借助引力场分析进行材料检测的装置和方法

本发明涉及借助引力场分析进行的材料检测。本发明尤其是涉及一 种用于确定引力场强度的引力计单元、一种用于借助引力场分析进行 材料检测的传感器、一种测量填料在容器中的料位的方法、传感器作 为料位测量器的使用、传感器作为近接开关的使用、一种用于测量料 位的程序单元以及一种计算机可读的存储介质。

任何有质量的物体都产生引力场，该引力场将吸引力施加到其它物质 上。在具有均匀质量分布的球形物体中，在其表面形成的引力场正比于球 体直径及其密度。在该物体之外，其引力场的场强以距球心的距离的平方 的倒数而减小。引起下落加速度的地球的引力场的值在地表面为大约 9.81米/秒2。直径1m的球形水体积在其表面产生固有的引力场，该引力 场与地球引力场相比为1∶70,000,000。

尽管该值非常小，但是可借助引力计装置测量。这些设备通常由精密 的质量-弹簧-系统构成，要测量的引力场作用于该系统。在此，弹簧通过 与引力成比例的质量元件的重力拉伸，并且其长度变化或者为到达所限定 的参考长度所必需的补偿力被考虑作为起作用的引力场强度的尺度。

重力摆、浮体和落体装置(Fallkoerperanordnungen)也被用于引力 场测量。

除了科学应用如测量由月球和太阳产生的潮汐力之外，引力计装置首 先被使用在寻找和勘探地下资源如石油、天然气、煤、矿石和盐。在此， 被利用的是，这些物质通常具有不同于通常的地下岩石的密度，或者当这 些物质被包含在石缝中时其密度改变。

在要检测的地区，引力计装置沿着地表运动，并且记录引力测量值以 及其地理位置。引力计也可以安装在飞机上，该飞机飞越要检测的地区。 此外，通常可将引力计装置下降到钻孔中，并且在下降过程中记录测量到 的引力场值和所属的深度值。

该测量顺序的结果是表示地质重力场异常的地图或者显示地下的场 的深度图。

现在受训过的地质学家可以根据生成的地图和深度图识别地下存在 的密度差，并且由此得到蕴藏矿层以及其可开采性的结论。

US 6,612,171 B1公开了一种用于测量钻孔中的引力场的引力测量设 备，以确定地下的构造的密度。在这样的情况下，所公开的引力测量设备 可在两个位置之间运动，以便进行差动式测量。

DE 689 15 45 T2公开了一种引力梯度计。对此，应该测量引力梯度 张量的外对角线的分量，尤其是公开了一种特别的弯曲枢转轴承。

WO 98/57197同样公开了一种引力梯度计。其中阐述了经常通过飞机 进行引力测量，以便发现油田。借助该出版物中所阐述的引力梯度计，在 飞机中出现的并且由此作用到引力梯度计上的加速度将可以被补偿。

所有已公开的引力测量设备都不适于用作检测物质量或者确定填料 在容器中的料位的工业传感器。一方面，它过于昂贵、太庞大并且只显示 在空间方向上的引力场。所输出的引力场表示需要专业人员的解释以便能 够从中导出其它信息。

此外，对于工业上的料位传感器而言，已公开的引力测量系统的响应 时间过长且能耗过高。

本发明的任务是提供一种用于直接测量并输出料位值的传感器。

根据本发明的一种实施例，上述任务借助一种用于确定引力场强度的 引力计单元来解决，引力计单元包括第一悬浮体、第一检测器和用于产生 场的源，其中通过由源产生的场可无接触地将第一悬浮体保持在悬浮状态 中，其中悬浮体的第一位置可以通过第一检测器来检测，其中引力计单元 基于检测到的第一位置或者所产生的场来确定第一数据，并且其中第一数 据与在第一地点上的引力场强度相对应。

因此有利地提供了一种低成本的、小型化的和高分辨的引力测量单 元，在该引力测量单元中，借助静电力场将检测引力场的质量元件无接触 地三维地保持在悬浮状态中。由此，没有必要使用机械弹性元件。

根据这个方面的本发明的思想在于，通过保持悬浮体的悬浮，测量作 用于悬浮体的引力。例如，对于需要其以将悬浮体保持在悬浮体的原始位 置或者引回到悬浮体的原始位置的补偿力的认识被用于得出作用到悬浮 体上的引力的结论。因此，本发明提供了一种低成本、小型化的和高分辨 的引力计单元，利用该引力计单元可三维地确定引力场强度而不用机械弹 性元件等。

悬浮的质量元件优选直接设置在所集成的半导体电路之上，使得例如 检测器和源可以至少部分地直接安装在该半导体电路上。

根据本发明的另一种实施例，所述场选自电场、磁场、电磁场和机械 流场。

因此可以有利地通过相应的部件，诸如线圈或者电容器极板，以简单 的方式来产生场，该场将悬浮体保持在悬浮状态中。

根据本发明的另一种实施例，第一检测器实施为用于电容性地、电感 性地、传导地或者光学地检测第一悬浮体的第一位置。电容性的位置检测 例如可以通过第二电极进行，该第二电极可以用于悬浮体与第二电极之间 的电容测量。根据本发明的一个方面，悬浮体例如可以设置在空腔内，该 空腔填充有电介质。这可以提高电容性测量的灵敏度或者例如也使悬浮体 稳定。当然，电容性的位置检测也可通过电极对进行。

为了电感性的测量，例如可将小型化的线圈集成进引力计单元中，这 些线圈产生作用于悬浮体上的磁场。例如，可在悬浮体中产生感应电流。

光学的位置确定提供了这样的优点，即不考虑光子的辐射压力，没有 附加的力耦合输入进悬浮体中。例如，在此可应用干涉测量方法，如其在 光学中已公开的那样。

根据本发明的另一种实施例，引力计单元还包括第二悬浮体和第二检 测器，其中第二悬浮体的第二位置可通过第二检测器来检测，并且其中引 力计单元基于测量到的第一位置和测量到的第二位置产生第二数据。

有利地，通过在引力计单元中使用两个悬浮体，可以进行校准或者补 偿老化过程或温度波动引起的测量数据中的漂移现象。

在这样的情况下，应注意尽管引力计单元确定了第一悬浮体的第一位 置和第二悬浮体的第二位置，但是引力计单元由此仅仅生成了一个说明在 引力计单元的位置上的引力场情况的数据记录。因此，在引力计单元中使 用多个悬浮体可以提高系统精度和系统可靠性，但是在该情况下仅仅提供 一个共同的数据记录。

根据本发明的另一种实施例，引力计单元还包括控制设备，该控制设 备被实施为用于将第一悬浮体保持在初始位置中。

例如，该控制设备可以将控制信号发送给源用于产生场，使得场强相 应变化，以便反作用于变化的引力加速度并且补偿悬浮体离开零位置的偏 移。根据本发明，在确定引力场强度时，可以一同考虑用于补偿变化的引 力加速度的控制量。

根据本发明的另一实施例，引力计单元还包括用于存储参考值的存储 设备。

此外，可以将关于引力计单元的校准的参考值存储在存储设备中并且 因此简化或者校正随后的测量。通过将存储设备引入引力计单元，可以使 引力计单元与外部分析单元或者显示单元之间的数据交换最少。

根据本发明的另一种实施例说明了一种借助引力场分析用于材料检 测的传感器，其中该传感器包括第一引力计单元、第二引力计单元和通信 接口。第一引力计单元被实施为用于确定第一数据，该第一数据与第一位 置上的第一引力场强度相对应。第二引力计单元被实施为用于确定第二数 据，该第二数据与第二位置上的第二引力场强度相对应，并且通信接口被 实施为将第一数据和第二数据传输给分析单元。

特别有利地通过这样的方式区分例如来自要检测的填料的引力场与 来自不应被测量的物质的常见引力场，即在要测量的填料的区域中确定引 力场的梯度值，并且由其空间分布确定在附近的环境中的质量分布。

