CN202533148U - 用于确定过程参数值的现场设备以及雷达料位测量系统 - Google Patents

Abstract

一种用于确定过程参数值的现场设备以及雷达料位测量系统。该现场设备包括：测量设备，用于确定过程参数值；用于确定过程参数值的可靠性的电路；以及信令电路，用于经由电流环向主机系统提供过程参数值以及过程参数值的可靠性的指示。信令电路能够在第一状态和第二状态之间设置，在第一状态下，作为数字信号提供可靠性的指示，而作为模拟DC值提供过程参数值，在第二状态下，作为预定模拟DC值提供可靠性的指示。由此，当主机系统能够接收数字信号时，可以减少计划外的过程中断的数量。

Description

用于确定过程参数值的现场设备以及雷达料位测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于确定过程参数值的现场设备以及雷达料位测量系统。 

背景技术

诸如雷达料位计的现场设备适合于用来测量诸如工艺流体、颗粒化合物和其它材料的产品的料位。这种雷达料位计的示例可以包括：微波单元，用于向表面发送微波，以及接收由表面反射的微波；处理电路，被布置为与微波单元通信，以及基于发送的微波和接收到的微波之间的关系来确定料位；接口，用于连接雷达料位计外部的所述处理电路；以及电力管理电路，向微波单元和处理电路提供工作电力。 

用于测量储存罐中的料位的雷达料位计和其它类型的现场设备可能经常通过诸如4-20mA工业环路的电流环，使用或者不使用叠加数字通信来与诸如控制室的远程位置进行通信。 

对于不使用叠加数字通信的4-20mA工业环路接口，可以发送的信息是有限的，因为仅流过电流环的电流的幅值可以用来承载信息。能够使用叠加数字通信的4-20mA工业环路通信协议的示例是HART协议。 

在来自现场设备的测量值的质量可能劣化的情形下，希望向主机系统提供测量值可靠性降低或劣化的指示。相应地，在由4-20mA工业环路接口连接的现场设备中，通常作为预定模拟电流值发送测量值可靠性降低的指示，而不管可靠性劣化的原因和严重程度。 

然而，如果现场设备是过程控制系统的一部分，则来自现场设备的测量值可靠性降低的指示可能导致直接的计划外的过程中断。这意味着过程可能由于诸如准确度降低的较不严重的状况而中断。因为这种计划外的中断可能既昂贵又花费时间，因此非常希望减少计划外的过程事件的发生。 

发明内容

鉴于现有技术的上述和其它缺点，本发明的主要目的是提供一种改进的向主机系统提供过程参数的值的可靠性的指示的方法和设备。 

根据本发明的第一方面，这些和其它目的通过从现场设备经由电流环向主机系统提供过程参数值的可靠性的指示的方法来实现，该方法包括步骤：确定过程参数值；确定过程参数值的可靠性；确定主机系统是否能够经由电流环接收数字信号；如果主机系统能够经由电流环接收数字信号，则经由电流环作为数字信号提供过程参数值的可靠性的指示，而作为模拟直流(DC)值提供过程参数值；如果主机系统不能经由电流环接收数字信号，并且确定过程参数值表现出降低的可靠性，则经由电流环作为预定模拟直流值提供降低的可靠性的指示。 

注意，根据本发明的方法决不局限于以任意特定顺序执行其步骤。 

本发明基于如下认知：在可能时，通过作为数字信号向主机系统提供测量的过程参数值的可靠性的指示，而作为模拟DC值提供过程参数值，可以达到过程中更少的计划外的中断。在现场设备经由电流环连接到主机系统的系统中，现场设备和主机系统之间的通信可以基于例如使用双线或者四线连接的电流环信令方案。经由电流环进行通信的主机系统依据主机系统的性质和配置，可能能够或者不能接收数字信号。根据本发明的各种实施例，确定主机系统是否能够接收数字信号。由此，由现场设备提供的信号的内容和格式可以被配置为与主机系统的能力匹配。 

