CN1293761A - 使用低功率雷达层级发射机测量过程产品介电常数 - Google Patents

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Abstract

一种使用低功率雷达层级发射机计算罐中产品的介电常数的方法。控制低功率时域反射计雷达( LPTDRR)电路,计算在终端(110)下部延伸进入罐中产品(26)传输微波能量和反射微波能量之间的时间延迟。按照一些具体实施例,作为时间延迟的函数计算产品的介电常数。按照另一些实施例,通过控制LPTDRR电路计算发射和接收脉冲的幅度,计算介电常数。产品的介电常数是作为发射和接收脉冲幅度的函数计算的。

Description

使用低功率雷达层级发射机测量过程产品介电常数
发明背景
过程控制工业使用过程变量发射机远程监控与物质有关的过程变量，例如固体、泥浆、液体、蒸汽、化学气体、纸浆、石油、药品、食物和处理食品的植物。过程变量包括压力、温度、流量、液面、混浊度、密度、浓度、化学合成及其它特性。过程变量发射机把在过程控制环路上有关检测到的过程变量的输出提供到控制室，以便监视和控制过程。
过程控制环路可为双线、4-20mA过程控制环路。根据这种过程控制环路，能量电平非常低，甚至在故障情况下，环路一般将不包括足够的电能量去产生火花。在易燃环境中，这是一个特殊的优点。过程变量发射机有时可以按这样低的能量电平工作，以至它们可以从4-20mA环路接收所有电能。按照过程工业标准协议如HART数字协议，控制环路也可以具有叠加在双线环路上的数字信号。
低功率时域反射计雷达(LPTDRR)已被用于测量存储灌中的过程产品的层级(液体或固体)。在时域反射计中，从一个源发射电磁能量，该能量不连续地反射。接收的脉冲传输时间根据它所传输的介质。已知一种类型的LPTDRR是微功率冲击雷达，它由劳伦斯．雷莫国家实验室研制。因为LPTDRR层级发射机基本上确定了作为微波信号传输到产品的界面或表面并返回的传输时间的函数的层级，还因为传输时间取决于微波传输通过的材料的介电常数，所以事先必须知道介电常数。当存储罐包括相互之间层叠的多种产品时，更必须知道材料的介电常数，因此，在具有不同介电常数的产品之间产生了多个界面。以前的LPTDRR层级发射机要求发射机的操作员输入产品的介电常数，以便确定多个界面的层级。在罐中确定一个或多个产品的介电常数的方法将是对现有技术的重大改进。
发明简述
(本发明)公开了一种方法和一种层级发射机，其计算罐中产品的介电常数。控制低功率时域反射计雷达(LPTDRR)的电路，以计算沿终端进入罐中产品的微波传输能量和微波反射能量之间的时间延迟。在某些实施例中，产品的介电常数是作为时间延迟的函数计算的。在其它实施例中，通过控制LPTDRR电路计算发射和接收脉冲的振幅来计算介电常数。产品的介电常数是作为发射和接收脉冲振幅的函数计算的。
附图简述
图1表示本发明实施例环境的过程控制系统图。
图2是本发明实施例的雷达层级发射机方框图。
图3是本发明另一实施例的雷达层级发射机方框图。
图4和图5是低功率时域反射计雷达(LPTDRR)等效时间波形可控制阈值的曲线图。
图6是本发明实施例可控制的接收阈值电路的示意图。
图7、9和12是实施图2微波发射机方法的流程图。
图8、10和11是LPTDRR等效时间波形的曲线图。
优选实施例的详细描述
图1是层级发设机100工作在安装到存储罐12、13、17、24的环境中，其至少包括一种产品。如图所示，罐12包括放置在第二产品15上的第一产品14。发射机100包括外壳16和终端110。发射机100连接到过程控制环路20，并把有关介电常数和／或过程产品的高度信息通过环路20发射到控制室30(控制室被模拟为电压源和阻抗)或其它连接到过程控制环路20的装置。环路20是发射机100的功率源，可以使用任何过程工业标准通信协议，例如，4-20mA、FoundationTM Fieldbus、HART。作为低功率雷达发射机，发射机100可以通过接收4-20mA过程控制环路的能量完全被供电。
