CN102356302A - 雷达水平仪中的升高电压处的能量存储 - Google Patents

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Abstract

一种用于雷达水平仪的电力管理电路，包括：第一电压变换器，具有用于从电力接口接收驱动电压的低电压端和用于供给高于所需的工作电压的中间电压的高电压端；临时能量存储器，被设置成由中间电压充电；第二电压变换器，具有用于接收来自能量存储器的输入电压的高电压端和用于提供低于输入电压的工作电压的低电压端。通过以较高的电压存储能量，可以使用不同类型的能量存储器(例如低容量电容器)。其结果是，能量存储的成本和起动时间显著减少。

Description

雷达水平仪中的升高电压处的能量存储
技术领域
本发明涉及一种使用测量容器中的产品的表面的水平的微波的雷达水平仪系统。更具体地，本发明涉及这种仪表中的能量存储。
背景技术
雷达水平仪适合用于对诸如工艺流体、颗粒复合物和其它材料的产品的水平进行非接触式测量。这种雷达水平仪的示例可以包括：微波单元，用于向表面发送微波并且接收从表面反射的微波；处理电路，被布置为与所述微波单元通信，并且基于发送和接收的微波之间的关系来确定所述水平；接口，用于在所述雷达水平仪外部连接所述处理电路；以及电力管理电路，向所述微波单元和所述处理电路提供工作电力。
为了保证令人满意的接收到的回波的信号水平，发射的微波必须具有足够的功率水平。对接收到的信号的处理也需要足够的电力，而在一些情况下，在处理期间提高处理器的时钟频率，以使得能够进行高速计算。结合起来，这导致在测量周期的某些部分期间对电力的需求增加。对于频率调制连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)系统，电力要求尤其高。然而，在实践中，实现电力的提供相对困难，因为在上面讨论的类型的仪表中能量通常是稀缺资源。
特别地，有限的可用电力在使用双配线馈送系统的系统中是个问题。用于测量罐中的水平的雷达水平仪以及其它类型的处理传感器一般与双配线接口连接，其中，仅两个线用于向传感器供给有限的电力以及传送测量和处理后的测量信号。接口可以是具有叠加数字通信的4-20mA工业环路或者诸如现场总线基金会(Fieldbus Foundation，FF)或Profibus的另一双配线现场总线。其它可能的接口包括四配线接口，其中，两个线提供电力，两个线传送测量信号。在4-20mA环路的情况下，可用电力由此取决于仪表的信号值，从而在低信号值(例如大约4mA)时间段期间，仅非常有限的电力可用。即使在高信号值(例如大约20mA)时间段期间，可用电力也可能不足以在测量周期期间对处理电路和微波发送器供电。
由于该原因，需要一些形式的电力管理，以在不同的部件之间和时间上分配可用电力。这种电力管理可以包括在一些种类的能量存储设备中存储能量，使得在电力需要增加的时间段期间，该能量可以用于提高可用电力。能量存储可以在每个测量周期之后的具体指定的等待时间段中进行，或者在低活动性时间段期间在整个测量周期中进行。
在包含爆炸气体或液体的罐中进行测量的情况下，或者在传感器位于爆燃危险区域中的任意其它情形下，还存在爆燃保护的问题。通常，使用一些种类的封装使设备防爆，或者使其外部电连接本质安全(intrinsicallysafe，IS)。后一种情况需要输入功率、电压和电流不超过安全规范(IS要求)规定的水平。这由布置在到本质安全区域的接口中的所谓的电屏障来保证。
因为不希望包封微波电子设备，因此测量设备应当以相对低的电压工作，以符合IS规范。以这种低电压，使得能量存储效率低，因为其需要大并且慢的电容器。一般来说，最小能量存储电容仅落在铝电解电容器覆盖的范围内。
铝电解电容器由于低温(-40摄氏度)而释放其初始容量的大约20％，并且由于老化(5000小时)而释放20％。这可以以大小、价格和显著增加的启动时间为代价来补偿。另外，如果在系统的活动周期期间在对其能量的主要部分进行放电的位置使用铝电解电容器，则这也将使初始电容值显著减小。
使用大电容器的另一主要缺点是当暴露在高温下时，寿命急剧缩短。