相应地，本发明解决前述问题，即过程可能中断，而不管过程参数值的不可靠性的原因和/或严重性。例如，当测量的过程参数值具有降低的准确度，但是仍然在安全限制内并且不接近极值时，过程参数值可以被指示为表现出降低的可靠性。因此，通过在主机系统能够接收数字信号时向主机系统提供指示过程参数值可靠性降低的数字信号，同时作为模拟DC信号提供过程参数值，主机系统可以自动或者通过操作员来评估如何对可靠性降低的指示进行响应。因此，本发明的优点在于，可以减少计划外的过程中断的数量。代替计划外的中断，不可靠的指示可以在适当的时间允许过程的计划的中断，并且可以在计划的维护期间处置可靠性降低的来源。 

此外，可以针对每个测量的过程参数值提供过程参数值的可靠性的指示。可选地，可以仅在确定测量的过程参数值表现出降低的可靠性时，同样提供过程的可靠性的指示。指示测量值可靠性降低的数字信号可以包含能够由操作员手动地，或者由主机系统自动地得出关于过程参数值的可靠 性的结论的任意信息。 

根据本发明的一个实施例，可以自动进行确定主机系统是否能够接收数字信号的步骤。可以在现场设备或主机系统起动时、以预定时间间隔、在从主机系统请求时、每次确定过程参数值时自动进行该确定，或者可以连续地进行该确定。可选地，可以通过向现场设备手动提供输入设置，来进行对主机系统的能力的确定。可以在任意时间，例如在安装期间、在现场设备起动时或者在现场设备工作期间，向现场设备手动提供输入设置。 

在本发明的一个实施例中，确定主机系统是否能够接收数字信号的步骤可以包括：检测主机系统是否发送数字信号。主机系统例如可以通过发送数字信号，请求来自现场设备的诊断或其它信息。然后，可以采用主机系统对数字信号的发送，作为主机系统也能够发送数字信号的指示。此外，如果现场设备在预定时间跨度、超时时间段内未检测到数字信号，则可以确定为主机系统不能接收数字信号。 

根据本发明的一个实施例，确定主机系统是否能够接收数字信号的步骤可以包括：从现场设备发送请求来自主机系统的数字信号形式的响应的数字信号。为了确定主机系统是否能够接收数字信号，现场设备例如可以通过发送数字信号来请求来自主机系统的状态信息或者其它诊断信息。 

在本发明的一个实施例中，如果确定过程参数的可靠性降低，则包括过程参数值的可靠性的指示的数字信号有利地可以包括指示为何确定过程参数的可靠性降低的信息。主机系统或者操作员可以使用与可靠性降低的来源相关的信息，来进一步评估可靠性降低的指示的严重程度。由此，提供更好的用来决定如何处置可靠性降低的指示的基础。 

根据本发明的第二方面，上述和其它目的通过用于确定过程参数值的现场设备来实现，该现场设备包括：测量设备，用于确定过程参数值；用于确定过程参数值的可靠性的电路；以及信令电路，用于经由电流环向主机系统提供过程参数值的可靠性的指示，其中，信令电路能够在第一状态和第二状态之间设置，在第一状态下，作为数字信号提供可靠性的指示，而作为模拟DC值提供过程参数值，在第二状态下，作为预定模拟DC值提供可靠性。 

由此，当主机系统能够接收数字信号时，可以减少计划外的过程中断的数量。 

可以伴随每个测量的过程参数值来提供过程的可靠性的指示。可选 地，可以仅在确定测量的过程参数值的可靠性降低时提供过程的可靠性的指示。 

注意，可以作为一个或若干个单独的物理部件、单个部件内的单独的硬件块、或者由一个或若干个微处理器执行的软件中的任意一个，来提供用于确定过程参数值的可靠性的电路和信令电路。 

根据一个实施例，现场设备可以是用于确定储存罐的填充料位的雷达料位计。然而，现场设备同样可以是用于测量过程参数的任何其它现场设备，诸如温度传感器、压力传感器、流传感器等。 

