CN109313058A - 具有包括电滤波器的馈送电路的雷达物位计系统 - Google Patents

具有包括电滤波器的馈送电路的雷达物位计系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109313058A
CN109313058A CN201780037604.5A CN201780037604A CN109313058A CN 109313058 A CN109313058 A CN 109313058A CN 201780037604 A CN201780037604 A CN 201780037604A CN 109313058 A CN109313058 A CN 109313058A
Authority
CN
China
Prior art keywords
storage tank
signal
transmission line
level gauge
gauge system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780037604.5A
Other languages
English (en)
Inventor
奥洛夫·爱德华松
莱夫·尼尔森
尼克拉斯·佩恩达尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosemount Tank Radar AB
Original Assignee
Rosemount Tank Radar AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rosemount Tank Radar AB filed Critical Rosemount Tank Radar AB
Publication of CN109313058A publication Critical patent/CN109313058A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

一种雷达物位计系统，用于确定储罐中的产品的填充物位。雷达物位计系统包括：被布置在储罐内部的传输线探头(7)；储罐导孔，其用于通过传输线探头和储罐的罐壁之间的非导电的机械连接将传输线探头机械地附接到罐壁，并且用于提供从储罐外部到传输线探头的导电电连接；以及被布置在储罐外部的测量电子单元(6)。测量电子单元(6)包括：收发器(20)；电滤波器电路(30)，其具有被耦合到收发器的输入端和经由储罐导孔被耦合到传输线探头(7)的输出端，电滤波器电路呈现有串联电容(32)，用于经由储罐导孔将收发器非导电地耦合到传输线探头；以及处理电路(21)，用于确定填充物位。电滤波器的尺寸被设定成使得由串联电容(32)存储的能量的量不足以点燃爆炸性气体(本质安全)。

Description

具有包括电滤波器的馈送电路的雷达物位计系统
技术领域
本发明涉及一种用于确定储罐中的产品的填充物位的雷达物位计系统和方法。
背景技术
雷达物位计(RLG)系统广泛用于确定储罐中包含的产品的填充物位。雷达物位测量通常通过非接触式测量或者通过接触式测量(通常称为导波雷达(GWR))来执行，在非接触式测量中电磁信号朝向储罐中包含的产品辐射，在接触式测量中由用作波导的探头朝向产品电磁信号引导并且将电磁信号引导到产品。探头通常被布置成从储罐的顶部朝向底部竖直地延伸。探头也可以被布置在测量管(所谓的腔室)中，测量管被连接到储罐的外壁并且与罐内部处于流体连接。
发射的电磁信号在产品的表面被反射，并且反射的信号由包括在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收。基于发射的信号和反射的信号，可以确定到产品的表面的距离。
通常基于电磁信号的传输和电磁信号的在储罐中的气体与被包含在其中的产品之间的界面中的反射的接收之间的时间来确定到产品的表面的距离。为了确定产品的实际填充物位，基于上述的时间和电磁信号的传播速度确定从参考位置到表面的距离。
当今市场上的大多数雷达物位计系统都是所谓的脉冲雷达物位计系统或者是基于发射的频率调制信号与发射的频率调制信号在表面处的反射之间的相位差来确定到表面的距离的系统，该脉冲雷达物位计系统基于脉冲的传输和脉冲的在产品的表面处的反射的接收之间的时间差来确定到储罐中包含的产品的表面的距离。后一类系统通常被称为FMCW(频率调制连续波)类型。
雷达物位计系统通常被安装在罐顶部处的所谓管嘴上。管嘴通常可以是被焊接到储罐上的管部，并且在其上端处装配有凸缘以允许仪器(例如，雷达物位计系统)的附接，或装配有盲板凸缘。在这种情况下，探头通常在管嘴顶部处被机械地连接至储罐，并且在进入储罐本身之前穿过管嘴。在管嘴的顶部处，探头可以通过穿过储罐边界的导孔被电连接到雷达物位计系统的收发器。
重要的是雷达物位计系统被设计和批准成包括强制性的防爆装置，因为发射的电磁信号可以被馈送到具有易燃易爆气体和液体的储罐中。这种危险环境对如何形成和馈送用于传输的电磁信号进行了限制。
对于信号线进入储罐的GWR系统，通常使用称为本质安全的保护系统。本质安全的概念由相关规范定义，并且意味着即使在最坏情况下，正常信号和在故障条件下可能出现的电压都不应能引起点燃。用于本质安全的规范的示例是IEC610079-0和IEC610079-11。在储罐外部但靠近它们的情况下可以使用不太严格的保护系统。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的一般目的是提供一种改进的雷达物位计系统，并且特别是一种以成本有效的方式提供与储罐内部的本质安全连接的雷达物位计系统。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于确定储罐中的产品的填充物位的雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：被布置在储罐内部的传输线探头，其用于朝向产品的表面引导电磁发射信号，并且用于返回由发射信号在表面处的反射产生的电磁表面回波信号；储罐导孔，其用于通过传输线探头和储罐的罐壁之间的非导电机械连接将传输线探头机械地附接到罐壁，并且用于提供从储罐外部到传输线探头的导电电连接；被布置在储罐外部的测量电子单元，其包括用于生成发射信号、传输发射信号以及接收表面回波信号的收发器；电滤波器电路，其具有耦合到收发器的输入端和经由储罐导孔耦合到传输线探头的输出端，用于将发射信号从收发器提供至传输线探头以及将表面回波信号从传输线探头提供至收发器，电滤波器电路呈现串联电容，用于经由储罐导孔将收发器非导电地耦合到传输线探头；以及处理电路，其连接到收发器，用于基于发射信号和表面回波信号之间的时序关系确定填充物位。
