CN102210090B

CN102210090B - 雷达物位计系统的储能单元

Info

Publication number: CN102210090B
Application number: CN200980144789.5A
Authority: CN
Inventors: L·尼尔森
Original assignee: Saab Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: EP2351199A1; WO2010059115A1; CN102210090A; EP2351199B1; US20100123614A1; US7952514B2; EP2351199A4

Abstract

本发明涉及包含功率管理电路的雷达物位计系统，该功率管理电路用于调节供雷达物位计系统的微波单元和处理电路使用的工作功率。该功率管理电路包含DC-DC转换器，其具有与接口连接的输入端、与微波单元和处理电路连接的输出端、和与电基准点连接的基准端，其中输入端上的第一电压电平和输出端上的第二电压电平与电基准点上的基准电压电平有关。该功率管理电路进一步包含连接在DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器。根据这种设计，功率管理电路的电容因该电容源自串联电容而减小。

Description

雷达物位计系统的储能单元

技术领域

本发明涉及使用微波来测量容器中产品的表面的物位的雷达物位计系统。更具体地说，本发明涉及这种物位计中的储能。

背景技术

雷达物位计(radar level gauge)适用于对诸如处理流体、粒状化合物和其它物质的产品的物位(level)进行非接触测量。这种雷达物位计系统的一个例子可以包括：微波单元，用于向表面发送微波和接收表面反射的微波；处理电路，设置成与所述微波单元通信和根据发送微波与接收微波之间的关系确定所述物位；接口，用于将所述处理电路连接到所述雷达物位计外部；以及功率管理电路，用于向所述微波单元和所述处理电路提供工作功率。

为了保证接收回波达到满意信号电平，发射微波必须具有足够功率电平。接收信号的处理也需要大功率，并且，在一些情况下，在处理期间增大处理器的时钟频率，以便能够进行高速计算。总之，这导致了在测量周期的某些阶段对功率的要求提高了。对于调频连续波(FMCW)系统，功率要求尤其高。但是，由于在上述类型的物位计中能量通常是稀有资源，所以实际上功率的提供相对难以实现。

尤其，在使用双线馈送系统的系统中，有限的可用功率是一个问题。测量储罐中的物位的雷达物位计以及其它类型的处理传感器通常与双线接口连接，其中只有两条线既用于向传感器供应有限功率又用于传送测量和处理的测量信号。该接口可以是数字通信叠加在上面的4-20mA工业环路，或诸如Fieldbus Foundation(FF)或Profibus的另一种双线现场总线。其它可能接口包括四线接口，其中两条线提供功率，两条线传送测量信号。因此，在4-20mA环路的情况下，可用功率取决于物位计的信号值，使得在信号值低(例如，大约4mA)的时段内，只有非常有限的功率可用。即使在高信号值(例如，大约20mA)的时段内，可用功率也可能不足以在测量周期期间向处理电路和微波发射器供电。

由于这个原因，可能需要某种形式的功率管理，以便在不同部件之间和随时间分配可用功率。这样的功率管理可以包括将能量存储在某种类型的储能设备中，以便这种能量可以用于在功率要求提高了的时段内升高可用功率。储能可以在每个测量周期之后的特别指定待机时段中进行，或在低活动性期间，在整个测量周期内进行。

在包含爆炸性气体或液体的储罐中进行测量的情况下，或在传感器处在爆炸危险区中的任何其它状况下，还存在防爆的问题。通常，通过某种类型的外壳使装置是防爆的，或者使它的外部电连接是本质安全(IS)的。后一种情况要求输入功率、电压和电流不超过安全法规(IS要求)规定的水平。这是通过设置在与本质安全区的接口中的所谓电气屏障来保证的。

但是，这些IS要求也将装置中允许的储能水平限制在给定电压和电流水平上。这样的限制适用于像电容和电感那样的存在于系统之中的任何能量存储装置，并且严重限制了如上所述的储能解决方案的适用性。在许多情况下，这导致了需要例如通过模制来封装电路的繁琐和昂贵的过程，并且，在其它情况下，安全法规甚至不接受封装作为保证防爆装置的手段。

