TW202449743A - 用於極端及惡劣環境之無線感測系統 - Google Patents

Abstract

一種系統，其包括一容器，該容器具有界定一體積之一壁。該容器可含有介質。該系統亦包括：一無線感測系統，該無線感測系統具有：複數個感測器節點，其分散在該介質內並且可測量該容器內之一或多個參數或狀況並以無線方式傳輸含有該一或多個參數/狀況之一第一資料信號；以及一或多個穿壁通訊系統，其附連至該容器之該壁並且可與該複數個感測器節點以無線方式通訊，以穿過該容器之該壁傳輸一第一通訊信號、一第一功率信號或兩者，以接收該第一資料信號，並穿過該容器之該壁傳輸一第二資料信號；以及一控制系統，其以通訊方式耦合至該無線感測系統並且可基於該第二資料信號來判定及剖析該一或多個參數/狀況。

Description

用於極端及惡劣環境之無線感測系統

本揭露大致上係關於一種無線感測系統。更具體地說，本揭露係關於用於在極端或惡劣環境下監測及剖析容器內之狀況的無線感測系統。

監測及剖析圍封容器（諸如反應器）中之狀況，為瞭解反應動力學、催化劑效能、安全參數、及系統效率等提供有用資訊。當圍封容器內之環境極端或惡劣時，此資訊特別有用。例如，某些處理發生在低於環境溫度或高溫（例如，溫度低於0攝氏度(℃)或高於150℃）、在低於環境壓力或高壓（例如，壓力低於0.10百萬帕(megapascal, MPa)及至多21 MPa）、以及腐蝕性狀況下。為了避免在此等極端/惡劣環境下可能影響系統效能之非所欲處理狀況，感測器係用於監測諸如壓力及溫度的參數，並洞察有關圍封容器內狀況。雖然有用於監測極端/惡劣環境中之參數及狀況之感測器，但是此等感測器需要感測器與外部控制系統之間的實體連接（例如，電氣或氣動連接）。例如，熱電偶需要與外部控制系統實體連接以進行信號通訊，從而能夠在惡劣環境中監測溫度。通常，利用熱電偶之容器具有熱套管，該等熱套管延伸穿過容器壁到達待測量溫度之位置。然而，因為溫度測量之位置受限於容器壁附近及周圍的區域，所以可能偵測不到容器中不靠近壁之其他區域中的熱點及/或冷點。因此，此等位置之溫度可能無法指示容器各處之溫度。因此，熱電偶可能無法可靠地洞察容器內部發生之情況。

另外，現有無線感測器通常使用電磁信號與位於遠端的控制系統以無線方式通訊。然而，某些容器可能由阻礙或以其他方式衰減信號的材料製造。例如，在精煉廠及化工廠中用作反應器之容器係金屬的（例如鋼）。金屬材料具有屏蔽作用，且不適於將傳輸自容器內之無線感測器之電磁信號有效傳送至遠端控制系統，且反之亦然。此外，無線感測器通常需要電源（例如電池）。然而，當用於工業型容器時，諸如精煉廠或化工廠中之反應器，在不停用容器且不拆卸無線感測器之情況下，更換無線感測器中之電源或為其充電可能並不可行。

此外，歸因於各種因素，諸如例如熱應力、機械應力、電氣應力、輻射性應力、及/或化學應力，在極端及/或惡劣環境中監測及剖析參數/狀況可能具有挑戰性。以無線方式如此操作會帶來額外挑戰。例如，在缺乏有線連接的情況下，在此等環境中使用之感測器可能缺乏測量之精度及可靠性。因此，仍需要無線感測器，其可用於監測及剖析容器內整個或部分體積之狀況，並耐受極端惡劣或環境，同時提供準確及可靠之測量。此外，對於在極端及/或惡劣環境中使用之無線感測器來說，在幾乎不需要維護（例如，電池更換/充電）之情況下獨立操作係有利的，因為其等可能在較長時間內無法維修且不容易更換（例如，在沒有關機及/或沒有停用系統的情況下）。

在一實施例中，一種系統，其包括一容器，該容器具有界定一體積之一壁。該容器可含有介質。該系統亦包括：一無線感測系統，該無線感測系統具有：複數個感測器節點，其分散在該介質內並且可測量該容器內之一或多個參數或狀況並以無線方式傳輸含有該一或多個參數/狀況之一第一資料信號；以及一或多個穿壁通訊系統，其附連至該容器之該壁並且可與該複數個感測器節點以無線方式通訊，以穿過該容器之該壁傳輸一第一通訊信號、一第一功率信號或兩者，以接收該第一資料信號，並穿過該容器之該壁傳輸一第二資料信號；以及一控制系統，其以通訊方式耦合至該無線感測系統並且可基於該第二資料信號來判定及剖析該一或多個參數/狀況。

在另一實施例中，一種用於使用一無線感測系統監測及剖析一容器內之狀況的方法，該方法包含以下步驟：將一第一信號傳輸至附接至該容器之一壁之一穿壁通訊系統。該穿壁通訊系統可與分散有在該容器中所含有之介質之一或多個感測器節點以無線方式通訊。該方法亦包括回應於該第一信號而從該穿壁通訊系統向該一或多個感測器節點以無線方式傳輸一第二信號。該一或多個感測器節點包括一天線，該天線可經組態以接收該第二信號。該方法亦包括回應於該第二信號而測量與待剖析之一狀況相關聯之一或多個參數。該感測器節點包括一感測器，該感測器可回應於該第二信號而測量該一或多個參數並產生的一第一資料信號。該方法亦包括將含有與該一或多個所測量參數、該一或多個感測器節點之位置或兩者相關聯之資訊的該第一資料信號傳輸至該穿壁通訊系統。該第一資料信號係一電磁信號。該方法進一步包括使用一處理器基於該第一資料信號來判定及剖析該容器內之該狀況。該處理器係以通訊方式耦合至該無線感測系統之一控制系統的一部分。

本揭露之例示性實施方案的額外特徵及優點將於以下描述中闡述，且部分將從該描述顯而易見，或可藉由實踐此類例示性實施方案來獲知。此類實施方案之特徵及優點可藉由在隨附申請專利範圍中特別指出之儀器及組合來實現及獲得。此等及其他特徵將自以下描述及隨附申請專利範圍中變得更加顯而易見，或可藉由實踐如下文所闡述之此類例示性實施方案來獲知。

下文將描述本揭露之一或多個具體實施例。此等描述之實施例係目前所揭示之技術的實例。另外，為了提供此等實施例之簡明描述，本說明書中並未描述實際實施方案的所有特徵。應理解，在任何此類實際實施方案之開發中，如在任何工程或設計專案中，將做出許多特定於實施方案之決策以實現開發者之具體目標，諸如遵守系統相關及業務相關之約束，此可能因實施方案而異。此外，應理解，此一開發努力可能既複雜且耗時，但是對於受益於本揭露之所屬技術領域中具有通常知識者來說仍係設計、製作、及製造的例常任務。

當介紹本揭露之各個實施例之元件時，冠詞「一(a)」、「一個(an)」、及「該(the)」旨在意指存在一或多個元件。用語「包含(comprising)」、「包括(including)」、及「具有(having)」旨在具有包含性，並且意指可能存在除了所列出之元件之外之額外元件。另外，應瞭解，對本揭露之「一個實施例(one embodiment)」或「一實施例(an embodiment)」之參考並不旨在被解釋為排除亦併入所列舉之特徵之額外實施例的存在。

如本文中所使用，用語「大約(approximately)」、「約(about)」、及「實質上(substantially)」代表接近所述量之仍執行所欲功能或達成所欲結果的一量。舉例而言，用語「大約」、「約」、及「實質上」可指與所述量相差小於10%內、小於5%內、小於1%內、小於0.1%內、及小於0.01%內的一量。