测量电子单元可以由测量电子单元壳体包围。测量电子单元壳体的一部分可以有利地是所谓的防火或防爆外壳。这基本上意味着壳体内的明火或爆炸不会导致存在于壳体外的可燃物质的点燃。防火/防爆测量电子单元壳体和自测量电子单元壳体的本质安全输出的组合可以是提供在危险环境中安全使用的雷达物位计系统的有利方式。
在现有的雷达物位计系统中，特别是所谓的导波雷达(GWR)系统中，本质安全(IS)通常通过提供相对昂贵的分离部件(例如，齐纳阻挡层等)来实现。齐纳阻挡层难以设计出足够的宽带以使发射信号不受干扰地通过，并且有时会使用更复杂的解决方案。
本发明基于以下认识：本质安全针对相对高的频率(例如，高于约100MHz的频率)比针对相对低的频率(包括DC)的要求更低并且测试更直接，并且如果测量电子单元设置有具有在收发器和储罐导孔之间的非导电、无功耦合的串联电容的电滤波器电路，可以足够容易并且成本更低地实现来自测量电子单元的本质安全的输出。
通过发射信号的非导电耦合，根据本发明的实施方式，可能不需要相对昂贵的分离部件(齐纳阻挡层等)来满足IS批准的要求。这显然提供了较低的开发成本，并且还可以提供缩短的新开发的雷达物位计系统的上市时间。
根据各种实施方式，测量电子单元中可以存在的最大可能电压可以处于仅包括低于100Hz的频率的第一频带中；发射信号可以限定仅包括0.5GHz和4GHz之间的频率的第二频带；并且电滤波器的尺寸可以被设定成使得：第一频带中能够由电滤波器的串联电容在最大可能电压下存储的能量的量不足以点燃爆炸性气体；并且第二频带上的衰减小于3dB。
针对几乎所有的雷达物位计系统安装，雷达物位计系统的馈送电路中可能存在的最大可能电压为处于50Hz至60Hz的375V(标称值250VAC的1.5倍)。在最坏的情况下，这是根据本发明的实施方式的雷达物位计系统中的电滤波器电路的串联电容器上可能存在的电压。可以使用各种保护电路来避免在故障条件下到达危险区域的高电压，并且具有绝对可靠的电容耦合的本发明可以替换或简化其他保护装置。通过将电滤波器电路的串联电容保持在100pF以下，可以确保即使在最坏的情况下，在电滤波器电路的输出端处也无法有足够的能量来点燃可燃气体。众所周知，约20μJ是安全的低能量极限，无法点燃具有22％的氢气的氢气/空气混合物。已经发现的是这种气体混合物最容易用火花点燃。充电至375V(标称250V，本质安全中使用的常规安全系数1.5的情况下)的100pF的电容器将存储近20μJ。
取决于第二频带的带宽，可以利用仅包括具有小于约100pF的电容的合适的耦合电容器的电滤波器来实现期望的滤波器功能。但是，为了提供较低频率相关的滤波器功能，为电滤波器提供与串联电容串联的电感可能是有利的。GHz范围内的滤波器的电感将在10nH的范围内，其可以由短印刷线制成。使用电感以使滤波器通带平滑但不影响安全功能。从传统的滤波器设计中，滤波器可以采用许多形状，其中串联电容器可以用作保护部件。与保护电容器串联连接的电感是第一步，并且作为π型滤波器的一部分的这种组合是改善带宽和滤波器传输平滑度的进一步的改进。代替π滤波器，可以使用在T滤波器中使用的类似部件，并且进一步的改进是本领域公知的。
此外，根据各种实施方式，电滤波器可以被配置成使用以下衰减使发射信号衰减，针对低于第二频带的频率，该衰减随着发射信号的频率降低而每个倍频程增加至少6dB。
可以利用仅包括具有小于10pF的电容的合适的耦合电容器的电滤波器实现期望的滤波器功能。
为了进一步促进雷达物位计系统的IS批准，被包括在馈送电路中的电滤波器可以有利地被设计成提供所谓的绝对可靠的分离，使得电滤波器满足与本质安全相关的标准中的非连接的要求。此处至少一个电容器被用作本质安全的分离部件，并且如果在本质安全的适用规范的意义上使其成为绝对可靠的，则仅需要使用一个电容器而不是三个串联耦合的电容器。
根据实施方式，电滤波器电路可以包括电介质结构；串联电容可至少部分地由串联电容器提供，该串联电容器包括连接到收发器的第一电容器电极、连接到储罐导孔的第二电容器电极以及电介质结构的设置在第一电容器电极和第二电容器电极之间的一部分；并且第一电容器电极和第二电容器电极可以被分开足以针对上述最大可能电压提供绝对可靠的分离的距离。
工业应用中的许多电气系统被使用在通常出现爆炸性气体或高度易燃产品的区域中。炼油厂、石油产品储存厂和大多数化工厂都是明显的示例。在错误的地方的火灾或爆炸可能会造成灾难，并且大多数国家在几十年或更长时间已强制规定所有用户(公司等)必须遵守多条法律/规则以大大降低这种灾害的可能性。根据应用，将一些不同程度的保护标准化为最小值，并且对于电测量或监控设备，通常使用保护方法“本质安全”。元件开发使这些单元以远低于旧仪器中使用的功率的功率工作，从而简化了保护。本质安全意味着只允许非常低的电力(包括低电压和低电流)进入危险区域，并且合适的权威机构可以在调查和测试后验证某些设备是否满足本质安全要求，并且在这种情况下，制造的诸如被测试的单元的单元在法律上允许携带相应的标记(明确告知本质安全并且包含包括相关标识的某些特定的数据)。这些规则适用于位于危险区域的电路和用于向位于危险区域中的部件馈送电力和信号的电路两者。在整个系统中，允许作为“本质安全单元”存在于危险区域中的电路与为创建安全条件所必需的、却不允许存在于危险区域中的连接电路(称为“关联的本质安全单元”)之间存在边界。非常粗略地说，本质安全意味着允许约20V/50mA的最大值进入危险区域，因此只有低功率设备可以被归类为本质安全。以另一方式表达，即使在最差的参数组合下，已经发现低于20μJ的火花能量不能引起任何空气/氢气混合物的点燃。在所有易燃物质中，氢气最容易被火花点燃。即使在最差的参数组合下，位于危险区域的本质安全装备中的任意短路或断线都不能引起任何点燃，并且即使在电路中存在一个或两个“故障”，上述也必须有效。