文献US 6,972,584公开了旨在用于超声波水平仪的电源去耦电路。为了使得该设备能够工作，由升压变换器使由电流环提供的电压上升。在该较高的电压水平也进行能量存储。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，并且提供在雷达水平仪中的改进的能量存储而不违反安全规范(例如IS要求)。
该目的通过根据所附权利要求所述的雷达水平仪、电源电路和方法来实现。
根据本发明的第一方面，提供一种雷达水平仪，包括：微波单元，用于向罐中发送微波并且接收来自罐的反射；处理电路，连接到微波单元，并且被布置为基于发送的微波和反射之间的关系来确定水平；电力接口，用于将雷达水平仪连接到外部电源；以及电力管理电路，被布置为以工作电压向微波单元和处理电路提供电力。电力管理电路包括：第一电压变换器，具有用于从电力接口接收驱动电压的低电压端和用于供给高于工作电压的中间电压的高电压端；临时能量存储器，被布置为由中间电压充电；第二电压变换器，具有用于接收来自能量存储器的输入电压的高电压端和用于提供低于输入电压的工作电压的低电压端。
根据本发明，以高于电流环的电压水平的电压存储能量，以较低的电压水平、优选足够低以符合IS规范的电压水平来消耗能量。
通过以较高电压存储能量，可以使用不同类型的能量存储器(例如低容量电容器)。其结果是，能量存储的成本和启动时间显著减少。
此外，在将中间电压向下变换为工作电压时，可以允许中间电压显著变化，使得与任意相应的能量存储器相比，能够更高效地使用能量存储器，以一般仅允许变化十分之几伏特的工作电压提供上述相应的能量存储器。
另一优点是对驱动电压的第一电压变换使得能够以较低的可用驱动电压(较低的需要的起动(lift-off)电压)驱动水平仪。这使得测量设备更鲁棒并且安装更快、安装成本更低。
已知一些现有技术(例如US 6,972,584)也教导了与电流环的电压相比，以升高的电压水平进行能量存储。然而，这些解决方案局限于以升高的电压工作的设备，因此总是需要升压变换器。本发明涉及例如由于IS规范，工作电压低于电流环的电压的应用。在这些应用中，本领域技术人员认为考虑在降压变换器之前引入升压变换器效率太低。本发明基于上述以较高电压进行能量存储的优点更多地补偿多电压变换的缺点这一令人惊奇的实现。
虽然通常难以对微波单元进行封装，因为灌封材料可能改变电路的性质，但是可以有利地对临时能量存储器进行封装，以消除爆炸的风险。这使得在设计在爆炸风险应用中满足安全要求的雷达水平仪时能够更自由。
接口可以被适配为一般通过电屏障以本质安全的方式接收电力。接口可以是双配线接口，被布置为向远程位置发送测量数据并接收用于系统工作的电力。例如，接口可以是带有叠加数字通信的4-20mA工业环路(HART)、现场总线基金会总线或者Profibus。这些环路广泛地用于对雷达水平仪供电。可选地，接口可以是四配线接口。
根据一个实施例，微波单元被适配为发射脉冲信号，处理电路被适配为基于脉冲信号的发射和反射信号的接收之间的时间来确定容器的填充水平。将这种类型的测量称为脉冲测量。
根据第二实施例，微波单元被适配为发射一系列频率上的波，处理电路被适配为基于发射的信号和反射的信号的混合来确定容器的填充水平。将这种类型的测量称为FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，频率调制连续波)。微波单元还可以被适配为发射具有多个不同频率的脉冲波，将其称为MFPW(Multiple Frequency Pulsed Wave，多频率脉冲波)。
通常，可以在电力供给存在限制的应用中在任意处理变量传感器中获得上面列出的优点。因此，根据本发明的第二方面，提供如在上面所公开的电力管理电路，但是通常用在任意处理变量传感器中。
根据本发明的第三方面，提供一种向用于检测处理变量的传感器提供工作电力的方法，包括：以高于所述传感器所需的工作电压的中间电压在临时能量存储器中存储能量；以及将来自所述临时能量存储器的输出电压向下变换为所述工作电压。
这种方法允许进行高效的能量存储，同时使得传感器能够本质安全地工作。
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此方面和其它方面。