各種工業製程（例如，精煉廠、化工廠、食品及飲料工業等）使用大型容器（例如，罐、貯器、反應器等）來在極端或惡劣之環境下執行各種功能及處理。如本文中所使用，用語「極端/惡劣環境(extreme/harsh environments)」、「極端/惡劣狀況(extreme/harsh conditions)」及類似用語旨在表示具有低於環境壓力至超高（靜水壓或單軸）壓力、低於環境溫度至超高溫度（例如低於-40℃至高於200℃）、一或多個實體狀態（例如固態、液態、氣態、或其組合）的環境/狀況，該一或多個實體狀態係下列中之一或多者：腐蝕性、有毒、輻射性、苛性、反應性、易燃性、及氧化或還原。監測此等容器內之系統參數及狀況提供一種瞭解反應動力學、處理狀況及效率的方法，並減輕可能影響系統效能及安全性之非所欲事件。監測容器（諸如精煉廠及化工廠中使用之容器）內之系統參數的一種技術係使用壓力及/或溫度感測器。然而，此等感測器通常包括電纜及其他接線以與外部控制/資料處理系統通訊。另外，此等感測器在容器內的放置位置係有限的。例如，用於測量及監測容器中之溫度的熱電偶通常沿著容器壁佈置或佈置在容器壁中的熱套管內。因此，溫度測量係定位於容器壁附近及周圍之區域，此可能無法指示整個容器之溫度（例如，在不靠近容器壁及熱電偶位置之區域中）。因此，可能無法偵測到容器內之熱點及/或冷點。

因此，本文揭示一種具有無線感測器之無線自定位感測系統，該等無線感測器被併入其中發生化學反應及其他處理之介質中並被該介質包圍。本揭露之無線自定位感測系統提供與操作期間含有介質之容器內之反應及/或處理狀況相關聯的定位資料（即，測量）。其藉由利用不同波長及頻率之多個信號來提供功率並測量容器內之狀況來達成。例如，無線自定位感測系統可使用聲響範圍信號（例如，在200赫茲(Hz)與20千赫(kHz)之間）及射頻(radiofrequency, RF)信號（例如，在9 kHz及300吉赫(GHz)之間）以無線方式測量及剖析容器內之參數。如下文進一步詳細討論，聲響範圍信號用於感測系統之外部組件（位於容器外部）與內部組件（位於容器內部）之間的無線通訊，並且RF信號用於感測系統之內部組件之間的無線通訊。無線感測器可傳輸含有與所測量之參數相關聯之資料的RF信號，並且該RF信號橫跨容器壁以無線方式傳輸並傳輸至無線感測系統之外部組件之前，被修改/轉換成聲響信號。這樣做時，感測器系統之操作不會強加任何空間或動態（運動）約束。另外，感測器節點或內部模組可位於惡劣環境內之介質的內部或外部。外部基地台可使用來自聲響信號之資訊來監測及/或剖析反應動力學、催化劑效能、及安全參數等。外部基地台亦可觸發本揭露之無線感測系統之外部組件以穿過容器壁傳輸被內部組件修改/轉換成RF功率信號的聲響功率信號。此RF功率信號可用於向介質內之一或多個無線感測器提供功率。本文所述之定位技術優於傳統多點定位技術（例如，到達角度、到達時間、到達時間差），傳統多點定位技術在適度混響之環境中可能會變得受限，因為在簡單幾何方面，多點定位量度係與如GPS之系統所基於的位置無關。本文揭示頻域振幅及相位回應結合校準模型之使用以判定感測器位置。另外，在其中以低RF頻率實現內部通訊之一些實施例可藉由使用多點到達振幅來定位感測器節點，因為強信號衰減會提供高位置準度（至一英吋內），此係歸因於信號之強衰減及其抑制相關模式之信號自容器壁反射的對應效應。藉由使用本文所揭示之無線感測系統，可穿過整個容器而非容器壁或附近之定位位置處監測及剖析容器內之狀況。

考慮到前述內容，圖 1係根據本揭露之一實施例具有容器 12（例如，反應器）之系統 10的橫截面圖，該容器包括無線感測器系統 14。容器 12可具有軸向軸線或方向 16、遠離軸線 16之徑向軸線或方向 18、以及圍繞軸線 16之周向軸線或方向 22。容器 12內之狀況範圍可係從低於環境壓力至超高（靜水壓或單軸）壓力、低於環境溫度至超高溫度、腐蝕性，並且容器 12周圍之環境可係陸地環境（例如，位於精煉廠或化工廠）或地外（例如，位於太空站、衛星、或太空梭軌道空間上）。部分歸因於其中容器 12及其內容物可能暴露於惡劣狀況，定期監測及剖析容器 12內之狀況可能係有益的。藉由警告系統 10之操作者，洞察容器 12內之狀況可幫助減輕不利事件，諸如例如熱失控及非所欲之壓力累積。另外，監測及剖析容器 12內之狀況可有利於瞭解反應動力學及催化劑效能。然而，現有感測器不穩健且難以承受惡劣狀況並難以提供可用於剖析、監測或以其他方式洞察容器 12內部發生之情況之精確、可靠及準確的測量。此外，某些感測器可能需要有線連接來分別傳輸與接收含有容器內狀況之資訊的信號以及為感測器供電。在某些系統組態及介質中，有線連接不可行並且受限於需沿著容器壁放置。因此，為了促進監測及剖析整個容器 12之體積之狀況，無線感測系統 14包括複數個感測器節點 26，其測量容器 12內之參數及狀況並將所測量資料以無線方式傳輸至無線感測器系統 14之其他組件，如下文進一步詳細討論。所測量參數/狀況包括但不限於壓力、溫度、化學組成、蒸氣及液體組成、密度、流速、pH、振動、輻射、磁通量、光強度、信號衰減、及聲音強度等。

在所示實施例中，容器 12包括多個催化劑床 30（例如，反應區），各催化劑床具有複數個催化劑粒子 32。催化劑床 30沿著容器 12之軸向軸線 16間隔開並位於不同高度處。在某些實施例中，容器 12具有單個催化劑床 30。如上文所討論，本文所揭示之無線感測系統 14監測並剖析容器 12之整個體積的狀況。因此，多個感測器節點 26係分佈在各催化劑床 30內並且被催化劑粒子 32包圍。實質上，感測器節點 26與容器 12內之介質混合。在本實施例中，介質包括催化劑粒子 32。值得注意的是，本揭露之實施例將在固定床催化劑反應器的背景下討論。然而，應理解，容器 12可係任何其他合適容器，諸如例如移動床反應器、沸騰床反應器、穀物筒倉、蒸餾罐，或用於容納材料及/或在陸地或地外位置中在惡劣狀況（例如，低於環境溫度（例如-40℃）至超高溫度（例如，高於200℃）及壓力（例如，至多21 MPa）、腐蝕性環境等）下執行處理的任何其他反應器或貯器。此外，本揭露亦可用於管道、飛行器、車輛（例如，汽車、火車、拖拉機等）、發動機等而不脫離其範圍。另外，本揭露係在催化劑粒子作為介質之背景下討論。然而，無線感測器系統 14可用在具有其他介質（例如，氣體、液體、電漿、生物材料、放射性材料、及/或固體材料）的容器中。

催化劑粒子 32可具有工業中通常使用之任何尺寸及形狀，包括任何形狀（例如，圓柱體、二葉形、三葉形、及四葉形）之擠出物、球體、球、不規則聚集體、丸、及粉末。催化劑粒子 32之尺寸可在0.1 mm至200 mm之範圍內，並且可具有任何組成物。催化劑粒子 32之常見組成物包括無機氧化物組分，諸如二氧化矽、氧化鋁、二氧化矽-氧化鋁、及二氧化鈦。該組合物進一步可包括催化金屬組分，諸如過渡金屬中之任一者，包括鉻、鉬、鎢、錸、鐵、鈷、鎳、鈀、鉑、金、銀、及銅。催化劑粒子之金屬組分的濃度基於金屬可至多60 wt.%，而無論其實際狀態如何，並且通常，金屬濃度基於金屬係在0.1至30 wt.%之範圍內，而無論其實際狀態如何。

除了催化劑床 30之外，容器 12亦包括其他組件，諸如分別用於接收及輸出容器 12內使用、產生之、或以其他方式含有之流體的入口 38及出口 40。例如，入口 38有利於將進料引入容器 12中。類似地，出口 40有利於去除催化劑床 30中所產生之含有反應產物的流出物。容器 12可包括未描繪之額外特徵，諸如額外流線、入口、出口、閥、及感測器以及其他特徵。

