Патент на изобретение №2166737

(54) ПЕРЕДАТЧИК УРОВНЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике измерения уровней продукта в резервуаре при технологических процессах. Устройство содержит антенну диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), направленную в резервуар. Маломощный источник сигналов диапазона СВЧ направляет сигнал к антенне, а маломощный приемник сигналов диапазона СВЧ принимает отраженный сигнал. Блок измерения, связанный с источником и приемником, инициирует передачу сигнала диапазона СВЧ и определяет высоту продукта, исходя из принимаемого отраженного сигнала. Выходной блок, связанный с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, передает информацию о высоте продукта по замкнутой системе. Блок питания, связанный с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, принимает от нее энергию, которая запитывает передатчик, включая источник и приемник сигналов диапазона СВЧ. Предложенное устройство не требует для своего функционирования большой мощности и характеризуется упрощенной конструкцией за счет исключения дополнительной электропроводки. 10 з.п.ф-лы, 2 ил.

Уровень техники
Данное изобретение относится к измерению уровней в технологических процессах. Более конкретно, данное изобретение относится к измерению высоты уровня продукта в резервуаре типа, используемого в промышленности, с помощью уровнемера, работающего в диапазоне сверхвысокой частоты.

Приборы измерения уровня продукта (жидкого или твердого) в резервуарах разнообразны, начиная с методов контактного измерения, таких как разметка или поплавок, и кончая бесконтактными методами. Технология на основе использования диапазона сверхвысоких частот является одной из перспективных. Применяемый в ней принцип основан на передаче волн СВЧ-диапазона к поверхности продукта и приеме отраженной от поверхности энергии волн СВЧ-диапазона. Отраженные волны СВЧ-диапазона анализируют для определения расстояния их пробега. Если известны расстояние пробега и высота резервуара, то можно определить уровень продукта. Поскольку известно, что волны СВЧ-диапазона распространяются со скоростью света, то пройденное волнами СВЧ-диапазона расстояние можно определить, если известно время пробега. Время пробега можно определить измерением фазы вернувшейся волны при известной частоте переданной волны СВЧ-диапазона. Время пробега можно измерять хорошо известными методами цифровой выборки.

Один из нормативов в области управления процессами заключается в использовании замкнутых систем автоматического управления процессом с током 4-20 мА. Согласно этому нормативу сигнал 4 мА характеризует нулевое показание, а сигнал 20 мА характеризует конечное показание шкалы. Если передатчик на месте имеет достаточно небольшие потребности в электроэнергии, то можно подавать энергию передатчику с помощью тока от двухпроводной замкнутой системы. Но для СВЧ-передатчиков уровня в области управления процессами всегда требовался отдельный источник энергии. Передатчики уровня были громоздкими и для их работы требовалось больше энергии, чем можно было обеспечивать промышленным нормативом 4-20 мА. Поэтому для обычных СВЧ-передатчиков уровня диапазона сверхвысоких частот в предшествующем уровне техники требовалась дополнительная проводка к месту для обеспечения энергии для устройства. Эта дополнительная проводка была не только дорогой, но также и была источником потенциального отказа.

Краткое описание сущности изобретения
Передатчик уровня измеряет высоту продукта в резервуарах, которые используют в технологических процессах. Передатчик уровня подключают к двухпроводной замкнутой системе автоматического управления процессом, которую используют как для передачи информации уровня от передатчика уровня, так и для обеспечения энергии для передатчика уровня. Передатчик уровня содержит антенну СВЧ-диапазона, направленную в резервуар. Источник сигналов СВЧ-диапазона с пониженной мощностью направляет сигнал СВЧ-диапазона по антенне в резервуар. Приемник сигналов с пониженной мощностью СВЧ-диапазона принимает отраженный сигнал СВЧ-диапазона. Измерительный блок, связанный с источником сигналов СВЧ-диапазона с пониженной мощностью и приемником сигналов СВЧ-диапазона с пониженной мощностью, инициирует передачу сигнала СВЧ-диапазона и определяет высоту продукта на основе отраженного сигнала, принятого приемником. Выходной блок, связанный с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, передает информацию, относящуюся к высоте продукта, по этой замкнутой системе. Блок питания, связанный с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, принимает энергию от этой замкнутой системы для питания передатчика уровня.

