CN109579944B - 雷达物位计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达物位计(RLG)，包括：壳体，其包围用于提供防爆保护的室；RLG电路系统，其位于室内部，该RLG电路系统不符合本质安全要求；以及信号传播装置，其位于室外部。壳体具有：防爆第一信号通道，其提供用于微波发射信号的传输线路；以及防爆第二信号通道，其提供用于将雷达物位计与位于雷达物位计外部的本质安全系统进行导电连接的两线式接口。此外，RLG包括连接在RLG电路系统与两线式接口之间的电屏障器，该电屏障器防止RLG电路系统中的能量和/或热能损害与两线式接口连接的本质安全系统的本质安全性。

Description

雷达物位计
技术领域
本发明涉及一种雷达物位计，其具有被布置在壳体内的电路系统，该壳体包围用于提供防爆保护的室。
背景技术
雷达物位计(RLG)适用于测量包含在储罐中的物品例如工艺流体、粒状化合物和其他材料的填充物位。
这样的雷达物位计的示例可以包括：收发器电路，用于发射和接收微波；信号传播装置，其被布置成朝向表面引导微波并且将由表面反射的微波返回到收发器；以及处理电路系统，其适于基于由收发器发射和接收的微波之间的关系来确定填充物位。
信号传播装置可以是定向天线，其适于将自由传播的电磁波发射到储罐中并且接收这些波的反射。这样的RLG有时被称为非接触式RLG。替代地，信号传播装置可以是延伸到储罐中并且超出物品表面的传输线探针。这样的RLG有时被称为导波雷达(GWR)物位计。
在一些应用中，RLG在存在火灾和爆炸风险的环境中使用。在这样的应用中，RLG必须设计成避免点燃爆炸，为此基本上存在两种不同的方法，二者均具有相关的规范和安全规定。
根据第一种方法，RLG的电路系统被设计成是“本质安全”(IS)的，即电路系统中的可用的电能和热能受到限制，使得即使在最坏的情况下也不会发生危险气氛(爆炸性气体或粉尘)的点燃。对于IS概念的详细内容，请参阅于2012年9月25日检索到的Cooper CrouseHinds的“AN9003-A Users Guide to Intrinsic Safety”。
根据另一种方法，RLG是“防爆”(有时被称为“防火”或“防燃”)的，这表明不管电源如何，RLG电路系统中的任何爆炸都将包含在RLG中并且不会引起任何危险。防爆保护的国际标准的示例为IEC 60079-1。
防爆RLG的缺点在于：其通常无法在不损害安全要求的情况下连接至本质安全电源。换言之，为了符合IS环境，RLG需要本质安全。
另一方面，RLG的本质安全电路系统需要连接到IS电源。为了使本质安全电路系统能够与非IS电源连接，本质安全电路系统通常设置有所谓的IS屏障器，即，限制供给至电路系统的电流和电力的屏障器。因此，具有这样的IS屏障器的本质安全电路系统可以在不管电源如何的情况下保持其本质安全性。
通常，RLG设备的大多数供应商已经选择了后一种方法，并且大多数RLG如今是本质安全的。尽管提供了所需的多功能性，但该方法的显著缺点是电路系统的任何重新设计均需要在相关标准(例如IEC60079-11)下被认证。
因此，可以期望的是，放宽IS要求并且替代地具有一种可以在不损害安全规定的情况下连接至IS电源的防爆RLG(例如根据IEC 60079-1)。
发明内容
本发明的目的是提供一种防爆RLG，该防爆RLG可以在符合IS规定的情况下连接至IS电源。
根据本发明的第一方面，该目的和其他目的通过一种用于确定储罐中的物品的填充物位的雷达物位计来实现，该物位计包括：壳体，其具有壳体壁，该壳体壁包围用于提供防爆保护的室；RLG电路系统，其位于室的内部，该电路系统在使用时具有不符合本质安全要求的可用电能和/或热能；以及信号传播装置，其位于室的外部。壳体具有：壳体壁中的防爆第一信号通道，该第一信号通道在RLG电路系统与信号传播装置之间提供用于微波发射信号的传输线路；壳体壁中的防爆第二信号通道，该第二信号通道提供用于将雷达物位计与位于雷达物位计外部的本质安全系统进行导电连接的两线式接口，以提供以下中的至少一者：雷达物位计与本质安全系统之间的通信和向RLG电路系统供电。此外，RLG包括连接在RLG电路系统与两线式接口之间的电屏障器，该电屏障器防止RLG电路系统中的能量和/或热能损害与两线式接口连接的本质安全系统的本质安全性。
RLG电路系统“不符合IS要求”的事实基本上意味着对电路系统中的可用的电能和热能进行限制，使得不会发生危险气氛的点燃。例如，电容连接到可能超过某一限制的电压可以组合地使得能够获得可能点燃爆炸性气氛的电能。类似地，热电阻连接到可能超过某一限制的电力可以组合地使得能够获得可能点燃爆炸性气氛的热能。为了符合IS要求，电路必须包括确保(以给定的确定度)不出现这样的组合的部件。这会涉及限制电容量或热电阻量以及限制可以应用于这样的电容或热电阻的电压和电力。
