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專利名稱：電容式料位測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置，用于電容式確定和/或監(jiān)控容器中介質(zhì)的料位，其具有至少一個(gè)料位探頭并且具有至少一個(gè)電子現(xiàn)場(chǎng)儀表，該電子現(xiàn)場(chǎng)儀表與料位探頭連接，生成用于觸發(fā)料位探頭的電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)并且接收并分析料位探頭的測(cè)量電流(I2)。
用于測(cè)量料位的電容式測(cè)量儀表多年來已為人所知。突出伸入容器和容器壁的探頭，或者突出伸入容器的兩個(gè)傳感器形成電容器。這個(gè)電容C1依賴于待測(cè)介質(zhì)的料位和介電常數(shù)。于是，從電容可以得到料位。
一種已知的測(cè)量這個(gè)電容C1的可能方法是視在電流測(cè)量。例如，利用現(xiàn)有的整流電路在待測(cè)電容C1測(cè)量以一定頻率和電壓流經(jīng)構(gòu)成傳感器的電容器、介質(zhì)和容器壁的交變電流的量。然而，視在電流IS不僅依賴于電容C1，而且還依賴于待測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率R1。特別地對(duì)于松散材料，電導(dǎo)率R1依賴于多種因素，例如溫度或濕度，因而獲得的結(jié)果不精確。
一種用于抑制這種并行電導(dǎo)率的影響的方法是以相對(duì)較高的頻率測(cè)量。視在電流IS的流經(jīng)電容C1的部分與頻率成比例，相反，由電導(dǎo)率R1引起的部分保持恒定。于是，在高頻率處，容性部分總是占主導(dǎo)地位的。然而，經(jīng)驗(yàn)說明，利用具有高寄生電感的長探頭，以高頻率(＞100kHz)測(cè)量是困難的。
測(cè)量電容C1的另一種方法是不測(cè)量視在電流IS，而是測(cè)量在電流和電壓之間相差角為90°的無功電流，其等效于測(cè)量純電容。這可以例如利用同步整流電路(參見專利DE 42 44 739 C2)完成。對(duì)于某些介質(zhì)，這種方法具有缺點(diǎn)。在具有低介電常數(shù)和高電導(dǎo)率的介質(zhì)中，由于無功電流基本消失而發(fā)生困難，而這種介質(zhì)可以使用視在電流測(cè)量方法而被很好的測(cè)量。另外，已知這種現(xiàn)有的同步整流電路易受電磁干擾的影響。
測(cè)量中的問題例如來自使用的元件的公差以及來自在測(cè)量探頭上可能發(fā)生的來自待測(cè)介質(zhì)的沉積物。這個(gè)沉積物有時(shí)嚴(yán)重影響測(cè)量信號(hào)并因而影響測(cè)量值。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是盡可能精確地電容式測(cè)量料位。
根據(jù)本發(fā)明這樣實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)在電子現(xiàn)場(chǎng)儀表中提供至少一個(gè)微處理器，該微處理器生成電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)并且/或者該微處理器至少分析測(cè)量電流(I2)和/或與其成比例的測(cè)量量。與測(cè)量電流(I2)成比例的測(cè)量量例如是與這個(gè)電流I2成比例的電壓，其可以例如利用歐姆電阻器獲得。
于是，基本思想是，微處理器生成電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)并因而預(yù)先給定測(cè)量頻率，并且/或者微處理器分析測(cè)量信號(hào)，即測(cè)量電流(I2)。微處理器也可以獨(dú)立地設(shè)置測(cè)量及激勵(lì)方法，例如通過根據(jù)來自不同采樣測(cè)量方法的結(jié)果選擇最優(yōu)方法，并且根據(jù)需要還可以在工作期間例如在不同的現(xiàn)場(chǎng)條件下分別設(shè)置最優(yōu)測(cè)量方法。這例如對(duì)于介電常數(shù)或電導(dǎo)率值隨時(shí)間變化的介質(zhì)是有意義的。于是，微處理器根據(jù)需求，執(zhí)行視在電流測(cè)量和/或無功電流測(cè)量和/或有功電流測(cè)量。因?yàn)樘筋^分析電流的相位角可以由軟件在較寬范圍中任意選擇，所以這是有可能的。于是，可以進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量。于是這些不同的測(cè)量方法可以相互結(jié)合，并且可以有更多的分析可能以及信息獲取。微處理器還執(zhí)行線性化以及縮放信號(hào)的功能。由于使用微處理器，進(jìn)一步有可能生成不同的輸出信號(hào)，它們依賴于輸出信號(hào)的進(jìn)一步使用或者依賴于所用的傳輸協(xié)議。例如，可以生成4～20mA信號(hào)、0～10V信號(hào)、PFM信號(hào)(脈沖調(diào)頻信號(hào))、或二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)。然而，還可以想象，對(duì)于不同傳輸協(xié)議或使用目的，生成并輸出多個(gè)輸出信號(hào)(4～20mA、0～10V、PFM信號(hào)、二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)等)。如果在單個(gè)測(cè)量周期之間合并了間隔，在該間隔期間將微處理器切換至節(jié)能模式并且沒有電流流經(jīng)探頭，那么電流消耗也可以減少為電容式傳感器的通常值的幾分之一。這特別對(duì)于NAMUR應(yīng)用是有優(yōu)點(diǎn)的。于是，微處理器對(duì)于測(cè)量方法以及進(jìn)一步的處理提供了一定的靈活性。由于在使用模擬電路在現(xiàn)有技術(shù)中獲得的大多數(shù)功能現(xiàn)在切換到微處理器或它的軟件中，所以經(jīng)濟(jì)地制造基于平臺(tái)的變型大大簡(jiǎn)化。