В одном из вариантов осуществления измерительный блок содержит первый генератор тактовых импульсов, связанный с источником, для периодического инициирования сигнала СВЧ-диапазона на первой тактовой частоте. Второй генератор тактовых импульсов, связанный с приемником, периодически отпирает принимаемый сигнал на второй тактовой частоте.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – схема СВЧ-передатчика уровня согласно данному изобретению.

Фиг. 2 – блок-схема блоков электросхем передатчика уровня по фиг. 1.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг. 1 представляет схему, изображающую передатчик уровня СВЧ-диапазона 10, оперативно связанный с резервуаром 12. Резервуар 12 является резервуаром типа, который обычно используют для технологических целей и содержит жидкость (продукт) 14. В отношении данного изобретения продукт может быть жидким, твердым или сочетанием того и другого. Передатчик уровня 10 содержит корпус 16 и направляющий раструб 18. Передатчик 10 связан с двухпроводной замкнутой системой 20. Двухпроводная замкнутая система 20 является замкнутой системой автоматического управления процессом 4-20 мА. В соответствии с данным изобретением передатчик 10 передает информацию о высоте продукта 14 по замкнутой системе 20. Питание передатчика 10 полностью обеспечивается энергией, принимаемой по замкнутой системе 20. В некоторых установках передатчик 10 должен отвечать конкретным требованиям техники безопасности и может работать в потенциально взрывоопасной среде, не представляя собой причины опасности воспламенения. Например, корпус 16 герметизирован, чтобы не допускать какого-либо воспламенения, и блоки в корпусе 16 выполнены с возможностью уменьшать накапливаемую энергию, тем самым уменьшая опасность потенциального воспламенения.

Фиг. 2 – блок-схема передатчика уровня 10, связанного с диспетчерской управления процессом 30 посредством двухпроводной замкнутой системы автоматического управления процессом 20. Диспетчерская 30 смоделирована как резистор 32 и источник напряжения 34. Передатчик 10 управляет током 1, текущим по замкнутой системе 20, при реагировании на высоту продукта 14 в резервуаре 12.

Блок электросхем, выполненных в корпусе 16 передатчика, содержит регулятор напряжения 40, микропроцессор 42, запоминающее устройство 44, цифроаналоговый преобразователь 46, связанный с аналоговым выходным блоком 48, системным генератором тактовых импульсов 50 и схемой возврата в исходное состояние 52. Микропроцессор 42 подключают к универсальному асинхронному приемопередатчику (УАПП) 54, который управляет цифровой входной/выходной схемой 56 и связан с токовым контуром 20 посредством разделительных конденсаторов постоянного тока 58. УАПП 54 может также быть частью микропроцессора 42. Микропроцессор 42 также связывают с модулем дисплея 60 для обеспечения выхода отображения и с блоком приемопередатчика 70.

Корпус 16 содержит блок 70 приемопередатчика СВЧ-диапазона, который содержит генератор-1 тактовых импульсов 72 и генератор-2 тактовых импульсов 74. Выход генератора-1 тактовых импульсов 72 связывают с генератором ступенчатой функции 76, который направляет входной сигнал к циркулятору СВЧ-диапазона 78. Циркулятор СВЧ-диапазона 78 связывают с антенной 18, и он направляет входной сигнал к приемнику импульсов 80. Приемник импульсов 80 также принимает входной сигнал от генератора-2 тактовых импульсов 74 и направляет выходной сигнал к аналого-цифровому преобразователю 82.