本质安全(IS)的国际标准的示例是IEC 60079-0和IEC 60079-11，在此通过引用并入本文中。这些标准利用三个保护级别，即，“ia”、“ib”和“ic”，这三个保护级别试图平衡存在爆炸性气氛的可能性与发生点燃可能情况的可能性。级别“ia”提供最高保护级别并且通常被认为在最危险的地点(区域0)使用时是足够安全的，这是因为在安全性评估中考虑到了在两种“故障”的情况下为1.5的安全系数的可能性。级别“ib”在具有一个故障的情况下足够安全并且安全系数为1.5，其在不太频繁危险的区域(区域1)中使用时被认为是安全，并且级别“ic”被评估成在“正常操作中”具有为1的安全系数，其在不频繁危险的区域(区域2)中通常是可接受的。
本发明的电屏障器充当“返回IS屏障器”并且保护固有的本质安全系统免受RLG电路系统中的任何非IS电路系统的损害。这与“常规”IS屏障器相反，常规IS屏障器用于限制由非IS电源向IS电路传送的电压、电流和/或电力。本发明的屏障器仅确保防止例如不符合IS要求的电力或电压到达与RLG连接的本质安全系统。
作为RLG电路系统中可能存在的非IS电路系统的示例是在工作电压下具有不符合IS要求的能量存储容量的能量存储装置例如电容器。可能需要这样的能量存储装置以临时提供比从电源可获得的电力更多的电力。在测量周期的有限部分期间可能需要这样的增大电力，例如以生成发射信号。具有相对低电力的电源的示例是两线式控制回路，例如，4-20mA控制回路。
根据本发明的实施方式，电屏障器可以包括串联连接在RLG电路系统与两线式接口之间的至少一个二极管，由此防止来自RLG电路系统的能量到达本质安全系统。电屏障器还可以包括并联连接在两线式接口的线路之间的至少一个二极管，由此防止两线式接口处的负电压。为了限制二极管经受的电流和/或电力，电屏障器可以包括串联连接在RLG电路系统与两线式接口之间的至少一个熔断器和/或一个电阻器。
根据一个实施方式，信号传播装置可以是定向天线，在这种情况下，第一信号通道可以包括具有由结构强且耐温的材料制成的电介质填充构件的波导。
根据另一个实施方式，信号传播装置是传输线探针，在这种情况下，第一信号通道可以包括具有耦接至RLG电路系统的输入端和耦接至传输线探针的输出端的电滤波器/屏障器电路，电滤波器/屏障器电路呈现用于将RLG电路系统非导电地耦接至传输线探针的串联电容。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施方式。
图1是根据本发明的实施方式的非接触式RLG的示意图。
图2a和图2b是图1中的电屏障器的示例的更详细的框图。
图3是图1中的储罐馈通结构的更详细的截面图。
图4是根据本发明的实施方式的GWR RLG的示意图。
图5是图4中的储罐馈通结构的更详细的截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的雷达物位计(RLG)1的示意图。RLG 1被安装在储罐2上并且被布置成执行对诸如储罐2中的两种材料4、5之间的界面3的物位L之类的过程变量的测量。通常，第一材料是储存在储罐中的液体4例如汽油，而第二材料是储罐中的空气或其他气氛5。在一些应用中，储罐是很大的金属储罐(直径为10米的量级)。
雷达物位计1包括收发器电路系统6、处理电路系统7和信号/电力电路系统8。收发器电路系统6被配置成生成并发射电磁发射信号ST并且接收电磁返回信号SR。
RLG电路系统即收发器电路系统6、处理电路系统7和信号/电力电路系统8被布置在测量单元(MU)10中，测量单元10被安装到由金属材料——通常为钢——制成的储罐连接件12，储罐连接件12适于牢固地配装(例如螺栓连接或焊接)到储罐凸缘13。储罐连接件12适于提供用于使电磁信号通过储罐的壁的通道(优选地为压力密封的)，该通道将收发器电路系统6与信号传播装置连接，此处信号传播装置是延伸到储罐2中的呈天线喇叭形式的定向天线11。天线11被布置成充当适配器，其将自由传播的电磁波传输到储罐2中以被界面反射，此处该界面为储罐2中的物品4的表面3。具有定向天线的RLG通常被称为非接触式雷达(NCR)物位计。
基于发射信号ST与反射的返回信号SR之间的关系，处理电路系统可以确定参考位置(例如储罐的外部与内部之间的通道)与物品4的表面3之间的距离，由此可以推出填充物位L。应当注意，尽管本文中讨论了包含单种物品4的储罐2，但可以以类似的方式测量沿探针到任何材料界面的距离。