图1显示了多种应用，在这些应用中，雷达介电常数测量是很有用的。例如，罐12中的过程产品14和15是液体，而罐13中的过程产品18(具有给定的静止角度)和19是固体。罐17中的过程产品21和22是液体，该液体的层级被传送到管23，并进入终端110延伸的产品。此外，罐24包括产品25和26，并具有安装在罐24顶部的辐射型终端。尽管图1显示了罐12、13、17和24，本发明的实施例可以工作在没有罐的环境，例如湖泊或蓄水槽。
图2和图3是发射机100的框图。图4和图5是本发明可控制阈值检测器的等效低功率时域反射计雷达(LPTDRR)发射／接收的曲线图。在外壳16内，发射机100包括LPTDRR电路205(图3所示)、LPTDRR电路控制器206(图3所示)和介电常数计算器240。控制器206通过连接207控制LPTDRR电路205，以便确定与罐12中产品14的介电常数成比例的参数。介电常数计算器240计算作为已确定参数的函数的产品14的介电常数。LPTDRR电路205包括发射脉冲产生器210和脉冲接收机220。
发射机100还包括阈值控制器230和任选的层级计算电路(图3所示)。阈值控制器230可以是LPTDRR电路205的一个部件。如图3所示，阈值控制器230、介电常数计算器240、层级计算电路250和LPTDRR控制器206可由微处理器255实施。然而，对这些功能可以使用具体的电路。在微处理器255中实施这些功能的实施例中，发射机100包括模／数转换器270。发射机还包括电源和输入／输出电路260(图3所示)，用于从环路20上接收功率馈电发射机100，以及在环路20上通信。这样的通信可包括在环路20上发射有关处理产品的信息。采用的电源电路可以为在环路20接收功率的发射机100提供单独的电源。
微波终端110可以是在层级发射机中已知的任何类型，可以是适当的传输线、波导或天线。传输线是从一个地方到另一个地方形成连续路径的材料边界的系统，并能够沿这个路径导引电磁波能量的传输。在某些实施例中，终端110是双导线天线，其具有连接在底部区域125的导线或导体115和120，并延伸进入罐12内的产品14和15，以及选择性地具有圆盘155。终端110也可以是单极天线、铜轴线、双线、单线、微带或辐射喇叭终端，并可以有任何适当数量的引线。
发射脉冲产生器210最好是连接到终端110的低功率微波源。在控制器206的控制下，产生器210产生微波发射脉冲或沿终端110发射进入产品14、15的信号。发射脉冲可以是任何频率的宽度范围，例如，大约250MHz和20GHz之间或更高。在一个实施例中，发射脉冲的频率是2．0GHz。等效时间波形300的基准脉冲310(图4和5所示)可以在圆盘155产生，或者通过其它装置指定发射／接收周期的开始。沿导线115和120发射的脉冲微波能量的第一部分在空气和产品14之间的第一产品界面127上反射。发射脉冲微波能量的第二部分在产品14和15之间的界面128上反射。如果罐12只包括产品14，没有产品15，界面128基本上是终端或罐的底部。在图4和5中，等效时间波形300的脉冲320表示空气和产品14之间的界面127上反射的微波能量，而脉冲330表示在界面128上反射的微波能量。本领域的技术人员知道，图4和5所示的波形可以改变而没有远离本发明的精神和范围。一般说来，如果产品14的介电常数小于产品15的介电常数，则脉冲330的幅度大于脉冲320的幅度。
脉冲接收机220是连接到终端110的低功率微波接收机。接收机220接收与第一产品界面127上发射脉冲第一部分发射对应的第一反射波脉冲(由图4和5中的脉冲320表示)。接收机220还接收对应第二产品界面127上发射脉冲第二部分发射的第二反射波脉冲(由图4和5中的脉冲330表示)。使用已知的低功率时域反射计雷达采样技术，脉冲接收机220产生一个输出等效时间LPTDRR波形300。