В работе передатчик 10 сообщается с диспетчерской 30 по замкнутой системе 20 и принимает энергию по замкнутой системе 20. Регулятор напряжения 40 направляет регулируемые выходные сигналы напряжения к электронным схемам в передатчике 10. Передатчик 10 действует в соответствии с командами, запомненными в запоминающем устройстве 44, под управлением микропроцессора 42 на тактовой частоте, определяемой системным генератором тактовых импульсов 50. Схема возврата в исходное положение и контролирования 52 контролирует напряжение питания для микропроцессора и запоминающего устройства. При включенном питании схема 52 направляет сигнал возврата в исходное положение к микропроцессору 42, когда напряжение питания достигает достаточного уровня, чтобы смог работать микропроцессор 42. Либо микропроцессор 42 периодически направляет сигнал “выброс” к контролирующей схеме 52. Если эти сигналы “выбросы” не принимаются схемой 52, то схема 52 направляет входной сигнала возврата в исходное состояние к микропроцессору 42, чтобы тем самым перезапустить микропроцессор 42.

Микропроцессор 42 принимает данные от блока 70 через аналого-цифровой преобразователь 82, чтобы определить высоту уровня продукта. Генератор-1 тактовых импульсов 72 работает на первой частоте тактовых импульсов f₁, а генератор-2 тактовых импульсов 74 работает на второй частоте f₂. Генератор-1 тактовых импульсов 72 действует как генератор тактовых импульсов “начала передачи” и генератор-2 тактовых импульсов 74 действует как генератор тактовых импульсов “приемника строб-импульса”, и эти тактовые импульсы немного смещены по частоте. То есть f₂ = f₁ + f. Тем самым обеспечивают метод цифровой выборки, описываемый в статье АОИП (Американское Общество Измерительных Приборов) под названием “Умный” Передатчик, Использующий Импульсы Сверхвысокой Частоты для Измерения Уровня Жидкостей и Твердых Материалов в Технологических Процессах” Хьюго Ланга и Вольфганга Любке, и “Хаузер ГмбХ”, Маульбург, Германия. Высоту продукта вычисляют определением того цикла генератора-2 тактовых импульсов 74, который совпадает с принимаемым импульсом СВЧ-диапазона. В одном из осуществлений генератор-1 тактовых импульсов 72 устанавливают на частоту между 1 МГц и 4 МГц в зависимости от такого условия при таковом установе, как измеряемое максимальное расстояние и потребление тока блоками. Генератор-2 тактовых импульсов 74 синхронизируют с генератором-1 тактовых импульсов 72, но он варьируется по частоте между 10 Гц и 40 Гц. Разность частоты (f, которая обеспечивает разность частот тактовых импульсов) между генераторами тактовых импульсов 72 и 74 определяет частоту коррекции передатчика 10. Возможно получение более высокого уровня принимаемого сигнала путем интегрирования принимаемых импульсов по нескольким циклам за счет пониженных частот коррекции.

Сигнал генератора-2 тактовых импульсов 74 обеспечивает окно к затвору, которое качает частоту по поступающему сигналу на частоте, определяемой посредством f. Приемник импульсов 80 стробирует поступающий сигнал СВЧ-диапазона с помощью сигнала f₂ от генератора-2 тактовых импульсов 74. Выходной сигнал приемника импульсов 80 представляет собой ряд импульсов. Эти импульсы будут изменяться в амплитуде в зависимости от шума и ложных отражений, содержащихся в принимаемом сигнале. Когда прием отраженного сигнала СВЧ-диапазона от поверхности продукта совпадает со строб-импульсом от генератора-2 тактовых импульсов 74, то получают более значительный выходной импульс и его преобразуют в более крупную величину аналого-цифровым преобразователем 82. Микропроцессор 42 вычисляет расстояние, определяя, какой цикл генератора-2 тактовых импульсов 74 дал самый крупный выходной импульс от приемника 80. Микропроцессор 42 определяет расстояние исходя из следующего: какой строб-импульс обусловил самые крупные выходные импульсы от приемника импульсов 80 в соответствии с определением, сделанным аналого-цифровым преобразователем 82. Высоту продукта определяют следующим уравнением:
Уровень = Высота Резервуара – Расстояние Пробега Импульса
Уровень = Высота Резервуара (Ур.1)
Расстояние в Одну Сторону Пробега Импульса (Ур. 2)
где f₁ = частота генератора-1 тактовых импульсов;
f₂ = частота генератора-2 тактовых импульсов;
f = f₂ – f₁;
R = принятый импульс выборки, который детектировал возврат к отраженному сигналу (R=0 до f₁/f).

