CN107076833A - 具有串联阻塞电容器的本质安全阻隔电路 - Google Patents

Abstract

用于对罐（205）中的产品（227）进行液位感测的雷达系统（200），包括雷达液位计（RLG）（230），其包括提供耦合到同轴连接器（218）的RF输出（230a）的收发器（220），该同轴连接器（218）具有在罐的顶部处耦合到探针（240）或延伸到罐中的其中心导体。RLG包括耦合到收发器（220）的处理器（215），其具有包括存储的液位查找算法（211）的相关联的存储器（210）。本质安全（IS）阻隔电路（250）被形成在电路板（350）上，其包括具有用于耦合到RF输出的输入（250a）的信号路径（335）。IS阻隔电路包括位于信号路径中的至少一个阻塞电容器（C1，C2），并且存在耦合在信号路径和地之间的至少一个二极管（D2，D3和D4）。

Description

具有串联阻塞电容器的本质安全阻隔电路

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月26日提交的题为“具有串联阻塞电容器的本质安全阻隔电路（INTRINSIC SAFETY BARRIER CIRCUIT WITH SERIES BLOCKING CAPACITOR）”的临时申请序列号62/085,112的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

所公开的实施例涉及将电磁波用于测量容器中的产品的液位（level）的雷达液位计系统，并且更具体地涉及特别是在故障状况期间限制系统中探针处的能量的本质安全设备，以便防止罐（tank）中的可燃材料在该故障状况期间点燃。

背景技术

雷达液位计（RLG）通常用于诸如过程流体、颗粒材料和其它材料之类的产品液位的测量。此类雷达液位计的示例包括用于发射和接收微波的收发器，布​​置成引导微波并且将受产品表面影响的返回的微波耦合到收发器的传播设备（例如，天线或导波探针（即，在罐中从顶部到底部悬挂的传输线）），适于控制收发器并且基于由收发器发射和接收的微波之间的时间关系来确定液位的定时电路，以及布置成接收功率并由此在外部连接雷达液位计的接口。

当通过探针在包含通常为气体或液体的可燃材料的罐中，或者在RLG位于有爆炸危险（explosion endangered）区域中的其它情况下进行液位测量时，要求针对危险位置来设计RLG系统。通常使用本质安全（IS）设计来满足此要求，其中实施诸如齐纳二极管的阻隔设备以限制供应到延伸到罐中的探针的射频（RF）输出处的电压、电流和功率。

图1A描绘了传统的RLG系统100，其中整个RLG系统100是IS。在非危险区域中，存在通常以50或60 Hz提供250 VAC的AC电压源110，其被耦合到耦合到IS阻隔125的控制装备（例如，过程控制器）120。在危险区域中，存在耦合在IS阻隔125和探针（或波导）240之间的RLG 130，其中RLG 130具有耦合到探针240的RF输入/输出（示为RF输出）131。

更一般地，包括在导波雷达（GWR）应用中使用的那些的RF输出需要作为用于危险位置应用的IS的RF输出，包括在将RLG 130安装在防爆外壳中的情况下的应用。图1B描绘了传统的RLG系统150，其中将RLG 130安装为防爆并且探针240是IS。RLG 130、IS阻隔125和相关联的接线全部被示出在危险区域内的防爆外壳180内。因此，使探针240成为IS，使得即使在故障状况期间也防止它点燃罐205中的可燃材料。在此RLG系统150的实施例中，IS阻隔125通常包括齐纳二极管分流（shunt）和/或电流隔离，其两者通常是体积大且昂贵的IS阻隔解决方案。

发明内容

提供本发明内容以符合37 C.F.R. §1.73，呈现了发明内容以简要地指示本公开的性质和实质。主张应理解本发明内容不被用来解释或限制权利要求的范围或含义。

公开的实施例描述了在雷达液位计（RLG）系统中具有耦合在雷达测量仪和探针（或波导）之间的（多个）串联阻塞电容器和（多个）钳位二极管的本质安全（IS）阻隔电路，其使得用于传输的RLG的RF输入/输出的RF输出成为受保护的RF输出，并且因此使耦合到其上的探针在能量方面受到限制。因此，即使在故障状况期间，由于受限的能量，也可以防止探针点燃罐中的可燃材料。公开的IS阻隔电路去除了对常规电流隔离或大体积IS阻隔的需要。作为更多的好处，公开的IS阻隔也向RLG的电子装置提供静电放电（ESD）保护。