发明内容

本发明的目的是解决上面描述的雷达物位计系统中的上述问题，在雷达物位计系统中提供改进的储能而不违反安全法规(IS要求)。

这个目的是借助于根据所附权利要求的雷达物位计、电源电路和方法实现的。

本发明基于这样的认识：虽然在工作电压上只允许非常有限的储能(例如电容)，但在较低电压下限制要宽松得多。

根据本发明的第一方面，提供了一种使用微波来测量容器中产品的表面的物位的雷达物位计系统，其包含：微波单元，用于向表面发送微波和接收表面反射的微波；处理电路，与所述微波单元连接并设置成根据发送微波与接收微波之间的关系确定物位；接口，用于向所述雷达物位计系统提供通信和功率；以及功率管理电路，用于调节所述微波单元和所述处理电路要使用的工作功率，其中所述功率管理电路包含DC-DC转换器，其具有与所述接口连接的输入端、与所述微波单元和所述处理电路连接的输出端、和与电基准点连接的基准端，其中所述输入端上的第一电压电平和所述输出端上的第二电压电平与所述电基准点上的基准电压电平有关；以及连接在所述DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器。

根据这种设计，可以将足够量的能量存储在所述储能电容器中，以及所述储能电容器的存储容量基本上可以是不受限制的。使用大型电容器的可能性归因于以下事实：从电路原理的角度来看，所述储能电容器将被设置成与所述微波单元和所述处理电路的负载电容并联。于是，所述功率管理电路的电容因该电容源自串联电容而“减小”。

另外，通过将所述储能电容器直接设置在所述DC-DC转换器的输入端与输出端之间(例如，DC-DC转换器的正端之间)，所述DC-DC转换器在放电期间主要由所述储能电容器两端的累积电压驱动。因此，可以使用具有至少100μF的电容的储能电容器。

所述接口可以适用于以本质安全方式，通常通过电气屏障接收功率。所述接口可以是设置成既向远程位置发送测量数据又接收用于系统工作的功率的双线接口。例如，所述接口可以是数字通信叠加在上面的4-20mA工业环路(HART)、Fieldbus Foundation总线或Profibus。这样的环路广泛用于向雷达物位计供电。可替代地，所述接口可以是四线接口。而且，应该注意到，所述雷达物位计系统10的双线接口可以设置成既向远程位置发送测量数据又接收用于所述雷达物位计系统10的工作的功率。另外，所述雷达物位计系统10可以进一步包含适用于依照测量的物位调节双线接口中的电流的电流控制单元。

此外，所述雷达物位计系统可以进一步包含设置成与所述储能电容器并联的至少一个限压齐纳二极管，所述限压齐纳二极管进而能够限制所述储能电容器上的电压电平。

IS要求主要针对在给定电压上允许的储能量设定限制。在一些应用中，工作电压低至3V。但是，由于二极管特性、部件容限和安全容量，必须对高达9V的电压满足IS要求。

根据一个实施例，所述微波单元适用于发射脉冲信号，所述处理电路适用于根据脉冲信号的发射与反射信号的接收之间的时间确定容器的填充物位。这种类型的测量被称为脉冲测量。

根据第二实施例，所述微波单元适用于在一个频率范围上发射电波，并且所述处理电路适用于根据发射信号和反射信号的混合信号确定容器的填充物位。这种类型的测量被称为FMCW(调频连续波)。

根据本发明的第二方面，上述和其它目的是通过设置成向检测处理变量的传感器提供经调节的工作功率的功率管理电路实现的，所述功率管理电路包含DC-DC转换器，其具有输入端、输出端、和与电基准点连接的基准端，其中所述输入端上的第一电压电平和所述输出端上的第二电压电平与所述电基准点上的基准电压电平有关；以及连接在所述DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器。

如上面结合本发明的第一方面所述，由于可以使用大型或基本不受限制的电容器，本发明的功率管理电路能够将足够量的能量存储在临时能量存储装置中。

本发明的这个第二方面的进一步实施例以及通过本发明的这个第二方面实现的效果在很大程度上类似于上面针对本发明的第一方面所述的那些。

根据本发明的第三方面，上述和其它目的是通过向雷达物位计系统提供经调节的工作功率的方法实现的，该雷达物位计系统使用微波来测量容器中产品的表面的物位，所述方法包含提供DC-DC转换器，其具有输入端、输出端、和与电基准点连接的基准端，其中所述输入端上的第一电压电平和所述输出端上的第二电压电平与所述电基准点上的基准电压电平有关；对连接在所述DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器进行连接；将能量存储在储能电容器中；使用所述DC-DC转换器和所述储能电容器调节形成所述第二电压电平的所述第一电压电平；以及将对应于经调节的工作功率的所述第二电压电平提供给设置成发送和接收微波的雷达物位计系统的微波单元。