有利地，根据本发明的该实施例，在空间中不同的点测量在要检测的 物质附近的引力场强度。由于引力测量点与要检测的物质之间的间距是已 知的，所以根据出现的场梯度值，可以确定测量到的总场强的落在对于未 知的物质的观察点上的部分。

根据本发明的该实施例，说明了一种工业传感器，尤其是一种用于确 定箱料位的传感器，该传感器允许无接触地通过封闭的箱壁测量物质尤其 是填料。箱料位通过利用传感器测量和分析填料固有引力场来确定。有利 地，满足所有对用于在工业设备中使用的传感器所提出的要求。

为此，静态地设置该传感器，而不是引力计装置在一测量段或者一面 积上机械地运动。所产生的测量结果不需要专业人员的进一步处理或者解 释，而是可以表示可直接显示的填充值。该填充值可连续地、无中断地和 实时地供使用。测量结果不包含地质或者天文分量，如地层的波动含水量、 地壳中的构造物质移动或者潮汐力，如它们刚好被传统的引力传感器测量 到的那样。同样，在测量结果中可以抑制环境中运动的物质如人员和车辆。

根据本发明的另一种实施例，所确定的第一数据基于悬浮体位置数据 或者基于第一控制设备的第一控制参数。此外，所确定的第二数据基于第 二悬浮体位置数据或者基于第二控制设备的第二控制参数。

悬浮体位置或者控制参数(例如可以是施加到电容器极板上的电压) 为易于测量的且精确确定的数据，通过这些数据可以作出关于相应的作用 到悬浮体上的引力的结论。

根据本发明的一个方面，第一和第二引力计单元彼此相对地设置在传 感器中的固定的位置上。此外，这两个引力计单元在工厂中可被这样地间 隔，使得对例如整个确定的容器都可能进行最佳的测量。

根据本发明的另一种实施例，第一引力计单元可绕轴线转动地或者沿 轴线可移动地设置，其中在转动或者移动期间连续地获得数据，这些数据 基于检测到的第一位置或者基于引力计单元内产生的场。随后，获得的数 据可以汇总成体数据记录(Volumendatensatz)，该体数据记录表示引力 场的拓扑结构。因此通过该体数据记录可以得到传感器周围的局部质量分 布的结论。为了分析数据记录和显示图像，可以使用来自例如计算机断层 摄影的已公开的方法。

根据本发明的一个方面，传感器包括多个引力计单元，这些引力计单 元线状、面状或者空间地设置，使得可以确定一维、二维或者三维的表示 引力场分布的数据记录。

此外，传感器可以包括分析单元，该分析单元被实施为从通信接口接 收第一数据和第二数据，其中分析单元被实施为根据第一数据和第二数据 计算引力场的梯度。

根据本发明的一个方面，分析单元例如可以和传感器一起以集成电路 的形式构造在半导体芯片上。当然也可能的是，该分析单元设置在外部， 并且通过例如无线电传输或者其它无线的数据传输方法从通信接口获得 数据。当然，通信接口也可以通过数据线路与分析单元相连。

根据本发明的另一种实施例，说明了根据本发明的传感器作为料位测 量器的使用。对此，该传感器可设置在容器附近并且测量容器内部的料位。

此外，根据本发明的一个方面，该传感器可以用作近接传感器，该传 感器例如检测，门是否打开或者是否关闭，或者相应的物体距传感器多远 或者以什么速度接近传感器。

根据本发明的另一种实施例，说明了将引力计用作料位测量器，料位 测量器例如实施根据本发明一个实施例的用于进行料位测量的方法。

根据本发明的一个方面，引力计也可以作为近接传感器使用，例如用 于检测距离。

根据本发明的另一种实施例，说明了根据本发明的引力计单元用作加 速度测量器，引力计单元被用于测量例如在车辆、飞机或者其它运动或者 振动的物体，如人或者机器内的加速度。

根据本发明的另一实施例，说明了一种借助引力场的、用于测量填料 在容器中的料位的方法，其中该方法包括以下步骤：通过第一引力计单元 确定与第一位置上的第一引力场强度相对应的第一数据，通过第二引力计 单元确定与第二位置上的第二引力场强度相对应的第二数据，根据所确定 的第一和第二数据计算填料的料位。

有利地，将引力场分析用于料位测量能够实现无接触的测量，该测量 不需要与测量对象接触。此外，对于根据本发明的方法不需要辐射源等， 用于发射测量射束，该测量射束例如随后被填料反射，使得能够得出关于 料位高度的结论。更准确地说，根据本发明的方法用于测量由填料产生的 引力场。为此不必将传感器插入容器中。也不会由于测量而将能量引入填 料中。

根据本发明的另一实施例，说明了一种用于获得体数据记录的方法， 其中第一引力计单元可绕轴线转动或者沿轴线移动。也可以由移动和转动 进行组合，使得引力计单元可以沿着任意二维或者三维分布的轨道运动。 在运动期间，引力计单元生成第一体数据记录，该体数据记录包括第一数 据。为了实施该示例性的方法，仅仅需要一个引力计单元，但是也可以设 置多个引力计单元，这例如会导致更块地获得量数据，或者允许节约在轨 道路线中的运动维度。

本发明也涉及一种用于借助引力场分析和计算机可读的存储介质测 量填料在容器中的料位的程序单元，用于借助引力场分析测量填料在容器 中的料位的计算机程序存储在该存储介质上。在这样的情况下，当计算机 程序在处理器上运行时，计算机程序指示处理器实施根据本发明的实施例 的方法。根据本发明的一种实施例的程序单元优选可以载入数据处理器的 工作存储器中。数据处理器可以被这样实施，例如执行本发明的方法的示 例性实施形式。此外，计算机程序可以以任何编程语言诸如C++写入，并 且可被存储在计算机可读的存储介质诸如CD-ROM上。此外，计算机程序 可通过网络诸如环球网(World Wide Web)中获得，从网络中可以将计算 机程序下载到处理器或者计算机中。

由从属权利要求和并列的权利要求中得到本发明的其它任务、实施形 式和优点。

以下，在参照附图的情况下借助实施例更为详细地阐述本发明。

图1示出了通过根据本发明的引力计单元的一种示例性实施形式的 横截面。

图2示出了图1中所示的根据本发明的引力计单元的实施形式的、具 有安装于其上的电极的半导体芯片的俯视图。

图3示出了通过根据本发明的引力计单元的另一种实施例的横截面。

图4示出了图3中所示的引力计单元的实施例的、具有安装于其上的 电极的半导体芯片的俯视图。

图5示出了通过根据本发明的另一种示例性实施形式的引力计单元 的一种实施例的横截面。

图6示出了根据本发明的一种实施例的引力-料位限制开关 (Gravitations-Fuellstandsgrenzschalter)的示意性侧视图，该限位 开关水平侧面地安装在填料容器上。

图7示出了部分被填充的填料容器的示意性横截面图，在该填料容器 上安装有五个不同类型的、根据本发明的实施例的连续测量的传感器。

图8示出了根据本发明的引力计的另一种实施例。

图9示出了根据本发明的另一实施例的引力计的另一种实施例。

图1示出了通过根据本发明的引力计单元的一种示例性实施形式的 截面，其还将在下面更为详细地阐述。多个这种引力计可以集成进料位传 感器或者料位限位开关中。相应实施例在图6中示出。

图6示出了根据本发明的一种实施例的引力-料位限制开关的示意 性侧视图，该限位开关水平侧面地安装在填料容器上。

根据本发明的料位传感器包含至少两个引力计单元G1、G2，它们位 置固定地安装在紧靠要测量的填料容器上或者附近。为了补偿并不是由于 料位变化而引起的变化的引力远场(Gravitationsfernfelder)，两个或 者多个引力计单元的场强测量值彼此相减，用于信号的进一步处理。在此， 方向选择性地形成场差值，即关于于x-、y-或者z-空间轴分别具有相同 方向的场分量彼此相减。