规则的示例是IEC60079-0(一般用于多种方法的防爆)和IEC60079-11(特定用于本质安全的规则)。针对本质安全存在许多国家规则(如美国的工厂互保(Factory Mutual)和保险商(Underwriter)，加拿大的CSA等)，但是即使细微的细节可能不同但是所有的基本概念都是相同的。基于过去50年期间进行的研究，使用相同的测试装备来测试产生点燃火花的能力，并且氢气/空气的混合物被用作气体混合物，因为在易燃气体和液体中，氢气/空气的混合物最容易被火花点燃。为了在一个或两个故障下维持安全功能(如果不一定是正常的期望的功能)，关键元件是三重的(如串联连接的三个电容器，以便即使在两个电容器短路之后也保持直流绝缘)并且针对本质安全的所有规范中都定义了以下三种类型的故障。下表中的实际示例来自IEC60079-11中的表5，并且适用于本质安全电路与承载主功率(峰值低于375V的220-250V 50/60Hz)或类似电压的电路之间所需的分离：
测试下在电路中存在一个或两个“可计数的故障”被包括在在最坏情况测试中，但是针对不可计数的故障，就安全性方面在被认为是“正常功能”内使用任何数量或组合的这些故障。“绝对可靠”是指绝缘被认为在任何情况下都保持不变。上述距离在不同的规范和不同的应用中可能略有不同，但是术语(绝对可靠等)是相同的。针对许多其他元件，相同的三个分类(绝对可靠等)适用，但是标准比上述更复杂，并且可以包括针对高质量的测试程序和设计细节。未来生产的任何变化(改变的部件等)需要针对本质安全装备的正式的批准。
在这些实施方式中，通过第一电容器电极和第二电容器电极以及第一电容器电极和第二电容器电极之间的电介质结构的适当布置可以有利地实现第一电容器电极和第二电容器电极之间的绝对可靠的分离。
存在使用这些实施方式的原理来实现耦合电容器的许多方式。例如，第一电容器电极和第二电容器电极可以被设置为由电介质结构分开的平行板，第一电容器电极和第二电容器电极可以被设置为在同一平面中分隔开的平面结构。根据其他实施方式，第一电容器电极和第二电容器电极可以被设置为平行的导体，或者被设置为同轴结构。
在US 2007/0020998中描述了利用电介质结构的耦合电容器结构的各种示例(虽然在不同的背景下并且用于不同的目的)，其全部内容通过引用被并入本文。
在实施方式中，电介质结构可以是电路板，其可以由合适的市售的印刷电路板材料制成。在其他实施方式中，电介质结构可以是测量电子单元壳体的一部分。在任何情况下，第一电容器电极和第二电容器电极可以分开足够的距离，以提供绝对可靠的分离，这允许馈送电路的输出端满足本质安全的要求，而不需要冗余的元件和/或安全电路(齐纳阻挡层等)。
根据其他实施方式，可以使用表面安装电容器元件实现电滤波器电路的串联电容。可以通过在表面安装电容器元件的第一连接垫和第二连接垫之间的固体电介质确保足够的距离来实现绝对可靠的分离。例如，连接垫之间的距离可以是至少0.8mm，并且电容器元件可以涂覆有电介质表面涂层。
传输线探头可以有利地是单导体探头(有时称为高保(Goubau)探头或高保线)，其可以是刚性的或柔性的/柔韧的。这种单导体传输线探头对于各种填充物位确定应用是有利的，因为这些探头是相对结实的并且对储罐中的产品的相互作用不敏感。
在实施方式中，传输线探头可以有利地被接地，即是，至少对于包括DC的低频信号导电地连接到电接地。
将探头接地可以使雷达物位计系统对于诸如各种EMC干扰和来自附近的照明的感应电压的外部干扰具有相当大的容忍度。尤其是在塑料储罐中安装的情况。
传输线探头可以有利地经由电感器接地，以在低于用于物位测量的发射信号的频带的期望频率处提供接地。电感器可以被包括在馈送电路的电滤波器中。因此，传输线探头和电滤波器的耦合电容器的输出端可以经由合适的电感器被连接到地。对于诸如1GHz至2GHz的滤波器带宽，电感将为10nH的量级，例如，这可以通过几厘米长的一段线来实现并且被容易地放置在电路板上。
此外，根据各种实施方式，收发器可以包括：发射信号生成电路，其用于生成发射信号作为具有时变发射信号频率的信号；和混频器，该混频器经由馈送电路连接到发射信号生成电路和传播设备，用于混合发射信号和表面回波信号以形成中频信号。处理电路可以被配置成基于中频信号确定填充物位。
因此，雷达物位计系统可以是频率调制连续波(FMCW)物位计系统，其中，收发器可以被配置成在0.5GHz以上并且在4GHz以下(例如，在1GHz和2GHz之间)的频带中发射电磁信号。
根据各种实施方式，至少发射信号生成电路和混频器可以被包括在集成微波电路中。
在本应用的上下文中，集成微波电路应被理解为指在微波频率(例如，约300MHz至约300GHz)下操作的一种类型的单片(单管芯)式集成电路(IC)设备。
集成微波电路通常被称为MMIC(单片式微波集成电路)。
例如，可以使用Si、SiGe或诸如GaAs或InP的III-V化合物半导体制造MMIC。
集成微波电路可以有利地与一个或多个其他集成电路一起被包括在多芯片模块中，以向单个电子元件(由单个电子元件包定义)提供更多功能。
根据本发明的各种实施方式，集成微波电路的使用有助于显著降低雷达物位计系统的成本。
根据各种实施方式，可以以能够组合发射信号和反射信号使得形成中频信号的任何电路的形式提供混频器，该中频信号表示发射信号与反射信号之间的相位差。
简单而紧凑的混频器的一个示例是所谓的单二极管漏混频器。
在各种实施方式中，电磁发射信号可以具有基本恒定的幅度。发射信号的功率可以在-50dBm至+5dBm的范围内，通常为0dBm，即1mW。
测试和理论计算表示大约10ms的扫描持续时间应足够短以满足双线电流回路系统的能量/功率消耗标准，这在当前被视为最具挑战性的应用。
在雷达物位计系统的各种实施方式中，微波信号源控制器可以被配置成控制微波信号源以生成具有小于5ms的持续时间的测量扫描。
由于微波信号源的较短的接通时间，这可以提供更低的能量消耗。
此外，根据本发明的各种实施方式的雷达物位计系统还可以包括采样器，该采样器被耦合到混频器并且被配置成在测量扫描期间以小于500的采样次数对中频信号进行采样。