容器 12可由深度及寬度界定。各催化劑床 30之典型深度係在0.5至20米之範圍內，並且各催化劑床 30之典型有效寬度係在0.5至20米之範圍內。因此，感測器節點 26可被厚度至多20米之催化劑粒子 32之層或封套包圍（例如，沿著周向方向 22），此需要由感測器節點 26接收及/或傳輸之信號傳送穿過催化劑粒子 32約0.5至約20米或更大的床厚度。例如，感測器節點 26之全部或僅一部分可被催化劑粒子 32包圍。作為非限制性實例，感測器節點 26可被催化劑粒子 32包圍10%、25%、50%、75%、或100%。除了使信號傳送穿過催化劑床 30之厚度之外，由各感測器節點 26及感測器系統 14之其他組件接收與傳輸之信號亦需要傳送穿過容器 12之壁 46的厚度 42。容器 12可由金屬材料（例如鋼）製造，該金屬材料可衰減由感測器節點 26傳輸之無線RF信號並且非所欲地影響容器 12內之感測器測量之準度及/或精度。然而，如下文進一步詳細討論，藉由將RF信號轉換成容器 12內之聲響信號，無線感測系統 14可使用穿過壁 46之傳輸資料（例如，所測量之參數資料）。在某些實施例中，容器 12可由非金屬材料製成，諸如塑膠、耐火材料、複合物、或任何其他合適材料。

如下文進一步詳細討論，各感測器節點 26包括促進測量容器 12及催化劑床 30內之狀況的電路。例如，各感測器節點 26可包括天線、接收器、傳輸器及促進與無線感測器系統 14之其他組件之無線通訊（例如，接收及傳輸信號）的其他通訊組件。例如，各感測器節點 26與穿壁通訊系統48以無線方式通訊，該穿壁通訊系統具有佈置或以其他方式耦合至壁 46之內表面 52上的內部模組 50，及佈置或以其他方式耦合至壁 46之外表面 56的外部模組 54。各催化劑床 30可具有與其相關聯之多個穿壁通訊系統 48。例如，各催化劑床 30可具有圍繞各相應催化劑床 30並沿著周向軸線 22間隔開的2、3、4、5、或更多個穿壁通訊系統 48。額外地，穿壁通訊系統 48可經配置使得與相應催化劑床 30相關聯之各系統 48沿著容器 12之軸向軸線 16處於相同或不同高度。亦即，穿壁通訊系統 48可呈現圍繞相應催化劑床 30（例如，沿周向方向 22）之對齊或交錯組態。

模組 50 、54彼此通訊以向一或多個感測器節點 26提供通訊及功率信號，並且充當允許將感測器節點 26獲得之資料及資訊以無線方式傳輸至外部控制系統 60之中介。模組 50 、54包括一或多個換能器、電路、及其他組件 ，其有利於以無線方式傳輸信號穿過壁 46之厚度 42往返於感測器節點 26。

圖2係繪示穿壁通訊系統 48之容器 12之一部分的分解圖。如所示實施例中所示，內部模組 50及外部模組 54彼此相互相對定位並且在壁 46之相應表面 52 、56上徑向 22對齊。內部模組 50可包括將以一個頻率接收之信號調變及轉換成具有不同頻率之信號的特徵。例如，內部模組 50可將從外部模組 54接收之第一聲響信號 64轉換成以無線方式傳輸至感測器節點 26之電磁信號（例如，RF信號）。類似地，內部模組 50可將從感測器節點 26接收之電磁信號調變並轉換成含有所感測之參數或狀況資料以及感測器位置資訊的第二聲響信號 68。藉由將信號從聲響信號轉換成電磁信號（反之亦然），來自無線感測系統 14之內部及外部組件之資料及資訊可以無線方式傳輸穿過催化劑床 30之厚度及容器 12之壁 46，而信號衰減及對測量之準度及可靠性之影響最小化乃至沒有。以此方式，可在整個催化劑床 30之任何位置處以所欲之準度及可靠性來監測及剖析容器 12內之參數及狀況。

外部模組 54經由聲響信號 64 、68與內部模組 50通訊 ，並且充當控制系統 60與無線感測系統 14之內部組件（例如，內部模組 50及感測器節點 26）之間之中介。如下文進一步詳細討論，模組 50 、46共同實現感測器節點 26與控制系統 60之間的無線通訊。外部模組 54可包括一或多個換能器，該一或多個換能器以以下方式配置：穿過壁 34有效地傳輸聲能，並將其傳輸至內部模組 50，同時不超過在壁 34內散射之臨限。除了換能器之外，電路及其他組件亦可形成外部模組 46之部分，有利於無線感測器系統 14之各個組件之間的通訊。在其中外部模組 46包括多個換能器之實施例中，換能器可被配置成簇，使得各換能器部分地或完全定位在內部模組 50對面的外表面 56上。簇中之各換能器與內部模組 50通訊。雖然在所示實施例中，展示具有單對模組 50 、54之單個穿壁通訊系統 48，但是如上所討論，多個穿壁通訊系統 48可分佈在各催化劑床 30周圍的各個位置處。對於各催化劑床 30來說，數量穿壁通訊系統 48可相同或不同。例如，在一個實施例中，一個催化劑床 30可具有周向 22圍繞該催化劑床之4個穿壁通訊系統 48，並且容器 12內之不同催化劑床 30可具有周向圍繞該催化劑床之6個穿壁通訊系統 48。

在操作中，從感測器節點 26即時收集之資料可用於判定容器 12內之參數並剖析狀況。例如，回到 圖 1，感測器節點 26經由穿壁通訊系統 48傳輸RF信號，該RF信號含有與所感測之參數或狀況以及感測器位置相關聯且被控制系統 60接收為低聲頻的資料。控制系統 60可經由無線或有線連接接收資料信號 70。在某些實施例中，控制系統 60位於與工廠或容器 10所在位置分離的遠端位置中。在一個實施例中，資料信號 70可儲存在雲端中，且控制系統 60可從雲端擷取資料信號 70以處理及剖析容器 12內之參數及/或狀況。另外，控制系統 60可將信號 72傳輸至穿壁通訊系統 48。信號 72可提示外部模組 54向內部模組 50提供聲響功率信號或通訊信號。在某些實施例中，信號 72可包括用於測量參數或狀況、向感測器節點 26提供功率、以及提供感測器節點位置信號的指令。為了促進控制系統 60與穿壁通訊系統 48之間之通訊，控制系統 60可包括收發器/接收器 74。收發器/接收器 74可傳輸信號 72並接收資料信號 70以進行處理。

資料信號 70可包括與系統 10之操作及/或催化劑粒子 24之效能相關聯的複數個測量（例如，溫度、壓力、反應物濃度、產物組成等）。控制系統 60包括資料處理系統 76可使用資料來實時判定容器 12內之反應狀況及/或環境狀況以及諸如感測器位置之類的其他狀況。資料處理系統 76具有微處理器(µP) 78、記憶體 80、儲存裝置 82、及/或顯示器 84。記憶體 80可包括一或多個有形、非暫時性、機器可讀介質，其共同儲存一或多組指令，用於操作系統 10、判定系統及反應參數、判定反應及/或環境狀況、及/或剖析容器 12內反應及/或環境狀況。在某些實施例中，一或多組指令可指示系統 10調整進料速率、溫度、壓力、或可影響反應產物之組成、催化劑效能、及系統 10之安全操作的任何其他參數。例如，在某些實施例中，控制系統 60包括回授控制元件，其可接收指令以自動調整反應物濃度或進料速率。回授控制元件可向控制反應物/進料之流量的一或多個閥發送信號。

記憶體 80可包括用於判定及剖析容器 12內之反應狀況及/或環境狀況的指令，以及可用於判定操作期間之系統參數以及提供有關調整參數之可行動指導/建議的任何其他資訊，諸如但不限於，基於所測量參數之進料速率、溫度、及壓力。另外，記憶體 80可包括用於從雲端擷取資料信號 70及/或其他系統資訊的指令。記憶體 80亦可儲存指令以在顯示器 84上為系統 10之操作者產生視覺化。視覺化包括但不限於繪圖、資料信賴度、警報、建議、測量、影像、及系統參數等。

為了處理資料信號 70，處理器 78可執行儲存在記憶體 80及/或儲存裝置 82中之指令。例如，指令可造成處理器 78判定反應參數（即，反應溫度、壓力、或產物組成）、反應參數之變化，並且判定整個容器 12之體積之反應條件的概況。以此方式，可輕鬆識別反應器內之熱點/冷點區域並且可判定各相應催化劑床 30中的催化劑效能。