Аналого-цифровой преобразователь 82 должен иметь довольно большую скорость преобразования, например, 0,5 мкс, когда частота передачи (генератор-1 тактовых импульсов) составляет 2 МГц, поскольку выборка должна браться после каждого импульса передачи, чтобы обнаруживать присутствие отраженного сигнала; преобразователь 82 должен иметь частоту выборки, по меньшей мере равную частоте генератора-1 тактовых импульсов 72. Одним из примеров такого аналого-цифрового преобразователя является сигма-дельта преобразователь, описываемый в совместно поданной заявке на патент США сер. N 08/060 448 под названием “Сигма-Дельта Преобразователь Для Вихревого Расходомера”. Разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя 82 не представляет особой важности, поскольку важно присутствие или отсутствие импульса.

Для дальнейшего упущения рабочих показателей передатчика 10 схемы приема и передачи в блоке 70 друг от друга электрически изолированы. Это важно, чтобы не было неправильного детектирования приемником передаваемых импульсов как отраженных сигналов. Использование циркулятора СВЧ-диапазона 78 позволяет осуществлять точное управление полным сопротивлением источника и полным сопротивлением приемника. Циркулятор СВЧ-диапазона обеспечивает изоляцию между блоками передачи и приема. Циркулятор 78 не дает импульсу передачи обусловить “звон” блока приема. Примером циркулятора является устройство с тремя портами, которое разрешает сигналам от схемы передачи (генератор ступенчатой Функции 76) только достигать антенны 18, а поступающим сигналам от антенны 18 достигать блока приема 80. Электрическую изоляцию между схемами передачи и приема можно обеспечить другими методами, известными специалистам данной области. Например, можно убрать циркулятор 78 и выполнить отдельные антенны приема и передачи. Можно также использовать такие методы изоляции схемы, которые обеспечивают изоляцию между схемами передачи и приема на схеме задержки, благодаря чему принимаемый импульс не принимают до тех пор, пока не затухнет какой-либо “звон” от импульса передачи. В другом осуществлении антенну СВЧ-диапазона 18 заменяют на зонд, проходящий в резервуар 12 в соответствии с изображением на фиг. 1. Это осуществление может также содержать циркулятор.

Исходя из детектирования импульса отраженного сигнала микропроцессором 42 посредством аналого-цифрового преобразователя 82 микропроцессор 42 определяет высоту продукта 14 в резервуаре 12. Эту информацию можно передавать цифровым способом по двухпроводной замкнутой системе 20 с помощью цифровой схемы 56 под управлением УАПП 54. Либо микропроцессор 42 может управлять уровнем тока (между, например, 4 и 20 мА) с помощью цифроаналогового преобразователя 46 для управления выходной схемой 48 и тем самым передавать информацию по двухпроводной замкнутой системе 20. В одном из осуществлений микропроцессор 42 можно задавать таким образом, чтобы обеспечивать высокий выход (например, 16 мА) на замкнутой системе 20, если уровень продукта либо выше, либо ниже порогового уровня, запомненного в запоминающем устройстве 44.

В одном из предпочтительных осуществлений микропроцессор 42 содержит микропроцессор “Моторола 68НС11”. Это – потребляющий небольшое количество энергии микропроцессор, обеспечивающий высокую скорость действия. Другим соответствующим для этих целей микропроцессором является “Интел 80С51”. Предпочтительными являются потребляющие небольшое количество энергии запоминающие устройства. В одном из осуществлений для памяти хранения программ используют СППЗУ емкостью 24 килобайта; ПЗУ емкостью 1 килобайт используют для оперативной памяти и обеспечивают ЭСППЗУ емкостью 256 килобайт. Обычные системные тактовые импульсы для микропроцессора: между около 2 МГц и 4 МГц. Однако более медленный генератор тактовых импульсов требует меньше энергии, но также дает более медленную частоту коррекции. Обычно блок электропитания 40 обеспечивает достаточную инверсию от замкнутой системы автоматического управления в напряжение питания. Например, если входное напряжение питания – 12 В, и для электронных схем измерения уровня требуется 4 мА, то блок электропитания должен эффективно преобразовывать эти 48 мВт в используемое напряжение питания, такое как 5 В.