根据不同的稍后表示的方法，按照引力计单元的数量和其在填料容器 上的位置从场差值中确定料位值。为了测量引力场，使用一种新型的小型 引力计。小型引力计的一种实施例在图1中示出。

来自要检测的填料的引力场与来自不应测量的物质的其它引力场之 间的不同特别有利地以这样的方式变得明显，即确定在要测量的填料的区 域中的引力场的引力值，并且从其空间分布确定附近环境中的质量分布。

因为每个物体的引力场在物体外以距其重心的距离平方的倒数减小， 所以在其附近的环境中对单位长度出现比在更远距离的情况中明显更大 百分比的场强减小。

因此，不同距离的物体的引力场具有独特的空间梯度变化值并且因此 可以根据其来区分。

因此，位于附近的具有很弱的固有引力场的小物质可以由于其大的场 梯度变化值在测量技术上被检测，尽管有主导的强地场，然而其梯度变化 值小于该小物质的场梯度变化值数个数量级。

为此目的，在空间中不同的点测量在要检测物质附近的引力场强度。 由于引力测量点与要检测的物质之间的间距是已知的，所以根据出现的场 梯度值可以确定测量到的总场强的分配在未知物质的观察点上的那个分 量。

当引力测量点处于指向要检测的物质的直线上时，实际上对很多应用 是足够的。

在这种引力场传感器中，单个引力计测量单元根据其距离目标对象的 距离而记录不同地变弱的对象场强。在此，由于在测量对象附近的场梯度 变化值高，所以变弱明显为非线性的。

相反，距离远的对象根据空间的传感器排列而或者在测量单元中产生 完全相同的场强，或者由于其在远区的低的场梯度变化值所以产生沿测量 单元近似线性的场衰减。通过单元测量值的相应数学处理，传感器电子设 备可以计算出远场。

与电磁波和声波相反，引力场不会受到吸收、反射、散射、干扰、衍 射和折射的物理现象的影响。

如果用光源透视人手，则又出射的光使得不能识别骨骼结构。甚至在 使用最先进的光学传感器和最复杂的数据处理算法的情况下，也不能以这 样的方式产生骨骼图像。原因在于，先前提及的物理效应会破坏光的信息 内容。

由于在引力场穿过材料层时任何这些效应都不会有影响，所以穿透的 场的信息内容没有任何改变。这意味着，设立在厚铅板后的一玻璃杯水的 引力场完全无变化地穿透该板，并且因此铅板是否存在是没有区别的。铅 板只将其自己的引力场增添到在空间中已存在的引力场中。

由于每一个场在空间中都具有其各自起源，所以通过分析空间场分布 可以进行区分。

因此，是否可以穿过铅板识别玻璃杯多满，或者甚至具有什么形状只 取决于可供使用的引力传感器技术的精度和分辨率。

以下首先通过分析填料固有引力场说明根据本发明的对料位边界值 的测量。

边界状态传感器应通知达到确定的料位水平。为此目的，传感器在要 通知的水平值的高度上被安装在容器壁的外面。其任务是监控与存在的填 料质量有关的空间上受限的量。位于容器外的物质不允许被显示。

料位限位开关例如包含三个引力计电路，利用它们测量在三个不同点 上的引力场强度。这些点优选处于指向要测量的水平值的直线上。根据三 个获取到的测量值可以借助减法确定两个相邻的场梯度值。

场强正比于填料直径增长，而填料表面上的场梯度与填料量的直径无 关。不仅场强而且梯度都正比于填料密度。随着距填料表面的距离增加， 场强和场梯度减小。由于距离引起的两个参数的减小的程度取决于填料直 径并且由此取决于容器大小。

因此，在确定三个引力计在料位传感器内的安装间距的情况下，可考 虑要盖住的容器直径的区域。如果间距选择得过大，则传感器会穿过小的 容器，使得处于其后的物质被检测到。如果选择得过窄，则大的容器得到 仅仅很小的引力计之间的信号差。

由于引力计相互不影响，所以为了扩大应用领域附加地将第四引力计 以更大的间距设置在传感器中。

图6示意性地示出了水平侧面安装在填料容器上的引力-料位限制 开关。

位于传感器壳体中的引力计电路用G1、G2、G3表示。引力计相互的 间距a2、a3例如为分别20mm。第一引力计G1与填料容器之间的间距a1例 如为10mm而距传感器壳体后壁的间距a4例如为80mm。在直径为0.124m 的情况下填料容器的质量m(B)例如为1kg，在直径分别为0.58m的情况 下干扰元件S1和S2的质量例如分别为100kg。当然，也完全可以选择其它 间距、厚度和质量。

传感器信号处理通过这种方式识别存在填料，即一方面其中两个距填 料最近的引力计之间的场梯度具有某一大小，这表示存在足够的质量密 度，另一方面远离填料的场梯度以确定的方式低于第一梯度，这表示检测 到的质量在附近并且在正确的方向上。

为了消除波动的远场，传感器信号处理首先形成在测量直线方向上的 场强的差值(G1-G2)和(G2-G3)。这些值与相应的段间隔 (Streckenintervall)中的场梯度成比例。

接着，按照第一差值的大小由信号处理确定对第二差值的两个允许的 值域。如果第二差值在第一值域中，则传感器发送空消息。如果该值在第 二值域中，则发送满消息。如果第二差值不包含在两个所分配的值域中， 则存在工作干扰，并且传感器发送干扰消息。

如果传感器应装配开关滞后，则这可以通过使用针对空/满和满/空变 换的不同值域来实现。

在使用为最大水平或者最小水平安全限位开关的传感器中，有意义的 是为这两个工作类型的每一个分配各自的值域，以便将信号输出优先权给 对于相应的工作模式可靠的传感器输出值。

借助存储在传感器中的、具有作为输入量的第一差值的数学函数，传 感器电子设备可以计算第二差值的分配范围对空/满/故障输出状态的边 界。

代替数学函数，也可以在传感器中存储值表，传感器信号处理器根据 第一差值从该值表可以读出对第二差值的相应的范围分配边界。为了限制 值表的大小，使用合理数量的输入值，并且在值在其间的情况下根据已公 开的方法来插值。

也存在这样的可能性，即另外按照所输入的测量应用特征如容器直径 或者产品密度，将第一差值的必要的最小值以及对第二差值的范围分配边 界与当前的测量任务匹配。

同样可能的是，在容器被填充的情况下进行满校准(Vollabgleich)， 以便使信号分析参数与实际出现的场差值相适应。

以下参照图6中所示的测量装置示出运动的外部物质以及其距离对 测量结果的影响。

例如所使用的填料容器很小并且填满时包含仅1Kg重量的填料量。侧 面安装的传感器的任务是可靠地显示该存在的量而不受周围变化的物质 的影响。

为了说明运动的质量体(Massekoerper)的影响，在图6中表示了干 扰物质S1和S2。在此，示例性地为两个严重超重的人，他们分别有100Kg 重量的球形肚子。这两个人各占据对测量装置很关键的位置，其方式是他 们的肚子重心恰好处于三个引力计G1、G2、G3的测量直线上。为此目的， 第一人(干扰物质S1)正好站在容器的背面，第二人(干扰物质S2)用其 身体直接从后面接触传感器壳体。

填料和干扰物质的密度假设为1g/ccm(水)。为了更为简单的可计算 性，所有物质都具有球形体积。容器壁具有10mm的厚度。

表1

填料 质量 [Kg] 干扰 物质1 [Kg] 干扰 物质2 [Kg] G1 [nm/s2] G2 [nm/s2] G3 [nm/s2] 差值 G1-G2 [nm/s2] 差值 G2-G3 [nm/s2] 差值 (G1-G2)- (G2-G3) [nm/s2]   显示   -   100   -   37.1   33.8   31.0   3.3   2.8   0.5   空   -   -   100   -39.7   -43.9   -48.7   4.2   4.8   -0.6   空   -   100   100   -2.6   -10.1   -17.7   7.5   7.6   -0.1   空   1   -   -   12.9   7.9   5.3   5.0   2.6   2.4   满   1   100   -   50.0   41. 7   36.3   8.3   5.4   2.9   满   1   -   100   -26.8   -36.0   -43.4   9.2   7.4   1.8   满   1   100   100   10.3   -2.2   -12.4   12.5   10.2   2.3   满

