CN203163826U

CN203163826U - 适用于无线通信的由电池供电的料位计系统

Info

Publication number: CN203163826U
Application number: CN2012204834028U
Authority: CN
Inventors: 莱夫·尼尔森; 哈坎·德林; 哈坎·尼贝里
Original assignee: Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: CN103512633B; CN103512633A; EP2680605A3; US20140002274A1; EP2680605A2; EP2680605B1; US8970395B2

Abstract

本实用新型涉及一种适用于无线通信的由电池供电的料位计系统。由电池供电的料位计系统包括：测量单元，用于测量填充料位，该测量单元是在活动状态与非活动状态之间可控的，该非活动状态具有比活动状态更低的能耗；以及无线通信单元，其连接至测量单元以用于从测量单元取回指示填充料位的值以及向远程设备无线发送指示填充料位的值。该无线通信单元是在活动状态与非活动状态之间可控的，该非活动状态具有比活动状态更低的能耗。

Description

适用于无线通信的由电池供电的料位计系统

技术领域

本发明涉及一种使用无线通信向远程设备提供指示容纳在储罐中的产品的填充料位的值的由电池供电的料位计系统。

背景技术

料位计设备如雷达料位计被广泛用于各种应用中，例如加工工业中或用于监测用于存储产品的储罐。一般，通过线缆向料位计系统提供用于操作的电能，并通过线缆与远程设备如主机系统通信。用于安装的线缆会相当复杂和昂贵，而且灵活性会受到限制。因此，完全不需要任何线缆的现场设备已经变得越来越受欢迎。这种无线料位计系统被配置成使用无线通信协议例如无线HART与远程设备通信，并且包括用来提供用于无线料位计系统的操作的电能的本地能量存储设备，例如电池。

然而，对于一般的无线现场设备，尤其是无线料位计系统，重要的是保持平均能耗较低以避免用于更换电池等的频繁维护。对于执行相对复杂的测量任务的雷达料位计尤其如此。雷达料位计向容纳在储罐中的产品的表面传播电磁发射信号，接收作为发射信号在产品的表面处的反射的电磁反射信号，并且基于电磁发射信号从雷达料位计到表面并返回的飞行时间来确定填充料位。

US2008/0278145公开了适用于无线通信的过程测量仪器，该过程测量仪器包括测量单元、无线通信单元、仲裁逻辑和公用存储器。测量单元和无线通信单元能够独立地对公用存储器进行写入和读取。在操作中，测量单元和无线通信单元通过公用存储器共享信息，并且仲裁逻辑确保测量单元和无线通信单元不同时活动。

尽管根据US2008/0278145的解决方案提供了用于无线通信的现场设备的低平均能耗，然而会期望提供一种至少对于一些应用会更易于实现和/或甚至更具成本效益的替代解决方案。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的总体目的是提供适用于与远程设备无线通信的由电池供电的料位计系统的更简单和/或更具成本效益的操作。

根据本发明，因此提供一种用于使用无线通信向远程设备提供指示容纳在储罐中的产品的填充料位的值的由电池供电的料位计系统，该料位计系统包括：测量单元，用于测量填充料位，该测量单元是在活动状态与非活动状态之间可控的，非活动状态具有比活动状态更低的能耗；无线通信单元，其连接至所述测量单元，以用于从测量单元取回指示填充料位的值，以及向远程设备无线发送指示填充料位的值，无线通信单元是在活动状态与具有比活动状态更低能耗的非活动状态之间可控的；以及本地能量存储设备，其连接至测量单元和无线通信单元以用于提供足以进行测量单元和无线通信单元的操作的能量，其中，测量单元被配置成：响应于来自无线通信单元的测量请求信号来测量填充料位；以及在测量了填充料位之后向无线通信单元提供测量就绪信号；并且无线通信单元被配置成：向测量单元提供启动信号以将测量单元从其非活动状态切换到其活动状态；向测量单元提供测量请求信号以请求测量填充料位；在向测量单元提供了测量请求信号之后将无线通信单元从其活动状态切换到其非活动状态；响应于从测量单元接收到的测量就绪信号将无线通信单元从其非活动状态切换到其活动状态；从测量单元取回指示填充料位的值；以及向远程设备无线发送指示填充料位的值。