除了監測及/或剖析容器 12內之參數/狀況之外，控制系統 60亦判定感測器節點 26之位置。例如，控制系統 60可傳輸詢問信號（例如，信號 72），指示感測器節點 26傳輸回應信號（例如，資料信號 70）。控制系統 60接收回應信號並經由任何合適技術判定感測器節點 26之位置。例如，記憶體 80可向處理器 78提供指令以經由到達時間(time of arrival, ToA)、到達角度(angle of arrival, AoA)、到達時間差(time difference of arrival, TDoA)、及其組合來判定感測器節點 26在容器 12內之位置。例如，當使用ToA技術時，處理器 78可基於從感測器節點 26傳輸之回應信號到達內部模組 50所花費之時間來判定感測器節點 26及內部模組 50之間的距離。另外，控制系統 60可藉由組合來自多個穿壁通訊系統 48之回應信號來判定感測器節點 26之位置。 感測器節點

如上文所討論，感測器節點 26測量反應狀況並將具有測量及/或位置資料之RF信號以無線方式傳輸至內部模組 50。 圖 3係感測器節點 26的方塊圖。感測器節點 26可具有軸向軸線或方向 90、遠離軸線 90之徑向軸線或方向 92、以及圍繞軸線 90之周向軸線或方向 94。感測器節點 26包括外殼或殼體 100，該外殼或殼體圍封或以其他方式囊封感測器節點 26之內部組件，並且保護其等免受將其等佈置於其中的容器內之周圍環境的影響，或與之隔離。殼體 100可由適於耐受容器內環境的任何材料製成並且對使用中之通訊頻率係透明的。例如，殼體 100可由金屬或金屬合金、聚合物、複合物、耐火材料、玻璃、陶瓷、或適於容器內之狀況的任何其他材料及其組合製成。在一個實施例中，殼體 100係氧化鋁。殼體 100可係單個連續件（例如，3D列印殼體）或多個件。例如，在一個實施例中，殼體 100包括彼此連接或以其他方式耦合之多個單獨件（例如，2、3、4、或更多個），從而形成密封之外殼並阻擋容器內之流體及其他材料進入腔 102中。殼體 100之多個件可使用任何合適耦合技術彼此耦合。例如，該等件可藉由黏著劑、緊固件、螺絲、電弧焊接或雷射焊接、或任何其他合適耦合技術而彼此耦合。該等件可包括段差、唇緣、或螺紋，以確保對齊及密封。耦合及密封可藉由一或多種方法之組合來實現，並且可包括一或多種材料，諸如基於燒結銀、鎳、金或金錫或其他合金、氧化鋁、二氧化矽之黏合劑，並且可包括奈米粒子、預成型件、嵌入水性或非水性溶液中之漿料、以及有機黏合劑。在一些實施例中，殼體 100之多個件之間之介面係金屬-金屬介面、金屬-陶瓷介面、玻璃-金屬介面、或玻璃-陶瓷介面可能較佳。在一個較佳實施例中，緻密化氧化鋁之兩個半部（例如，半球或圓柱體及板）可經雷射焊接。這樣做時，陶瓷之邊緣可塗有經由雷射焊接適於陶瓷黏附及接合之金屬或合金，諸如鉬、錳、封接合金(Kovar)、銅、銀、金，以便確保封裝在惡劣環境下之氣密性。在一種實施例中，殼體件可係可分離的。此可使得能夠接取感測器節點 26之腔 102以組裝、更換、及/或整修內部組件（例如，天線、感測器電路、功率裝置等）。然而，在其他實施例中，殼體件係不可分離的。在某些實施例中，催化劑可被放置在腔 102內。

在一個實施例中，殼體 100可具有外覆層。例如，在其中殼體 100具有多個件之實施例中，外覆層可提供圍繞整個殼體 100之密封。外覆層可防止耦合構件（例如，黏著劑、緊固件、螺絲等）暴露於容器之內容物。此可減輕可能污染容器內容物及/或影響系統效能的緊固件、螺絲、螺栓之污垢及/或黏著劑之滲出。外覆層可係不阻礙從感測器節點 26至無線感測系統（例如，無線感測系統 14）之其他組件之信號傳輸並且在容器內之環境（例如，高溫及高壓、腐蝕性等）中耐久的任何合適材料。作為非限制性實例，外覆層可包括聚合物材料、複合物、玻璃、陶瓷、耐火材料、或任何其他合適材料。在一個實施例中，外覆層係基於氧化鋁之材料。

在腔 102內，感測器節點 26包括感測器電路，諸如天線 112及板 114。板 114係印刷電路板並且固定電子裝置以及有利於測量容器內之反應參數及狀況（例如，溫度、壓力等）的其他感測器組件。例如，板 114可支撐感測器 116。感測器 116可基於壓電共振器技術，諸如音叉、晶體、或平面指叉感測器（如表面聲波(surface acoustic wave, SAW)感測器）。就電路組件而言，感測器可包括電感器(L)、電容器(C)、及電阻器，諸如LC或RLC共振感測器、純類比或數位電子感測器或可測量容器內之反應參數及狀況的其他合適感測器。感測器元件可包括壓電材料，諸如石英、矽酸鑭鎵(langasite)、鉭酸鑭鎵(langatate)，或其他材料，諸如碳化矽(silicon carbide, SiC)、氮化鎵(gallium nitride, GaN)、或氮化鋁(aluminum nitride, AlN)。在實施經調變反向散射時，使用壓電共振器進行感測允許基於單個裝置之感測及通訊。另外，歸因於窄帶共振之精度及高純度基板之低漂移，可在長時間內保持高準度。板 114可係陶瓷板或金屬化板。適於板 114之材料之非限制性實例包括氧化鋁、二氧化矽、氮化鋁、碳化矽、銅、鋁、鎳或鐵鎳合金、金、及其組合。然而，適於支撐感測器電路之任何其他材料可用於板 114。板 114可操作地連接至天線112並向該天線提供RF信號 118，該RF信號含有代表感測器節點 26周圍之所測量參數或狀況的資訊。板 114之功能亦可包括機械支撐、電氣接地、或充當天線之平衡-不平衡轉換器。RF信號 118亦可含有關於感測器節點 26在容器（例如，容器 12）內之位置的資訊。

如上文所討論，感測器 116將RF信號 118傳輸至天線 112。天線 112接收RF信號 118並將其以無線方式傳輸至內部模組（例如，內部模組 50）以供進一步處理。另外，天線 112從內部模組以無線方式接收可用以向感測器節點 26提供功率且促進判定其在容器內之位置的RF信號。當天線小於操作頻率下之一個波長時，天線之效能通常會降低。因此，為了最小化效能損失，天線 112可以設計成一種形狀，使之在感測器節點26之尺寸約束內最大化其總電氣長度。藉由在殼體 100之尺寸約束下具有可能的最長電氣長度，可降低RF信號之共振頻率。歸因於殼體 100之小實體尺寸及在低RF頻率（低MHz）下之操作，在感測器節點 26中使用之天線 112被認為是通常具有高阻抗失配、低效率、及窄頻帶寬的電氣小天線。電氣小天線之整體輻射效能係天線所佔據之實體體積的函數。設計高效電氣小天線之一種方法係在固定之佔用體積內將電線彎曲成所欲形狀。導線之總長度將經調整以將共振頻率維持在所欲之操作頻率下。此類天線之自共振特性提供更良好之阻抗匹配及更高之效率特徵。導線之總長度可根據結構之形狀藉由線圈之匝數、半徑及高度來調整。建議相對於體積最大化線圈之半徑及高度，以實現更高之輻射效率。作為非限制性實例，天線 112之長度係在大約2公分與64公分(cm)之間。

天線 112之形狀經選擇，使施加至天線 112上之壓力及應力盡可能均勻分布於最小的體積上。此形狀可符合腔 102及/或殼體 100之形狀。作為非限制性實例，天線 112之形狀可係球形、圓柱形、立方形、矩形、或提供最大效能並且適配感測器節點 26之腔 102內的任何其他形狀。天線 112可具有彎曲或螺旋組態。在某些實施例中，天線 112在軸向方向 90及徑向方向 94上均延伸至整個腔 102，使得其鄰近殼體 100之內壁 120，並佔據腔 102內體積的一部分。在一個實施例中，天線 112圍繞（例如，沿著周向 94）整個板 114。即，天線 112可形成圍繞板 114之籠子。在其他實施例中，天線 112僅圍繞板 114之一部分。