表1借助7个不同的质量组合示出了三个引力计上出现的场强值，以 及由此计算出的差值。场强以纳米每二次方秒说明，并且在测量直线的方 向上有效。

表的前3行示出了在空容器并存在干扰物质的情况下的场值。第四行 示出了在满容器和无干扰物质的情况下的场值。后3行示出了在满容器和 有干扰物质的情况下的场值。

可看到，在没有填料有干扰物质的情况下，第一场差值明显指出物质 的存在，然而与第二差值的不同仅为最小。

这意味着，被检测的物质处于要观察的空间容积外并且因此不应显 示。

在填料和干扰物质在一起的情况下，可看到不仅第一差值高，而且与 第二差值的不同对所希望的满消息是足够大的。

尽管干扰物质在该例子中都是填料质量的100倍，然而引力场传感器 可以正确地显示料位。

表1的值也示出，在使用仅仅2个而不是3个引力计的情况下，不可 能区分在填料与提及的干扰物质之间的不同。

在特别关键的应用如密度小的填料或者穿过厚的容器隔离层测量的 情况下，为了抑制干扰物质可能必需使用4个传感器内部的引力计电路。

由于所描述的测量方法有选择地分析在测量直线方向上的引力场，其 重心在空间上不在测量直线上的干扰物质只是减小地或者甚至不被考虑 到测量中。

其次，接着描述根据本发明的通过分析填料固有引力场对连续的料位 的测量。

连续的料位值的测量可借助四个不同的场分析方法来实现。这些方法 可以单独或者也可以组合地应用于一个传感器中。

图7示出了部分填充的填料容器的示意性横截面图，在该填料容器上 安装有五个不同类型的、根据本发明的实施例的连续测量的传感器。

第一方法基于在填料处于引力计之间的情况下的场强差的分析。

为此目的，优选地将第一引力计安装在填料容器的下侧并且第二引力 计安装在上侧。该传感器类型在图7中用数字701表示。

如果容器是空的，则在两个引力计之间出现测量值差，该测量差值相 应于场梯度与容器高度相乘。借助零点平衡将该值从测量结果中去除。

如果容器被填满，则在下面的引力计的位置上的填料引力场反作用于 地场，使得其测量到的场强减小。在上面的引力计的位置上，填料场与地 场相加，使得其场强升高。

在适当的测量值线性化之后，测量到的两个引力计之间的场强差得到 正比于容器填料质量的料位显示。

也可以将这两个引力计安装在填料容器的两个对置的侧壁上。然而， 在空和满状态的准确检测方面，优选上面提及的安装方式。测量结果与填 料密度相关。

第二方法基于距填料的距离增加时场强减小的分析。

填料外的引力场根据引力场定律以距其测量重心的距离的平方的倒 数减小。距离引起的场强变化的程度不仅是填料直径的尺度，而且是距填 料的距离的尺度。根据该原理工作的传感器包含多个安装在一直线上的引 力计电路。安装直线优选指向填料重心。该传感器类型在图7中用数字 702表示。

传感器702包括例如五个引力计单元708、709、710、711和712， 这些引力计垂直相叠地设置。该传感器可不仅可以安装在该容器上也可以 安装在其下。此外，传感器还包括通信接口713，该通信接口例如具有发 射器。通过该通信接口713可将例如基于引力计单元708、709、710、711 和712的测量数据的数据记录借助无线电传输716发送给具有接收器714 的外部分析单元715。当然也可以将分析单元715集成进传感器中，并且 因此例如将分析结果(例如料位高度)通过接口713传输给用于进一步处 理的输出单元或者设备。

传感器信号处理借助测量到的场值和公知的质量体外的物理引力场 分布定律计算距填料的距离或者其高度。

如果总共只使用2个引力计，则只有2个不同的与填料重心间隔的场 测量值可供使用，从其差中只能计算一个场梯度。因此，由此可导出的料 位测量值与填料密度有关。

因此优选地，使用至少3个引力计，从其测量值中可计算至少2个位 置不同的场梯度。从至少2个场梯度值可以与密度无关地确定料位。3个 在这种情况下未知的参数：填充高度、填料密度和远场幅度，为了解决测 量问题需要3个引力计，这些引力计提供3个位置不同的场测量值。

在传感器的首次投入使用时，零点平衡在填料容器是空的情况下进 行，以便从测量结果中去除静态近场分量，如容器的空载质量。

第三方法基于填料内或者沿其接触面的场强分布的分析。由球形填料 产生的场根据引力场定律从质量重心到填料表面线性地增加，在此场强在 填料内正比于距重心的距离。在非球形填料的情况下关系更为复杂，但是 仍然严格依照物理定律。

在填料重心上，其固有场强通常为零。传感器703包含多个安装在一 直线上的引力计718、719、720、721、722，它们处于共同的保护管中。 传感器这样地安装，使得其优选伸入填料中，但是传感器也可以垂直地安 装在容器侧壁上。如果在传感器703伸入的情况下引力计的安装直线穿过 填料重心，则这是特别有利的，但是决不是必要的。

传感器信号处理根据单个引力计之间的场强差值和公知的在质量体 内的物理场分布定律计算料位值。通过进行零点平衡来补偿静态近场分 量。如果使用仅仅2个引力计，则料位测量结果与填料密度相关。如果至 少3个位置不同的场测量值可供使用，则料位与密度无关地被确定。

按照料位恰好未伸入的传感器的引力计可以被用于附加地根据第二 方法确定料位。同样有利的是，根据第一方法将后面浸入的引力计的值与 第一不再浸入的引力计的值抵消。通过将所有使用的方法的结果值结合可 提高传感器的测量精度。

这种传感器类型相对于其它物理测量原理的浸入的料位杆式探针的 优点在于，该传感器可穿过在容器中构造的防止传感器受填料影响的分离 管进行测量。

对运输容器，以这样的方式可以实现可滑入式传感器。单侧密封并且 向外敞开的分离管安装进容器中。在填充期间和为了其它控制目的，引力 传感器被暂时滑入并且穿过分离管测量料位。在此，容器保持气密密封。 图7的例子包括这种分离管。

第四方法基于引力场向量的空间位置的分析。这种传感器在图7中用 数字704表示。

如果在传感器704中单个的引力计位置由于安装引起不在填料重心 的上升直线(Anstiegsgeraden)上，则作用到引力计上的引力场向量在 料位变化时不仅其长度变化，而且其在空间中的取向也变化。

三维引力场向量通过正交的在x-、y-和z-方向上的场分量形成。z 场指向填充高度方向并且垂直于地面。相反，x-和y-场平行于地面走向。 在此，x-场应该表示朝向容器中心的引力分量而y-场表示在传感器的安 装位置平行于或者相切于容器壁的分量。

如果传感器704在中心地安装在对称的容器的侧壁上，则引力计在填 冲时记录x-和z-方向上的场。y-场分量未出现，因为由于传感器的中心 安装而相互抵消了传感器位置上的单个y-场。在非中心的安装的情况下， 填料在引力计位置上产生所有三个场分量。正交的场分量在引力计上的幅 度关系或所引起的引力场向量在空间中的角度取向对每个单独的料位值 是典型的并且由此从中可导出填充高度。由于分析幅度关系，绝对的幅度 值不被考虑到测量结果中，所以使得测量结果与填料密度相关。

传感器704中的每个引力计都确定引力场在三个空间维度上的分量。 通过在引力计之间形成差值，从这样获得的场强值去除波动的远场。传感 器投入使用时的零点平衡用于消除静态环境引力场。传感器信号处理根据 所获得的场强差值和已知的引力计位置计算填料的位置并且由此计算料 位值。该第四方法也可以按照传感器704的构造与其它3种方法组合。

