專利名稱：雷達水平儀中的升高電壓處的能量存儲的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用測量容器中的產品的表面的水平的微波的雷達水平儀系統。 更具體地，本發明涉及這種儀表中的能量存儲。
背景技術：
雷達水平儀適合用于對諸如工藝流體、顆粒復合物和其它材料的產品的水平進行非接觸式測量。這種雷達水平儀的示例可以包括微波單元，用于向表面發送微波并且接收從表面反射的微波；處理電路，被布置為與所述微波單元通信，并且基于發送和接收的微波之間的關系來確定所述水平；接口，用于在所述雷達水平儀外部連接所述處理電路；以及電力管理電路，向所述微波單元和所述處理電路提供工作電力。為了保證令人滿意的接收到的回波的信號水平，發射的微波必須具有足夠的功率水平。對接收到的信號的處理也需要足夠的電力，而在一些情況下，在處理期間提高處理器的時鐘頻率，以使得能夠進行高速計算。結合起來，這導致在測量周期的某些部分期間對電力的需求增加。對于頻率調制連續波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCff)系統，電力要求尤其高。然而，在實踐中，實現電力的提供相對困難，因為在上面討論的類型的儀表中能量通常是稀缺資源。特別地，有限的可用電力在使用雙配線饋送系統的系統中是個問題。用于測量罐中的水平的雷達水平儀以及其它類型的處理傳感器一般與雙配線接口連接，其中，僅兩個線用于向傳感器供給有限的電力以及傳送測量和處理后的測量信號。接口可以是具有疊加數字通信的4-20mA工業環路或者諸如現場總線基金會(Fieldbus Foundation, FF)或 Profibus的另一雙配線現場總線。其它可能的接口包括四配線接口，其中，兩個線提供電力，兩個線傳送測量信號。在4-20mA環路的情況下，可用電力由此取決于儀表的信號值，從而在低信號值(例如大約4mA)時間段期間，僅非常有限的電力可用。即使在高信號值(例如大約20mA)時間段期間，可用電力也可能不足以在測量周期期間對處理電路和微波發送器供電。由于該原因，需要一些形式的電力管理，以在不同的部件之間和時間上分配可用電力。這種電力管理可以包括在一些種類的能量存儲設備中存儲能量，使得在電力需要增加的時間段期間，該能量可以用于提高可用電力。能量存儲可以在每個測量周期之后的具體指定的等待時間段中進行，或者在低活動性時間段期間在整個測量周期中進行。在包含爆炸氣體或液體的罐中進行測量的情況下，或者在傳感器位于爆燃危險區域中的任意其它情形下，還存在爆燃保護的問題。通常，使用一些種類的封裝使設備防爆， 或者使其外部電連接本質安全(intrinsically safe, IS)。后一種情況需要輸入功率、電壓和電流不超過安全規范(IS要求)規定的水平。這由布置在到本質安全區域的接口中的所謂的電屏障來保證。因為不希望包封微波電子設備，因此測量設備應當以相對低的電壓工作，以符合 IS規范。以這種低電壓，使得能量存儲效率低，因為其需要大并且慢的電容器。一般來說，最小能量存儲電容僅落在鋁電解電容器覆蓋的范圍內。鋁電解電容器由于低溫(-40攝氏度)而釋放其初始容量的大約20%，并且由于老化(5000小時)而釋放20%。這可以以大小、價格和顯著增加的啟動時間為代價來補償。 另外，如果在系統的活動周期期間在對其能量的主要部分進行放電的位置使用鋁電解電容器，則這也將使初始電容值顯著減小。使用大電容器的另一主要缺點是當暴露在高溫下時，壽命急劇縮短。文獻US 6，972，584公開了旨在用于超聲波水平儀的電源去耦電路。為了使得該設備能夠工作，由升壓變換器使由電流環提供的電壓上升。在該較高的電壓水平也進行能
量存儲。
發明內容
