преобразователя. Второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь соединен с DC-преобразователем. DC преобразователь состоит из последовательно соединенных выпрямителя и регулятора напряжения. К выходу регулятора напряжения подключено устройство хранения электрической энергии, соединенное с внутренним контроллером. К внутреннему контролеру подключен датчик, а также первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь. Первый внешний пьезоэлектрический преобразователь соединен с усилителем, выход которого соединен со входом компаратора , выход компаратора соединен с внешним контроллером. Внешний контроллер соединен с дисплеем, источником мощности, который соединен с возбуждающим блоком. Выход возбуждающего блока соединен со вторым внешним пьезоэлектрическим преобразователем. Технический результат – повышение надежности процесса кодирования и модуляции сигналов при передаче их через стенку контейнера. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Чувствительная компоновка (10) для обнаружения физического параметра внутри закрытого контейнера (11) и для передачи соответствующих данных через стенку (14) контейнера на внешнюю сторону контейнера (11), содержащая внутреннюю схему (12), выполненную с возможностью размещения внутри закрытого контейнера (11), и дополнительно содержащая внешнюю схему (13), выполненную с возможностью размещения снаружи закрытого контейнера (11),

при этом внутренняя схема (12) содержит схему (15) передатчика, имеющую устройство (22) датчика, внутренний контроллер (23) и первый внутренний пьезоэлектрический преобразователь (24), при этом внутренний контроллер (23) выполнен с возможностью создания выходного сигнала (OS) контроллера, содержащего информацию (SI) датчика от устройства (22) датчика для управления первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем (24), который выполнен с возможностью создания акустического информационного сигнала (DS) на основе выходного сигнала (OS) контроллера и внесения акустического информационного сигнала (DS) в стенку (14) контейнера (11),

при этом внешняя схема (13) содержит схему (17) приемника, имеющую внешний контроллер (33) и первый внешний пьезоэлектрический преобразователь (30), при этом схема (17) приемника выполнена с возможностью приема акустического информационного сигнала (DS) посредством первого внешнего пьезоэлектрического преобразователя (30) через стенку (14) контейнера (11),

при этом схема (15) передатчика внутренней схемы (12) выполнена с возможностью создания выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS) без информации (SI) датчика, содержащейся в амплитуде или фазе выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS),

отличающаяся тем, что схема (15) передатчика внутренней схемы (12) выполнена с возможностью создания выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS), так что он содержит по меньшей мере одну последовательность (S), сформированную посредством одного колеблющегося фрагмента (PO) сигнала и одного постоянного фрагмента (PC) сигнала, и дополнительно выполнена с возможностью создания указанной по меньшей мере одной последовательности (S) посредством выбора одной из двух предварительно заданных продолжительностей (t1, t2) для колеблющегося фрагмента (PO) сигнала, причем первое число импульсов в течение первой продолжительности (t1) колеблющегося фрагмента (PO) сигнала характеризует одно из двоичных значений, а другое второе число импульсов в течение второй продолжительности (t2) колеблющегося фрагмента (PO) сигнала характеризует соответствующее другое из двоичных значений, при этом схема (17) приемника дополнительно содержит усилитель (31), выполненный с возможностью приема выходного сигнала (TO) преобразователя от первого внешнего пьезоэлектрического преобразователя (30) и предоставления усиленного выходного сигнала (TOA) преобразователя на входную сторону компаратора (32), выполненного с возможностью подачи сигнала (CS) компаратора на внешний контроллер (33), и причем внешний контроллер (33) выполнен с возможностью подсчета числа импульсов каждого отдельного переменного фрагмента (PA) в сигнале (CS) компаратора для определения двоичного значения этого переменного фрагмента (PA).

2. Чувствительная компоновка по п. 1,

отличающаяся тем, что

внешняя схема содержит схему (18) подачи мощности, соединенную с блоком (38) питания и содержащую второй внешний пьезоэлектрический преобразователь (42), при этом схема (18) подачи мощности выполнена с возможностью создания акустического сигнала (PS) мощности и внесения акустического сигнала (PS) мощности в стенку (14) контейнера (11) посредством второго внешнего пьезоэлектрического преобразователя (42).

3. Чувствительная компоновка по п. 2,

отличающаяся тем, что

внутренняя схема содержит схему (16) получения мощности, имеющую второй внутренний пьезоэлектрический преобразователь (43) и устройство (45) сохранения энергии, при этом схема (16) получения мощности выполнена с возможностью приема акустического сигнала (PS) мощности посредством второго внутреннего пьезоэлектрического преобразователя (43) через стенку (14) контейнера (11).