本发明的这个第三方面的各种实施例以及通过本发明的这个第三方面实现的效果在很大程度上类似于上面针对本发明的第一和第二方面所述的那些。

附图说明

现在参考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是可以实现本发明的雷达物位计系统的功能方块图。

图2是现有技术的功率管理电路的示意性电路图。

图3是根据本发明的功率管理电路的第一实施例的示意性电路图。

图4是根据本发明的功率管理电路的第二实施例的示意性电路图。

具体实施方式

下文将参考示出本发明的当前优选实施例的附图更充分地描述本发明。但是，本发明可以以许多不同形式实施，不应该理解成局限于本文阐述的实施例；而是，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同标号始终表示相同单元。

图1示出了可以有利地实现本发明的雷达物位计系统10的示意性方块图。该雷达物位计系统被设置成确定储罐12中的物质11的表面的位置(即，物质11的物位)。雷达物位计系统10包括微波单元13，适用于向储罐发射电波和接收反射微波；处理电路16，与微波单元13相通信和根据发送微波与接收微波之间的关系确定测量结果；以及功率管理电路17，用于向处理电路和微波单元13提供所需功率。

微波单元13可以包含微波控制器14、微波发射器/接收器15、和将发射器/接收器15与微波控制器14连接的信号传送媒体18。微波控制器14通过数据总线20与处理电路16连接，适用于依照来自处理电路16的控制数据生成微波信号。微波控制器14可以包含发送器、接收器、循环器和管理这些部件所需的任何控制电路。并且，微波控制器14可以包含用于对储罐信号，即，从储罐接收的信号进行数字化的A/D转换器。如图1所示，发射器/接收器15可以包括储罐顶上的自由辐射天线19，或可替代地，发射器/接收器15可以包括延伸到储罐中的探针。信号传送媒体18可以是电线或电缆，但也可以包括更复杂的波导。在储罐12中存在爆炸性或其他危险内含物的情况下，信号传送媒体18可以包括穿过储罐壁的气密封口。也可以将微波控制器14直接与带有适当端子的发射器/接收器15连接，或将发射器/接收器15设置在与微波控制器14相同的电路板上，在这种情况下，信号传送媒体可以简单地是电路板上的布线。

雷达物位计系统10与接口21连接，以便向雷达物位计系统10提供驱动功率，并且可能也将测量结果传送到雷达物位计系统10的外部。在例示的例子中，接口21是双线接口，包含两条线路22、23，和电气屏障24。屏障24保证物位计系统10安装的区域25是本质安全(IS)的，即，使功率、电流和电压保持在给定极限以下，从而降低了危险性。同时提供驱动功率和传送测量信号的这种双线接口的例子是4-20mA工业环路。

功率管理电路17与线路之一22连接，适用于将双线接口中的电压(通常20V的数量级)转换成通常3V数量级的适合于处理电路16和微波控制器14的工作电压。功率管理电路17经由线路26与处理电路16连接，并经由线路27与微波控制器14连接。

线路22，23进一步与电流控制单元28连接，电流控制单元28由处理电路16经由数字总线29控制。总线29还根据HART协议承载叠加在环路22，23中的电流中的通信。可以将来自功率管理电路17的驱动电压供应给控制单元28。

在使用时，处理电路16控制微波控制器14生成要通过发射器/接收器15发射到储罐12中的测量信号。这个信号可以是脉冲信号(脉冲物位计量)或频率在某个范围上变化的连续信号(调频连续波，FMCW)。微波发射器15起适配器的作用，使在微波控制器14中生成的信号能够作为微波传播到储罐12中，该微波可以被物质11的表面反射。储罐信号，即，发射信号和它的回波，或发射信号和反射信号的混合信号被发射器/接收器15接收，传送给微波控制器14，被微波控制器14接收和A/D转换。然后，经由总线20将数字化信号提供给处理电路16，处理电路16根据发射波与接收波之间的关系确定测量结果。然后经由总线29将测量结果传送给电流控制单元28，调节流过电流控制单元28的电流，以便电路环路中的总电流与测量结果相对应。