发射信号是高频信号，其频率大于1GHz，并且通常以6GHz或26GHz为中心。该发射信号可以是具有变化的频率的连续信号(调频连续波，FMCW)或者该发射信号可以是经调制的脉冲(脉冲雷达)。另外，其他类型的发射信号也是可能的。
信号/电力电路系统8被配置成允许将测量数据传送到RLG 1的外部并且还被配置成接收操作电力。电路系统8连接至本质安全系统9，例如，根据IEC 60079-11标准的“Ex-ia”系统。此处，系统是两线式4-20mA回路9。回路中的电流可以对应于模拟测量值(例如指示填充物位L)。替代地，可以使用诸如HART之类的适当协议跨两线式回路发送数字数据。
RLG电路系统6、7、8被封闭在由测量单元(MU)10的壳体14包围的防爆(有时也称为防火)室15中。防爆室15可能需要满足某些要求，例如由国际标准IEC 60079-1或类似标准详述的那些要求。例如，室可以符合IEC 60079-1标准的Ex-d要求。
然而，RLG电路系统6、7、8可以是非IS的，即不一定符合相关的本质安全要求。例如，RLG电路系统可以包括能量存储装置18，该能量存储装置18被配置成存储由信号/电力电路系统8提供的能量以周期性地允许增大的功耗。
IS要求规定了需要满足的一系列条件，这些条件包括给定的电压电平下的电容限制。例如，Ex-ia电路不可以包括：两端电压至少为5V的至少100μF的电容；两端电压至少为6.5V的至少25μF的电容；两端电压至少为8V的至少10μF的电容；两端电压至少为12V的至少2μF的电容；两端电压至少为16V的至少0.5μF的电容。
两个信号通道16、17形成在壳体14的壁14a中，二者将防爆室15连接到外部。两个通道都是防爆的，例如需要符合与室15相同的防爆要求。例如，通道可以符合Ex-d要求。
第一信号通道16(或馈通)位于MU 10与储罐连接件12之间。第一通道16提供用于RLG电路系统6、7、8与信号传播装置之间的高频(此处是微波)测量信号的传输线路，在这种情况下，该信号传播装置是天线11。第一通道也应当被设计成使得发射的微波信号符合本质安全要求。作为示例，第一通道可以被设计成符合IEC 60079-0的条款6.6.1中限定的要求。下面将具体参照图2和图5来讨论允许微波信号的符合传输的防爆通道的示例。
第二信号通道17位于壳体14的可进入点处并且提供电馈通，即通过壳体壁14a的用于将两线式控制回路9(或任何其他本质安全系统)连接至RLG1的导电两线式接口。
符合防爆要求(Ex-d)的电馈通在本领域中是可得的并且可以包括例如嵌入(铸造)在室壁中的接触销。然而，也需要确保潜在的非IS RLG电路系统6、7、8的连接不损害系统9(例如控制回路)的本质安全性。
为此，RLG1还包括电屏障器20，其连接在信号/电力电路系统8与导电接口之间。该电屏障器20被配置成防止RLG电路系统6、7、8中的能量或电压损害与RLG连接的本质安全系统9的本质安全性。在所示示例中，该屏障器20被指示为位于室15中，但也可以在室15的外部提供屏障器20。
图2a和图2b提供了这样的电屏障器20的两个简单示例。如图2a所示，屏障器20具有两个线路41、42，两个线路41、42在第一侧43和第二侧44之间延伸，第一侧43用于连接到潜在的非IS RLG电路系统6、7、8，第二侧44用于连接到本质安全系统9。此处包括第一组串联二极管45的第一电压调节部件被设置在线路41中的一个线路上，并且此处包括第二组串联连接的二极管46的第二电压调节部件连接在线路41与线路42之间。取决于RLG电路系统的特性例如能量储存量以及所使用的二极管的类型，每组包括一个二极管、两个二极管、三个二极管或更多个二极管可能是合适的。
在图2b中，每组二极管45、46包括三个二极管。此外，图2b中的屏障器20还包括电阻器47和熔断器48，二者与第一组二极管46串联连接。电阻器47将用于进一步限制返回电流，因此限制由保护二极管潜在地经受的电力/瞬态。如果提供熔断器48，则电阻器47可能是冗余的，并且仅需要限制通过熔断器的电流以符合熔断器的熔断能力。
回到测量单元14的壁14a中的第一防爆通道16，图3更详细地示出了测量单元14。这样的测量单元的更完整的描述可以在共同未决的美国专利申请15/204,194中找到，但下面将提供相关部分的简要描述，美国专利申请15/204,194在此通过引用并入本文中。
在图3中，收发器电路系统6被示意性地示出为布置在室15中的电路板21上的部件。馈送器装置22被布置成将来自收发器电路系统6的发射信号馈送到中空波导23a、23b，中空波导23a、23b经由也被称为馈通的通道16连接至天线11。