本發明的目的是解決上述問題，并且提供在雷達水平儀中的改進的能量存儲而不違反安全規范(例如IS要求)。該目的通過根據所附權利要求所述的雷達水平儀、電源電路和方法來實現。根據本發明的第一方面，提供一種雷達水平儀，包括微波單元，用于向罐中發送微波并且接收來自罐的反射；處理電路，連接到微波單元，并且被布置為基于發送的微波和反射之間的關系來確定水平；電力接口，用于將雷達水平儀連接到外部電源；以及電力管理電路，被布置為以工作電壓向微波單元和處理電路提供電力。電力管理電路包括第一電壓變換器，具有用于從電力接口接收驅動電壓的低電壓端和用于供給高于工作電壓的中間電壓的高電壓端；臨時能量存儲器，被布置為由中間電壓充電；第二電壓變換器，具有用于接收來自能量存儲器的輸入電壓的高電壓端和用于提供低于輸入電壓的工作電壓的低電壓端。根據本發明，以高于電流環的電壓水平的電壓存儲能量，以較低的電壓水平、優選足夠低以符合IS規范的電壓水平來消耗能量。通過以較高電壓存儲能量，可以使用不同類型的能量存儲器(例如低容量電容器)。其結果是，能量存儲的成本和啟動時間顯著減少。此外，在將中間電壓向下變換為工作電壓時，可以允許中間電壓顯著變化，使得與任意相應的能量存儲器相比，能夠更高效地使用能量存儲器，以一般僅允許變化十分之幾伏特的工作電壓提供上述相應的能量存儲器。另一優點是對驅動電壓的第一電壓變換使得能夠以較低的可用驅動電壓(較低的需要的起動(lift-off)電壓)驅動水平儀。這使得測量設備更魯棒并且安裝更快、安裝成本更低。已知一些現有技術(例如US 6，972，584)也教導了與電流環的電壓相比，以升高的電壓水平進行能量存儲。然而，這些解決方案局限于以升高的電壓工作的設備，因此總是需要升壓變換器。本發明涉及例如由于IS規范，工作電壓低于電流環的電壓的應用。在這些應用中，本領域技術人員認為考慮在降壓變換器之前弓丨入升壓變換器效率太低。本發明基于上述以較高電壓進行能量存儲的優點更多地補償多電壓變換的缺點這一令人驚奇的實現。雖然通常難以對微波單元進行封裝，因為灌封材料可能改變電路的性質，但是可以有利地對臨時能量存儲器進行封裝，以消除爆炸的風險。這使得在設計在爆炸風險應用中滿足安全要求的雷達水平儀時能夠更自由。接口可以被適配為一般通過電屏障以本質安全的方式接收電力。接口可以是雙配線接口，被布置為向遠程位置發送測量數據并接收用于系統工作的電力。例如，接口可以是帶有疊加數字通信的4-20mA工業環路(HART)、現場總線基金會總線或者ftOfibus。這些環路廣泛地用于對雷達水平儀供電。可選地，接口可以是四配線接口。根據一個實施例，微波單元被適配為發射脈沖信號，處理電路被適配為基于脈沖信號的發射和反射信號的接收之間的時間來確定容器的填充水平。將這種類型的測量稱為脈沖測量。根據第二實施例，微波單元被適配為發射一系列頻率上的波，處理電路被適配為基于發射的信號和反射的信號的混合來確定容器的填充水平。將這種類型的測量稱為 FMCff (Frequency Modulated Continuous Wave，頻率調制連續波)。微波單元還可以被適配為發射具有多個不同頻率的脈沖波，將其稱為MFPW(Multiple Frequency Pulsed Wave，多頻率脈沖波)。通常，可以在電力供給存在限制的應用中在任意處理變量傳感器中獲得上面列出的優點。因此，根據本發明的第二方面，提供如在上面所公開的電力管理電路，但是通常用在任意處理變量傳感器中。根據本發明的第三方面，提供一種向用于檢測處理變量的傳感器提供工作電力的方法，包括以高于所述傳感器所需的工作電壓的中間電壓在臨時能量存儲器中存儲能量； 以及將來自所述臨時能量存儲器的輸出電壓向下變換為所述工作電壓。這種方法允許進行高效的能量存儲，同時使得傳感器能夠本質安全地工作。
現在，參考示出本發明的當前優選實施例的附圖，更詳細地描述本發明的此方面和其它方面。圖1是可以實現本發明的雷達水平儀的功能框圖。圖2是根據本發明的第一實施例的電力管理電路的第一實施例的示意性電路圖。圖3是根據本發明的實施例的設置有電力管理電路的雷達水平儀的功能框圖。