图2示出了功率管理电路17的现有技术实现。在最简单情况下，功率管理电路17包含DC-DC转换器30、和连接在DC-DC转换器的输入端32与公共电基准点33(一般是电接地/地)之间的储能电容器31。于是，将经调节的工作电源VOP(有效表示相对于基准点33的第二电压电平)提供给与输出端34连接的负载(例如，分别经由线路26和27连接的功率管理电路17和微波控制器14)，经调节的工作电源VOP是从在接口21上接收的电源VIN(有效表示相对于基准点33的第一电压电平)转换而来的。对于可能的电压/电流限制，功率管理电路17可以进一步包含设置在输入端32与电基准点33之间的齐纳二极管35，36，和设置在输出端34与电基准点33之间的齐纳二极管37，38。在本实施例中，接地符号指示所有所包括部件的公共地电平。此外，在当前实施例中，DC-DC转换器进一步包含与电基准点33(即，地)连接的基准端39。

但是，根据这种现有技术的设计，只利用了存储在储能电容器31中的能量的一部分，一般只提供大约85％的能量效率。于是，必须使用大型储能电容器31来提供在负载需要额外能量来运行的情况下，增加额外能量的可能性。这样的情况可能出现在，例如，处理电路16需要比可从接口21获得的功率更大的功率的时候，其中储能电容器31将被放电，从而提供例如在脉冲期间向微波单元13供电所需的附加功率。当电流环路中的可用电流较小时(即，在低测量值的时段期间)，这尤其重要。但是，从IS的角度来看，由于在像雷达物位计系统10那样的IS类设备中一般只允许使用少量电容，所以这是有问题的。此外，由于大电容需要长时间充电，所以使用大型储能电容器31进一步限制了功率管理电路17。而且，从电路的角度来看，储能电容器31被设置成与负载的固有电容并联，有效地相加了储能电容器31的电容和负载的电容。更具体地：

C_total＝C_load+C_storage

现在转到图3，它例示了根据本发明的功率管理电路17′的第一实施例。在图3中，图2的储能电容器被设置在DC-DC转换器30的输入端32与输出端34之间的不同储能电容器40取代。于是，取代将储能电容器设置在DC-DC转换器30的输入端上(像现有技术那样)，将储能电容器设置在DC-DC转换器30的输入端与输出端之间(即，DC-DC转换器30的正端之间)。因此，在放电期间，DC-DC转换器30主要由储能电容器40两端的累积电压驱动。本发明设计的主要优点在于，使从IS的角度来看必须的、高电压电平所需的电容最小化。而且，通过设置被设置在DC-DC转换器30的输入端32与输出端34之间的储能电容器40，储能电容器40的电容值从电路的角度来看将被设置成与负载的固有电容串联，有效地相加了储能电容器31的电容和负载的电容。更具体地：

C_{total} = \frac{1}{\frac{1}{C_{load}} + \frac{1}{C_{storage}}}

于是，雷达物位计系统10的总电容可以减小，因此减轻了对IS要求雷达物位计系统10以及例如负载电容值的压力。

类似地，在图4中，提供了例示根据本发明的功率管理电路17″的第二实施例的另一个示意性电路图。在这个功率管理电路17″的第二实施例中，与现有技术功率管理电路17的特征进行了组合。也就是说，在图4中，包括储能电容器31和储能电容器40二者，能够进一步提高功率管理电路17″的存储容量。功率管理电路17″与根据第一实施例的功率管理电路17′之间的进一步差异在于，只将第一(VIN)与第二(VOP)电压电平之间的电压差的预定部分提供给储能电容器40。为了划分VIN与VOP之间的电压差，使用了电阻43，最好将它设置成与为了电压限制目的而设置的另一个齐纳二极管44并联。但是，本领域技术人员应该懂得，也可以使用不同类型的分压电路来实现相同或至少相似的目的。这个第二实施例功率管理电路17″的优点在于，它可以以更好的方式适应高输入电压电平VIN，以及为高消耗负载提供额外增加的功率。

