CN102007383B

CN102007383B - 具有电隔离通信链路的雷达液位计量系统

Info

Publication number: CN102007383B
Application number: CN2009801132664A
Authority: CN
Inventors: A·维尔林; O·霍尔
Original assignee: Saab Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN102007383A; KR20100135810A; JP2011518329A; WO2009131528A1; US7821444B2; US20090322593A1

Abstract

一种用于确定储罐中产品的表面的液位的雷达液位计量系统，包含传播设备，被设置成使微波信号向所述表面传播，并从所述表面返回所述微波信号的反射波；以及至少两个雷达液位计(RLG)单元。每个RLG单元包括收发器电路；与所述收发器电路连接的处理电路，适用于根据发送信号与接收信号之间的关系确定所述液位；以及通信接口。所述系统进一步包含互连所述RLG单元的通信链路，用于在所述RLG单元之间传送控制数据，所述通信链路包含隔离接口，以保证所述RLG单元之间的电隔离。从而，一个单元可以将配置数据传送给其余RLG单元，导致传感器系统的配置简化，因此与现有技术的解决方案相比更加经济。

Description

具有电隔离通信链路的雷达液位计量系统

技术领域

本发明涉及用于测量储罐中的过程变量的雷达液位计量系统，尤其涉及这种系统中控制数据的交换。

背景技术

可以将雷达液位计量系统设置在储罐中，以便提供有关储罐中的产品的过程变量的信息。可以由这种传感器确定的过程变量的例子是填充液位、产品成分、流入量等。

在这样的计量系统中，有时要求功能独立性。例如，一些安全法规要求高液位报警传感器和/或过满报警传感器在功能上独立于液位测量传感器并且相互独立。这里的功能独立性意味着一个系统中的故障不会使其它系统不工作。

这种独立性可以通过使几个RLG单元相互电隔离来实现。这导致了用充分冗余的硬件和软件实现每个RLG单元从而既满足操作要求又满足服务要求的系统。在液位测量和报警的情况下，传感器系统内的每个RLG单元需要用于测量填充液位的组件，并且每个RLG单元需要用于接收配置数据的接口。这样的RLG系统特别(但不排他地)用在海洋应用中，例如，安装在油轮甲板上。

在先进计量系统的情况下，需要大量配置参数，并且将服务命令传送给传感器，以便确定它的状态。在具有这种或类似类型的几个独立传感器的系统中，这种独立性要求使系统复杂并且昂贵。另外，系统的操作变得既费时又困难，因为必须将大量数据传送给每个传感器。

发明内容

因此，本发明的目的是提供克服或至少减轻现有技术中的上述问题的改进传感器系统。

这些和其它目的通过用于确定储罐中产品的表面液位的雷达液位计量系统来实现，所述雷达液位计量系统包含：传播设备，被设置成允许微波信号向所述表面传播，并从所述表面返回所述微波信号的反射波；以及至少两个雷达液位计(RLG)单元，每个RLG单元包括与所述传播设备连接的收发器电路，所述收发器电路适用于将微波信号发送给所述传播设备，并接收与所述反射波有关的反射信号；与所述收发器电路连接的处理电路，适用于根据发送信号与接收信号之间的关系确定所述液位；以及用于将所述RLG单元获得的测量数据传送到所述RLG单元外部的接口。所述系统进一步包含互连所述RLG单元的通信链路，用于在所述RLG单元之间传送控制数据，所述通信链路包含隔离接口，以保证所述RLG单元之间的电隔离。

所述隔离接口适用于保证不能经由所述通信链路在传感器之间传送带电粒子，也就是说，所述RLG单元之间不存在导电连接，也没有电流经由所述通信链路直接从一个RLG单元流到下一个RLG单元。但是，在所述通信链路上仍然可以通过其它手段，例如通过电容、电感、电磁波、光学、声学或机械手段交换能量和/或信息。

从而，一个单元可以将配置数据传送给其余RLG单元，导致传感器系统的配置简化，因此与现有技术的解决方案相比更加经济。

按照一个实施例，所述RLG单元在功能上是独立的，这样，如果在所述RLG单元之一中发生故障，所述RLG单元中的任何其它单元仍然可以工作。所述通信链路的所述隔离接口保证了所述通信链路可以在所述RLG单元之间传送各种控制数据而不损害不同RLG单元的独立功能。

所述控制数据可以是配置数据，例如，与传感器安装的物理特性有关或与用户设置参数有关的数据。对于系统中的几个传感器通常相同的这种配置数据，例如，与储罐的特性或几何形状有关的数据，可以经由所述通信链路从一个传感器传送到其它传感器。