如上文所討論，天線 112可具有彎曲或螺旋構形。亦即天線 112在腔 102內盤繞成所欲之形狀。天線 112之電氣長度可藉由線圈之匝數來調整。天線 112之盤繞構形中之各匝（即，曲線）之半徑相對於體積被最大化。例如，盤繞構形中之各匝之半徑可近似等於腔 102之半徑。天線 112可具有全向輻射圖案，在垂直於天線 112之中心軸 124之所有方向上輻射相等功率。在某些實施例中，天線 112經調諧具有電容性，從而減少感測器節點 26之電連接及複雜性。在其他實施例中，天線 112包括鐵氧體加載天線線圈，以便在較低RF頻率範圍操作時減少實體尺寸。

感測器節點 26可係任何形狀及尺寸，取決於其將用於感測參數之系統設計及組態。如上所討論，天線 112之效能隨尺寸而減小。因此，感測器節點 26之尺寸由天線 112之尺寸判定，而天線之尺寸係基於使容器內介質之損失最小化的內部通訊頻率來選擇。當感測器 116傳輸含有關於所測量參數/狀況及/或位置之資料及資訊的RF信號 118時，所選擇之內部通訊頻率亦由容器內之RF傳播特性驅動。另外，本文所述之無線感測系統 14提供與通訊波形整合的實時感測器定位，此簡化設計，同時與具有平行感測及地理定位系統的系統相比，減少了零件數量。在較佳實施例中，容器 12內之傳輸發生在其中電磁平面波模式占優之頻率處（即，在諸如大於或等於5 MHz之高頻處），使得在用機器學習技術實施時，藉由使用同調模式匹配來實現感測器節點定位。因此，感測器節點 26之形狀及尺寸可基於以所欲內部通訊頻率提供最佳效能之天線 112的構形來判定。作為非限制性實例，感測器節點 26可係球立方形、圓柱形、矩形、多邊形、或任何其他合適形狀。感測器節點 26可經定尺寸以匹配構成催化劑床（例如，催化劑床 30）之催化劑粒子（例如，催化劑粒子 32）的粒子尺寸。亦即，各感測器節點 26可具有實質上等於催化劑床中之催化劑粒子之尺寸的尺寸。例如，感測器節點 26具有第一尺寸 126（例如，軸向尺寸、第一直徑）及實質上正交於第一尺寸的第二尺寸 128（例如，徑向尺寸、第二直徑）。在所示實施例中，尺寸 126 、128實質上係相同的。然而，在其他實施例中，尺寸 126 、128係不同的。在某些實施例中，第一尺寸 126可沿徑向 92變化及/或第二尺寸 128可沿軸向 90變化。例如，在其中感測器節點 26之形狀係多邊形之情況中。取決於系統設計及容器介質 ，尺寸 126 、128可在大約5毫米(mm)至大約30 mm或更大之範圍內。 穿壁通訊系統 內部模組

如上文所討論，參考圖 2，感測器節點 26經由RF信號與內部模組 50以無線方式通訊，以提供容器 12內之所感測之參數/狀況及其位置。內部模組 50向感測器節點 26提供RF功率及通訊信號。另外，內部模組 50經由聲響信號與外部模組 54通訊以分別傳輸與接收所感測之資料及功率。如上文所討論，內部模組 50充當無線感測器系統（例如，無線感測器系統 14）之內部組件（例如，感測器節點 26）與外部組件（例如，外部模組 54）之間的中介。內部模組 50可修改來自外部模組 54且傳送穿過壁 46之聲響信號並將其轉換成用於與感測器節點 26以無線方式通訊的電磁信號（例如，RF信號）。因此，內部模組 50包括促進與感測器節點 26及外部模組 54兩者之通訊的多個特徵。

圖4係形成本文所揭示之無線感測器系統之穿壁通訊系統（例如，穿壁通訊系統 48）之一部分之內部模組 50的方塊圖。在所示實施例中，內部模組 50可係包括內部信號換能器 140、內部功率換能器 142、頻率轉換器及放大器 146、整流器 148 、以及天線 150的電路。RF天線 150向感測器節點（例如，感測器節點 26）傳輸信號並從感測器節點接收信號。作為非限制性實例，天線 150可係偶極子、貼片或四分之一波貼片(quarter wave patch, QWP)、倒F天線(Inverted-F antenna, IFA)或平面倒F天線(Planar Inverted-F antenna, PIFA)天線，或促進將RF信號 162傳遞至容器內之一或多個感測器節點（例如，感測器節點 26）的任何其他合適天線。

穿壁通訊系統之組件之間的通訊可透過一或多個信號頻道進行。信號頻道為穿過容器壁傳輸之聲響信號提供與內部模組 50之組件通訊的路徑。例如，在所示實施例中，內部信號換能器 140係第一信號頻道 152之一部分，其為聲響通訊信號 156提供在內部模組 50與外部模組（例如，外部模組 54）之間進行通訊的路徑。此聲響通訊信號 156可含有來自控制系統（例如，控制系統 60）之指令，其指示感測器節點測量容器內之參數或狀況。聲響通訊信號 156亦可指示感測器節點提供位置及/或功率資訊。在一個實施例中，聲響通訊信號 156可係詢問信號，其觸發來自感測器節點之回應信號以確保感測器節點正常工作。第一頻道 152可係高頻頻道（例如，至少5百萬赫茲(MHz)之頻率）。在某些實施例中，第一頻道 152可在與內部模組 50與容器內之感測器節點之間之RF頻率實質上相同的頻率下操作。類似地，內部功率換能器 142係第二頻道 158之部分，該第二頻道為聲響功率信號 160提供在內部模組 50與外部模組之間通訊的路徑。在某些實施例中，容器內之感測器節點不含有電池或其他類似電源。聲響功率信號 160係用於向感測器節點以無線方式提供功率。第二頻道 158可以與第一頻道 158不同之頻率操作。在某些實施例中，第二頻道 158以低頻（例如，小於大約5 MHz之頻率）操作。應注意 ，本揭露之其他實施例包括為信號 156 、160使用單個頻道 ，而不是非別使用頻道 152 、158。

換能器 140 、142促進與外部模組之通訊並將聲響信號 156 、160轉換成用於與感測器節點通訊的電氣信號。換能器 140 、142可係將聲能轉換成電能的任何合適換能器。在一個實施例中，換能器 140 、142係壓電換能器。歸因於容器內之惡劣環境（例如，高溫及壓力） ，換能器 140 、142係選自穩健且適於惡劣環境之材料。例如，在其中換能器 140 、142係壓電換能器之實施例中，壓電材料係選自高溫壓電材料，其在高於200℃之溫度下維持其壓電屬性並且在高溫下保持低電導率以有效地傳輸聲響功率穿過容器壁。壓電材料之實例可包括但不限於壓電陶瓷或單晶，諸如鈦酸鋇、矽酸鑭鎵、鉭酸鑭鎵、鈮酸鋰等。除了高溫及機電電荷係數之外，合適壓電材料之其他特性包括良好機械及熱穩定性以及耦合至容器壁之能力。

如上文所討論，內部模組 50將容器內之聲響信號轉換成RF信號。頻率轉換器及放大器 146可用來將電通訊信號 162及電功率信號 164轉換成RF信號 168，並將RF資料信號 170轉換成聲響資料信號 172。在頻率轉換器及放大器 146中轉換電功率信號 164之前，整流器 148可將信號 146從雙向交流電(AC)轉換為單向直流電(DC)，從而產生DC功率信號 164'。內部模組 50亦可包括一或多個傳輸/接收開關以及一或多個放大器（例如，低雜訊放大器及/或功率放大器）以促進信號 162 、164'、 170之轉換及放大。例如，換能器 140 、142及RF天線 150中之各者可包括相應傳輸與接收開關以在「查詢(query)」或「回應路徑(response path) 」之間進行選擇。例如，在「查詢」路徑中，信號 162 、164'轉換成RF信號 168，其由天線 150經由RF信號 168'傳輸至感測器節點。在「回應」路徑中，RF資料信號 170被轉換成聲響資料信號 172並且經由聲響資料信號 172'傳輸至外部模組。