在一個(gè)實(shí)施方式中，微處理器可調(diào)節(jié)測(cè)量頻率和/或電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)的形狀。于是，例如如果由于給定條件而使得無功電流測(cè)量不很合適而且高頻的視在電流測(cè)量更為有效，那么可以設(shè)置較高的頻率。利用微處理器，很容易生成時(shí)鐘頻率以下的幾乎任一頻率。相應(yīng)地，優(yōu)點(diǎn)是利用微處理器對(duì)于測(cè)量條件最優(yōu)地設(shè)置頻率。
在一個(gè)實(shí)施方式中，電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)是比特模式的。典型地，以2或3比特的分辨率輸出這個(gè)比特模式。
在一個(gè)實(shí)施方式中，提供至少一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其將數(shù)字電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)轉(zhuǎn)換為模擬電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1a)。微處理器生成數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)為了進(jìn)一步處理必須為模擬形式。這個(gè)轉(zhuǎn)換可以利用例如簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，提供至少一個(gè)濾波器，其將模擬電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1a)轉(zhuǎn)換為正弦波觸發(fā)電壓(U1)。濾波器例如是低通或帶通濾波器。然而，還可以使用具有特定諧波成分的任何其它信號(hào)形狀用于測(cè)量。為此，正弦波信號(hào)應(yīng)當(dāng)被看作僅僅是個(gè)例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以看到其它實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)于濾波器，同樣也證實(shí)了，如果電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)是比特模式是有益的。如果很好地選擇了濾波器的極限頻率和電阻網(wǎng)絡(luò)的分度，可以由每一電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)以任意測(cè)量頻率生成正弦波信號(hào)而無需切換濾波器的極限頻率，因?yàn)樾枰交膬H僅是單獨(dú)的分度。因此頻率轉(zhuǎn)換可以通過微處理器中的軟件容易地實(shí)現(xiàn)，并且不需要模擬濾波器中的轉(zhuǎn)換。
在一個(gè)實(shí)施方式中，提供至少一個(gè)流/壓轉(zhuǎn)換器，其將測(cè)量電流(I2)轉(zhuǎn)換為與測(cè)量電流(I2)成比例的電壓信號(hào)(U2)。與電流信號(hào)不同，這種電壓信號(hào)例如可以用于數(shù)字掃描。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施方式中，流/壓轉(zhuǎn)換器是歐姆電阻器。
在一個(gè)實(shí)施方式中，提供至少一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其將與測(cè)量電壓(I2)成比例的電壓信號(hào)(U2)數(shù)字化。以數(shù)字形式，微處理器可以分析測(cè)量電流(I2)或與其成比例的電壓信號(hào)(U2)。
在一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，電子現(xiàn)場(chǎng)儀表中的微處理器直接掃描測(cè)量電流(I2)和/或與測(cè)量電流(I2)成比例的電壓信號(hào)(U2)。于是不需要同步整流器或類似的分析。微處理器直接掃描測(cè)量信號(hào)和/或與其成比例的信號(hào)(在這個(gè)情況中是電壓)。這減少了成本并且還例如防止由插入的電子儀器引起的誤差或不精確。特別地，利用現(xiàn)有的整流電路整流否則將干擾測(cè)量的外部輻射。這使得這個(gè)分析方法基本上非常不易受到干擾輻射和入射的攻擊。