4. Чувствительная компоновка по п. 2 или 3,

отличающаяся тем, что

схема (18) подачи мощности выполнена с возможностью создания акустического сигнала (PS) мощности с постоянной частотой колебаний.

5. Чувствительная компоновка по любому из предшествующих пунктов,

отличающаяся тем, что

внутренний контроллер (23) непосредственно соединен с первым внутренним пьезоэлектрическим преобразователем (24) для приложения выходного сигнала (OS) контроллера к первому внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю (24).

6. Чувствительная компоновка по любому из предшествующих пунктов,

отличающаяся тем, что

схема (15) передатчика внутренней схемы (12) выполнена с возможностью создания выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS) без информации (SI) датчика, содержащейся в частоте акустического информационного сигнала (DS).

7. Чувствительная компоновка по любому из предшествующих пунктов,

отличающаяся тем, что

амплитуда и/или частота колеблющегося фрагмента (PO) сигнала является постоянной.

8. Чувствительная компоновка по любому из предшествующих пунктов,

отличающаяся тем, что

схема (15) передатчика выполнена с возможностью преобразования информации для передачи, включающей в себя по меньшей мере информацию (SI) датчика от устройства (22) датчика, в строку символов (STR) и преобразования каждого символа строки символов (STR) в двоичное слово (BW) из множества двоичных значений.

9. Чувствительная компоновка по п. 8,

отличающаяся тем, что

информация, которая должна быть передана, содержит идентификатор, который характеризует тип информации (SI) датчика, содержащейся в информации, которая должна быть передана.

10. Способ использования чувствительной компоновки (10) для обнаружения физического параметра внутри закрытого контейнера (11) и передачи соответствующих данных через стенку (14) контейнера на внешнюю сторону контейнера (11), при этом чувствительная компоновка (10) содержит внутреннюю схему (12), размещенную внутри закрытого контейнера (11), и внешнюю схему (13), размещенную снаружи закрытого контейнера (11), содержащий следующие этапы, на которых:

- обнаруживают значение (SV) датчика с помощью устройства (22) датчика внутри контейнера (11) и предоставляют информацию (SI) датчика, характеризующую значение (SV) датчика,

- предоставляют информацию (SI) датчика внутреннему контроллеру (23), который создает выходной сигнал (OS) контроллера на основе информации (SI) датчика,

- предоставляют выходной сигнал (OS) контроллера первому внутреннему пьезоэлектрическому преобразователю (24), который создает акустический информационный сигнал (DS) на основе выходного сигнала (OS) контроллера и вносит акустический информационный сигнал (DS) в стенку (14) контейнера (11),

- принимают акустический информационный сигнал (DS) посредством первого внешнего пьезоэлектрического преобразователя (30) внешней схемы (13) через стенку (14) контейнера (11),

- создание выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS) осуществляют так, что амплитуда или фаза выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS) не содержит информацию (SI) датчика,

отличающийся тем, что создание выходного сигнала (OS) контроллера и/или акустического информационного сигнала (DS) выполняют так, что он содержит по меньшей мере одну последовательность (S), сформированную посредством одного колеблющегося фрагмента (PO) сигнала и одного постоянного фрагмента (PC) сигнала, причем указанную по меньшей мере одну последовательность (S) создают посредством выбора одной из двух предварительно заданных продолжительностей (t1, t2) для колеблющегося фрагмента (PO) сигнала, причем первое число импульсов в течение первой продолжительности (t1) колеблющегося фрагмента (PO) сигнала характеризует одно из двоичных значений, а другое второе число импульсов в течение второй продолжительности (t2) колеблющегося фрагмента (PO) сигнала характеризует соответствующее другое из двоичных значений, при этом схема (17) приемника дополнительно содержит усилитель (31), выполненный с возможностью приема выходного сигнала (TO) преобразователя от первого внешнего пьезоэлектрического преобразователя (30) и предоставления усиленного выходного сигнала (TOA) преобразователя на входную сторону компаратора (32), выполненного с возможностью подачи сигнала (CS) компаратора на внешний контроллер (33), и причем внешний контроллер (33) выполнен с возможностью подсчета числа импульсов каждого отдельного переменного фрагмента (PA) в сигнале (CS) компаратора для определения двоичного значения этого переменного фрагмента (PA).