图7中用数字705表示的由两个安装在容器侧壁上的引力计单元构成 的传感器例如使用第一和第四方法。

除了根据引力计测量值，通过应用公知的物理场分布定律在考虑到引 力计的安装位置和必要时附加输入的容器数据的情况下计算填充高度之 外，也存在这样的可能性，即根据当前的引力计测量值，通过与事先所存 储的、在投入使用填充期间所获得的引力计测量值比较来确定填充高度。

为此目的，在传感器安装之后逐步地填充要测量的容器，并且在每个 填充步骤之后将现在的填充高度通知给传感器。对输入的料位值，该传感 器存储所有引力计的出现的引力测量值。然后在稍后的测量工作中，传感 器信号处理将当前测量到的引力值与所存储的支持值(Stuetzwerten)比 较并且将该料位插入两个最近的存储值之间。

在第二至第四方法中优选不比较场差测量值彼此的绝对大小，而是比 较单个场差彼此的比值。以这样的方式准确地测量具有不同于投入使用填 充时的介质密度的填料。

通过将第一至第四方法中的多个应用在传感器中，料位可以根据不同 的方法被多次确定。单个测量结果的求平均值导致传感器的测量精度的提 高。

在出现干扰物质的情况下，单个方法根据物质的位置而对这些物质以 不同的灵敏度做出反应。因此，对多个方法的求均值附加地提高了对干扰 物质的不灵敏度。

也可以在对单个测量结果进行的似然性检验之后，将识别为不准确的 结果排除在求结果均值之外。

通过使用多于理论上所需的引力计和由此的在传感器中的场强测量 点，料位的重复测定也是可能的。附加的引力计也提供了这样的可能性， 即减小场测量点的间距，使得传感器的近场测量区域减小，而可能的干扰 物质作为不会引起问题的远场起作用。

传感器在填料容器上的有利安装位置的选择额外地提高了抗干扰性。

除了抑制干扰物质对测量结果的影响的被动方法之外，还存在这样的 可能性，即有目的地确定干扰物质并且随后从最终结果中除去它。该方法 的前提条件是对纠正算法的足够数量的场测量值和由此的输入量。

在连续料位传感器中的所需的引力计的数量也取决于容器的形状。细 长的且无规则形状的容器可能需要比简单扁平容器更多的引力测量点和 由此需要更多的引力计。

在图7中用数字704表示的传感器中，引力计被一个共同的金属管包 围。因此，该传感器只适合安装在直线的容器壁上。如果引力计被集成进 柔软的带中，则传感器也可以跟随弯曲的容器壁。除这种预装配的传感器 之外，也可以将单个的引力计单元以有规律的间隔安装在容器壁上，并且 通过双导体数据总线电缆与传感器的分析电子设备相连。单个引力计优选 借助电缆穿透技术连接到具有矩形截面的橡胶型扁平带状电缆。因此，连 续的总线电缆既不必被分开也不必隔离。

在由少量引力计单元构成的传感器中，如图7中的701型和705型， 也可以将现有的现场总线用于数据交换。所有单元都通过现场总线彼此相 连。从属单元(Slave-Einheiten)将其测量到的引力值直接传到该总线 上，主机单元又从该总线读取这些值，将它们与自己的引力测量值偏移计 算得到料位值，并且将其输出到总线上。

基于稍后描述的小型引力计电路和现代无线电传输方法，也可以开发 和应用无线传送的引力计单元。

这些设备例如由引力计电路、高集成的无线电接口和作为电源的长寿 命的锂电池构成。该单元的体积具有火柴盒的大小或者更小。引力计单元 以必需的数量粘合在容器上的相应位置上。远距离安装的分析单元接收所 有引力计的测量数据并且将它们计算得到料位值。在此，一个分析单元足 够接收多个容器的数据并且计算它们的料位。

借助如在智能信用卡和货物标签使用的技术，更进一步的小型化是可 能的。由此，引力计单元可以设计成扁平柔软的粘附物。在引力计单元的 内部有引力计芯片、发射芯片、平面天线、锂聚合物电池和可能有用于电 池充电的非晶太阳能电池。面积例如为1cm×4cm，厚度为大约1mm。因此， 利用这些传感的粘附物，可以革命性地以简单的方式为容器和管道装备设 备。接着，中央接收单元计算所有料位值并且将它们输出给处理控制器。

如果借助特殊的引力计可以在引力计单元中测量在不同的位置上的 多个引力场强度或者直接确定它们的差值，则前面所描述的引力场测量点 设置和所属的引力场分析方法可在同样意义上相应地转移到这种引力计 单元上，而由此未离开本发明的主题。

基于引力场的料位测量提供了以下特征和应用优点：

可测量所有液体和液化气。粒状材料必须具有最小密度，颗粒度无关 紧要。该测量可以穿过封闭的容器壁进行，它适于所有壁材料。这在腐蚀 性的、磨蚀性的、爆炸性的、无菌的、有毒的、生物危险的、放射性的和 超纯的填料的情况下是特别有利的，同样在高压罐的情况下也是特别有利 的。穿过罐隔离测量极热和极冷的填料。由于测量方法对物质量作出反应， 所以忽略了产品粘附、污物沉淀和泡沫。由此它也适于特别粘和稠的填料。 容易遭受很强的静电充电的填料既不会损坏安装在外壁上的传感器也不 会用产物影响这些传感器。

应用在防爆领域中是毫无问题的。没有能量被耦合到填料中。通过本 质安全的4...20mA电流回路的传感器电流供应和测量值传输是可能的。

构造在容器内的如搅拌器叶片、隔板、挡水板、加热盘管和冷却盘管、 热交换调节器、穿孔中间底板、气体喷射器喷头、催化剂载体板以及填充 料未改变地被引力场穿透，使得毫无问题地测量位于其后和其下的填料。

除了安装在外壁上，引力计传感器也可拧入容器壁中或者以法兰装上 侧壁。在这样的情况下，确定的传感器设计在内部与壁平齐地结束，这样 没有使得容器的排放横截面和管道的流通横截面变窄。大小为M8的小的 拧入螺纹是可能的。

安装在容器外部上的传感器可以不中断设备工作地进行更换或者加 装。

现在描述新型的根据本发明的小型引力计的结构，如作为示例性的实 施形式示出在图1至5中的那样，并且该小型引力计特别有利地适于使用 在工业设备传感器中。

如在地质领域中的应用那样，传统精密机械引力计的技术对应用于工 业测量技术中不仅过于昂贵而且在响应时间上太缓慢，而且特别妨碍的是 过于大的结构体积。这不仅妨碍了紧凑型传感器的实现，而且也不能允许 在窄间隔中的所需的点状引力场确定。

传统引力计的另一缺点是其仅仅能够测量一个空间方向上的引力场。 因此，对三维场确定需要3个这种设备。除了极大的费用之外，这种配置 也不允许在空间中同样的点上进行3个场分量的测量。

在正确方向上的一个明确的步骤是集成的微机械加速度传感器。在这 些传感器元件中借助刻蚀方法从硅衬底中产生具有成形的质量元件的横 梁结构。通过电容性的距离测量，检测横梁的偏转并且借助静电的补偿力 场又恢复横梁的零位。从所需的补偿场强获得测量结果。

这些传感器元件的缺点是，它们未达到引力场测量所需的精度和分辨 率。

横梁结构的弹性常数不能任意地减小，因为否则会出现塑性变形，这 些塑性变形导致零点稳定性的损失。此外，复杂的微机械结构通常容易受 很多误差影响。同样，不利的是，机械装置和电子设备必需在相同的材料 衬底上被生成，使得这两种组件不能最佳地制造。在这样的情况下，对三 维的场测量也需要三个彼此正交安装的测量元件。