在一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，提供至少一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其將正弦波觸發(fā)電壓(U1)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的正弦波觸發(fā)電壓(U1d)。這對(duì)于在微處理器中的分析是很重要的。以這種方式，測(cè)量探頭經(jīng)受的信號(hào)也發(fā)送給微處理器。通過模擬電子部分能夠出現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)的改變，這個(gè)改變?cè)诜治鰷y(cè)量信號(hào)時(shí)通過反饋而引入。因?yàn)樵诜治鲋幸胗|發(fā)信號(hào)，所以還有可能例如檢測(cè)、報(bào)告或計(jì)算出干擾、誤差等?？梢员容^電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)和正弦波觸發(fā)電壓(U1)。如果觸發(fā)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)都由參考同一參考電壓(例如處理器的電源電壓)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，那么不需要調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓/操作電壓，這使得在模擬電路上的花費(fèi)大為減少。
在一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，在電子現(xiàn)場(chǎng)儀表中的微處理器直接掃描正弦波觸發(fā)電壓(U1)。于是，兩個(gè)信號(hào)都被直接掃描，并且也可以例如直接通過兩個(gè)信號(hào)之間的相位差而確定相應(yīng)的測(cè)量量(無功電流、視在電流和有功電流)。這個(gè)實(shí)施方式和前面的具有分析激勵(lì)信號(hào)的實(shí)施方式也得到了用于分析測(cè)量信號(hào)的參考值。這個(gè)實(shí)施方式以及前面討論的實(shí)施方式中呈現(xiàn)的思想基本上不受溫度因素以及測(cè)量儀表的模擬部分中的元件公差的影響，因?yàn)闇y(cè)量結(jié)果是通過電壓U1和U2的比率而獲得的并且相位和幅度偏差對(duì)于U1和U2的影響相同。于是通過分析激勵(lì)信號(hào)，恒定地進(jìn)行參考測(cè)量。這簡(jiǎn)化了分析。
在一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，在分析測(cè)量電流(I2)和/或與其成比例的測(cè)量量中，電子現(xiàn)場(chǎng)儀表中的微處理器使用正弦波觸發(fā)電壓(U1)作為參考。于是，可以更精確地分析例如相位，從而可以從一次測(cè)量獲得更多的測(cè)量量(無功電流、視在電流和有功電流)，這又提供了更多的信息，例如沉積物檢測(cè)。
在一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，這樣實(shí)現(xiàn)電子現(xiàn)場(chǎng)儀表中的微處理器，使得執(zhí)行沉積物檢測(cè)。通過分析觸發(fā)信號(hào)和與測(cè)量電壓成比例的電壓信號(hào)之間的相位并分析視在電流，例如可以知道測(cè)量探頭上是否已經(jīng)形成了沉積物，或者沉積物是否在增加。這可以通過數(shù)字掃描總測(cè)量信號(hào)或者通過使用觸發(fā)信號(hào)作為參考而實(shí)現(xiàn)。如果例如有功電流IW隨時(shí)間變化，那么可以得到關(guān)于沉積物的結(jié)論。
于是在本發(fā)明中，直接掃描觸發(fā)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)或與其成比例的電壓。由于對(duì)兩個(gè)信號(hào)分布的完全掃描，所以可以例如利用一次測(cè)量確定相位和視在電流。這不僅允許確定電容和料位，而且使得可以檢測(cè)測(cè)量傳感器上的沉積物，從而可以發(fā)出特殊警報(bào)用于預(yù)防性的維護(hù)，以引起對(duì)沉積物的注意并可以盡可能快地對(duì)其作出反應(yīng)。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)地說明本發(fā)明。附圖中

圖1是裝置的電路框圖；和圖2a和2b是在兩組不同的現(xiàn)場(chǎng)條件下，入射信號(hào)隨時(shí)間變化的兩條曲線。
圖1是一種可能的實(shí)施例的電路框圖。電路的中央元件是微處理器15，其在電子現(xiàn)場(chǎng)儀表10之內(nèi)，利用不同的示例性功能模塊15.1～15.6執(zhí)行以下功能用于輸出測(cè)量信號(hào)的單元15.1輸出比特模式，用于以由微處理器合適地設(shè)置的測(cè)量頻率生成方波或階梯信號(hào)。典型地，這個(gè)比特模式以2或3比特的分辨率輸出并且可以由簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)20轉(zhuǎn)換為模擬階梯電壓sig1a(最簡(jiǎn)單的是數(shù)/模轉(zhuǎn)換)。這個(gè)階梯電壓sig1a被隨后的濾波器21，例如低通或帶通濾波器轉(zhuǎn)換為正弦波測(cè)量電壓U1。