这提供了雷达物位计系统的能量消耗的进一步降低，因为可以减少用于处理中频信号的时间。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用雷达物位计系统确定储罐中包含的产品的填充物位的方法，该雷达物位计系统包括被布置在储罐外部的测量电子单元和被布置在储罐内部的传输线探头，该方法包括以下步骤：使用测量电子单元中包括的收发器生成电磁发射信号；在收发器和传播设备之间通过呈现有串联电容的电滤波器非导电地传递发射信号以提供滤波后的发射信号；通过传输线探头将滤波后的发射信号朝向产品的表面引导；通过传输线探头朝向收发器引导由滤波后的发射信号在表面处的反射而产生的表面回波信号；通过电滤波器向收发器非导电地提供表面回波信号；并且使用测量电子单元中包括的处理电路、基于发射信号和表面回波信号确定填充物位。
本发明的该第二方面的另外的实施方式和通过本发明的该第二方面获得的效果很大程度上类似于上面针对本发明的第一方面所描述的那样。
总之，本发明因此涉及一种雷达物位计系统，用于确定储罐中的产品的填充物位。雷达物位计系统包括：被布置在储罐内部的传输线探头；储罐导孔，其用于通过传输线探头和储罐的罐壁之间的非导电机械连接将传输线探头机械地附接到罐壁，并用于提供从储罐外部到传输线探头的导电电连接；以及被布置在储罐外部的测量电子单元。测量电子单元包括：收发器；电滤波器电路，其具有耦合到收发器的输入端和经由储罐导孔耦合到传输线探头的输出端，电滤波器电路呈现有串联电容，其用于经由储罐导孔将收发器非导电地耦合到传输线探头；以及用于确定填充物位的处理电路。
附图说明
现在将参照示出本发明实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1a示意性地示出了包括根据本发明的实施方式的雷达物位计系统的示例性储罐装置；
图1b是被包括在图1a中的雷达物位计系统中的测量电子单元的示意图；
图2是被包括在图1a至图1b中的雷达物位计系统的第一实施方式的馈送电路中的电滤波器的示意图；
图3a至图3c是图2中的电滤波器的不同实现方式的示意图；
图4是被包括在图1a至图1b中的雷达物位计系统的第二实施方式的馈送电路中的电滤波器的示意图；
图5是图4中的电滤波器的示例实现方式的示意图；以及
图6是说明随图4中的电滤波器的频率变化的信号传输的图。
具体实施方式
图1a示意性地示出了包括根据本发明的示例实施方式的储罐装置17的物位测量系统1以及被示为控制室的主机系统10。
罐装置17包括GWR(导波雷达)型的雷达物位计2和储罐4，储罐4具有从储罐4的顶部大致垂直地延伸的管状安装结构13(通常称为“管嘴”)。
安装雷达物位计2以测量储罐4中包含的产品3的填充物位。雷达物位计2包括被布置在储罐4外的测量电子单元6和通过管状安装结构13从测量单元6延伸向产品3并且进入产品3的传播设备，这里传播设备是单导体探头7的形式。在图1中的示例实施方式中，单导体探头7是导线探头，在其末端附接有重物8以保持导线笔直和竖直。
通过分析由探头7朝向产品3的表面11引导的发射信号ST和从表面11返回的反射信号SR，测量单元6可以确定参考位置(例如，在储罐外部和储罐内部之间的导孔)和产品3的表面11之间的距离，由此可以推导出填充物位。应注意的是，虽然本文中讨论了包含单个产品3的储罐4，但是可以以类似的方式测量沿着探头至任何材料界面的距离。
如图1b中示意性所示，测量电子单元6包括收发器20、馈送电路19、处理电路21、通信接口22和用于与控制室10进行无线通信的通信天线23。收发器20、馈送电路19、处理电路21和通信接口22全部被封装在测量电子单元壳体25中，该测量电子单元壳体25限定包含收发器20、处理电路21和通信接口22的第一空间26以及包含馈送电路19的第二空间29。仅第一空间26位于防爆(有时也称为防火)阻挡层内。第二空间29是非防爆的。防爆阻挡层可能需要满足某些要求，例如，由国际标准IEC 60079-1或类似标准详述说明的要求。
收发器20被配置成生成、发射和接收电磁信号。馈送电路19在馈送电路输入端27处被电连接到收发器，并且在馈送电路输出端28处被电连接到探头7，探头7可从测量电子单元壳体25的外部访问。当雷达物位计系统17运行时，馈送电路19将来自收发器20的发射信号ST提供给探头7，并且将来自探头7的表面回波信号SR返回到收发器20。如下面将进一步更详细地描述的那样，馈送电路19包括被配置成抑制具有低于几百MHz的频率的电磁信号的电滤波器30。
处理电路21被连接到收发器20，并且被配置成基于发射信号ST和表面回波信号SR确定产品3的填充物位L，表面回波信号SR是发射信号在产品3的表面11处的反射。通信接口22被连接到处理电路21并且被配置成允许经由通信天线23与主机系统10通信。在图1a至图1b的示例实施方式中，雷达物位计2和主机系统10之间的通信被示出为是无线通信。替选地，例如，通信可以通过模拟和/或数字有线通信通道进行。例如，通信通道可以是双线4mA至20mA回路，并且可以通过在双线4mA至20mA回路上提供与填充物位对应的特定电流来传送填充物位。也可以使用HART协议在这样的4mA至20mA回路上发送数字数据。
此外，虽然图1b中未示出，但是雷达物位计2可以连接到外部电源或者可以通过通信线路供电。
现在将参照图2、图3a至图3c和图4描述电滤波器30的第一示例配置。
在图2中示意性示出的第一简单示例电滤波器配置中，电滤波器30包括具有小于10pF的电容的耦合电容器32。归因于低电容，耦合电容器32将有效地阻止低频电信号从馈送电路19的输入端27传递到输出端28。通过由馈送电路19中的电滤波器30对低频能量的阻止，仅通过在控制下保持微波信号的幅度就可以确保输出端28处的本质安全。换句话说，电滤波器30的设置确保当雷达物位计系统17被安装在储罐4处并且在运行中时在输出端28处的可能的低频信号将不能点燃与输出端28接触的可燃物质。通过电滤波器30的高频信号当然必须是功率受限的并且必须符合与本质安全(IS)相关的规则。