根据本发明，低成本、小型化和高分辨的引力计测量单元以这样的方 式实现，即检测引力场的质量元件借助静电力场无接触三维地保持在悬浮 状态中。由此不必提供机械弹性元件。

质量元件的位置被电容性地确定。悬浮的质量元件优选直接设置在集 成的半导体电路之上，使得所需的产生弹性的和测量的电极的至少一部分 可直接安装在电极上。根据对保持质量元件的限定的悬浮位置必需的电场 强度，可以计算引力场强度在这些空间方向上的值。

图1和2示出了这种悬浮体引力计单元的第一实施例。

图1示出了通过根据本发明的引力计单元的一种示例性实施形式的 横截面。

图2示出了半导体芯片的俯视图，该半导体芯片带有安装在其上的、 图1中所示的根据本发明的引力计单元的实施形式的电极。

在包含信号处理电子设备的半导体芯片101上固定有成型件102，该 成型件具有两个圆锥形的凹处。成型件102由不导电的绝缘材料诸如玻璃 或者陶瓷构成。在这两种通过凹处形成的空腔中分别有圆锥形金属体 100、200。其直径为例如0.5mm。为了能够让静电力在所有三个空间方向 上作用到金属体上，在空腔内部安装有八个电极，每个电极具有四分之一 圆段的形状。其中的一半处于半导体芯片101上并且形成基本电极113、 213、1、2、3、4、201、202、203、204，另一半在圆锥形凹处的内侧上 涂敷金属到成形件102上并且形成侧电极115、116、215、216。这些侧 电极在成型件下侧通过接触面117、217与芯片101电接触。参考数字118、 119、120表示填充材料。

图2示出了朝侧电极的、具有基本电极和接触面5、6、7、8、205、 206、207、208的芯片表面。

在图1中可看到的在悬浮体100、200与芯片101或者成型件102之 间的间隙108起对电场的电介质的作用。电介质108由真空、惰性的气体 如氮气或者具有优选为高介电常数的不导电液体构成。除了被提高介电常 数的电容和电场力的值之外，液体的应用还提供了由粘性引起的液体摩擦 造成的良好衰减机械振动的优点。间隙宽度小并且例如为0.005mm。

通过将电压施加在基本电极113、213、1、2、3、4、201、202、203、 204之间，悬浮体被静电地向下拉。侧电极115、116、215、216之间的 电压将悬浮体向上拉。如果在基本电极和侧电极之间从一侧施加电压，则 朝相应的侧拉悬浮体。通过合适的电极控制也可以产生转动的翻倒力矩 (Kippmomente)。

不仅直流电压而且交流电压都可以用于耦合输入静电力。

用于确定悬浮体的准确位置的电容性距离测量优选通过也用于力的 耦合输入的相同的电极进行。在此应注意到，高频测量场同样产生吸引力。

半导体芯片上的测量和控制电子设备负责将悬浮体保持在相对于电 极精确的对称位置中。从外面通过引力场作用到悬浮体上的重力通过反向 的静电补偿力抵消。因此，在三个空间方向上的必需的补偿力是对三个空 间方向上的引力场的尺度。

单个电极段的所使用的驱动电压优选这样地选择，使得在悬浮体上出 现平均质量电势(Mittelmassepotential)。为此目的，这些电极中的一 半利用相对于平均质量的正的电压电平来驱动，而另一半利用相对于平均 质量的相应负的电平来驱动。

由于悬浮体将作用的静电力对时间积分，所以除了模拟驱动电压之 外，也可以使用数字的脉冲宽度调制的二进制级或者三进制级电压。

以下，列出用于理想化的悬浮锥引力计的物理计算公式。此外，借助 计算例示出，实际出现的用于引力场补偿的电极驱动电压有多高，以及得 到哪些电极电容值。

升力和悬浮体的有效重力：

m＝ρ1·V $V=\frac{\pi }{12}·d^2·h$ $m={\rho }_1·\frac{\pi }{12}·d^2·h$

$F_A={\rho }_2·V·g={\rho }_2·\frac{\pi }{12}·d^2·h·g$

$F_G=({\rho }_1-{\rho }_2)·V·g=({\rho }_1-{\rho }_2)·\frac{\pi }{12}·d^2·h·g$

m＝圆锥质量

d ＝圆锥直径

h＝圆锥高度

V＝圆锥体积

ρ1＝圆锥密度

ρ2＝电介质密度

g＝重力场强

FA＝升力

FG＝有效重力

单个电极的静电力FEL：

$F_{\mathrm{EL}}=\frac{{ϵ}_o·{ϵ}_r·A·U^2}{{2s}^2}$

εo＝电场常数＝8.85×10-12F/m

εr＝电介质的介电常数

A＝关于空间方向x、y或者z的有效电极面积

U＝电极与悬浮体之间的电压

s＝电介质间隙宽度

$A_x=A_y=\frac{h·l}{2}$

n＝基本电极或者侧电极的数量

l＝侧电极的弦长

x，y＝平行于基本电极的空间方向

z＝垂直于基本电极的空间方向

用于补偿重力或者引力的电极驱动电压：

FEL＝FG

Ux＝侧电极的驱动电压以便补偿x方向上的引力场

$\frac{{ϵ}_o·{ϵ}_r·\pi ·d^2·{U_z}^2}{{8s}^2}=({\rho }_1-{\rho }_2)·\frac{\pi }{12}·d^2·h·g_z$

$U_z=s·\sqrt{\frac{2·g_2·({\rho }_1-{\rho }_2)·h}{3·{ϵ}_o·{ϵ}_r}}$

Uz＝所有基本电极或者所有侧电极的驱动电压，以便补偿z方向上的引力 场

电极与悬浮体之间的电容：

CB＝基本电极的电容

CS＝侧电极的电容

AS，AB＝电极的面积

$C=\frac{{ϵ}_o·{ϵ}_r·A}{s}$ $A_B=\frac{\pi ·d^2}{4·n}$ $A_S=\frac{\pi ·d^2}{2·n}·\sqrt{\frac{d^2}{4}+b^2}$

$C_B=\frac{{ϵ}_o·{ϵ}_r·\pi ·d^2}{4·n·s}$ $C_s=\frac{{ϵ}_o·{ϵ}_r·\pi ·d}{2·n·s}·\sqrt{\frac{d^2}{4}+h^2}$

引力场计算

$g=\gamma ·\frac{m}{r^2}$   m＝ρ·V $V=\frac{4}{3}·\pi ·r^3$ $g=\gamma ·\rho ·\frac{4}{3}·\pi ·r$

g＝在球形物体表面的引力场

γ＝引力常数＝6.67×10-11m3/kg*s2

m＝质量 r＝球半径 V＝体积 ρ＝球密度

应用例子

引力计在侧面安装在球形容器上。圆锥顶指向下。填料场在x方向上 起作用。地场在z方向上起作用。填料是水。

给定值

填料密度     ρ＝1000kg/m3

箱半径       r＝0.5m

圆锥直径     d＝500μm

圆锥高度     h＝250μm

圆锥密度     ρ1＝2700kg/m3

电介质密度   ρ2＝700kg/m3

间隙宽度     s＝5μm

电极数量     n＝4

介电常数     εr＝20

地场         gE＝9.81m/s2

计算值：

基本电极电容    CB＝1.74pF

侧电极电容      CS＝2.46pF

填料引力场      gF＝1.4×10-7m/s2

用于基本电极的驱动电压    UZ＝680mV

用于与填料背离的侧电极的驱动电压  UX＝171μV

如计算例子所示，值小的电压足以产生静电补偿力，使得测量单元电 子设备可毫无问题地在常用的5伏特电源上工作。

因为悬浮体引力计由于原理而不包含机械弹性部件，所以不仅没有这 种结构带来的误差分量，而且在测量值分辨率方面也不再由于刚度而受限 制。

在测量过程中，引力计单元的部件优选未受到任何形变，而是单纯静 态地工作。因此未出现由于蠕变过程引起的部件尺寸变化或者由于机械拉 伸应变或者压缩应变引起的参数变化的材料再结晶过程。