图1是可以实现本发明的雷达水平仪的功能框图。
图2是根据本发明的第一实施例的电力管理电路的第一实施例的示意性电路图。
图3是根据本发明的实施例的设置有电力管理电路的雷达水平仪的功能框图。
具体实施方式
图1示出了可以有利地实现本发明的雷达水平仪10的示意性框图。雷达水平仪被布置为确定罐12中材料11的表面的位置(即材料11的填充水平)。雷达水平仪10包括：微波单元13，被适配为向罐中发射波，并且接收反射的微波；处理电路16，用于与所述微波单元进行通信，并且基于发送和接收的微波之间的关系来确定测量结果；以及电力管理单元17，用于向处理电路和微波单元13提供所需的电力。
微波单元13可以包括微波控制器14、微波发射器/接收器15和将发射器/接收器13连接到控制器14的信号传送介质18。控制器14通过数据总线20连接到处理电路16，并且被适配为根据来自处理电路16的控制数据生成微波信号。控制器14可以包括发送器、接收器、循环器和管理这些部件所需的任意控制电路。此外，控制器14可以包括用于将罐信号、即从罐接收的信号数字化的A/D转换器。如图1所示，发射器/接收器15可以包括在罐顶部的自由辐射天线19，或者可选地，发射器/接收器15可以包括延伸到罐中的探针。信号传送介质18可以是配线或者线缆，但是也可以包括更精密的波导。在罐12中是爆炸性的或其它危险内容的情况下，信号传送介质18可以包括通过罐壁的气密密封物。也可以控制器14使用适当的端子直接连接到发射器/接收器15，或者将发射器/接收器15布置在与控制器14相同的电路板上，在这种情况下，信号传送介质可以仅是电路板上的迹线。
系统10连接到接口21，接口21用于向系统10提供驱动电力，也可以用于从外部向仪表系统传送测量结果。在所示出的示例中，接口21是包括两个线路22、23和电屏障24的双配线接口。屏障24确保安装仪表系统10的区域25是本质安全的，即保持通过接口21传送的功率、电流和电压低于给定限制，减少危害的风险。同时提供驱动电力并传送测量信号的这种双配线接口的示例是4-20mA工业环路。
电力管理单元17连接到线路22中的一个，其被适配为将双配线接口中的电压(一般为大约5-20V)变换为适合于电路16和微波驱动器14的工作电压，一般为大约3V。在最简单的情况下，电力管理单元17是DC/DC降压变换器和平滑电容器。电力管理单元经由线路26连接到电路16并且经由线路27连接到微波驱动器14。
线路22、23二者还连接到电流控制单元28，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协议进行通信，以被叠加在环路22、23中的电流中。可以从电力管理单元17向控制单元28提供驱动电压。
在使用时，处理电路16对微波控制器14进行控制，以生成要由发射器/接收器15发射到罐12中的测量信号。该信号例如可以是脉冲信号(脉冲电平测定或者多频率脉冲波(Multiple Frequency Pulsed Wave)MFPW)或者具有在特定范围上变化的频率的连续信号(频率调制连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)。微波发射器15用作适配器，使得在控制器14中生成的信号能够作为可以被材料11的表面反射的微波传播到罐12中。罐信号、即发射的信号及其回波或者发射信号和反射信号的混合由发射器/接收器15接收，并被传送到微波控制器14，在微波控制器14处被接收并被A/D转换。然后，经由总线20向处理电路16提供数字化的信号，处理电路16基于发射的波和接收到的波之间的关系确定测量结果。然后，将测量结果经由总线29传送到电流控制单元28，并且调节流过电流控制单元28的电流，使得电流环中的总电流对应于测量结果。
图2示出了根据本发明的第一实施例的电力管理电路30。可以有利地将该电路用作图1中的电力管理单元17或者将该电路包含在图1中的电力管理单元17中。