在具有爆炸性液体或气体的储罐(或其他区域)的附近或内部使用的电子电路必须满足本质安全的要求，这是避免点燃的最严格的要求。在携承载电流的导线可能发生短路或断线时，会出现火花。但是，通过限制电压和电流，火花将太弱而不会引起点燃。“本质安全”是通过遵循一套设计规则(以及通向设计的认证的正式测试)来实现以保证这样的限制。IEC60079-0和IEC60079-11能够适用于规则的一个示例，但是规则和批准在不同的国家可能略有不同。即使在电路中存在两个故障之一的情况下，也必须保持不能产生火花。上述规则描述了故障的示例，以及“绝对可靠”的条件(认为不会发生故障的情况)。如果两个导体被很好地分开(导体之间需要的距离取决于它们是否由空气或固体电介质材料分开)，则它们被认为是相对于它们之间的短路是绝对可靠的。如果它们彼此更接近一点，则短路是可能的故障，并且如果它们更彼此更接近，则短路甚至不被计为故障而是假定为发生。本质安全的所有规则使用绝对可靠的概念和可计数的故障(例如，应考虑1个故障或2个故障)，但细节可能略有不同。
为了满足相关标准和规范的要求，例如，上面进一步提到的那些，并且甚至为了免除要求认证测试等，因此电滤波器30可以有利地配置成使得可以认为潜在危险的故障模式的概率很低以至于不需要考虑它们。在各种标准(例如，上述本质安全IEC 60079-11的设备保护的国际标准)中，这种配置如上所述地被称为是绝对可靠的。换句话说，滤波器30的阻止功能可以取决于绝对可靠的设计。现在将参照图3a至图3c描述提供具有绝对可靠的分离(不能经受短路)的耦合电容器32配置的不同方式。
上述IEC 60079-11(其全部内容通过引用并入本文)说明了对绝对可靠的电分离的各种要求。本发明的发明人人认识到可以根据这些要求设计电滤波器30，并且这可以提供满足本质安全方面的要求的雷达物位计系统17，并且阻挡层元件、大量测试等可以被免去，这为新的雷达物位计系统17提供了成本降低和减少的开发时间。
首先参照图3a，耦合电容器32包括：经由馈送电路19的输入端27连接到收发器20的第一电容器电极33a；经由馈送电路的输出端28连接到探头7的第二电容器电极33b；以及馈送电路的被布置在第一电容器电极33a和第二电容器电极33b之间的电介质结构34。例如，电介质结构34可以是电路板或测量电子单元壳体25的一部分。需要被认为是绝对可靠的电介质结构34的厚度将取决于供电电压并且可以从上述IEC 60079-11或本领域的普通技术人员公知的相应标准获得。根据当前版本的IEC 60079-11，至少约1mm厚的固体电介质结构34对于在任何条件下在供应电压方面具有最大375V电压峰值的系统中的可靠分离将是足够的。1mm是为了根据针对本质安全的使用和适用的规范获得绝对可靠的功能的示例。第一电容器电极33a和第二电容器电极33b的尺寸应被设定成实现小于10pF的期望的电容。第一电容器电极33a和第二电容器电极33b的尺寸主要取决于电介质结构34的厚度和介电常数，并且对于本领域的普通技术人员来说，尺寸设定将是直接的。
现在将参照图3b描述用于绝对可靠的分离的耦合电容器32的第二示例配置。在图3b中，第一电容器电极33a和第二电容器电极33b被设置在电介质结构34的同一侧上，并且电容器电极33a至33b和至少在电容器电极33a至33b之间的电介质结构34被电介质绝缘涂层35覆盖。在这种配置中，对于与图3a中的配置相同的最大供电电压，第一电容器电极33a和第二电容器电极33b之间的距离应至少为3.3mm以提供绝对可靠的分离。在没有电介质绝缘涂层35的情况下，距离应至少为10mm。同样，对于本领域的普通技术人员而言，用于实现期望的耦合电容的第一电容器电极33a和第二电容器电极33b的尺寸设定将是直接的。
现在将参照图3c描述用于绝对可靠的分离的耦合电容器32的第三示例配置。在图3c中，第一电容器电极33a和第二电容器电极33b在电介质结构34中被布置成部分同轴配置，其中第一电容器电极33a可以从电介质结构34的第一侧38访问，并且第二电容器电极33b可以从电介质结构34的第二侧39访问。例如，在示例配置中，电介质结构可以是测量电子单元壳体25的一部分，使得第一电容器电极33a可以从壳体25的内部访问并且第二电容器电极33b可以从壳体25的外部访问。
这是使用包括下述至少一个串联电容器的滤波器结构完成的，该串联电容器具有很小的值(<10pF)，使得所有低频(例如，以375V峰值电压供电的50Hz至60Hz)将被有效地阻止以达到永远不可能点燃储罐内的爆炸性气体的程度。常规设计是必须使用其他方法以阻止潜在的危险电压的电连接。
利用由小电容耦合电容器32提供的简单电滤波器30，高频信号(例如，1GHz)可以通过，而低频信号遇到非连接。例如，通过5pF在50Hz至60Hz的250VAC将引起小于1μA，而氢气/空气混合物的点燃将需要至少约10mA。因此，即使图2中的简单电滤波器也可以在测量电子单元6的输出端提供本质安全。对于诸如上面参照图3a至图3c所述的那些耦合电容器配置，低频电分离可以是绝对可靠的，这免去了部件重复(或三重)和/或昂贵的并且笨重的阻挡层部件的需要。
尽管可以设计具有包括图2中的简单电滤波器的馈送电路19的雷达物位计系统17，但是希望提供更“平坦”的频率依赖性，至少针对由发射信号ST限定的带宽中的频率是这样。
在图4中示意性示出的第二示例电滤波器配置中，电滤波器30包括具有小于10pF的电容的上述耦合电容器32和本身公知的π网滤波器中的其他电感和电容。利用合适的滤波器设计，可以调谐图4中的电滤波器30以在期望的频带内提供基本上平坦的频率依赖性，例如，其可以适合于本身公知的FMCW雷达物位计。
应注意的是，图4中的电滤波器30通过电感器42提供探头7的电接地。如上进一步所述，这提供的是改进地阻止可以由探头7挑选的干扰信号的，特别是对于如果使用塑料储罐4的情况。探头7的接地还可以对于降低对照明引起的雷达物位计系统17的损坏的风险有效。
作为一个示例，图4示出了π滤波器几何结构。具有接地的两个串联谐振电路和一个并联谐振电路的T型结构将具有类似的功能，并且已知更复杂的滤波器结构。接地连接到达储罐和馈送电路，但是电子设备的接地可以通过大电容器，以避免信号连接的不期望的低频接地。储罐的接地是探头的接地中的一部分。
与图2中的简单电滤波器类似，图4中更先进的电滤波器可以实现成绝对可靠的配置。现在将参照图5描述这种实现方式的一个示例。参照图5中的分解图，电滤波器30被实施为圆形多层电路板40。在图5中，电滤波器30被实现为所谓的“宽边耦合”发夹式滤波器。然而，应注意的是，图5的电路板实现方式或等同物也可以同样良好地实现为具有不同轮廓的电路板或者包括附加功能的电路板的组成部分。例如，对于本领域的普通技术人员而言，实现具有其他导体模式和/或不同尺寸的电滤波器30的期望特性将是直接的。