公开的IS阻隔基本上也不向RF输出添加显著的高频衰减。相比之下，传统的IS阻隔向RF信号添加不想要的阻抗（以及由此的衰减）。通常，不能将钳位（齐纳）二极管添加到RF输出，因为它们增加不想要的电容和太多的RF衰减。应认识到电容器的阻抗等于1/（2πfc），其中c是电容并且f是频率。因此，所公开的IS阻隔电路增加了相对大的低频（AC电源频率）阻抗，其允许使用具有小尺寸、低功率、（多个）低电容ESD二极管的IS阻隔，从而导致具有低RF衰减的IS RF输出。

附图说明

图1A描绘了其中整个系统是IS的常规RLG系统。

图1B描绘了其中将雷达测量仪安装为防爆并且探针是IS的常规RLG系统。

图2A描绘了根据示例实施例的所公开的IS阻隔电路位于RLG的收发器和探针之间的示例GWR系统。

图2B描绘了根据示例实施例的其中将RLG安装为防爆并且探针是IS的示例RLG系统，其中IS阻隔电路位于RLG和探针之间。

图3A示出了根据示例实施例的示例IS阻隔电路的设计。

图3B示出了根据示例实施例的另一示例IS阻隔电路的设计。

具体实施方式

参考附图来描述公开的实施例，其中遍及各图使用相似的参考数字来指定相似或等同元件。各图不是按比例绘制的，并且它们仅仅被提供来说明本文公开的各方面。下面参考用于说明的示例应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对本文公开的实施例的完全理解。

然而，相关领域的普通技术人员将容易地认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或使用其它方法来实施所公开的实施例。在其它实例中，未详细地示出公知的结构或操作以避免使本文公开的各方面含糊难懂。公开的实施例不受动作或事件的说明排序的限制，因为一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其它动作或事件同时发生。此外，并非要求所有说明的动作或事件来实施根据本公开的方法。

此外，在没有进一步限制的情况下，本文所使用的术语“耦合到”或“与……耦合”（等）旨在描述间接或直接电连接。因此，如果第一设备“耦合”到第二设备，则该连接可以是通过其中仅在路径中存在寄生效应的直接电连接，或者通过经由包括其它设备和连接的介于中间的项目的间接电连接。对于间接耦合，介于中间的项目通常不修改信号的信息，但是可以调整其电流水平、电压水平、和/或功率水平。

图2A描绘了根据示例实施例的具有位于RLG 230的收发器220和探针240之间的公开的IS阻隔电路250的示例GWR系统200。在罐205中示出本身易燃的和/或在其上方具有易燃气体的过程流体227。GWR系统200还包括在罐205的顶部上的同轴连接器218，其中其中心导体耦合到延伸到罐205中的探针（或波导）240。RLG 230还包括具有相关联的存储器210的处理器215，其中收发器220耦合到处理器215，并且相关联的存储器210包括存储的液位查找算法211（例如，时域反射（TDR）算法）。

在同轴连接器218和收发器220之间示出了IS阻隔电路250。IS阻隔电路250从RLG230的RF输入/输出接收RF输出230a并输出受保护的RF输出219。凸缘（未示出）也可以存在于罐205的顶部。在GWR系统200的操作中，来自收发器220的发射的脉冲沿着探针240发射，该脉冲作为由处理器215处理的所示反射脉冲返回。发射的脉冲可以处在大约1.5GHz。尽管通常是针对GWR应用来描述的，但是还可以应用所公开的IS阻隔电路来保护包括非接触式雷达系统中的电子装置的其它系统中的电子装置。在所有此类系统中，应当认识到，在故障状况期间，包括来自馈送到（多个）设备的高电压源（例如，AC干线供给）的故障需要是能量受限的以帮助保持进入危险位置/区域IS的RF输出。