根据该实施例，电路30包括：DC/DC升压变换器31，这里称为升压(boost)变换器；以及串联连接的DC/DC降压变换器32。两个变换器优选地是在实质上保持输入功率的同时进行电压变换的类型。(当然，这是理想情形，实际上由于变换效率将存在轻微的功率损失。)在两个变换器之间设置临时能量存储器33。作为临时能量存储器，可以使用存储电容器33或者被适配为在其上施加电压时存储电能的任意其它类型的元件或元件的组合。当然，代替电容器33或者除了电容器33以外，临时能量存储器可以包括其它部件。例如，临时能量存储器可以包括与电容器33串联的电阻，以针对峰值电压保护电容器。优选地电容应当如此小，使得在一般电流下该电阻上的电压降可以忽略。
优选地电路30还包括二极管网络38，二极管网络38连接在线路中的一个上，以防止能量从能量存储器33泄漏回电路环路22、23。二极管网络38可以包括一个或若干二极管，其仅确保不允许电流沿与期望相反的方向流动。
优选地电路30还包括电流限制单元39。电流限制单元39的目的是保证电力管理单元17消耗的电力不在环路中产生超过与由仪表确定的测量值相对应的电流值的电流。如果例如测量结果对应于5mA的环路电流，则电力管理单元17必须不消耗使得环路电流超过5mA的电力。这由电流限制单元39来保证。在非常简单的情况下，限制单元39仅仅是固定电流限制器，将电流限制为电流环的最小值，例如4mA。可选地，可以根据当前可以获得的环路电流来控制电流限制单元。为此，可以从控制单元28或者直接从处理电路16提供控制信号40。
在一些情形下，电力管理电路30中的能量存储器太大，不能满足IS规范。可以对电路30进行封装，以使装置防爆。
一种可选方式是对整个雷达水平仪RLG 10进行封装。然而，因为微波单元13一般具有微波空腔，因此通常难以满足防爆要求。因此，希望仅对电力管理电路30进行封装，同时雷达水平仪RLG 10的其余部分是本质安全的，即满足合适的IS标准。在这种情况下，可以在电路30的输出侧布置屏障34(功能与屏障24类似)，以保证对提取的功率和电流的限制。
可以使用灌封材料来进行封装。优选地封装应当无空腔。通过选择合适的灌封材料，可以在封装后的小部件中散去更多功率，因此实际上可以使更多功率可用来消耗。在实践中，特定部件的表面温度的问题将转变成是否指定灌封材料承受最大内部温度的问题。这意味着所选择的灌封材料需要具有良好的导热性或者承受足够高的最大温度(或者两者)。
在使用中，变换器31将线路22上的电源电压Vdrive(一般为大约5-20V，取决于诸如线路电阻的因素)向上变换为较高的中间电压Vint(一般为大约25-30V)。注意，在一些情形(具有低可用线电压)下，向上变换可能非常显著，可以是4或5倍。在其它情况下，使用更高的可用线电压，向上变换可能较不显著，可以仅仅为大约25％。因此，以较高电压Vint对电容器33充电，以保证短的充电时间。作为示例，可以在电容器33中存储mW级的能量。在25V的中间电压处，这对应于大约几十μF的电容。由于对电容相对低的要求，可以使用例如钽的较好的电容器类型，以提高系统的鲁棒性。这些电容器尤其在高温下具有有限的温度变化和良好的使用期限。
随后，降压变换器32将中间电压Vint降低到较低水平Vop。电压Vop实质上可以等于处理电路17和/或微波单元13的工作电压，一般为大约3V。
当处理电路需要比从接口21可获得的更多电力时，存储电容器33将放电，由此提供例如在发送期间对微波单元13供电所需的附加电力。这在电流环中的可用电流低时(即在低测量值时间段期间)尤其重要。
可选地，对升压变换器31设置控制端口41，对降压变换器32设置控制端口42，二者都被布置为接收控制信号43。该控制信号43允许旁路电路30中的能量存储器。
图3示出了图1中的系统，其中，电力管理单元17被适配为包括如上所述对电力管理电路30的旁路。这里，处理电路16接收来自电力管理单元17的与图2中的电压Vint相对应的监视读出44，并且向电力管理单元17返回控制信号43。这种对电力管理电路17的控制提供了在不需要这种存储的时间段期间，例如当在环路22、23上可获得大电流时，或者当例如在起动期间处理电路16需要中间电压时，将电容器33中的电力存储器旁路的可能性。
监视读出还提供了将测量周期的持续时间最优化的可能性，以确保可以在测量之间进行对临时能量存储器的充分充电。原则上，一旦临时能量存储器被充分地充电，就可以使用监视读出46来初始化下一个测量周期。这种控制将使周期的持续时间动态化，使得其将依赖于可用电力、即环路电流。