参照图5，多层电路板40包括第一导体层42、第二导体层44、第三导体层46和第四导体层48。第一导体层42和第二导体层44由第一电介质层50隔开，第二导体层44和第三导体层46由第二电介质层52隔开，以及第三导体层46和第四导体层48由第三电介质层54隔开。如图5中示意性地示出的那样，第一导体层42覆盖多层电路板40的几乎整个顶侧，并且第四导体层48覆盖多层电路板40的几乎整个底侧。第一导体层42和第四导体层48用作为地平面。第二导体层44、第三导体层46、和第二电介质层52一起根据图4中的电路图提供滤波器功能。电滤波器30的输入端27在此实现为在输入位置56处连接到第二导体层44的导电引脚53，并且电滤波器30的输出端28在此实现为在输出位置58处连接到第二导体层44的导电引脚55。
在由图5中的多层电路板40提供的电滤波器的示例实现中，输入端27和输出端28之间的绝对可靠好分离由第二电介质层52提供，第二电介质层52将第二导体层44与第三导体层46分隔开。第三导体层46可以被看作是在每一端具有足以产生滤波器通带的小电容器的一种类型的半波谐振器。由诸如本文提及的那些规范所提供的绝对可靠或故障安全分离的相关要求将确定第二电介质层52的期望特性。作为非限制性示例，第二电介质层52可以是至少约0.2mm厚的电介质基板。根据一个示例，第二电介质层可以是厚度为约0.5mm和相对介电常数为约3.7的层压基板。
针对使用图5中示意性示出的多层电路板40实现的滤波器设计执行的模拟得到随着如图6中所示的频率变化以dB为单位的信号传输(从输入端27到输出端28)。针对图6中的模拟，第一电介质层50和第三电介质层54中的每一个是3.175mm厚的、具有约为2.5的相对介电常数的层压板。第二电介质层是厚度为0.508mm并且相对介电常数为约3.7的层压板。
本领域的技术人员认识到本发明决不限于以上描述的优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内许多修改和变化是可行的。

Claims (15)

1.一种雷达物位计系统，用于确定储罐中的产品的填充物位，所述雷达物位计系统包括：
传输线探头，其被布置在所述储罐内部，用于朝向所述产品的表面引导电磁发射信号，并且用于返回由所述发射信号在所述表面处的反射产生的电磁表面回波信号；
储罐导孔，其用于通过所述传输线探头和所述储罐的罐壁之间的非导电机械连接将所述传输线探头机械地附接到所述罐壁，并且用于提供从所述储罐外部到所述传输线探头的导电电连接；
测量电子单元，其被布置在所述储罐外部的，所述测量电子单元包括：
收发器，其被布置在所述储罐外部，用于生成所述发射信号、发射所述发射信号以及接收所述表面回波信号；
电滤波器电路，其被布置在所述储罐外部，所述电滤波器电路具有耦合到所述收发器的输入端和经由所述储罐导孔耦合到所述传输线探头的输出端，用于将所述发射信号从所述收发器提供给所述传输线探头并将所述表面回波信号从所述传输线探头提供给所述收发器，所述电滤波器电路呈现有串联电容，用于经由所述储罐导孔将所述收发器非导电地耦合到所述传输线探头；以及
处理电路，其被布置在所述储罐外部并且被连接到所述收发器，用于基于所述发射信号和所述表面回波信号之间的时序关系确定所述填充物位，其中：
所述测量电子单元中能够存在的最大可能电压处于仅包括低于100Hz的频率的第一频带中；并且
所述电滤波器电路的尺寸被设定成使得在所述第一频带中的能够由所述电滤波器的串联电容在所述最大可能电压下存储的能量的量不足以点燃爆炸性气体。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中：
所述发射信号限定仅包括高于0.5GHz并且低于4GHz的频率的第二频带；并且
所述电滤波器电路的尺寸被设定成使得所述第二频带上的衰减小于3dB。
3.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述测量电子单元中能够存在的所述最大可能电压是至少100V。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述电滤波器包括与所述串联电容串联的电感。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计系统，其中：
所述电滤波器电路包括电介质结构；
所述串联电容至少部分地由串联电容器提供，所述串联电容器包括：连接到所述收发器的第一电容器电极、连接到所述储罐导孔的第二电容器电极以及所述电介质结构的、设置在所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间的一部分；并且
所述第一电容器电极和所述第二电容器电极被分开足以针对所述最大可能电压提供可靠的分离的距离。
6.根据权利要求5所述的雷达物位计系统，其中，所述电介质结构是电路板。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述串联电容小于100pF。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述电滤波器的所述串联电容至少部分地被提供为表面安装在电路板上的电容器元件。
9.根据权利要求8所述的雷达物位计系统，其中，所述电容器元件被涂覆有电绝缘的电介质表面涂层。
10.根据权利要求9所述的雷达物位计系统，其中，所述电介质表面涂层在所述电容器元件被表面安装在所述电路板上之后施加。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述传输线探头是单导体探头。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述传输线探头接地。
13.根据权利要求12所述的雷达物位计系统，其中，所述传输线探头经由包含在所述电滤波器中的电感接地。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述收发器包括：