由于在半导体芯片上不必产生机械结构的事实，所以可以完全着眼于 电子电路组件的优化来设计其制造过程。

如果使用液体作为电介质，则要考虑到其热膨胀。在成型件内例如可 以设置有部分填充气体的毛细管，电介质液体可以膨胀进该毛细管中。由 于液体的表面张力，如在液体温度计的情况下那样，防止气柱从毛细管中 游移出。

在气态电介质的情况下，悬浮体空腔优选设计成气密密封的，使得在 温度变化时气体占据的容积保持恒定并且由此其密度也保持恒定。

由于在测量精度方面对引力计测量单元提出了最高的要求，所以使用 各种误差补偿机制。首先，补偿机械和电类型的、温度和老化引起的值变 化。

为了产生两个数学上不同的、与引力场和误差分量相关的测量值，在 芯片上可以安装有两个在所有尺寸上相同的悬浮体单元。同样，所属的驱 动和分析电路部分也可以相同地构造。

两个装置之间的不同在于，悬浮体100、200(参看图5)由两种不同 的具有不同密度的金属构成。由此达到了，引力场以两个不同因子进入这 两个悬浮体单元的测量结果中。由于这两个因子是已知的，所以通过这两 个测量值的抵消可以进行误差补偿。

在使用液态电介质的情况下，由电介质的热膨胀产生的上升误差可以 以这样的方式来补偿。

悬浮体单元内的八个电极段的电容值的比较提供了附加的校正值。

在悬浮体的位置变化时，在电极的一部分中电容增加，而在另一部分 中电容减小，原料的膨胀导致相同的变化。通过合适的电极段值的相互抵 消可以补偿该误差。借助另一不包含悬浮体的空腔装置，也可单独地测量 基本电容值。

通过产生测试力，可以获得关于测量单元的函数参数的其它信息。为 此目的，通过现有的电极将附加的静电力场耦合输入进悬浮体中。以这样 的方式引起电子设备中的场调节，使存在的补偿场在其强度上匹配，以便 保持悬浮体中的力平衡。利用该方法可以测量出力场产生的特征曲线。

由于针对调节的其它预给定额定值，通过改变悬浮体距中心的位置， 根据在悬浮体与单个电极之间的各种间距的情况下得到的电极电容值，可 以测量测量单元的电容-间距-特征曲线。

利用该方法，单元可以在所有三个维度上被自动地测量和进行新的校 准。

另一种误差校正可能性是直接的温度补偿。在半导体芯片上同时集成 有温度传感器，并且对应于预先给定的值相关性进行补偿。由于整个测量 单元本身只有芯片大小，所以不会出现歪曲补偿的温度梯度。

在单元的残差是相同类型的情况下，在完整的传感器中进行的单个引 力计电路的测量值的抵消过程导致另一补偿作用。因此，传感器的测量单 元的芯片应该从相同的制造晶片上获得。

如果尽管有所有的校正措施和测量单元的有利的高集成度，但仍未达 到所需的测量精确度，则可以通过使用具有第三密度值的第三悬浮体生成 输入量的另一数据记录以提高精度。

在图3和4中示出悬浮体引力计装置的第二实施例。

图3示出了通过根据本发明的引力计单元的另一种实施例的横截面。

图4示出了半导体芯片的俯视图，在该芯片上安装有图3中所示的引 力计单元的实施例的电极。

如果引力计单元始终这样地安装，使得地引力场从芯片表面指向离 开，则整个电极结构可以安装在芯片101上。因此，成型件102无需电端 子。借助外电极114、214可以产生从侧面作用到悬浮体100、200上的力。 在此始终同时存在的朝芯片表面的力分量由于安装而反作用地场。

由于外电极只能产生小的力，所以悬浮体100、200可以有利地实施 为质量轻的扁平片。通过外电极114、214和内电极113、213的组合驱动 可以产生所有需要的力分量。

成型件102在该装置中不仅可由绝缘材料而且也可由金属制造。在使 用金属成型件的情况下，其与电路地电势相连并且以这样的方式同时用作 测量系统的电屏蔽。朝向地表面的单元对齐可以在两个空间方向上偏差大 约+/-45度。

除了所描述的静电吸引力也可以产生排斥力。为此目的，悬浮体100、 200必须由不导电的材料如玻璃或者陶瓷构成。其介电常数必须小于所使 用的液体的介电常数。在两个电极之间建立的电场以排斥方式地作用到悬 浮体上。

这两种类型的力的组合产生是可能的，其方式是不导电的悬浮体被设 置有部分金属化。以这样的方式，半导体芯片能够利用位于半导体芯片上 的电极吸引悬浮体的金属化部分并且排斥非金属化的部分。因此，可以产 生在所有空间方向上的力，使得不需要单元对齐。

在使用吸引的静电力的情况下，强制性地需要调节电极电压以便使悬 浮体可靠地保持悬浮状态，而在使用排斥力的情况下基本上不需要力场调 节。

在距离减小而由此电场强度上升的情况下，悬浮体接近排斥力场导致 场力的增加。因此，悬浮体接近电极直到引力和电场力保持平衡的程度。 根据所产生的悬浮体距单个电极的距离，随后可以在三个空间方向上计算 引力场的值。然而尽管如此，在排斥的力场中使用主动的场调节可以是有 利的，因为恒定的悬浮体位置提供了误差补偿时的优点。

悬浮体引力计装置的第三实施例在图5中示出。在这种装置中，成型 件102也不需要电极结构。两个极性的力可以在所有三个维度上耦合输入 到悬浮体100、200上。

与前面所描述的装置的不同在于，可以使用纯金属的悬浮体。为此目 的，成型件102基本上导电地实施并且与地连接。通过特殊的机械成型获 得吸引悬浮体的电极的功能。这以这样的方式实现，即通过将凹处111、 211设置在环形边缘区112、212上来减小有效的电极表面。边缘区112， 212具有小于芯片上的内电极113、213和外电极114、214的总面积的面 积。如果芯片电极113、114、213、214通过不同于地的相同的电压值来 驱动，则在环形电极112、212上比在芯片电极113、114、213、214上产 生更高的电场线密度。因此，悬浮体被环形电极吸引。如果悬浮体应该被 芯片电极吸引，则通过在单个芯片电极之间使用不同的电压电势来实现。

图5也示出了悬浮体100、200的一种替换实施形式。为了提高可以 静电方式产生的侧向力，悬浮体100、200在其下侧分别具有凹处115、 215。以这样的方式，产生对着芯片电极113、114、213、214的环形边缘 区216。边缘区216具有附加的内侧面219，该内侧面允许内电极113、 213同样将侧向力耦合输入进悬浮体中。外电极114、214使用外侧面218 耦合输入侧向力。

也存在在悬浮体下侧上设置多个同心的环结构的可能性，这些环结构 分别具有被分配的自己的一组内电极和外电极，以便能够产生更高的侧向 力。

通过合适的驱动多重存在的电极段，可以针对测量和控制目的改变以 电的方式起作用的产生力场的电极面。

此外，还存在以不同的高度实施环结构的可能性，使得每个单独的环 都具有到芯片表面上的电极的不同距离。这种装置允许在使用不同的间隙 宽度的情况下多次确定悬浮体位置。借助已知的环形高度值可以从距离不 同的距离测量值中去除现有的误差分量。

相对于为了测量电容-距离-特征曲线的目的而改变位置额定值，该 方法具有这样的优点，即悬浮体不必运动。此外，分配给单个环的电极允 许通过不同的间隙宽度变化地耦合输入电场力。

图8示出了作为第四实施例的具有间隙宽度结构化的悬浮体109的引 力计，该悬浮体具有三个环单元a、b、c。环单元由环结构116a、116b、 116c和凹处115a、115b、115c构成。在半导体芯片101上设置有环状外 电极114a、114b、114c和内电极113a、113b、113c。