具體實施例方式圖1示出了可以有利地實現本發明的雷達水平儀10的示意性框圖。雷達水平儀被布置為確定罐12中材料11的表面的位置(即材料11的填充水平)。雷達水平儀10包括微波單元13，被適配為向罐中發射波，并且接收反射的微波；處理電路16，用于與所述微波單元進行通信，并且基于發送和接收的微波之間的關系來確定測量結果；以及電力管理單元17，用于向處理電路和微波單元13提供所需的電力。微波單元13可以包括微波控制器14、微波發射器/接收器15和將發射器/接收器13連接到控制器14的信號傳送介質18。控制器14通過數據總線20連接到處理電路 16，并且被適配為根據來自處理電路16的控制數據生成微波信號。控制器14可以包括發送器、接收器、循環器和管理這些部件所需的任意控制電路。此外，控制器14可以包括用于將罐信號、即從罐接收的信號數字化的A/D轉換器。如圖1所示，發射器/接收器15可以包括在罐頂部的自由輻射天線19，或者可選地，發射器/接收器15可以包括延伸到罐中的探針。信號傳送介質18可以是配線或者線纜，但是也可以包括更精密的波導。在罐12中是爆炸性的或其它危險內容的情況下，信號傳送介質18可以包括通過罐壁的氣密密封物。 也可以控制器14使用適當的端子直接連接到發射器/接收器15，或者將發射器/接收器 15布置在與控制器14相同的電路板上，在這種情況下，信號傳送介質可以僅是電路板上的跡線。系統10連接到接口 21，接口 21用于向系統10提供驅動電力，也可以用于從外部向儀表系統傳送測量結果。在所示出的示例中，接口 21是包括兩個線路22、23和電屏障對的雙配線接口。屏障M確保安裝儀表系統10的區域25是本質安全的，即保持通過接口 21 傳送的功率、電流和電壓低于給定限制，減少危害的風險。同時提供驅動電力并傳送測量信號的這種雙配線接口的示例是4-20mA工業環路。電力管理單元17連接到線路22中的一個，其被適配為將雙配線接口中的電壓 (一般為大約5-20V)變換為適合于電路16和微波驅動器14的工作電壓，一般為大約3V。 在最簡單的情況下，電力管理單元17是DC/DC降壓變換器和平滑電容器。電力管理單元經由線路沈連接到電路16并且經由線路27連接到微波驅動器14。線路22、23 二者還連接到電流控制單元28，電流控制單元28由處理電路16經由數字總線四控制。總線四還根據HART協議進行通信，以被疊加在環路22、23中的電流中。 可以從電力管理單元17向控制單元觀提供驅動電壓。在使用時，處理電路16對微波控制器14進行控制，以生成要由發射器/接收器15 發射到罐12中的測量信號。該信號例如可以是脈沖信號(脈沖電平測定或者多頻率脈沖波(Multiple Frequency Pulsed ffave)MFPff)或者具有在特定范圍上變化的頻率的連續信號(頻率調制連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)。微波發射器 15 用作適配器，使得在控制器14中生成的信號能夠作為可以被材料11的表面反射的微波傳播到罐12中。罐信號、即發射的信號及其回波或者發射信號和反射信號的混合由發射器/接收器15接收，并被傳送到微波控制器14，在微波控制器14處被接收并被A/D轉換。然后， 經由總線20向處理電路16提供數字化的信號，處理電路16基于發射的波和接收到的波之間的關系確定測量結果。然后，將測量結果經由總線四傳送到電流控制單元觀，并且調節流過電流控制單元觀的電流，使得電流環中的總電流對應于測量結果。圖2示出了根據本發明的第一實施例的電力管理電路30。可以有利地將該電路用作圖1中的電力管理單元17或者將該電路包含在圖1中的電力管理單元17中。根據該實施例，電路30包括DC/DC升壓變換器31，這里稱為升壓(boost)變換器；以及串聯連接的DC/DC降壓變換器32。兩個變換器優選地是在實質上保持輸入功率的同時進行電壓變換的類型。(當然，這是理想情形，實際上由于變換效率將存在輕微的功率損失。)在兩個變換器之間設置臨時能量存儲器33。作為臨時能量存儲器，可以使用存儲電容器33或者被適配為在其上施加電壓時存儲電能的任意其它類型的元件或元件的組合。當然，代替電容器33或者除了電容器33以外，臨時能量存儲器可以包括其它部件。例如，臨時能量存儲器可以包括與電容器33串聯的電阻，以針對峰值電壓保護電容器。優選地電容應當如此小，使得在一般電流下該電阻上的電壓降可以忽略。