发射信号生成电路，其用于将所述发射信号生成为具有时变发射信号频率的信号；以及
混频器，其经由所述馈送电路连接到所述发射信号生成电路和所述传播设备，用于混合所述发射信号和所述表面回波信号以形成中频信号。
15.一种使用雷达物位计系统确定储罐中包含的产品的填充物位的方法，所述雷达物位计系统包括被布置在所述储罐外部的测量电子单元和被布置在所述储罐内部的传输线探头，所述方法包括以下步骤：
使用包括在所述测量电子单元中的收发器生成电磁发射信号；
通过在所述收发器和所述传播设备之间的呈现有串联电容的电滤波器非导电地传递所述发射信号，以提供滤波后的发射信号；
通过所述传输线探头向所述产品的表面引导所述滤波后的发射信号；
通过所述传输线探头朝向所述收发器引导表面回波信号，所述表面回波信号是由所述滤波后的发射信号在所述表面处的反射而产生的；
通过所述电滤波器向所述收发器非导电地提供所述表面回波信号；以及
使用在包括所述测量电子单元中的处理电路、基于所述发射信号和所述表面回波信号确定所述填充物位。
CN201780037604.5A 2016-07-07 2017-06-09 具有包括电滤波器的馈送电路的雷达物位计系统 Pending CN109313058A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/204,177 2016-07-07
US15/204,177 US10378947B2 (en) 2016-07-07 2016-07-07 Radar level gauge system with feeding comprising an electrical filter
PCT/EP2017/064081 WO2018007095A1 (en) 2016-07-07 2017-06-09 Radar level gauge system with feeding comprising an electrical filter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109313058A true CN109313058A (zh) 2019-02-05

Family

ID=59152842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780037604.5A Pending CN109313058A (zh) 2016-07-07 2017-06-09 具有包括电滤波器的馈送电路的雷达物位计系统

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10378947B2 (zh)
EP (1) EP3482172A1 (zh)
KR (1) KR20190024888A (zh)
CN (1) CN109313058A (zh)
RU (1) RU2018142425A (zh)
WO (1) WO2018007095A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10480985B2 (en) * 2017-09-29 2019-11-19 Rosemount Tank Radar Ab Explosion proof radar level gauge
CN113348341B (zh) 2018-12-20 2023-09-01 罗斯蒙特储罐雷达股份公司 具有防爆壳体和浮置屏障的导波雷达物位计
TWI699040B (zh) * 2019-05-03 2020-07-11 啓碁科技股份有限公司 天線結構
CN111442816B (zh) * 2020-02-19 2021-11-12 襄阳永力通机械有限公司 一种油箱安全检测系统
EP3869167B1 (en) * 2020-02-21 2022-07-27 Rosemount Tank Radar AB Valve arrangement for a guided wave radar level gauge
EP4009011A1 (en) * 2020-12-03 2022-06-08 Rosemount Tank Radar AB Radar level gauge system and method for reduced lower dead zone
CN115880866B (zh) * 2023-03-03 2023-05-16 安标国家矿用产品安全标志中心有限公司 一种电磁能防爆试验线性模组及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1083412A1 (de) * 1999-09-07 2001-03-14 Endress + Hauser Gmbh + Co. Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Grösse eines flüssigen oder festen Mediums
CN1864049A (zh) * 2003-10-20 2006-11-15 Saab罗斯蒙特储罐雷达股份公司 用于绝缘雷达水平计的方法和设备
CN1956258A (zh) * 2005-10-14 2007-05-02 Vega格里沙贝两合公司 具有清洗连接器的抛物型天线
CN101027815A (zh) * 2004-08-06 2007-08-29 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司 用于传输宽带高频信号的装置
US20160146924A1 (en) * 2014-11-26 2016-05-26 Honeywell International Inc. Intrinsic safety barrier circuit with series blocking capacitor