根据一个实施例，电流环可以是4-20mA电流环。在4-20mA电流环中，通常以4-20mA的范围内的模拟DC值的形式提供信息。然而，也可以使用3.9mA和20.8mA之间的4-20mA范围之外的饱和值来表示有效测量水平。用来指示过程参数值的可靠性降低的预定模拟DC值例如可以是4-20mA范围外的诸如3.6mA或者22mA的值，或者其可以是主机系统被配置为作为指示测量值的可靠性降低的DC值来识别的另外的值。也可以使用“范围端”值4mA和20mA，或者上述饱和值来指示具有降低的可靠性的测量值。 

在一个实施例中，现场设备可以使用HART通信协议。在一些配置中，电流环也可以容纳数字信号。主机系统可以使用数字信号的示例是，主机系统假如正在使用利用频移键控(FSK)原理工作的HART通信协议。数字信号由分别表示位1和0的1.2kHz和2.2kHz两个频率构成。这两个频率的正弦波叠加在直流(DC)模拟信号线缆上，以提供同步的模拟和数字通信。因为FSK信号的平均值总是零，因此4-20mA模拟信号不受影响。 

本发明的该第二方面的其它实施例和通过本发明的该第二方面获得的效果与上面针对本发明的第一方面所描述的大体类似。 

根据本发明的第三方面，上述和其它目的通过雷达料位测量系统来实现，该雷达料位测量系统用于确定包含在储存罐中的产品的填充料位，该雷达料位测量系统包括：收发器，用于生成、发送和接收电磁信号；传播设备，其连接到收发器，并且被布置为向储存罐内的产品传播发送的电磁信号，以及向收发器返回通过发送的电磁信号在包含在储存罐中的产品的表面反射而获得的表面回波信号；处理电路，其连接到收发器，并且包括：填充料位确定电路，用于基于表面回波信号来确定填充料位；可靠性确定 电路，用于确定所确定的填充料位的可靠性；以及信令电路，用于经由电流环向主机系统提供所确定的填充料位和所确定的填充料位的可靠性的指示，其中，信令电路能够在第一状态和第二状态之间设置，在第一状态下，作为数字信号提供可靠性的指示，而作为模拟DC值提供所确定的填充料位，在第二状态下，作为预定模拟DC值提供可靠性的指示。 

“收发器”可以是能够发送和接收电磁信号的一个功能单元，或者包括单独的发送器和接收器单元的系统。 

“传播设备”可以是能够传播电磁信号的任意设备，包括发送线路探测器、波导以及诸如喇叭形天线、阵列天线等的各种类型的天线。 

本发明的该第三方面的其它实施例和通过本发明的该第三方面获得的效果与上面针对本发明的第一和第二方面所描述的大体类似。 

附图说明

现在，参考示出本发明的示例实施例的附图，更详细地描述本发明的这些和其它方面，在附图中： 

图1a和1b示意性地示出安装在示例性储存罐中的根据本发明的实施例的雷达料位测量系统； 

图2示意性地示出图1a中的雷达料位测量系统的示例性应用；以及 

图3是示意性地示出根据本发明的方法的示例性实施例的流程图。 

具体实施方式

在本详细描述中，参考用于确定包含在储存罐中的产品的填充料位的雷达料位计，来主要讨论根据本发明的现场设备的各种实施例。注意，这决不限制本发明的范围，本发明同样适用于经由电流环向主机系统提供过程参数的可靠性指示的其它现场设备，诸如温度传感器、压力传感器、流传感器等。 

此外，主要对通过测量发送的脉冲和反射的脉冲之间的时间的填充料位确定进行参考。然而，对于相关领域技术人员很明显，本发明的教导同样适用于利用通过例如频率调制连续波(FMCW)测量来确定填充料位的相位信息的雷达料位计。当使用在载波上调制的脉冲时，也可以利用相位 信息。 