阈值控制器230接收波形300作为输入。在阈值控制器230和介电常数计算器240包含在微处理器255中的实施例中，模／数电路270把波形300数字化。为检测基准脉冲310，阈指控制器230产生阈值315、340和350，因此，在时间T1接收到脉冲310，检测反射波脉冲320，在时间T2接收到脉冲320，检测反射波脉冲330，在时间T3接收到脉冲330。用于检测基准脉冲310的阈值315可以是一个预定的恒定电压，或以已知的方式自动确定作为脉冲310峰值幅度的函数。阈值控制器230提供了图4所示的接收脉冲阈值340，该阈值电平由脉冲330超越。阈值控制器230提供了图5所示的接收脉冲阈值350，该阈值电平由脉冲320超越。阈值控制器230向介电常数计算器240和电路250提供输出，并根据检测的反射波脉冲320和／或330接收脉冲输出信息。
图6表示部分由分立电路构成的阈值控制器230，该电路产生可控制的阈值，如阈值340和350。阈值控制器230包括比较器400，其具有来自包括接收脉冲320和330的接收机220波形300的第一输入。作为第二个输入，比较器400接收可控制的模拟阈值电压，该电压是由数／模转换器410的输出提供的。转换器410从表示所要求阈值的微处理器255接收数字输入。比较器400的输出420提供到介电常数计算器240和层级计算电路250，作为接收脉冲320和330时间的显示。在第一个扫描周期期间，波形300被产生，控制转换器410为检测脉冲320提供阈值350。在随后的扫描周期期间，控制转换器410为检测脉冲330提供阈值340。可用阈值检测接收反射波脉冲的时间。也可以控制阈值，确定反射波脉冲的幅度。
图2中的介电常数计算器240连接到阈值控制器230，并适合于计算罐12中第一产品14的介电常数，该介电常数作为阈值控制器230提供的接收脉冲输出信息的函数。以下参照图7-12详细讨论计算介电常数时由电路240实施的方法。
微波信号传输距离和传输时间之间的关系显示在方程1中。
Figure 0080001100101
式中：T／2=微波脉冲到界面和从界面返回的传输时间的一半；εR=微波脉冲传输通过的材料的介电常数(对于空气εR=1)；C=光速D=从终端的顶部到界面的传输距离。
使用这个关系，可计算所测量材料的介电常数。微波传输时间取决于微波传输通过介质的介电常数。按照方程2所示的关系，介质的介电常数与传输时间成比例。
εR∝(A·Time)2    方程2式中：Time=通过介质的微波传输时间；A=比例常数
同样，按照方程3所示的关系，材料界面的反射脉冲的幅度与材料的介电常数成比例。式中：VR=反射脉冲的幅度
VT=发射脉冲的幅度
单独或组合使用方程2和3显示的关系，可以计算罐中一个或多个产品或材料的介电常数。
方法
计算产品14的介电常数的方法显示在图7中。该方法开始在方框500，通过控制低功率时域反射计雷达(LPTDRR)导引微波能量进入过程产品。在方框503，控制LPTDRR电路接收反射的微波能量。在方框505，控制LPTDRR电路测量与产品14的介电常数成比例的参数。然后，在方框510，使用方程2和／或方程3的关系，计算作为测量的参数函数的产品14的介电常数。
根据方程3的关系，计算产品14的介电常数的第一个比较特殊的方法使用阈值控制器230比较精确地测量发射的和接收的脉冲幅度。该方法显示在图8的曲线图中，并小结在图9的流程图中。本领域的技术人员知道，可以改变图8所示的波形而没有远离本发明的精神和范围。
开始在方框705的方法产生一个发射脉冲。发射脉冲沿着终端进入罐中的产品，并从表面127和128反射。在方框710，接收到第一个反射波脉冲。第一个反射波脉冲对应第一个产品界面127上反射的发射脉冲的第一部分。在控制LPTDRR电路205接收反射波脉冲之后，在方框715，计算第一个反射波脉冲的幅度。第一个反射波脉冲的幅度是与产品14的介电常数成比例的参数。