与由电池供电的料位计系统通信的远程设备例如可以是包括若干不同的现场设备的系统的无线主机。

本发明基于以下认识：可以通过提供相互独立运行的无线通信单元和测量单元并且根据无线通信单元处理测量单元的调度的特定方案操作由电池供电的料位计系统，来实现由电池供电的料位计系统的能量高效操作。根据该创新性方案的实施例，无线通信单元命令测量单元暂时醒来，给测量单元提供测量请求信号，然后使自身进入休眠直到其接收到来自测量单元的测量就绪信号为止。测量就绪信号唤醒无线通信单元，无线通信单元从测量单元取回测量值，然后使测量单元回到休眠。因此，无线通信单元和测量单元仅在较短时段内是同时活动的，从而仅需要标准的电路。例如，不需要双端口存储器，这是由于无线通信单元暂时唤醒测量单元以取回要无线发送给远程设备的指示填充料位的值。

通过本发明的各种实施例，无线通信单元能够调度料位测量事件以适应无线通信事件，使得被无线传递给远程设备的料位测量值是最近确定的值。而且，分开的结构允许无线通信单元和测量单元的单独优化，使得无线通信单元可以例如在能量效率方面被优化，而测量单元可以例如在性能方面被优化。随着时间的推移，这能够提供能量更高效的操作和更长的电池寿命，这是由于填充料位测量事件可以相对快速地发生并且测量单元在无线通信单元已从测量单元取回填充料位测量值之后被无线通信单元关断。

有利地，可以使用第一通信信道传送测量就绪信号，并且可以使用与第一通信信道不同的第二通信信道取回指示填充料位的值。例如，第一通信信道可以是专用离散信号通道，而第二通信信道可以是通信接口，例如串行数据接口或并行数据接口。第一通信信道可以是单路通道，而第二通信信道可以是双向的。

根据本发明的各种实施例，向远程设备无线发送指示填充料位的值的步骤可以发生在用于无线通信的时隙期间，用于无线通信的相继时隙相互分隔开一个时间间隔，并且无线通信单元可以控制测量单元在作为该时间间隔的后半段的测量时间段期间测量填充料位。

由此，将在用于无线通信的下一个时隙之前完成填充料位测量，而同时在时间间隔内足够晚地执行填充料位测量以使得能够向远程设备提供“新的”填充料位测量值。这在填充料位波动时会尤其重要。因此，无线通信单元可以控制测量单元使得测量时间段基于先前的填充料位测量值的结果。可以通过由电池供电的料位计系统或通过远程设备来确定这种对测量时间段的动态控制。控制测量时间段在时间间隔内较晚发生在更新速率相当低的情况下也会尤其重要。对于一些应用和/或在一些操作状况下，时间间隔可以长达10分钟或更长。

因此，可以有益的是，在用于无线通信的时隙之间的间隔的最后部分提供填充料位。通过本发明的各种实施例，这能够在无需保持无线通信单元和测量单元中的任何单元活动较长时间的情况下实现。

对于各种应用，可以有益的是，在时间间隔内甚至更晚地调度填充料位测量，例如在时间间隔的最后十分之一内。

根据各种实施例，无线通信单元可以在时间间隔的后半段期间向测量单元提供启动信号和测量请求信号。

替代地或另外地，可以通过测量请求信号将测量时间段的定时编码。

在无线通信单元从测量单元取回了指示填充料位的值之后，无线通信单元可以有利地向测量单元提供停用信号以将测量单元从其活动状态切换到其非活动状态。这将确保测量单元在无线通信期间不是活动的，并且由电池供电的料位计系统的总能耗将被降低。

根据本发明的各种实施例，在从无线通信单元向测量单元提供测量请求信号的步骤之后，该方法还包括步骤：控制定时器在预定暂停时段之后将无线通信单元从其非活动状态切换到其活动状态，该预定暂停时段长于到从测量单元接收到测量就绪信号的预期时间段。这提供了处理在预期时间没有接收到测量就绪信号的可能情况的简单且高效的方式。如果通过预设暂停而不是通过测量就绪信号将无线通信单元从其非活动状态切换到其活动状态，则无线通信单元可以寻找测量就绪信号迟到的原因。如果这是由于特别困难的测量条件，则无线通信单元可以允许更长时间直到从测量单元取回测量结果为止。如果测量单元出现故障，则这可以被无线通信设备传递给远程设备以允许对由电池供电的料位计系统的维护。