在一個實施例中，在「查詢」路徑中，信號 156之頻率在穿過容器壁（例如，壁 46）傳輸期間可處於10 MHz，並且被轉換為50 MHz之頻率（例如，RF信號 168 、168'）用於與感測器節點通訊。相反，在「回應」路徑中，RF資料信號 170 、170'之頻率可從50 Mhz轉換成10 MHz，其將含有資訊（例如，所測量參數/狀況、感測器位置等）之聲響資料信號 172'從感測器節點傳輸至外部模組。「查詢」及「回應」路徑可在同一頻道（例如，第一頻道 152）內以相反方向一次操作一個，以使得感測器節點（例如，感測器節點 26）與容器外部之無線感測系統組件（例如，外部模組 54及/或控制系統 60）之間能夠進行無線通訊。在轉換信號 156 、160 、162 、164'、 170之前，可放大此等信號。例如，信號 156 、160 、162 、164'、 170可從幾毫伏特(mV)峰對峰值放大至大約1伏特(V)峰對峰值。類似地，在轉換後，可放大經轉換信號（例如信號 168 、172）以分別驅動RF天線 150或換能器 140。

信號 156 、160及信號 170可使用任何合適頻率轉換技術分別從聲波轉換至RF以及從RF轉換至聲波。在某些實施例中，可使用混頻技術來轉換信號 156 、160 、170之頻率。在此技術中 ，信號 156 、160 、170之頻率係藉由將此信號與不同頻率下之另一信號相乘來偏移。例如，若信號 156 、160 、170之頻率係10 Mhz，則將其與40 MHz下之信號相乘，產生30 Mhz及50 MHz信號。根據所欲之頻率，濾除30 MHz或50 MHz信號以產生所欲之移頻信號。可用於轉換信號 156 、160 、170之頻率的另一種技術係諧波轉換處理。在此技術中，產生信號 156 、160 、170之諧波 ，此等諧波被進一步處理以產生所欲頻率之信號。因此，藉由轉換信號 156 、160 、170之頻率 ，本揭露之無線感測系統可穿過容器壁以無線方式傳輸資料及功率信號，並且使用RF信號測量容器內之狀況及參數。

內部模組 50以不可拆卸方式耦合或以其他方式固定至容器之內壁（例如，壁 52）。具體地說，內部模組 50係耦合至容器之內表面，該內表面鄰近及/或鄰接/接觸容器內之介質（例如，催化劑床 30/催化劑粒子 32）。容器之內表面與內部模組 50之間之氣隙/氣穴可衰減或以其他方式影響信號 156 、160 、172'穿過容器壁（例如 ，壁 46）的傳輸。因此，在某些實施例中，偶合劑可用於將內部模組 50黏合或以其他方式耦合至容器的內表面。偶合劑可填充在可能存在於內部模組 50與內表面之間之介面處的任何氣隙/氣穴。偶合劑可包括在極端/惡劣狀況下不會降級或受損的高溫材料，諸如容器內可能存在之彼等材料（例如，溫度高於200℃，壓力至多21百萬帕(MPa)）。另外，用於製作內部模組 50之材料（例如壓電材料）與容器（例如鋼、耐火材料等）之間之熱膨脹係數差可能會造成機械應力。因此，偶合劑包括能夠耐受此等應力之材料係所欲的。此外，偶合劑包括為信號 156 、160 、172'提供低反射、低衰減傳輸路徑之材料亦係所欲的。作為非限制性實例，合適偶合劑可包括銀箔、燒結銀漿、鎳基黏合劑等。在某些實施例中，可使用硬焊及/或焊接將內部模組 50耦合至容器壁。

在一個實施例中，內部模組 50可包括如上所討論以不可拆卸方式耦合至反應器之內壁的第一部分及可拆卸的第二部分。例如，內部模組 50可包括以不可拆卸方式耦合至容器之內壁的基座或板。換能器 140 、142 、頻率轉換器及放大器 146、整流器 148、天線 150 、或其組合以可拆卸方式耦合至基座。因此，若需要維護或更換，則此等組件中之任一者均可輕鬆拆卸。 外部模組

如上文所討論，內部模組 50與外部模組（例如外部模組 54）通訊，以經由聲響信號（例如信號 156、 160、 172'）穿過容器壁（例如壁 46）以無線方式傳輸資料及接收功率。 圖 5係繪示具有外部模組 54之容器 12之一部分的圖，該外部模組可用於穿過壁 48傳輸與接收聲響信號（例如，信號 156 、160 、172'）。外部模組 56包括複數個換能器 180。在某些實施例中，外部模組 56具有單個換能器 180。在所示實施例中，換能器 180被配置成簇組態或陣列。然而，換能器 180可以任何其他合適組態配置，諸如並排、交錯、方塊、或促進外部模組 54與內部模組之間之無線通訊的任何其他組態。

換能器 180可以類似於內部模組（例如，內部模組 50）之方式附接至容器 12之外表面 56。例如，換能器 180可栓接、螺接、黏附、硬焊、焊接、或以其他方式耦合至外表面 56。在一個實施例中，換能器 180各自附接並固定至板（例如，金屬板），該板耦合至外表面 56。藉由將換能器 180固定至板上，各個換能器 180可以以一種方式定位/配置在板上，該方式可以有效將所欲功率集中以穿過壁 48之厚度。該板可經由任何合適耦合構件附接至外表面 56，例如螺絲、螺栓、緊固件、黏合劑、焊接等。類似於內部模組，耦合劑可用於將換能器 180附接至外表面 56或板及/或將板耦合至外表面 56。耦合劑可填充換能器 180、板或兩者與外表面 56之間的任何氣隙/氣穴。

換能器 180可以相同或不同頻率穿過壁 48傳輸信號（例如，信號 154 、160）。例如，在一個實施例中，換能器 180之一部分可以大約100 kHz與5 Mhz之間之頻率傳輸信號，並且換能器 180之另一部分可以大約5 Mhz與20 MHz之間之頻率傳輸信號。然而，在其他實施例中，外部模組 54中之各換能器 180穿過壁 48傳輸相同頻率。在實施例中，其中外部模組 54包括換能器 180陣列，此等換能器可係低頻換能器（例如，250千赫(kHz)），各低頻換能器將相應聲響信號 156 、160傳輸至內部模組之單個換能器，如 圖 6所示。在實施例中，其中外部模組 54包括單個換能器 180，該換能器傳輸高頻聲響信號 156 、160（例如，小於1 MHz），當該信號穿過壁 48時維持所傳輸之聲能之緊密波束，而無需超過壁 48內散射之臨限。作為非限制性實例，換能器 180可係鋯鈦酸鉛或任何其他合適壓電材料。由於換能器 180不暴露於容器 12內之惡劣環境，因此與內部模組不同，壓電材料不需要在超過100℃之溫度下操作。

為了確保穿過壁 48之功率以高效率方式傳遞，換能器 180與內部模組中之換能器阻抗匹配。有效將聲響功率信號（例如，聲響功率信號 160）遞送至內部模組對無線供電至催化劑床內之感測器節點有利，並且避免使用電池來對感測器節點供電。因此，不需要停用容器 12來更換感測器節點及/或感測器節點電池。例如，在實施例中，其中外部模組 54包括單個換能器 180，聲響功率信號之頻率可係大約1 MHz。此頻率足以提供穿過壁 48之所欲聲能波束而沒有非所欲之衰減。在具有多個換能器 180之實施例中，取決於換能器 180之數量及配置，信號之頻率可小於1 MHz。例如，回到 圖 6，換能器 180係以換能器 180之各者指向內部模組 50之單個換能 器 140 、142的方式在外表面 56上配置成陣列。外表面 56可係彎曲的。因此，換能器 180係以陣列符合彎曲外表面 56之方式配置。例如，換能器 180之第一部分 182可平放在外表面 56上，而換能器 180之另一部分 184可成角度，使換能器 180之陣列呈盤狀（或衛星）構形。偶合劑可用於填充如上所討論之任何氣隙/氣穴。儘管使用較低頻率（例如，小於500 kHz之頻率），以此方式配置換能器 180提供所欲之傳輸效率。此配置亦提供穿過壁 48之厚度 42的所欲功率傳輸。