優選地電路30還包括二極管網絡38，二極管網絡38連接在線路中的一個上，以防止能量從能量存儲器33泄漏回電路環路22、23。二極管網絡38可以包括一個或若干二極管，其僅確保不允許電流沿與期望相反的方向流動。優選地電路30還包括電流限制單元39。電流限制單元39的目的是保證電力管理單元17消耗的電力不在環路中產生超過與由儀表確定的測量值相對應的電流值的電流。 如果例如測量結果對應于5mA的環路電流，則電力管理單元17必須不消耗使得環路電流超過5mA的電力。這由電流限制單元39來保證。在非常簡單的情況下，限制單元39僅僅是固定電流限制器，將電流限制為電流環的最小值，例如4mA。可選地，可以根據當前可以獲得的環路電流來控制電流限制單元。為此，可以從控制單元28或者直接從處理電路16提供控制信號40。在一些情形下，電力管理電路30中的能量存儲器太大，不能滿足IS規范。可以對電路30進行封裝，以使裝置防爆。一種可選方式是對整個雷達水平儀RLG 10進行封裝。然而，因為微波單元13 — 般具有微波空腔，因此通常難以滿足防爆要求。因此，希望僅對電力管理電路30進行封裝， 同時雷達水平儀RLG 10的其余部分是本質安全的，即滿足合適的IS標準。在這種情況下， 可以在電路30的輸出側布置屏障34(功能與屏障M類似)，以保證對提取的功率和電流的限制。可以使用灌封材料來進行封裝。優選地封裝應當無空腔。通過選擇合適的灌封材料，可以在封裝后的小部件中散去更多功率，因此實際上可以使更多功率可用來消耗。在實踐中，特定部件的表面溫度的問題將轉變成是否指定灌封材料承受最大內部溫度的問題。 這意味著所選擇的灌封材料需要具有良好的導熱性或者承受足夠高的最大溫度(或者兩者)。在使用中，變換器31將線路22上的電源電壓VdHve (—般為大約5-20V，取決于諸如線路電阻的因素)向上變換為較高的中間電壓Vint(—般為大約25-30V)。注意，在一些情形(具有低可用線電壓)下，向上變換可能非常顯著，可以是4或5倍。在其它情況下， 使用更高的可用線電壓，向上變換可能較不顯著，可以僅僅為大約25%。因此，以較高電壓 Vint對電容器33充電，以保證短的充電時間。作為示例，可以在電容器33中存儲mW級的能量。在25V的中間電壓處，這對應于大約幾十μ F的電容。由于對電容相對低的要求，可以使用例如鉭的較好的電容器類型，以提高系統的魯棒性。這些電容器尤其在高溫下具有有限的溫度變化和良好的使用期限。隨后，降壓變換器32將中間電壓Vint降低到較低水平V。p。電壓V。p實質上可以等于處理電路17和/或微波單元13的工作電壓，一般為大約3V。當處理電路需要比從接口 21可獲得的更多電力時，存儲電容器33將放電，由此提供例如在發送期間對微波單元13供電所需的附加電力。這在電流環中的可用電流低時(即在低測量值時間段期間)尤其重要。可選地，對升壓變換器31設置控制端口 41，對降壓變換器32設置控制端口 42，二者都被布置為接收控制信號43。該控制信號43允許旁路電路30中的能量存儲器。圖3示出了圖1中的系統，其中，電力管理單元17被適配為包括如上所述對電力管理電路30的旁路。這里，處理電路16接收來自電力管理單元17的與圖2中的電壓Vint相對應的監視讀出44，并且向電力管理單元17返回控制信號43。這種對電力管理電路17 的控制提供了在不需要這種存儲的時間段期間，例如當在環路22、23上可獲得大電流時， 或者當例如在起動期間處理電路16需要中間電壓時，將電容器33中的電力存儲器旁路的可能性。監視讀出還提供了將測量周期的持續時間最優化的可能性，以確保可以在測量之間進行對臨時能量存儲器的充分充電。原則上，一旦臨時能量存儲器被充分地充電，就可以使用監視讀出46來初始化下一個測量周期。這種控制將使周期的持續時間動態化，使得其將依賴于可用電力、即環路電流。本領域技術人員應當認識到，本發明決不限于上述優選實施例。相反，可以在所附權利要求的范圍內進行許多變形和變化。例如，根據本發明的電力管理電路不一定僅設置在雷達水平儀中的一個位置，而可以分布在系統中。例如，可以直接在微波控制器14中實現關于圖2和3描述的電路。
權利要求