图1a示意性地示出根据本发明的实施例的雷达料位测量系统1，雷达料位测量系统1包括测量电子设备单元2和具有基准反射器4的探测器3。将雷达料位测量系统1设置在储存罐5上，储存罐5部分地填充了要测量的产品6。通过分析由探测器3向产品6的表面7引导的发送信号S_T以及从表面7返回的反射信号S_R，测量电子设备单元2能够确定基准位置(例如储存罐顶部)和产品6的表面7之间的距离，由此能够得出填充料位。应注意，虽然这里讨论包含单个产品6的储存罐5，但是可以以类似的方式测量沿着探测器到任意材料界面的距离。雷达料位测量系统1还经由电流环9连接到主机系统8。 

如图1b中示意性地示出的，电子设备单元2包括：收发器10，用于发送和接收电磁信号；处理单元11，其连接到收发器10，用于控制收发器和对由收发器接收到的信息的处理，以确定储存罐5中的产品6的填充料位。处理单元11经由接口12连接到电流环9。此外，虽然在图1b中未示出，但是雷达料位测量系统1可以连接到外部电源，可以包括内部电源，并且/或者可以通过电流环9来供电。 

现在，参考对图2所示的储存罐中的雷达料位测量系统的示意性图示以及图3所示的概述该方法的步骤的流程图，来描述根据本发明的实施例的示例性方法。 

在图3中的第一步骤301中，确定储存罐5的填充料位。该确定例如可以基于在储存罐中的大气和包含在储存罐中的产品之间的界面处，在电磁信号的发送和对其反射的接收之间测量的时间。在测量填充料位时，在储存罐5中的产品6的表面7上方的大气中，可能存在改变浓度和构成的蒸汽21。另外，蒸汽21可能具有依据诸如温度和湿度的外部环境状况而改变的性质。因为电磁信号沿着发送线路探测器3的传播性质可能取决于探测器3周围的大气的介质常数，因此储存罐5中的蒸汽21的存在可能影响测量值。特别地，前述蒸汽的性质和蒸汽的介电常数之间的关系可能是未知的。因此，为了避免由蒸汽可能对发送信号和反射信号的传播性质的未知影响而导致的测量误差，使用基准反射器4来校准测量，以对蒸汽的存在进行补偿。 

可以使用位于沿着探测器3的已知位置的基准反射器4，测量到基准反射器4的距离，以及将测量的距离与已知距离进行比较，来进行校准。由此，可以计算针对具体信号的传播性质的校准因数。然后，使用校准因 数来校准到包含在储存罐5中的产品6的表面7的测量距离，由此使得在储存罐内的大气的传播性质变化相对大的应用中，也能够对储存罐中的填充料位进行准确测量。基准反射器4可以实现为能够反射沿着探测器3迁移的电磁信号的结构，并且可以通过探测器外部的结构、探测器中的内部结构或其组合来获得。在其它实施例中，如在US 7 525 476中所描述的，可以使用多个基准反射器，将US 7 525 476的全部内容通过引用合并于此。此外，可以作为相同或不同的反射结构来提供不同的基准反射器。 

在接下来的步骤302中，确定过程参数值的可靠性。如果找到了产品的表面，并且也接收到了来自基准反射器的回波，则能够假设测量是可靠的。然而，如果由于某些原因而没有正确地检测到或者根本未检测到来自基准反射器的回波(这可能是基准反射器4被污染或者从探测器3跌落的情况)则可能仍然获取了填充料位的值，但是其被视为较不可靠，因为不能正确地校准该测量。相应地，确定所获取的测量值的可靠性降低。 

在下面的步骤303中，确定主机系统8是否能够接收数字信号。由检测主机系统8是否发送了数字信号的现场设备1进行对主机系统8的能力的确定。如果现场设备1在预定时间段内接收到了来自主机系统8的数字信号，则确定主机系统也能够接收数字信号。如果在预定时间段内没有接收到数字信号，则确定主机系统8不能接收数字信号。 