在方框720，计算作为第一个反射波脉冲的第一个产品的介电常数。如图8所示的等效时间LPTDRR波形520，发射脉冲(由基准脉冲530表示)具有发射幅度VT，而接收脉冲540具有接收幅度VR。用模／数转换器270数字化等效时间LPTDRR波形520，并用微处理器255分析数字化信号，或使用数／模转换器410设置比较器阈值，计算第一个反射波脉冲的幅度，并用方程3计算第一个产品的介电常数。因此。与产品14的介电常数成比例的计算的参数通常是第一个反射波脉冲的幅度和发射脉冲幅度之间的比。控制LPTDRR电路包括控制阈值控制器230，以调整阈值计算反射波脉冲540的幅度。
根据方程2的关系，计算产品14的介电常数的第二个比较特殊的方法使用阈值控制器230计算从表面128传输发射脉冲和反射脉冲之间的时间延迟。特别是，该方法计算微波通过产品14的已知距离的传输时间。该方法显示在图10和11的曲线图中，并小结在图12的流程图中。本领域的技术人员知道，可以改变图10和11所示的波形，而不致偏离本发明的精神和范围。
开始在方框805的方法产生一个发射脉冲。该发射脉冲沿着终端进入产品14和15。在方框810，接收到第一个反射波脉冲。并用阈值控制器检测。如方框815所示，第一个反射波脉冲的接收启动时钟，或指定时间周期的开始。下一步，接收第二个反射波脉冲，并在方框820检测。第二个反射波脉冲的接收指定时间周期的结束，如方框825所示，在此记录了时间周期。在方框830，计算了产品14的介电常数，该介电常数是所纪录的时间周期的函数，该时间周期是表明通过产品的已知距离，沿终端的微波传输时间。
图10和11显示了图12的方法。图10和11显示了对应充满不同罐的第一和第二产品的等效时间LPTDRR波形850和880，第一和第二产品分别具有第一和第二介电常数。在两个曲线图中，产品基本上完全覆盖了终端110的导线，或由已知距离覆盖它们。
如图10和11所看到的一样，发射脉冲(由基准脉冲860和890表示)和反射脉冲870和895(例如，对应罐12的底部或终端的反射或在产品到产品界面上的反射)之间的时间延迟从一种材料到另一种材料变化。这种变化是由于材料的不同介电常数。由时间差Δt1和Δt2进一步显示，在两种材料的每一种中，时间差表示对微波所要求传输相同采样距离的时间。在具有第一个介电常数的材料中，要求传输采样距离的时间是3．08ms，而在具有第二个介电常数的材料中，要求传输相同采样距离的时间是3．48ms。因此，微波信号的传输和在终端下的已知距离界面的反射之间的时间延迟可以被用来计算介电常数。
尽管本发明已经参考优选实施例进行了描述，但本领域技术人员知道，可以在形式和内容方面进行修改，而不偏离本发明的精神和范围。例如，可以组合上面论述的计算介电常数的方法计算多个介电常数，或提供多个准确的介电常数的计算。

Claims (23)

1．一种用于测量具有第一和第二产品界面的过程产品介电常数的低功率雷达层级发射机，所述发射机包括：
可伸入所述过程产品的终端；
连接到所述终端的脉冲发生器，所述脉冲发生器产生沿终端进入产品的微波发射脉冲，在第一个产品界面反射发射脉冲的第一部分，在第二个产品界面反射发射脉冲的第二部分；
连接到所述终端的脉冲接收机，所述脉冲接收机接收对应于第一产品界面反射的发射脉冲第一部分的第一反射波脉冲，并接收对应于第二产品界面反射的发射脉冲第二部分的第二反射波脉冲；
连接到所述脉冲接收机的阈值控制器，所述阈值控制器检测第一反射波脉冲是否至少满足第一个阈值，并根据第一反射波脉冲的检测提供接收脉冲输出信息；以及，
连接到阈值控制器的介电常数计算器。
2．按权利要求1所述的发射机，其特征在于所述介电常数计算器计算作为相对发射脉冲幅度的第一反射波脉冲幅度的函数的产品介电常数。
3．按权利要求1所述的发射机，其特征在于所述阈值控制器还检测第二反射波脉冲是否至少满足第二个阈值，并根据第一和第二反射波脉冲的检测提供接收脉冲输出信息。