馈通16在此处包括：第一导电波导形成构件24，其形成中空波导的上部23a；以及第二导电波导形成构件25，其形成中空波导的下部23b。在波导部23a、23b之间布置有电介质插塞26，此处是融合到金属盘27中的圆柱形孔中的玻璃插塞。在电介质插塞26的任一侧上布置电介质阻抗匹配构件28、29，电介质阻抗匹配构件28、29具有嵌入电介质材料中的金属销30、31。构件28、29用于使玻璃插塞26的阻抗与中空波导部23a、23b的阻抗匹配。
注意，如图4中示意性示出的，本发明也可以在导波雷达(GWR)物位计中实现。与图1中的RLG类似，图4中的RLG包括壳体114，其包围收发器电路系统6、处理电路系统7和通信接口8。然而，在这种情况下，信号传播装置是从储罐连接件112向下延伸到储罐内的物品中的传输线探针111。通常地，探针111附接至储罐的底部，或者替代地，通过探针悬挂重物以保持探针竖直。
RLG101的操作与图1中的RLG 1的操作类似，但此处发射信号和返回信号沿探针111传播。物品4的表面3将沿着探针产生阻抗转变，这进而引起发射信号的反射，并且可以如上所讨论的那样确定填充物位。如上所述，测量原理可以是FMCW或脉冲雷达。
壳体114安装到储罐连接件112，该储罐连接件112在图5中被更详细地示出。储罐连接件112适于安装到储罐凸缘13。耦接装置被布置在储罐连接件112的开口中并且包括由一个或若干电介质套筒123围绕的中央探针连接器122。耦接装置通过紧固构件124例如螺纹盖保持就位。馈通结构112和耦接装置122、123、124提供了用于使信号通过储罐壁发射和返回的密封通道。
与图1中的RLG1类似，图4中的RLG 101具有第二信号通道116，该第二信号通道116呈储罐馈通的形式，其在这种情况下可以是壳体壁114a中的防爆(Ex-d)同轴连接件。如上所述，本领域技术人员将理解如何设置防爆导电馈通。
然而，为了确保在这种情况下的本质安全性，有必要避免探针连接器122与RLG电路系统之间的导电耦接。为此，在顶盖124处布置电滤波器125。
在共同未决的美国专利申请15/204,177中提供了对这样的电滤波器的完整描述，美国专利申请15/204,177在此通过引用并入本文中。简言之，滤波器125可以包括具有相对小的电容——例如小于10pF——的耦接电容器126。由于小电容，耦接电容器126将有效地抑制低频电信号通过滤波器125。通过抑制低频，可以仅通过保持微波信号的幅度小于给定阈值来确保本质安全性。换言之，电滤波器125的提供确保源自RLG电路系统的可能的低频信号将不能点燃储罐3中存在的可燃物质。当然，通过电滤波器125的高频信号必须是电力受限的并且必须符合与本质安全性(IS)有关的规定。
如美国专利申请15/204,177中进一步讨论的，耦接电容器126可以简单地包括被布置在第一电容器电极与第二电容器电极之间的电介质结构。电介质结构可以例如是电路板或测量电子单元壳体25的一部分。替代地，第一电容器电极和第二电容器电极被设置在电介质结构的同一侧上并且被电介质绝缘涂层覆盖。在又一种设计中，第一电容器电极和第二电容器电极以部分同轴构造的方式被布置在电介质结构中。
在由小电容耦接电容器126提供的简单电滤波器125的情况下，高频信号(例如1GHz)可以通过，同时低频信号满足非连接。例如，50Hz至60Hz下的250VAC将通过5pF导致小于1μA，而点燃氢气/空气混合物将需要至少约10mA。相应地，甚至图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性。通过利用耦接电容器配置例如如上所述的耦接电容器配置，可以使电低频分离确实可靠，这避免了需要部件重复(或三重)和/或昂贵且笨重的屏障器部件。
本领域技术人员意识到，本发明决不限于上述优选实施方式。与此相反，在所附权利要求的范围内许多修改和变型是可能的。例如，防爆通道或馈通可以以与给定示例中不同的方式来实现。此外，RLG电路系统的细节以及不符合IS要求的原因可以不同并且不一定与能量存储相关联。

Claims (16)

1.一种用于确定储罐中的物品的填充物位的雷达物位计，所述雷达物位计包括：
壳体，所述壳体具有壳体壁，所述壳体壁包围用于提供防爆保护的室；
雷达物位计电路系统，所述雷达物位计电路系统位于所述室的内部，所述雷达物位计电路系统在使用时具有不符合本质安全要求的可用电能和/或热能；
信号传播装置，所述信号传播装置位于所述室的外部，所述信号传播装置适于朝向所述物品引导微波发射信号并且返回所述微波发射信号从所述物品的表面的反射；