1.一種使用微波的雷達水平儀，用于測量罐中的產品的填充水平，所述雷達水平儀包括微波單元，用于向所述罐中發送微波并且接收來自所述罐的反射；處理電路，連接到所述微波單元，并且被設置成基于發送的微波和所述反射之間的關系來確定所述水平；電力接口，用于將所述雷達水平儀連接到外部電源；以及電力管理電路，被設置成以工作電壓向所述微波單元和所述處理電路提供電力，所述電力管理電路包括第一電壓變換器，具有用于從所述電力接口接收驅動電壓的低電壓端和用于供給高于所述工作電壓的中間電壓的高電壓端；臨時能量存儲器，被設置成由所述中間電壓充電；第二電壓變換器，具有用于接收來自所述能量存儲器的輸入電壓的高電壓端和用于提供低于所述輸入電壓的所述工作電壓的低電壓端。
2.其中，對所述臨時能量存儲器進行封裝，以滿足爆炸安全規范。
3.根據權利要求1所述的雷達水平儀，其中，所述電力接口被設置成以本質安全的方式接收電力。
4.根據權利要求1所述的雷達水平儀，其中，所述電力接口是雙配線接口，被設置成向遠程位置發送測量數據，并且接收用于所述雷達水平儀的操作的電力。
5.根據權利要求4所述的雷達水平儀，還包括電流控制單元，被適配為根據所測量的水平來調節所述雙配線接口中的電流。
6.根據權利要求1所述的雷達水平儀，還包括用于依據控制信號旁路所述臨時能量存儲器的裝置。
7.根據權利要求6所述的雷達水平儀，其中，所述處理電路還被設置成接收監視信號并且響應于所述監視信號提供所述控制信號，所述監視信號指示來自所述臨時能量存儲器的輸出電壓。
8.根據權利要求1所述的雷達水平儀，其中，所述處理電路還被設置成接收監視信號并且依據所述監視信號初始化新的測量周期，所述監視信號指示來自所述臨時能量存儲器的輸出電壓。
9.根據權利要求1所述的雷達水平儀，其中，所述微波單元被適配為發射脈沖信號，且其中所述處理電路被適配為基于脈沖信號的發射和對反射信號的接收之間的時間來確定容器的填充水平。
10.根據權利要求1所述的雷達水平儀，其中，所述微波單元被適配為發射一系列頻率上的波，且其中所述處理電路被適配為基于發射的信號和反射的信號的混合來確定容器的填充水平。
11.一種用在檢測處理變量的傳感器中的電力管理電路，包括第一電壓變換器，具有用于從所述電力接口接收驅動電壓的低電壓端和用于供給高于所述工作電壓的中間電壓的高電壓端；臨時能量存儲器，被設置成由所述中間電壓充電；第二電壓變換器，具有用于接收來自所述能量存儲器的輸入電壓的高電壓端和用于提供低于所述輸入電壓的所述工作電壓的低電壓端。
12.—種向檢測處理變量的傳感器提供工作電力的方法，包括 將驅動電壓向上變換為所述中間電壓；以高于所述傳感器所需的工作電壓的中間電壓，在臨時能量存儲器中存儲能量；以及將來自所述臨時能量存儲器的輸出電壓向下變換為所述工作電壓。
13.根據權利要求13所述的方法，還包括經由所述雷達水平儀的接口，以本質安全的方式接收所述驅動電壓。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括確定不需要進行能量存儲，并且在這種情況下，旁路所述臨時能量存儲器。
15.根據權利要求13所述的方法，還包括依據監視信號初始化新的測量周期，所述監視信號指示跨所述臨時能量存儲器的電壓。
16.根據權利要求13所述的方法，還包括使用來自所述能量存儲器的能量來向罐中發送微波，并接收來自所述罐的反射，并且基于發送的微波和所述反射之間的關系來確定所述罐的填充水平。
全文摘要
一種用于雷達水平儀的電力管理電路，包括第一電壓變換器，具有用于從電力接口接收驅動電壓的低電壓端和用于供給高于所需的工作電壓的中間電壓的高電壓端；臨時能量存儲器，被設置成由中間電壓充電；第二電壓變換器，具有用于接收來自能量存儲器的輸入電壓的高電壓端和用于提供低于輸入電壓的工作電壓的低電壓端。通過以較高的電壓存儲能量，可以使用不同類型的能量存儲器(例如低容量電容器)。其結果是，能量存儲的成本和起動時間顯著減少。
文檔編號G01S7/02GK102356302SQ201080012658
公開日2012年2月15日 申請日期2010年10月20日 優先權日2009年10月21日
發明者托馬斯·倫丁, 萊夫·尼爾森 申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司