如果人工输入部分配置数据，则只需将这样的数据输入一个单元中，使可用性得到提高，并且使系统更加有效。这还降低了传感器之间配置数据不同的风险。

所述控制数据还可以，或可替代地，与传感器获得的测量数据有关。这使每个RLG单元可以拥有有关例如来自其它传感器的结果的信息，以证实它正在跟踪真正的测量数据。进一步的优点是通过在不同功能之间比较过程数据而改善信号处理。

每个RLG单元可以适用于经由所述通信链路发送和接收控制数据，因此形成完全双向的传感器网络。当所述控制数据是像测量数据那样的需要从许多传感器传送到许多传感器的数据时，这尤其有利。

可替代地，所述RLG单元之一可以是“主”单元，适用于从所述传感器系统的外部接收所述控制数据，而其余RLG单元可以是“从”单元，适用于经由所述通信链路从所述主单元接收所述控制数据。因此，这样的主单元可以用在像配置数据或外部传感器数据那样的应该到达所有单元的数据的入口点上。

如果将数据输入设备用于输入控制数据，则所述主单元包含这样的输入设备就足够了。所述主单元可以经由所述通信链路将数据发送给其它RLG单元。因此，所述从单元不需要任何输入设备。

所述通信链路可以基于光信号，并且，例如，包含每个RLG单元中的光开关、和连接这些开关的光链路。众所周知，光信号提供电隔离通信链路。所述通信链路也可以例如使用无线网络技术来实现。

附图说明

现在将参照示出本发明的当前优选实施例的附图更详细地描述本发明的这个和其它方面。

图1是按照本发明实施例的传感器系统的透视、局部剖开图；

图2是适用于图1中的系统的雷达液位计单元的一个例子的更详细视图；

图3是适用于图1中的系统的雷达液位计单元的第二个例子的更详细视图；

图4是如何在三个RLG单元之间实现按照本发明实施例的通信链路的示意图；以及

图5示出了连接图4中的单元的一种可替代方式。

具体实施方式

现在参照图1中的雷达液位计量系统10对本发明进行描述，雷达液位计量系统10具有在物理上集成在保护壳体4内的三个雷达液位计(RLG)单元1，2，3。这里的壳体4包含外盖4a以及内盖4b。至少外盖适用于保护计量系统中的电子设备免受外部环境(例如，如果将系统安装在油轮上，海水浪花)的影响。盖子4a，4b的至少一个还可以是导电的，以便将电子设备屏蔽起来免受电磁干扰的影响。

系统10具有法兰5，法兰5被安装在储罐7的顶盖中的开口的相应法兰6上。储罐可以是如图1所示的固定处理储罐，但也可以是像油轮那样的移动船只上的储罐。每个RLG单元被设置成通过将信号发送到储罐中，并且接收由储罐7中的两种材料之间的界面9反射的信号，来执行过程变量(例如包含在储罐7中的产品8的填充液位L或空隙高度)的测量。通常，第一材料是储存在储罐中的液体产品8，例如汽油，而第二材料是产品上方的大气(例如空气)。

所有三个RLG单元在这里都与一个公用传播设备11连接，允许信号从收发器进入储罐7中。为此，该系统包含组合器12，组合器12被设置成组合来自每个RLG的信号并将组合信号提供给传播设备，并且分离从储罐接收的反射波，以便使从特定RLG发送的信号引起的一部分该反射波返回到这个特定RLG。组合/分离过程可以基于极化、调频、时间调制等。在极化情况下，组合器可以是如通过引用并入本文的WO 2003/025523所讨论的转门接合器。

传播设备11被设置成起适配器的作用，将电磁波发送到储罐7中以便被界面9反射。如图1所示，传播设备可以是设置在储罐7顶部的自由传播天线或管道。可替代地，传播设备11可以是导波传输线。这样的传输线可以是悬挂在储罐的顶部与底部之间的柔软导线，也可以是延伸到储罐中的坚硬探针。可以是单线、双线、同轴或任何其它类型的适当传输线。传播设备也可以是用于电磁波的导向传播的中空波导。

计量系统可以与一个或几个附加传感器13连接。附加传感器的例子包含汽压传感器和温度传感器。

在所示的例子中，第一RLG单元1用于液位测量，即提供储罐中的填充液位或空隙(ullage)的连续更新值。第二RLG单元2用作高液位报警器，即当填充液位超过预定液位(例如等于储罐容积的95％)时提供报警信号。第三RLG单元3用作过满报警器，即当填充液位超过预定过满液位(例如储罐容积的98％)时提供报警信号。