所述壳体壁中的防爆第一信号通道，所述防爆第一信号通道在所述雷达物位计电路系统与所述信号传播装置之间提供用于所述微波发射信号的传输线路；
所述壳体壁中的防爆第二信号通道，所述防爆第二信号通道提供用于将所述雷达物位计与位于所述雷达物位计外部的本质安全系统进行导电连接的两线式接口，以提供以下中的至少一者：所述雷达物位计与所述本质安全系统之间的通信和向所述雷达物位计电路系统供电；以及
电屏障器，所述电屏障器连接在所述雷达物位计电路系统与所述两线式接口之间，所述电屏障器防止所述雷达物位计电路系统中的能量或电压损害与所述两线式接口连接的所述本质安全系统的本质安全性,
其中，所述电屏障器包括并联连接在所述两线式接口的线路之间的至少一个第二二极管，由此防止所述两线式接口处的负电压。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述雷达物位计电路系统包括具有能量存储容量的至少一个能量存储装置，所述至少一个能量存储装置在施加至所述能量存储容量的电压下不符合本质安全要求。
3.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述雷达物位计电路系统包括具有大于600μJ的能量存储容量的至少一个能量存储装置。
4.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述雷达物位计电路系统包括以下中的一者：
两端电压至少为5V的至少100μF的电容；
两端电压至少为6.5V的至少25μF的电容；
两端电压至少为8V的至少10μF的电容；
两端电压至少为12V的至少2μF的电容；以及
两端电压至少为16V的至少0.5μF的电容。
5.根据前述权利要求中任一项所述的雷达物位计，其中，所述电屏障器包括串联连接在所述雷达物位计电路系统与所述两线式接口之间的至少一个第一二极管，由此防止来自所述雷达物位计电路系统的能量到达与所述两线式接口连接的本质安全系统。
6.根据权利要求5所述的雷达物位计，其中，所述电屏障器包括限制所述至少一个第一二极管经受的电流和/或电力的至少一个熔断器和/或一个电阻器。
7.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述电屏障器包括限制所述至少一个第二二极管经受的电流和/或电力的至少一个熔断器和/或一个电阻器。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述防爆第一信号通道适于确保传输通过所述防爆第一信号通道的高频能量符合IEC 60079-0的条款6.6.1中限定的要求。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述室以及所述防爆第一信号通道和所述防爆第二信号通道符合IEC 60079-1的Ex-d要求。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述本质安全系统符合IEC60079-11的Ex-ia要求。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述信号传播装置是定向天线。
12.根据权利要求11所述的雷达物位计，其中，所述防爆第一信号通道包括具有由结构强并且耐温的材料制成的电介质填充构件的波导。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述信号传播装置是传输线探针。
14.根据权利要求13所述的雷达物位计，其中，所述防爆第一信号通道包括电滤波器电路，所述电滤波器电路具有耦接至所述雷达物位计电路系统的输入端和耦接至所述传输线探针的输出端，所述电滤波器电路呈现将所述雷达物位计电路系统非导电地耦接至所述传输线探针的串联电容。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有大于1GHz的频率。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达物位计，其中，所述雷达物位计电路系统包括：
收发器电路系统，其被配置成生成并发射电磁发射信号ST并且接收从所述储罐反射的电磁返回信号；
处理电路系统，其被配置成基于所述发射信号与所述返回信号之间的关系来确定参考位置与所述物品的表面之间的距离；以及
信号/电力电路系统，其被配置成接收操作电力并且传送测量数据。
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