本领域技术人员应当认识到，本发明决不限于上述优选实施例。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多变形和变化。例如，根据本发明的电力管理电路不一定仅设置在雷达水平仪中的一个位置，而可以分布在系统中。例如，可以直接在微波控制器14中实现关于图2和3描述的电路。

Claims (16)

1.一种使用微波的雷达水平仪，用于测量罐中的产品的填充水平，所述雷达水平仪包括：
微波单元，用于向所述罐中发送微波并且接收来自所述罐的反射；
处理电路，连接到所述微波单元，并且被设置成基于发送的微波和所述反射之间的关系来确定所述水平；
电力接口，用于将所述雷达水平仪连接到外部电源；以及
电力管理电路，被设置成以工作电压向所述微波单元和所述处理电路提供电力，所述电力管理电路包括：
第一电压变换器，具有用于从所述电力接口接收驱动电压的低电压端和用于供给高于所述工作电压的中间电压的高电压端；
临时能量存储器，被设置成由所述中间电压充电；
第二电压变换器，具有用于接收来自所述能量存储器的输入电压的高电压端和用于提供低于所述输入电压的所述工作电压的低电压端。
2.其中，对所述临时能量存储器进行封装，以满足爆炸安全规范。
3.根据权利要求1所述的雷达水平仪，其中，所述电力接口被设置成以本质安全的方式接收电力。
4.根据权利要求1所述的雷达水平仪，其中，所述电力接口是双配线接口，被设置成向远程位置发送测量数据，并且接收用于所述雷达水平仪的操作的电力。
5.根据权利要求4所述的雷达水平仪，还包括：电流控制单元，被适配为根据所测量的水平来调节所述双配线接口中的电流。
6.根据权利要求1所述的雷达水平仪，还包括：用于依据控制信号旁路所述临时能量存储器的装置。
7.根据权利要求6所述的雷达水平仪，其中，所述处理电路还被设置成接收监视信号并且响应于所述监视信号提供所述控制信号，所述监视信号指示来自所述临时能量存储器的输出电压。
8.根据权利要求1所述的雷达水平仪，其中，所述处理电路还被设置成接收监视信号并且依据所述监视信号初始化新的测量周期，所述监视信号指示来自所述临时能量存储器的输出电压。
9.根据权利要求1所述的雷达水平仪，其中，所述微波单元被适配为发射脉冲信号，且其中所述处理电路被适配为基于脉冲信号的发射和对反射信号的接收之间的时间来确定容器的填充水平。
10.根据权利要求1所述的雷达水平仪，其中，所述微波单元被适配为发射一系列频率上的波，且其中所述处理电路被适配为基于发射的信号和反射的信号的混合来确定容器的填充水平。
11.一种用在检测处理变量的传感器中的电力管理电路，包括：
第一电压变换器，具有用于从所述电力接口接收驱动电压的低电压端和用于供给高于所述工作电压的中间电压的高电压端；
临时能量存储器，被设置成由所述中间电压充电；
第二电压变换器，具有用于接收来自所述能量存储器的输入电压的高电压端和用于提供低于所述输入电压的所述工作电压的低电压端。
12.一种向检测处理变量的传感器提供工作电力的方法，包括：
将驱动电压向上变换为所述中间电压；
以高于所述传感器所需的工作电压的中间电压，在临时能量存储器中存储能量；以及
将来自所述临时能量存储器的输出电压向下变换为所述工作电压。
13.根据权利要求13所述的方法，还包括：经由所述雷达水平仪的接口，以本质安全的方式接收所述驱动电压。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：确定不需要进行能量存储，并且在这种情况下，旁路所述临时能量存储器。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：依据监视信号初始化新的测量周期，所述监视信号指示跨所述临时能量存储器的电压。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：使用来自所述能量存储器的能量来向罐中发送微波，并接收来自所述罐的反射，并且基于发送的微波和所述反射之间的关系来确定所述罐的填充水平。
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