各种安全要求(例如海上安全法规)要求图1中的传感器在功能上是独立的，即一个传感器中的故障不会使其它系统不工作。注意，如图1所示，当几个RLG在物理上集成在一起并共享同一个传播设备时，也可以满足这种要求。

图2示出了适合用在图1中的系统中的雷达液位计的一个例子的一般性示意图。

雷达液位计1包括收发器电路21，它也称为微波模块，与传播设备11连接。雷达液位计1还包括定时电路和处理电路，它们在这里被例示成收发器控制和信号处理块22，适用于控制收发器电路21和根据收发器21发送和接收的电波之间的关系确定储罐7中的产品的过程变量。

收发器控制和信号处理块22进一步与通信接口23连接，通信接口23适用于经双线接口24提供与雷达液位计1外部的通信。双线接口24具有与RLG单元1的外部通信和接收使RLG单元1工作的电力的组合功能。在双线接口24中，可以通过叠加在流过接口的电流上的协议传送数据。这种协议的例子是HART、Profibus和FoundationFieldbus。将串行总线25与接口24连接，以便能够在RLG单元1与中央控制单元26之间传送数据。

除了双线接口24提供的电力之外，也可以在例如与微波单元21、处理电路22和/或通信接口23连接的分立导线对(未示出)上提供额外电力。

RLG单元1通常放置在必须遵守内在安全法规的危险区域中。因此优选的是，使所有电源以内在安全的方式形成，从而不需要整个计量系统的防爆封装。

RLG单元1也可以包含非易失性存储器，例如，EPROM28，用于存储信号处理所需的各种配置数据。这样的数据可以在总线25和接口24上传送给计量器1。为此，总线25也可以与接收人工输入配置数据的用户接口29连接。用户接口29也可以用于服务应用，并且适用于显示诸如储罐谱、液位相关信息的信息。用户接口29可以位于RLG单元1附近，或远离RLG单元1，例如位于控制室中。

可替代地，如图3所示，通信接口23与中央控制单元26之间的通信通过工业回路(例如，4-20mA回路)提供，其中通过模拟电流值传送测量数据。在这种情况下，将电流控制单元33设置在通信接口23中，以便依照数据处理块22确定的测量结果调节线路31，32中的电流。

本领域技术人员应该认识到，也可以使用像例如四线连接那样的其它类型的通信协议，在四线连接的情况下，通过四条电线当中的两条电线将电力供应给雷达液位计1，而通过其余两条电线提供通信。

在使用时，在每个测量周期期间，处理电路22控制收发器电路21生成和发送要由传播设备11发送到储罐7中的测量信号。这个信号可以是例如脉冲信号(脉冲液位计量)或频率在一定范围内变化的连续信号(调频连续波，FMCW)，或适用于储罐计量的任何其它信号调制。在脉冲液位计量的情况下，收发器21生成的信号可以是长度为大约2ns或更小，脉冲重复频率为1MHz数量级，并且调制在4-11GHz频率的载波(微波)上的DC脉冲。在FMCW的情况下，信号可以位于带宽为例如0.5-3GHz，和中心频率为例如大约6GHz，10GHz或26GHz的频带中。平均输出功率电平可以在mW到μW区域中。如上所述，传播设备11(此处是天线)起适配器的作用，使收发器21中生成的信号能够作为可以被材料8的表面9反射的电磁波传播到储罐7中。

储罐信号，即，发送信号与其回波的关联信号，或发送信号与反射信号的混合信号，经由传播设备11被收发器21接收，并且传送到处理电路22。处理电路22根据发射波与接收波之间的关系确定测量结果。

为了使操作令人满意，最好将例如定义储罐的几何形状、储罐中的产品的特性等的配置数据提供给每个RLG单元。这样的配置数据可以使用用户接口29，经由总线25和接口24提供。可替代地，将与接口23分离的输入接口30与电路22连接，以提供对RLG单元1的直接访问。接口30可以用于例如将像键盘那样的人工输入设备直接与RLG单元连接。

如图4所示，计量系统10进一步包含通信链路41，通信链路41互连RLG单元1，2，3，同时包括电隔离接口，以保证在各个单元之间不会经由链路传送电荷。这样的电隔离接口可以以不同方式实现，一些例子包括光接口、感应接口、或像蓝牙那样的短程无线接口。尽管被称为“一条”链路，但链路41可以包括几个链路分段，每个分段连接系统10中的RLG单元1，2，3中的两个单元。

如图4所示，链路可以串联，但可替代地，也可以并联(参见图5)。在图2中，链路41被指示成与通信接口23连接。如果需要，可以为通信链路41配备分立通信驱动器。

在图4中，通信链路41是光链路，其中连接两个单元1，2，3的每个分段包含位于每一端的光开关42和光导(例如延伸在开关42之间的光缆43)。通过在相邻RLG单元1，2，3的相对表面上将光开关42设置成彼此面对，可以省略光导。