总之，本发明涉及包含功率管理电路的雷达物位计系统，该功率管理电路用于调节供雷达物位计系统的微波单元和处理电路使用的工作功率。该功率管理电路包含DC-DC转换器，其具有与接口连接的输入端、与微波单元和处理电路连接的输出端、和与电基准点连接的基准端，其中输入端上的第一电压电平和输出端上的第二电压电平与电基准点上的基准电压电平有关。该功率管理电路进一步包含连接在DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器。根据这种设计，功率管理电路的电容因该电容源自串联电容而减小。

尽管上面参考本发明的特定示范性实施例已经对本发明作出描述，但许多不同变更、修正等对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，根据本发明的功率管理电路不一定只设置在雷达物位计中的一个地方，而是也可以分布在系统中。例如，结合图2，3和4所述的功率管理电路可以直接实现在微波控制器14中。而且，尽管上面的描述例示了只有一个公共基准端39的DC-DC转换器30，但在包括在本发明构思中的许多DC-DC转换器应用中可能有用的是，可能需要使用输入-输出隔离来满足安全标准和/或提供阻抗匹配，以及多个输出电压电平和取决于应用的输出隔离。因此，上述的功率管理电路17′和17″可以适用于提供输入与输出之间的隔离。另外，应该注意到，IS屏蔽21可以设置在功率管理电路17′和17″的任一侧。于是，输入端32与接口21之间的连接，以及输出端34与负载(例如，处理电路16和微波单元13)之间的连接可以各自或两者都包括IS屏障。

本领域技术人员在实施本要求保护的发明时，可以从对附图、公开文本、和所附权利要求书的研究中理解和获得所公开实施例的变体。在权利要求书中，词语“包含”并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一个”或“一种”并不排除多个。某些手段被列在相互不同的从属权利要求中的事实并不指示不能使用这些手段的组合获益。

Claims

1.一种使用微波来测量容器中产品的表面的物位的雷达物位计系统，包含：

微波单元，用于向表面发送微波和接收表面反射的微波；

处理电路，与所述微波单元连接并被设置成根据发送的微波与接收的微波之间的关系来确定物位；

接口，用于向所述雷达物位计系统提供通信和功率；以及

功率管理电路，用于调节要由所述微波单元和所述处理电路使用的工作功率，其中所述功率管理电路包含：

DC-DC转换器，具有与所述接口连接的输入端、与所述微波单元和所述处理电路连接的输出端、和与电基准点连接的基准端，其中所述输入端上的第一电压电平和所述输出端上的第二电压电平与所述电基准点上的基准电压电平有关，并且其中所述DC-DC转换器是降压转换器；以及

连接在所述DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器。

2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述储能电容器具有至少100μF的电容。

3.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，进一步包含设置成与所述储能电容器并联的至少一个限压齐纳二极管。

4.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，只将所述第一和第二电压电平之间的电压差的预定部分提供给所述储能电容器。

5.根据权利要求4所述的雷达物位计系统，进一步包含设置成与所述储能电容器并联的至少一个限压齐纳二极管。

6.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述接口被设置成以本质安全方式接收功率。

7.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述微波单元适用于在一个频率范围上发射电波，并且其中所述处理电路适用于根据发射信号和反射信号的混合信号来确定容器的填充物位。

8.一种向雷达物位计系统提供经调节的工作功率的方法，该雷达物位计系统使用微波来测量容器中产品的表面的物位，该方法包含：

提供DC-DC转换器，其具有输入端、输出端、和与电基准点连接的基准端，其中所述输入端上的第一电压电平和所述输出端上的第二电压电平与所述电基准点上的基准电压电平有关，并且其中所述DC-DC转换器是降压转换器；

对连接在所述DC-DC转换器的输入端与输出端之间的储能电容器进行连接；

将能量存储在储能电容器中；

使用所述DC-DC转换器和所述储能电容器调节用于形成所述第二电压电平的所述第一电压电平；以及

将对应于经调节的工作功率的所述第二电压电平提供给设置成发送和接收微波的雷达物位计系统的微波单元。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述雷达物位计系统适用于发射脉冲信号，并且还包括处理电路，所述处理电路适用于根据脉冲信号的发射和反射信号的接收之间的时间确定容器的填充物位。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述经调节的工作功率被选择成使所述雷达物位计系统满足任何本质安全要求。