在單元15.2中，控制信號(hào)發(fā)生(測(cè)量頻率的選擇)以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器22的期望掃描時(shí)間點(diǎn)。在另一功能模塊15.3中，測(cè)量模/數(shù)轉(zhuǎn)換器22下游的激勵(lì)電壓U1。對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器22下游的測(cè)量信號(hào)電壓U2也是同樣的，該測(cè)量電壓U2與流經(jīng)探頭的電流I2成正比并且是利用流/壓轉(zhuǎn)換器23生成的。接下來，在功能模塊15.5中進(jìn)行測(cè)量電壓U1和U2的比率形成、縮放和線性化，即，實(shí)際的分析。分析測(cè)量信號(hào)的相位角差可以使用微處理器而簡(jiǎn)單且實(shí)際地設(shè)置。然而，微處理器還允許完全掃描測(cè)量信號(hào)，使得分析測(cè)量信號(hào)的整體分布，而不是僅使用測(cè)量信號(hào)的單個(gè)值用于分析。結(jié)果，可以確定測(cè)量電壓U1和測(cè)量信號(hào)電壓U2以及無功電流之間的相位。這使得可以確定電容并且例如可以判斷在測(cè)量傳感器5上是否有沉積物。增加測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目也增加了信息。在分析中，也可以提供與功能模塊15.2的連接，從而根據(jù)獲得的結(jié)果，例如還結(jié)合預(yù)先給定的極限值，執(zhí)行最優(yōu)的測(cè)量和分析方法。另外，生成合適的輸出信號(hào)，其也可以根據(jù)需要經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。根據(jù)獲得的值，可以由功能模塊15.6生成期望的輸出信號(hào)，并且例如經(jīng)由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器或數(shù)字端口將其輸出。在實(shí)施例中顯示了微處理器，其具有多個(gè)功能模塊。自然，也可以有執(zhí)行不同任務(wù)的多個(gè)互相連接的微處理器。還顯示了具有介質(zhì)1的容器2，測(cè)量傳感器5插入該介質(zhì)。還顯示了電容器3，其來自傳感器5和容器2的壁。另外，傳感器5、介質(zhì)1和容器2的壁還形成了電阻4，電流流經(jīng)該電阻。
在圖2a和2b中，將信號(hào)sig1、U1和U2顯示為時(shí)間的函數(shù)。激勵(lì)電壓U1在由濾波引起的一定相位延遲之后跟隨由微處理器生成的信號(hào)sig1?？梢酝ㄟ^使用在微處理器15中掃描的激勵(lì)電壓U1作為參考，在分析中引入這個(gè)相位延遲。如果假設(shè)探頭/介質(zhì)/容器配置的純電容特性為電容C1(圖2a)，那么與流經(jīng)探頭的電流成比例的電壓U2與電壓U1相位偏移90°。如果以與激勵(lì)電壓U1精確相位偏移180°測(cè)量電壓U2，那么當(dāng)探頭具有純電容負(fù)載時(shí)，總是獲得U2的最大幅度(以Uc指示)。
如果除了電容C1，還假設(shè)了介質(zhì)的并行電阻R1(圖2b；與圖1對(duì)比)，那么流經(jīng)探頭的電流以及電壓U2的量增加。與此同時(shí)，U1和U2之間的相位角小于90°。然而，在這種情況中，如果以相對(duì)于激勵(lì)電壓U1為180°的相位角測(cè)量電壓U2，那么Uc的幅度與圖2a中所示的情況相比不發(fā)生改變。以這種方式，可以獨(dú)立于并行電阻R1測(cè)量電容C1。由于在電容式測(cè)量中許多問題是由導(dǎo)電沉積物和改變待測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率的濕度波動(dòng)引起的，所以這對(duì)于使用者具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)沉積物可以通過分析視在電流IS而檢測(cè)到。通過掃描整體測(cè)量信號(hào)，可以分析無功電流和視在電流。在圖2b中，顯示了U1和U2之間的相位或相位角φ。利用這個(gè)相位，測(cè)量電壓U2的有功部分UW可以如下計(jì)算UW＝U2*cos(φ)。利用這個(gè)值，可以檢測(cè)沉積物，因?yàn)槌练e物的增加通常與有功部分的增加相關(guān)聯(lián)。利用等式UB＝U2*sin(φ)計(jì)算測(cè)量電壓U2的無功部分UB。這個(gè)值可以確定電容并因而可以確定介質(zhì)料位。
附圖標(biāo)記1 介質(zhì)2 容器3 電容4 電阻5 料位探頭10 電子現(xiàn)場(chǎng)儀表15 微處理器15.1生成測(cè)量電壓15.2控制信號(hào)生成+掃描15.3測(cè)量激勵(lì)電壓15.4掃描測(cè)量信號(hào)15.5參考、縮放并線性化15.6生成輸出信號(hào)20 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器21 濾波器22 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器23 流/壓轉(zhuǎn)換器
權(quán)利要求