通信链路41允许在传感器1，2，3以及可能的任何外部传感器13之间进行通信而不损害功能独立性。这可以减少分别将数据提供给计量系统10中的每个传感器的需要。

例如，由于每个RLG单元1，2，3被安装在储罐中的同一开口中，对每个单元来说几何条件将是相同的。因此，处理单元所需的并存储在EPROM 28中的储罐相关配置数据将是相同的。这样的配置数据现在只输入到一个传感器中，然后使用通信链路41提供给其余传感器。

如图1所示，现在为整个传感器系统10提供一个用户接口29就足够了。这显著降低了成本和复杂性，因为用户接口通常是系统的昂贵部分。

设置成从系统的外部接收数据的RLG单元1可以当作“主”单元，而设置成经由通信链路41接收这个数据的其余RLG单元可以当作“从”单元。在雷达液位计量系统10的例示性例子中，主传感器最好是用于连续液位测量的RLG单元1。

可以以相似方式对待的另一种信息是来自外部传感器13的测量数据。并且，这样的数据可能对所有传感器都有用，但有利的是，只通过一个传感器从外部接收，然后使用通信链路41传送给其它传感器。按照一个实施例，外部传感器数据由主RLG单元接收并转发给从RLG单元。

通信链路41也可以用于在传感器系统中将测量数据从一个传感器传送给另一个传感器。例如，在雷达液位计量系统10的情况下，让一个RLG单元知道其它RLG单元检测到什么填充液位可能是有利的。这样的信息可以用于检测错误测量值，或一些故障。

本领域技术人员应该认识到，虽然上面基本上针对雷达液位计量系统对本发明作了描述，但本发明绝不局限于这种应用。相反，本发明可以有利地应用于希望在多个功能独立传感器之间进行通信的任何传感器系统。

Claims

1.一种用于确定储罐中产品的表面的液位的雷达液位计量系统，包含：

传播设备，被设置成允许微波信号向所述表面传播，并从所述表面返回所述微波信号的反射波；以及

至少两个雷达液位计RLG单元，每个RLG单元包括：

与所述传播设备连接的收发器电路，所述收发器电路适用于将微波信号发送给所述传播设备，并接收与所述反射波有关的反射信号；

处理电路，与所述收发器电路连接并且适用于根据发送信号与接收信号之间的关系确定所述液位；以及

通信接口，用于将所述RLG单元获得的测量数据传送到所述RLG单元的外部；

所述系统的特征在于包含：

互连所述RLG单元的通信链路，用于在所述RLG单元之间传送控制数据，所述通信链路包含隔离接口，以保证所述RLG单元之间的电隔离。

2.按照权利要求1所述的计量系统，进一步包含与每个收发器电路连接并与所述传播设备连接的微波组合器，所述微波组合器适用于向所述传播设备提供通过组合从每个收发器电路发送的微波信号而形成的组合信号，并向特定收发器电路提供通过分离与从所述特定收发器电路发送的微波信号有关的一部分所述反射波而形成的反射信号。

3.按照权利要求1或2所述的计量系统，进一步包含保护外壳，用于包围所述RLG单元并保护它们免受周围大气影响。

4.按照权利要求3所述的计量系统，其中所述保护外壳是导电的，以便提供所述RLG单元的电磁屏蔽。

5.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中每个RLG单元适用于经由所述通信链路发送和接收控制数据。

6.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中所述RLG单元之一是主单元，适用于从所述计量系统的外部接收所述控制数据，而其余RLG单元是从单元，适用于经由所述通信链路只从所述主单元接收控制数据。

7.按照权利要求6所述的计量系统，其中所述主单元的通信接口适用于接收所述控制数据。

8.按照权利要求6所述的计量系统，其中所述主单元进一步包含与所述通信接口分离的数据输入接口，用于接收控制数据。

9.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中所述通信链路包含每个RLG单元中的光开关、和互连所述光开关的光导。

10.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中每个RLG单元包含存储器，用于存储至少部分地与所述储罐的几何形状有关的配置数据，并且所述控制数据包含与所述储罐几何形状相关的配置数据。

11.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中所述控制数据包含与过程变量有关的测量数据。

12.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中所述RLG单元是功能独立的，使得如果在所述RLG单元之一中发生故障，所述RLG单元中的任何其它单元仍然能够工作。

13.按照权利要求1或2所述的计量系统，其中所述RLG单元中的至少一个单元是报警单元，适用于当所述储罐的填充液位超过预定液位时提供报警信号。