图2B描绘了根据示例实施例的示例RLG系统280，其中将雷达测量仪230安装为在危险区域内具有外壳180的防爆，并且探针240是IS，其中IS阻隔电路250在RLG 230和探针240之间。所公开的IS阻隔电路250在尺寸方面是小的，通常连同RLG 230的电子装置被安装在小区域印刷电路板（PCB）上。

图3A示出了根据所公开的实施例的示例IS阻隔电路250'的设计，其包括与示为雷达传感器的RF输出230a的RF输入/输出串联的信号路径335，所述雷达传感器被示为专用集成电路（ASIC）雷达传感器电路260。IS阻隔电路250'被示出在PCB 350上。IS阻隔电路250'包括示为C1和C2的阻塞电容器，其中通常将电容器常规地视为通过仅向DC电流提供电流隔离的IS。然而，单个阻塞电容器（C1或C2）可用于公开的IS阻隔电路。阻塞电容器C1和C2位于信号路径335内的阻隔电路250'中，其中阻隔电路250'的输入250a从ASIC雷达传感器电路260的引脚260a接收RF输出230a，并提供受保护的RF输出219（示为同轴输出）。

阻隔电路250'提供来自由AC电压源110（通常为处于50或60Hz的250 VAC）提供的AC电源频率的高阻抗，其在图2B中被示出为耦合到非危险区域中的控制装备（例如，过程控制器）120。C1和C2用来限制到较低电容ESD二极管（通常具有1 pF或更小的电容）的功率，所述ESD二极管被示为背对背齐纳二极管对D2、D3和D4，使得D2、D3、D4将受保护RF输出219上的电压在到达探针240之前被分流到充分地在IS水平之内的水平，以用于将到达探针240的能量保持得足够低（即使在故障状况下），以便其不是针对罐中易燃物的点火源。

齐纳二极管可以由其它分流二极管或者布置成限制电压的信号二极管来代替。如上面指出的，根据IS标准，C1和C2可以由针对IS的某个较低水平的单个电容器来代替。取决于所需的IS的水平，D2、D3、D4可以由2个二极管对、1个二极管对、或者如下面说明的甚至单个二极管来代替。在D2、D3、D4以及R1和GDT 330的低侧示出了机箱地（chassis ground），而在D1的低侧并且针对ASIC雷达传感器电路260示出了模拟地（AGND）。

本文应认识到的是，如果在正常操作模式中RF信号具有相对低的电压振幅，则可以使用针对电压钳位（clamping）的单个二极管。仅当RF信号的电压超过二极管的击穿电压时，二极管将在正极性中进行钳位（即，对二极管进行反向偏置）。当RF信号的电压为负时，则相同的二极管也将在负方向上进行钳位（即，对二极管进行正向偏置），如果其在振幅方面高于通常低于1V（例如，对于硅pn二极管在室温下约0.6至0.7 V）的其正向传导电压的话。例如，如果RF信号电压通常总是大于-1V，则因此可以使用单个二极管而针对任一极性来对RF信号钳位。可以添加诸如图3A（和下面描述的图3B）中示出的另外的二极管以增加钳位阈值。类似地，可以根据需要进行二极管的其它布置以修整（tailor）正的和负的钳位振幅两者。

因为由GWR系统200或280使用的RF频率是相对高的（诸如约1.5 GHz），所以应认识到，诸如约数百pF的小值电容器可被用于示为C1和C2的阻塞电容器，而并不向RF信号添加任何明显的衰减。小值电容器的使用导致在连续雷达操作期间基本上没有跨D2、D3、D4的功耗以及在故障状况期间的非常低的功耗。

可以对阻隔电路250'进行扩展以包括其它部件，诸如通过添加示为R1的电阻器和示出用于耦合到RF输出219的探针或天线的静电放电保护的气体放电管（GDT）330 ，而不损害IS。图3A中还示出了另一电容器C3，被添加来提供静电放电部件R1和GDT 330之间的阻抗以及D2，D3和D4的低电压钳位能力。可以添加是齐纳二极管的示为D1的另一二极管，以直接在其引脚260a和局部地参考（未示出）之间向例如ASIC雷达传感器电路260的RF生成设备提供更多ESD和瞬态保护。