如果在步骤303中确定为主机系统8能够接收数字信号，并且对于例如不能检测到基准反射器4，但是雷达料位计1确定了填充料位的情况，则根据步骤304，雷达料位计1作为模拟DC值提供所确定的填充料位，同时还向主机系统8提供指示所确定的填充料位的可靠性降低的数字信号。该数字信号可以包括可靠性降低的来源是缺少来自基准反射器的回波信号的指示。对可靠性降低的来源的说明例如可以允许主机系统或者操作员将接收到的可靠性降低的测量值解读为在特定范围内。在正常情况下，当在步骤302中确定过程变量值具有其正常的高可靠性时，可以在步骤304中作为数字信号提供是这种情况的指示。换句话说，在主机系统能够接收数字信号的情况下，可以总是向主机系统提供过程变量值的可靠性的指示。 

如果在步骤303中确定主机系统不能接收数字信号，则过程进行到步骤305，确定过程变量值是否表现出降低的可靠性。在正常情况下，当确定过程变量值表现出正常(高)可靠性时，过程进行到步骤306，作为诸如4mA和20mA之间的电流值的模拟DC值向主机系统8提供过程变量值。 

另一方面，如果在步骤305中确定过程变量值表现出降低的可靠性，则过程进行到步骤307，根据步骤307，作为预定模拟DC值(例如21.75mA)向主机系统提供测量值的可靠性降低的指示。 

本领域技术人员应当认识到，本发明决不局限于上述示例实施例。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多变型和变化。例如，注意，前述仅仅是不可靠的示例性来源，可能存在多种原因，例如温度变化、探测器污染或者电磁干扰，使得测量的填充料位被视为表现出降低的可靠性。此外，本发明的大体构思同样适用于经由电流环连接到主机系统的，希望提供测量的过程参数值的可靠性的指示的任意现场设备。 

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或者步骤，不定冠词“a”或者“an”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中叙述特定测量的简单事实，不指示这些测量的组合不能被用于进行改进。 

Claims (6)

1.一种用于确定过程参数值的现场设备，包括：

测量设备，用于确定过程参数值；

用于确定所述过程参数值的可靠性的电路；以及

信令电路，用于经由电流环向主机系统提供所述过程参数值以及所述过程参数值的所述可靠性的指示，

其中，所述信令电路能够在第一状态和第二状态之间设置，在所述第一状态下，作为数字信号提供所述可靠性的指示，而作为模拟直流值提供所述过程参数值，在所述第二状态下，作为预定模拟直流值提供所述可靠性的指示。

2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场设备是用于确定包含在储存罐中的产品的填充料位的雷达料位计。

3.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述电流环是4-20mA电流环。

4.一种雷达料位测量系统，用于确定包含在储存罐中的产品的填充料位，所述雷达料位测量系统包括：

收发器，用于生成、发送和接收电磁信号；

传播设备，其连接到所述收发器，并且被布置为向所述储存罐内的所述产品传播发送的电磁信号，以及向所述收发器返回由所发送的电磁信号在包含在所述储存罐中的所述产品的表面处的反射而获得的表面回波信号；

处理电路，其连接到所述收发器，并且包括：

填充料位确定电路，用于基于所述表面回波信号来确定所述填充料位；

可靠性确定电路，用于确定所确定的填充料位的可靠性；以及

信令电路，用于经由电流环向主机系统提供所确定的填充料位和所确定的填充料位的可靠性的指示，其中，所述信令电路能够在第一状态和第二状态之间设置，在所述第一状态下，作为数字信号提供所述可靠性的指示，而作为模拟直流值提供所确定的填充料位，在所述第二状态下，作为预定模拟直流值提供所述可靠性的指示。 

5.根据权利要求4所述的雷达料位测量系统，其中，所述传播设备包括天线。

6.根据权利要求4所述的雷达料位测量系统，其中，所述传播设备包括发送线路探测器。 

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