外部模組 54可經由有線或無線連接與控制系統（例如，控制系統 60）通訊。換能器 180可從控制系統接收信號以觸發與感測器節點之通訊。外部模組 54亦將來自感測器節點之回應信號提供給控制系統，該信號含有關於容器內所感測之參數或狀況、感測器位置、功率位準等的資訊。

在某些實施例中，本文所揭示之無線感測系統不包括外部模組 54。在此特定實施例中，內部模組 50可經由有線連接直接連接至控制系統。因此，內部模組可能不需要將聲響信號轉換成RF信號，反之亦然。因此，可從內部模組 50中省略換能器、轉換器及放大器、以及整流器。例如，控制系統可向內部模組之天線提供RF通訊信號。此RF通訊信號以無線方式傳輸至感測器節點 26。回應於RF通訊信號，感測器節點 26將RF資料信號以無線方式傳輸至內部模組，該RF資料信號隨後傳輸至控制系統。在某些實施例中，RF通訊信號及RF資料信號之頻率係相同的。然而，在其他實施例中，RF通訊信號及RF資料信號之頻率係不同的。例如，RF通訊信號可處於比RF資料信號更高之頻率，或者反之亦然。

本揭露之實施例亦包括一種用於在惡劣或極端環境下以無線方式監測及/或剖析容器內之參數及/或狀況的方法。 圖 7係可使用本文所揭示之無線感測系統（例如，無線感測系統 14）來監測及/或剖析容器內之參數及狀況之方法 200的方塊流程圖。方法 200包括將第一信號從外部模組傳輸至內部模組（方塊 204）。例如，如上文所討論，外部模組（例如，外部模組 54）包括換能器（例如，換能器 180），該換能器穿過容器（例如，容器 12）之壁（例如，壁48）之厚度（例如，厚度 42）以無線方式傳輸聲響信號（例如，聲響信號 156 、160）。聲響信號由佈置在容器內之內部模組（例如，內部模組 50）之換能器（例如，換能器 140 、142）接收，並且進入「查詢」路徑，該路徑能夠與感測器節點（例如，感測器節點 26）通信。

方法 200亦包括將第一信號轉換成第一RF信號（方塊 208）。一旦接收到第一信號，內部模組之換能器將第一信號轉換成提供給轉換器（例如，頻率轉換器及放大器 146）的電氣信號（例如，信號 162 、164）。轉換器藉由改變電氣信號之頻率並將其轉換成RF信號（例如，RF信號 168）來修改該電氣信號。轉換器亦可放大信號。

在將第一信號轉換成第一RF信號之後，方法 200包括將第一RF信號從內部模組傳輸至感測器（方塊 210）。例如，如上文所討論，內部模組包括接收第一RF信號並將第一RF信號以無線方式傳輸至感測器節點的天線（例如，天線 150）。第一RF信號觸發感測器節點以測量待在容器內進行剖析之所欲參數或狀況（方塊 214）。例如，感測器節點可測量溫度、壓力、及/或pH。感測器節點亦可測量進料及/或流出物組成，諸如例如反應物、產物、副產物、污染物等之濃度。在某些實施例中，第一RF信號可向感測器節點提供功率。

方法 200亦包括將第二RF信號從感測器節點以無線方式傳輸至內部模組（方塊 216）。第二RF信號（例如，RF資料信號 170）含有關於待剖析之參數或狀況、位置、及/或功率位準的資訊（例如，資料）。

與第一信號類似，第二RF信號在內部模組中轉換成第二信號（方塊 220）。例如，內部模組之天線接收第二RF信號並經由「回應」路徑將其傳輸至轉換器。轉換器藉由改變第二RF信號之頻率並將其轉換成聲響第二信號（例如，聲響資料信號 172）來修改第二RF信號。轉換器亦可在將第二信號傳輸穿過容器壁並且傳輸至外部模組之前放大第二信號（方塊 224）。

方法 200亦包括將第二信號從外部模組以無線方式傳輸至基地台（方塊 226）並且基於第二信號判定狀況（方塊 230）。如上文所討論，控制系統（例如，控制系統 60）接收聲響資料信號 70 、172 ，該聲響資料信號含有關於所感測之參數及/或狀況、感測器節點位置、及其他資訊的資訊。控制系統處理該資訊以判定及/或剖析所感測之參數並洞察容器內發生之處理。例如，控制系統可隨時間剖析溫度或壓力。此可能有利於判定反應動力學及催化劑效能等。

本文所揭示之無線感測系統之技術效果有利於監測及剖析容器（例如，反應器）內之處理狀況，特定言之在惡劣或極端環境中。例如，無線感測系統包括多個感測器節點，該等節點分散在含有介質的容器內。感測器節點使用RF信號來測量容器內指示反應動力學及/或催化劑效能的參數及/或狀況。RF信號含有與感測器節點之「視場」處或附近之所感測參數/狀況相關聯的局部資料。此等RF信號經由RF資料信號從各個感測器節點以無線方式傳輸至容器內之內部模組。因為感測器節點分散在容器之整個體積中，並且與內部模組以無線方式通訊，所以感測器節點提供關於容器內含有之整個介質之參數/狀況的資訊。在惡劣或極端環境中使用之某些現有感測器通常係有線的，而且無法提供容器內整個介質體積的資訊。此等感測器通常被限制在靠近容器壁之位置，在該位置中有通向外部系統組件之導線。儘管有無線感測器，但是此等感測器無法在沒有信號衰減之情況下穿過容器壁（特別是金屬容器壁）傳輸無線信號。然而，所揭示之無線感測系統使用聲響信號及RF信號之組合，以提供感測器節點與位於容器外部之組件（例如，控制系統）之間的無線通訊。例如，內部模組接收來自感測器節點之RF信號，並將RF信號轉換成聲響信號，該聲響信號以無線方式傳輸至位於容器外部的外部模組（且因此之控制系統）。內部模組亦將從外部模組以無線方式接收之聲響信號轉換成RF通訊信號，以有利於與控制系統及感測器節點之通訊。RF通訊信號提供資訊，該資訊觸發感測器節點以提供關於容器內之參數/狀況的局部資料。另外，控制系統可提供聲響功率信號，該等聲響功率信號在內部模組中轉換成向感測器節點提供功率的RF功率信號。以此方式，本揭露之無線感測系統提供用於以無線方式剖析容器內極端或惡劣環境中之參數/狀況的有效、高效率、及穩健之技術。

在不背離本揭露之精神或基本特性的情況下，本揭露可以其他具體形式來體現。所述實施例在所有態樣上應被視為僅係說明性而非限制性的。因此，本揭露之範圍由隨附申請專利範圍而非前述描述來指示。落入申請專利範圍之等效物之意義及範圍內的所有改變均包括在其範圍內。

10:系統 12:容器 14:無線感測器系統 16:軸向軸線或方向 18:徑向軸線或方向 22:周向軸線或方向 24:催化劑粒子 26:感測器節點 30:催化劑床 32:催化劑粒子 42:厚度 46:壁 48:穿壁通訊系統 50:內部模組 52:壁表面 54:外部模組 56:壁表面 60:控制系統 64:第一聲響信號 68:第二聲響信號 70:資料信號 72:信號 74:收發器/接收器 76:資料處理系統 78:微處理器 80:記憶體 82:儲存裝置 84:顯示器 90:軸線或方向 92:徑向軸線或方向 94:周向軸線或方向 100:殼體 102:腔 112:天線 114:板 116:感測器 118:RF信號 120:內壁 124:中心軸 126:第一尺寸 128:第一尺寸 140:內部信號換能器 142:內部功率換能器 146:頻率轉換器及放大器 148:整流器 150:天線 152:第一信號頻道 156:聲響通訊信號 158:第二頻道 160:聲響功率信號 162:電通訊信號 164:電功率信號 164':DC功率信號 168:RF信號 168':RF信號 170:RF資料信號 170':RF資料信號 172:聲響資料信號 172':聲響資料信號 180:換能器 182:換能器之第一部分 184:換能器之第二部分