图3B示出了根据所公开的实施例的另一示例本质安全阻隔电路250''的设计。阻隔电路250''可以与ASIC雷达传感器电路260一起在公共PCB 350上。针对C1、C2示出的示例部件值为330 pF，并且R1为10欧姆。用于所公开的阻隔电路实施例的基本电路部件是C1、C2、D2、D3和D4。

虽然上面已经描述了各种公开的实施例，但是应当理解，它们仅已作为示例来呈现，并且不是作为限制。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本文的公开进行所公开的实施例的许多改变。因此，本公开的广度和范围不应受上述实施例中的任何一个的限制。更确切地说，本公开的范围应根据以下权利要求及其等同物来定义。

尽管已经关于一个或多个实施方式图示并描述了公开的实施例，但是在阅读和理解本说明书和附图时，本领域​​技术人员将想到等同的改变和修改。虽然可能已关于若干实施方式中的仅一个公开了特定特征，但是此类特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望和有利的那样。

Claims (12)

1.一种本质安全（IS）阻隔电路（250'），包括：

电路板（350），其中所述IS阻隔电路形成在所述电路板上并且包括具有用于耦合到雷达传感器电路（260）的RF输出（230a）的输入（250a）的信号路径（335）；

位于所述信号路径中的至少一个阻塞电容器（C1、C2），以及

耦合在所述信号路径和地之间的至少一个二极管（D2、D3、D4），

其中由所述IS阻隔电路提供的输出（219）是能量方面受限制的受保护的RF输出。

2.根据权利要求1所述的IS阻隔电路，其中所述阻塞电容器的电容<10 nF。

3.根据权利要求1所述的IS阻隔电路，其中所述二极管包括背对背齐纳二极管对。

4.根据权利要求1所述的IS阻隔电路，还包括与所述二极管电并联的气体放电管（GDT）（330）和电阻器（R1）两者。

5.一种用于对罐（205）中的产品（227）进行液位感测的雷达系统（200），包括：

包括收发器（220）的雷达液位计（RLG）（230），其提供耦合到同轴连接器（218）的RF输出（230a），所述同轴连接器（218）具有在所述罐的顶部处耦合到探针（240）或延伸到所述罐中的其中心导体，其中所述收发器耦合到具有包括存储的液位查找算法（211）的相关联的存储器（210）的处理器（215）；

耦合在所述同轴连接器和所述收发器之间的本质安全（IS）阻隔电路（250），其中所述IS阻隔电路包括：

包括具有用于耦合到所述RF输出（230a）的输入（250a）的信号路径（335）的电路板（350）;

位于所述信号路径中的至少一个阻塞电容器（C1、C2），和

耦合在所述信号路径和地之间的至少一个二极管（D2、D3、D4），

其中由所述IS阻隔电路提供的输出（219）是能量方面受限制的受保护的RF输出。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述阻塞电容器的电容<10 nF。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述二极管包括背对背齐纳二极管对。

8.根据权利要求5所述的系统，还包括防爆外壳（180），其中所述RLG和所述IS阻隔电路两者在所述防爆外壳内。

9.一种在故障状况期间限制到达雷达系统（200）的雷达液位计（RLG）（230）的探针（240）的能量的方法，所述RLG向所述探针提供用于对包括易燃材料的罐（205）中的产品（227）进行液位感测的RF输出（230a），包括：

在电路板（350）上提供本质安全（IS）阻隔电路（250），其包括具有用于耦合到所述RF输出的输入（250a）的信号路径（335），在所述信号路径中的至少一个阻塞电容器（C1，C2 ），以及耦合在所述信号路径和地之间的至少一个钳位二极管（D2，D3，D4）,

其中所述IS阻隔电路使所述RF输出成为在能量方面受限制（能量受限制）的受保护RF输出（219），使得在故障状态期间，由于所述受限制的能量而防止所述探针点燃所述罐中的所述易燃材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述阻塞电容器的电容<10 nF。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述二极管包括背对背齐纳二极管对。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述受保护的RF输出包括同轴输出。