1.一種用于電容式確定和/或監(jiān)控容器(2)中介質(zhì)(1)的料位的裝置，具有至少一個(gè)料位探頭(5)并且具有至少一個(gè)電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)，該電子現(xiàn)場(chǎng)儀表與料位探頭(5)連接，生成用于觸發(fā)料位探頭(5)的電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)以及接收并分析料位探頭(5)的測(cè)量電流(I2)，其特征在于，在電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)中提供至少一個(gè)微處理器(15)，該微處理器至少生成電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)并且/或者至少分析測(cè)量電流(I2)和/或與其成比例的測(cè)量量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，測(cè)量頻率和/或電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)的形狀可由微處理器(15)調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)是比特模式的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其中提供至少一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(20)，其將數(shù)字電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1)轉(zhuǎn)換為模擬電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1a)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中提供至少一個(gè)濾波器(21)，其將模擬電壓觸發(fā)信號(hào)(sig1a)轉(zhuǎn)換為正弦波觸發(fā)電壓(U1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中提供至少一個(gè)流/壓轉(zhuǎn)換器(23)，其將測(cè)量電流(I2)轉(zhuǎn)換為與測(cè)量電流(I2)成比例的電壓信號(hào)(U2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的裝置，其中提供至少一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)，其將與測(cè)量電壓(I2)成比例的電壓信號(hào)(U2)數(shù)字化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的裝置，其中在電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)中的微處理器(15)直接掃描測(cè)量電流(I2)和/或與測(cè)量電流(I2)成比例的電壓信號(hào)(U2)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中提供至少一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)，其將正弦波觸發(fā)電壓(U1)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的正弦波觸發(fā)電壓(U1d)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中在電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)中的微處理器(15)直接掃描正弦波觸發(fā)電壓(U1)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5、9或10所述的裝置，其中在分析測(cè)量電流(I2)和/或與其成比例的測(cè)量量中，電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)中的微處理器(15)使用正弦波觸發(fā)電壓(U1)作為參考。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的裝置，其中這樣實(shí)現(xiàn)電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)中的微處理器(15)，使得執(zhí)行沉積物檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝置，用于電容式確定和/或監(jiān)控容器(2)中介質(zhì)(1)的料位，其具有至少一個(gè)料位探頭(5)并且具有至少一個(gè)電子現(xiàn)場(chǎng)儀表(10)，該電子現(xiàn)場(chǎng)儀表與料位探頭(5)連接，生成用于觸發(fā)料位探頭(5)的電壓觸發(fā)信號(hào)(sig
文檔編號(hào)G01F23/26GK1809730SQ200480013222
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者阿爾明·韋內(nèi)特, 克萊門斯·海利希, 卡伊·烏彭坎普 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司