Данное изобретение по сравнению с предшествующим уровнем техники обеспечивает значительные преимущества. Например, передатчик 10 полностью запитывается энергией, принимаемой по двухпроводному токовому контуру 20. Тем самым снижают количество проводки, нужной для установки передатчика 10 в удаленном местоположении. Микропроцессор 42 также может принимать команды по двухпроводному токовому контуру 20, направляемые из диспетчерской 30. Это предпочтительно осуществляют, например, в соответствии с протоколом цифровой связи “HART” либо в соответствии с протоколом цифровой связи с усредняющим нулем напряжения постоянного тока.

Несмотря на то, что данное изобретение излагается со ссылкой на предпочтительные осуществления, специалистам данной области будет очевидными возможные изменения по форме и подробностям в рамках концепции данного изобретения.

Формула изобретения

1. Передатчик уровня, выполненный с возможностью соединения с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, предназначенный для измерения высоты продукта в резервуаре и содержащий антенну диапазона сверхвысоких частот, направленную к резервуару, источник сигналов диапазона сверхвысоких частот с пониженной мощностью для направления сигнала диапазона сверхвысоких частот через антенну диапазона сверхвысоких частот в резервуар, приемник сигналов диапазона сверхвысоких частот с пониженной мощностью для приема сигнала диапазона сверхвысоких частот, отраженного от резервуара, блок измерения, связанный с источником и приемником, для инициирования передачи сигнала диапазона сверхвысоких частот и определения высоты продукта на основе принимаемого сигнала, выходной блок, связанный с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, для передачи информации, относящейся к высоте продукта, по замкнутой системе, и блок питания, связанный с двухпроводной замкнутой системой автоматического управления процессом, для приема энергии от замкнутой системы для питания передатчика уровня.

2. Передатчик уровня по п.1, отличающийся тем, что блок измерения измеряет временную задержку между передачей сигнала диапазона сверхвысоких частот и приемом отраженного сигнала диапазона сверхвысоких частот.

3. Передатчик уровня по п.1, отличающийся тем, что блок измерения содержит первый генератор тактовых импульсов, связанный с источником, для периодического инициирования сигнала диапазона сверхвысоких частот на первой частоте тактовых импульсов.

4. Передатчик уровня по п.3, отличающийся тем, что блок измерения также содержит второй генератор тактовых импульсов, связанный с приемником, для периодического стробирования принимаемого сигнала на второй частоте тактовых импульсов, при этом блок измерения определяет высоту продукта на основе приема принимаемого сигнала и разности между первой и второй частотами тактовых импульсов.

5. Передатчик уровня по п.4, отличающийся тем, что вторая частота тактовых импульсов генерируется на основе первой частоты тактовых импульсов плюс разность частот.

6. Передатчик уровня по п.4, отличающийся тем, что первая частота тактовых импульсов равна около 1 – 4,0 МГц, а разность между первой и второй частотами тактовых импульсов – 10 – 40 Гц.

7. Передатчик уровня по п.1, отличающийся тем, что замкнутая система автоматического управления процессом является замкнутой системой автоматического управления процессом, работающей при токе 4 – 20 мА.

8. Передатчик уровня по п.1, отличающийся тем, что содержит вторую антенну диапазона сверхвысоких частот, связанную с приемником сигнала диапазона сверхвысоких частот.

9. Передатчик уровня по п.4, отличающийся тем, что содержит приемник импульсов, принимающий сигнал диапазона сверхвысоких частот и обеспечивающий стробированный выходной сигнал при реагировании на вторую частоту тактовых импульсов.

10. Передатчик уровня по п. 1, отличающийся тем, что содержит корпус взрывобезопасного исполнения, который содержит блок передатчика уровня.

11. Передатчик уровня по п.1, отличающийся тем, что антенна диапазона сверхвысоких частот содержит удлиненный зонд диапазона сверхвысоких частот, проходящий в резервуар, для передачи по нему сигнала диапазона сверхвысоких частот.

РИСУНКИ