在使用具有保持恒定的密度的气态电介质的情况下，在这种结构中存 在这样的可能性，即从唯一的悬浮体中导出所有对误差补偿必需的测量 值。在这样的情况下，如图8中所示，引力计测量单元总共只需一个悬浮 装置。

如果使用液态的电介质，则其热膨胀和由此得到的升力误差 (Auftriebsfehler)通常需要两个悬浮装置用于误差补偿。然而，如果 在使用电介质的情况下可从其介电常数计算出密度值，因为例如电介质的 电磁化系数正比于密度值，于是以这样的方式同样可以进行升力误差补 偿。

介电常数的确定通过足够数量的电极的电容值的抵消计算来进行，使 得其它确定电容的量，诸如悬浮体位置和衬底基本电容，可被消除。如图 8中所示的装置对此具有足够数量的电极。

在使用有棱角的而非圆形的悬浮体的情况下，上面提及的环结构相应 同等意义地可通过类多边形几何结构代替。

导电悬浮体或者成型件除金属之外也可以替换地由金属化的绝缘材 料如玻璃或者陶瓷制成。金属悬浮体或者金属成型件的轮廓精确的制造可 以通过适合于压印成型的毛坯实现。玻璃基础的部件可以通过在塑性热状 态中的挤压来精确地成型。

除了固定的悬浮体之外，原则上也可以使用液体球。电介质可以是气 态的或者由不混合的第二液体构成。同样，可考虑在液体中使用以静电方 式保持悬浮状态的气泡。在尺寸小的情况下强烈增大的表面张力保证该悬 浮对象具有限定的形状。

也存在这样的可能性，即悬浮体完全被一个支承所有电极的成型件装 置包围，并且利用导体连接来耦合半导体芯片或者其它电子设备。同样可 能将悬浮体三明治式地嵌入两个半导体芯片之间。此外，还存在这样的可 能性，即不在成型件中设置用于悬浮体的凹处，而是设置在半导体芯片本 身上。

就此而言，图9示出了悬浮体引力计的第五实施例，其中出于简单的 原因仅仅示出了一个悬浮装置。在两个在分离线93上相叠连接的、分别 具有半球形的凹处10的成型件91、92的内部，有球形悬浮体100。成型 件91、92的每一个在其凹处10支承例如四个四分之一球拱顶形状的电极， 以便能够将产生力的以及测量间距的电场耦合输入到悬浮球100上。在图 9中只能分别看到每个成型件的四个电极中的两个电极5、8或者6、7。 参考标记94表示电极膨胀边界。参考标记95表示绝缘间隙。

悬浮体100的球形设计使得能够实现简化的场调节，因为由于球体在 所有三个空间轴线上的转动对称，所以可以省去所有三个转动自由度的调 节并且因此只需调节剩下的三个平移自由度。

由于两个成型件91、92通常是无源特性并且因此必须借助带有杂散 电容的导体连接来连接到外部电子设备，所以具有支承电极的半导体芯片 的悬浮装置是特别有利的。

在悬浮体引力计中，优选使用电场用于产生力和测量距离。这些电场 可以以最小的能量花费生成，简单地屏蔽，并且所需的电极装置是低成本 的并且可以很精确地制造以及能被集成。

替换地，也可以使用磁场。为此，悬浮体被电磁线圈包围。由铁磁材 料(如铁或者铁氧体陶瓷)构成的悬浮体被线圈的磁场吸引。由永磁材料 制成的物体根据线圈的场极不仅可被吸引而且可被排斥。由非磁的但是能 导电的材料(诸如铝)制成的物体能因为通过线圈的交变磁场形成的涡流 而与其排斥。

距离测量也可以借助磁场来进行。由线圈的电感值以及由线圈之间的 磁耦合，可以确定距铁磁悬浮体的距离。在电阻性地导电的物体中，通过 分析线圈的交流阻抗的电阻分量可以实现距离测量。从悬浮体出发的场或 者通过悬浮体改变的场幅度同样是距离的量度。场强测量例如可以借助磁 阻的霍尔或者GMR传感器元件来实现。

在应用磁方法时，要设置测量单元相对环境磁场的足够的屏蔽。

悬浮体位置也能传导地确定。为此使用电阻性地导电的电介质。单个 传导的测量电极之间的阻值是距电极的悬浮体距离的尺度。如果使用电阻 不是太低的电介质，则可以同时执行电阻性和电容性的距离测量。同样保 持了以电的方式产生力场的可能性。

此外也可能进行光学的距离测量。该光学的距离测量例如可以通过分 析悬浮体在光束上的阴影效应，借助测量点光源的从物体散射回的光的幅 度以及以干涉测量方式地进行。

原则上也存在机械方法上的可能性，例如通过替代电介质的或者本身 可以为电介质的液体流经或者环流悬浮体，将力耦合输入到悬浮体上，并 且由该装置的与间隙宽度有关的流阻推断出物体位置。

为了抑制环境振动对引力计输出信号的干扰影响，存在不同的可能 性。

有利的是，将测量单元载体嵌入绝缘材料，或利用其他措施防止从传 感器外壳至测量单元的振动传递。

此外，在使用液态电介质时，流动引起的液体摩擦被用于进行振动抑 制。

在具有气态电介质的测量单元的情况下，通过悬浮体和成型件的相应 设计同样可以通过电介质引起振动衰减。

为此这样地实施悬浮体，使得该悬浮体在三个空间方向的每个方向上 运动时引起气体电介质的尽可能大的体积挤压，然而同时仅具有最小的固 有重量。

为此目的，悬浮体100可以如在图8中所示的那样被杯状地、帽状地 或者半封闭圆柱形地构造，实施为完全闭合的空心体同样是可能的。在运 动时被挤压的气体体积必须通过悬浮体与成形件之间的窄的间隙，使得只 可能缓慢地运动。

在金属悬浮体的情况下，可替换地也能采用用于进行振动衰减的涡 流。为此，永磁体被安装在成形件上，该永磁体使导电的悬浮体受到不均 匀的磁场。悬浮体的每个运动都导致形成涡流，根据楞次定律，这些涡流 的各自磁场反作用于它们引起的运动。

也存在以下可能性，即通过电极的静电力来实时补偿振动力。由于机 械振动通常在1至1000Hz的频域中出现，可是静电场的调节可以以数百 兆赫兹的频率来实现，所以电补偿力比最高的机械振动频率快了十的五次 方以上。

由于振动表示纯交变的量，引力场相反是恒定场量，所以能通过振动 抑制和测量值集成引起期望的分离。

通过误差校正领域中广泛使用的诊断功能，悬浮体引力计单元给出了 一个自监控的测量系统。传感器操作者在故障时得到可靠的故障消息，在 参数劣化时，同样能将故障前信号作为警告消息发出。

由于测量单元的微小性，对于特别的安全要求也能建立完全冗余的传 感器，而不必增大外部尺寸。由于所涉及的原理，测量单元或者完整的传 感器的相互影响不会发生。

通过设置多个矩阵形式的测量单元，也能设想产生图像的传感器的实 现。

除了在料位传感器中的应用以外，根据本发明的悬浮体引力计和上述 引力场分析方法也可以有利地被用于定量和定性检测物质及其量的应用 中。可以只用一种类型的引力计电路覆盖所有类型的测量应用，因为地球 引力场在所有情况下总是占主导地位的量。

此外，除了检测引力加速度以外，根据本发明的悬浮体测量单元也能 被用于测量其他类型的加速度。相对于已公开的加速度传感器，本发明的 悬浮体测量单元尤其是在测量非常小的加速度值时具有优点。该悬浮体测 量单元因而例如能被用于不同类型的车辆、潜艇和飞机体的惯性导航系统 中。

补充地应指出，“包含”不排除其他元件或步骤，并且“一”或者“一 个”不排除多个。此外还应指出，参阅上述实施例之一所述的特征或者步 骤也可以与其他特征或者步骤组合地被用于其他的上述实施例中。权利要 求中的参考符号不应被视为限制。