4．按权利要求3所述的发射机，其特征在于第二个产品界面放置在沿终端长度的已知距离，接收脉冲输出信息表明通过产品的已知距离的发射脉冲的传输时间。
5．按权利要求1所述的发射机，其特征在于还包括连接到所述脉冲接收机的模／数转换器，该转换器把第一和第二反射波脉冲数字化，其中，阈值控制器和介电常数计算器包含在连接到模／数转换器的微处理器，该微处理器检测数字化的第一和第二反射波脉冲，并确定产品的介电常数。
6．按权利要求1所述的发射机，其特征在于所述阈值控制器包括：
具有第一和第二输入的比较器，第一输入连接到脉冲接收机，接收第一和第二反射波脉冲；
微处理器产生表示所要求阈值的数字输出；以及
连接到所述微处理器的数／模转换器，并接收数字输出，数／模转换器把数字输出转换为模拟阈值电压，并把模拟阈值电压提供给第二个比较器输入。
7．按权利要求1所述的发射机，其特征在于所述终端是双导线天线。
8．按权利要求1所述的发射机，其特征在于所述发射机连接到双线过程控制环路，该发射机还包括连接到双线过程控制环路的输出电路，用于在环路上发射有关产品的信息。
9．按权利要求8所述的发射机，其特征在于所述发射机还包括连接到双线过程控制环路的电源电路，用于从环路接收功率，并向发射机提供独立的功率源。
10．按权利要求9所述的发射机，其特征在于过程控制环路是4-20mA过程控制环路，它按照过程工业标准通信协议运行。
11．一种测量过程产品介电常数的低功率雷达层级发射机，所述发射机包括：
低功率时域反射计雷达(LPTDRR)电路；
用于控制LPTDRR电路的装置，该装置计算与产品的介电常数成比例的参数；以及
计算作为计算参数的函数的产品介电常数的装置。
12．按权利要求11所述的发射机，其特征在于计算的参数是接收脉冲的幅度。
13．按权利要求11所述的发射机，其特征在于计算的参数是通过产品的已知距离的微波传输时间。
14．一种使用低功率雷达层级发射机测量过程产品介电常数的方法，方法包括：
在发射机中控制低功率时域反射计雷达(LPTDRR)电路，以引导微波能量进入过程产品；
控制LPTDRR电路，从过程产品接收反射的微波能量；
控制LPTDRR电路，根据接收的微波能量计算与产品的介电常数成比例的参数；以及
计算作为计算参数的函数的产品介电常数。
15．按权利要求14所述的方法，其特征在于参数是在产品的界面上反射的微波能量的幅度。
16．按权利要求14所述的方法，其特征在于所述参数是在界面上反射的微波能量幅度和导引入过程产品的微波能量幅度之间的比。
17．按权利要求16所述的方法，其特征在于在发射机中控制LPTDRR电路计算参数还包括控制阈值控制器调整接收脉冲阈值，以计算产品界面上反射微波能量的幅度。
18．按权利要求14所述的方法，其特征在于参数是在终端的下部延伸进入产品的传输微波能量和反射微波能量之间的时间延迟。
19．按权利要求18所述的方法，其特征在于控制LPTDRR电路计算参数还包括计算沿终端传输的微波能量和从一表面反射的微波能量之间的时间延迟。
20．按权利要求19所述的方法，其特征在于所述表面是包含过程产品的罐的底部。
21．按权利要求19所述的方法，其特征在于所述表面是沿终端长度的已知距离产品的表面。
22．按权利要求19所述的方法，其特征在于计算作为计算的时间延迟函数的产品介电常数包括计算作为计算的时间延迟平方函数的产品介电常数。
23．一种包括机器可读程序的机器可读介质，该程序配置处理器，以执行下列步骤：
控制低功率时域反射计雷达(LPTDRR)电路，以引导微波能量进入过程产品；
控制LPTDRR电路，从过程产品接收反射的微波能量；
控制LPTDRR电路，根据接收的微波能量计算与产品的介电常数成比例的参数；以及
计算作为计算参数的函数的产品介电常数。
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