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB793953A (en) 1955-03-18 1958-04-23 Atomic Energy Authority Uk Improvements in or relating to apparatus for measuring and detecting the level of electricity-conducting material
US3277711A (en) 1963-05-24 1966-10-11 Rowell A Roberge Electronic liquid level indicator
US6956382B2 (en) * 2002-11-22 2005-10-18 Saab Rosemount Tank Radar Ab Isolation circuit
US7481672B2 (en) 2005-07-21 2009-01-27 Rosemount Tank Radar Ab Dielectric connector, DC-insulating through-connection and electronic system
US20090085794A1 (en) 2007-09-28 2009-04-02 Rosemount Tank Radar Ab Radar level gauge system
KR100957446B1 (ko) 2007-12-24 2010-05-11 순천향대학교 산학협력단 3차원 구조의 직렬 ｌ-ｃ 공진기 및 이를 이용한광대역통과여파기
DE102011010801B4 (de) 2011-02-09 2016-01-07 Krohne Messtechnik Gmbh Mikrowellensendeeinrichtung und Füllstandmessgerät
US9389113B2 (en) 2014-03-05 2016-07-12 Rosemount Tank Radar Ab Low power radar level gauge system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1083412A1 (de) * 1999-09-07 2001-03-14 Endress + Hauser Gmbh + Co. Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Grösse eines flüssigen oder festen Mediums
CN1864049A (zh) * 2003-10-20 2006-11-15 Saab罗斯蒙特储罐雷达股份公司 用于绝缘雷达水平计的方法和设备
CN101027815A (zh) * 2004-08-06 2007-08-29 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司 用于传输宽带高频信号的装置
CN1956258A (zh) * 2005-10-14 2007-05-02 Vega格里沙贝两合公司 具有清洗连接器的抛物型天线
US20160146924A1 (en) * 2014-11-26 2016-05-26 Honeywell International Inc. Intrinsic safety barrier circuit with series blocking capacitor

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190024888A (ko) 2019-03-08
RU2018142425A (ru) 2020-08-07
EP3482172A1 (en) 2019-05-15
US20180010948A1 (en) 2018-01-11
WO2018007095A1 (en) 2018-01-11
US10378947B2 (en) 2019-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109313058A (zh) 具有包括电滤波器的馈送电路的雷达物位计系统
CN207636147U (zh) 雷达物位计
US7259952B2 (en) Process control instrument intrinsic safety barrier
US11906345B2 (en) Guided wave radar level gauge with explosion proof housing and floating barrier
US7227495B2 (en) Radar fill-level sensing device
US20160262254A1 (en) Intrinsically safe radio frequency (rf) adapter
CN104145368B (zh) 绝缘电路以及通信设备
JP2017538930A (ja) 直列ブロッキングコンデンサを備える本質安全バリア回路
KR20100135810A (ko) 전기절연 통신링크를 갖는 레이더 레벨 게이지 시스템
CN101027815A (zh) 用于传输宽带高频信号的装置
US11662243B2 (en) Guided wave radar level gauge having an explosion proof housing with an intrinsically safe output
US11693087B2 (en) Pulsed radar level gauge with feedback of transmit pulse
WO2018140312A1 (en) Through air radar level transmitter with galvanic isolation
CN108474839B (zh) 基于带通滤波器的电隔离器
MX2008003310A (en) Printed circuit notch antenna

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190205