在閱讀下列詳細描述且參考圖式之後，本揭露之優勢可變得顯而易見，其中： ［圖1］係根據本揭露之一實施例之系統的示意圖，該系統包括容器及無線感測系統，該無線感測系統包括分散在容器中所包含之介質內的複數個無線感測器節點以及穿壁通訊系統； ［圖2］係根據本揭露之一實施例之圖1之系統之容器之一部分的方塊圖，其中穿壁通訊系統包括耦合至容器之內表面的內部模組及耦合至容器之外表面的外部模組； ［圖3］係根據本揭露之一實施例可搭配使用圖1之系統之無線感測系統之感測器節點的方塊圖，其中感測器節點包括感測器及用於以無線方式傳輸及接收電磁信號的天線； ［圖4］係根據本揭露之一實施例可在圖1之系統中使用之無線感測系統之內部模組的方塊圖，其中內部模組包括用於將聲響信號轉換成電磁信號之信號及功率換能器以及頻率轉換器及放大器，以及用於以無線方式接收及傳輸電磁信號的天線； ［圖5］係根據本揭露之一實施例之圖2之容器之一部分的示意圖，其中外部模組包括配置成陣列的換能器； ［圖6］係根據本揭露之一實施例之圖2之容器之一部分的橫截面圖，其中外部模組包括配置成盤狀組態的換能器，並且各換能器將聲響信號以無線方式傳輸至內部模組之單個換能器；且 ［圖7］係根據本揭露之一實施例使用圖1之系統來監測及剖析參數/狀況之方法的流程圖。

Claims (24)

1. 一種系統，其包含： 一容器，其具有界定一體積之一壁，其中該容器經組態以容納介質； 一無線感測系統，其包含： 複數個感測器節點，其分散在該介質內並經組態以測量該容器內之一或多個參數或狀況，並以無線方式傳輸含有該一或多個參數/狀況的一第一資料信號；且 一或多個穿壁通訊系統，其附接至該容器之該壁並經組態以與該複數個感測器節點以無線方式通訊，以穿過該容器之該壁傳輸一第一通訊信號、一第一功率信號或兩者，以接收該第一資料信號，並穿過該容器之該壁傳輸一第二資料信號；且 一控制系統，其以通訊方式耦合至該無線感測系統，並且經組態以基於該第二資料信號判定及剖析該一或多個參數/狀況。
2. 如請求項1之系統，其中該一或多個穿壁通訊系統中之各穿壁通訊系統包含一內部模組，該內部模組附接至該容器之該壁的一內表面，其中該內部模組包含一天線，該天線經組態以將一第二通訊信號、一第二功率信號或兩者以無線方式傳輸至該複數個感測器節點中之一或多個感測器節點，並以無線方式接收該第一資料信號。
3. 如請求項2之系統，其中該內部模組包含一第一換能器、一第二換能器以及一頻率及振幅轉換器，其中該第一換能器經組態以無線方式接收該第一通訊信號，該第二換能器經組態以無線方式接收該第一功率信號，且該頻率及振幅轉換器經組態以將該第一通訊信號轉換成一第二通訊信號，且將該第一功率信號轉換成一第二功率信號，且其中該第一通訊信號及該第一功率信號係聲響信號並且該第二通訊信號及該第二功率信號係電磁信號。
4. 如請求項3之系統，其中該頻率及振幅轉換器經組態以將該第一資料信號轉換成該第二資料信號，其中該第一換能器經組態以穿過該容器之該壁以無線方式傳輸該第二資料信號，且其中該第一資料信號係一電磁信號且該第二資料信號係一聲響信號。
5. 如請求項3之系統，其中該一或多個穿壁通訊系統中之各穿壁通訊系統包含一外部模組，該外部模組附接至該容器之該壁之一外表面，其中該外部模組包含一或多個換能器，該一或多個換能器經組態以穿過該容器之該壁將該第一通訊信號及該功率信號以無線方式傳輸至該內部模組。
6. 如請求項5之系統，其中該外部模組包含一換能器簇，其中該換能器簇中之各換能器經組態以將該第一通訊信號或該第一功率信號各別以無線方式傳輸至該第一換能器或該第二換能器。
7. 如請求項6之系統，其中該換能器簇以一種方式配置，使得將多個信號聚焦成換能器之間之一個信號時會產生相長干涉。
8. 如請求項2之系統，其中該複數個感測器節點中之各感測器節點包含界定一腔之一外殼，該腔含有一感測器及一天線，且其中該天線經組態以無線方式接收該第二通訊信號及該第二功率信號，並以無線方式傳輸該第一資料信號。
9. 如請求項8之系統，其中該天線係螺旋形的，或圍繞該感測器的線圈。
10. 如請求項8之系統，其中該外殼不會衰減電磁信號
11. 如請求項1之系統，其中該第一通訊信號及該第一功率信號具有與該第一資料信號不同之頻率。
12. 如請求項1之系統，其中該第一通訊信號及該第一資料信號之頻率係相同的。
13. 如請求項1之系統，其中該容器包含一或多個催化劑床，該一或多個催化劑床包含該介質，且其中該介質係複數個催化劑粒子。
14. 如請求項1之系統，其中該一或多個參數或狀況係選自壓力、溫度、化學組成、蒸汽及液體組成、密度、流速、pH、振動、輻射、磁通量、光強度及聲音強度。
15. 如請求項1之系統，其中該控制系統經組態以監測來自該複數個感測器節點中之一或多個感測器節點之信號強度及衰減的變化。
16. 一種用於使用一無線感測系統監測及剖析一容器內之狀況的方法，該方法包含以下步驟： 將一第一信號傳輸至附接至該容器之一壁之一穿壁通訊系統，其中該穿壁通訊系統經組態以與一或多個感測器節點以無線方式通訊，該等節點分散在含有介質的容器內； 回應於該第一信號而從該穿壁通訊系統向該一或多個感測器節點以無線方式傳輸一第二信號，其中該一或多個感測器節點包含一天線，該天線經組態以接收該第二信號； 回應於該第二信號而測量與待剖析之一狀況相關聯之一或多個參數，其中該感測器節點包含一感測器，該感測器經組態以回應於該第二信號而測量該一或多個參數並產生一第一資料信號； 將含有與該一或多個所測量參數、該一或多個感測器節點之位置或兩者相關聯之資訊的該第一資料信號傳輸至該等穿壁通訊系統，其中該第一資料信號係一電磁信號；且 使用一處理器基於該第一資料信號來判定及剖析該容器內之該狀況，其中該處理器係以通訊方式耦合至該無線感測系統之一控制系統的一部分。
17. 如請求項16之方法，其包含在形成該穿壁通訊系統之一部分並且附接至該壁之一內表面之的一內部模組中將該第一信號之頻率轉換成該第二信號之頻率，其中該內部模組包含至少一換能器、一頻率轉換器及放大器、以及一天線，其中該第一信號之該頻率在該聲響範圍內且該第二信號之該頻率在該電磁範圍內，且其中穿過該容器之該壁以無線方式傳輸該第一信號。
18. 如請求項17之方法，其包含在該頻率轉換器及放大器中將該第一資料信號轉換成一第二資料信號，穿過該容器之該壁以無線方式傳輸該第二資料信號並且傳輸至附連至該壁之一外表面之該等穿壁通訊系以的一外部模組，並將該第二資料信號傳輸至該控制系統，其中該第二資料信號係一聲響信號且含有與該一或多個所測量參數、該一或多個感測器節點之該位置或兩者相關聯的該資訊。
19. 如請求項18之方法，其中該外部模組包含一或多個換能器，該一或多個換能器經組態以接收該第一信號並穿過該壁將其以無線方式傳輸至該內部模組之該至少一個換能器，並且經組態以接收該第二資料信號並將其以無線方式傳輸至該控制系統。
20. 如請求項19之方法，其中該外部模組包含配置成盤狀形狀之一換能器簇，其中該換能器簇中之各換能器經組態以將該第一信號以無線方式傳輸至該內部模組中之一單個換能器。
21. 如請求項16之方法，其包含經由由該等穿壁通訊系統傳輸之一電磁功率信號向該一或多個感測器節點以無線方式提供功率。
22. 如請求項21之方法，其包含在向該一或多個感測器節點提供該功率之前，將穿過該容器之該壁傳輸之一聲響功率信號轉換成該電磁功率信號。
23. 如請求項16之方法，其中該第一信號之頻率與該第二信號之頻率係不同的。
24. 如請求項16之方法，其中該第一信號及該第二信號之頻率係相同的。