有利地，由电池供电的料位计系统可以为雷达料位计系统。在这种实施例中，通过向容纳在储罐中的产品的表面发射电磁发射信号、接收由电磁发射信号在表面处的反射而产生的电磁反射信号、以及基于电磁反射信号确定填充料位，来测量填充料位。向储罐内部的产品的表面发射的电磁发射信号可以是脉冲串或基本连续的信号。在脉冲串的情况下，脉冲可以是DC脉冲或调制载波信号。此外，根据情况，可以使用不同的方法确定电磁信号到达表面并返回的飞行时间，例如所谓的TDR（时域反射计）或FMCW（调频连续波）。

应当注意的是，测量单元和无线通信单元中的任一个或两个可以包括被实现为包括在由电池供电的料位计系统中的一个或若干个微处理器的处理电路。

有利地，本地能量源例如可以包括电池和/或超级电容器。

在使用电磁信号的飞行时间来确定填充料位的实施例中，传播设备可以是能够传播电磁信号的任何设备，包括传输线探针、波导和各种类型的辐射天线，例如喇叭形天线、抛物面天线、杆状天线、阵列天线等。

在根据本发明的由电池供电的料位计系统的各种实施例中，无线通信单元可以包括定时器，并且无线通信单元还可以被配置成：控制定时器在预定暂停时段之后将无线通信单元从其非活动状态切换到其活动状态，该预定暂停时段长于到从测量单元接收到测量就绪信号的预期时间段。有利地，定时器可以是无线通信单元的一部分。

附图说明

现在将参照示出了本发明的示例实施例的附图来更加详细地描述本发明的这些方面和其它方面，在附图中：

图1示意性地示出被设置成确定储罐的填充料位的根据本发明实施例的料位计系统；

图2是图1中的料位计系统的示意性框图；

图3是概述使用该料位计系统的方法的流程图；以及

图4a至图4c示意性地示出用于图1中的料位计系统的间歇性操作的驱动方案的示例。

具体实施方式

在这里的详细描述中，主要参照具有例如为喇叭形天线的自由传播天线的由电池供电的雷达料位计系统来讨论根据本发明的系统的各种实施例，该由电池供电的雷达料位计系统用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位。应当指出，这不限制本发明的范围，本发明同样可应用于其他类型的由电池供电的料位计系统，包括使用超声信号或电容测量技术来确定储罐中的产品的填充料位的料位计系统。此外，对于由电池供电的雷达料位计系统的情况，可以使用其他传播设备，包括其他自由传播天线，例如杆状天线、片状天线、固定的或可移动的抛物面天线或锥形天线、以及波导，例如静止管、传输线、或探针，例如单线探针（包括所谓的高保（Goubau）探针）、双线探针或同轴探针。

图1示意性地示出了布置在储罐2顶部的用于使用微波来确定容纳在储罐2中的产品3的填充料位料位计系统1。因此，以下将料位计系统1称为雷达料位计系统或RLG系统。

雷达料位计系统1包括：测量单元5；传播设备，其在此为用于朝向容纳在储罐2中的产品3的表面7传播微波的喇叭形天线6的形式；以及用于允许与远程设备进行无线通信的通信天线8。

当测量容纳在储罐2中的产品3的填充料位时，雷达料位计系统1通过天线6向产品3的表面7发射电磁发射信号S_T，该信号在表面7处被反射为表面回波信号S_R。然后基于表面回波信号S_R的飞行时间来确定储罐2顶部的基准位置与产品3的表面7之间的距离。根据该距离和储罐2的已知尺寸，可以推断出填充料位。

应当注意的是，尽管本文中讨论包含单个产品3的储罐2，但是可以以相似的方式测量到存在于储罐2中的任何材料界面的距离。

参照作为图1中的测量单元5的框图的图2，图1中的料位计系统1的测量单元5包括测量单元（MU）10、无线通信单元（WCU）11和电池12。有利地，无线通信单元11可以遵守WirelessHART（IEC62591）。

如图2中示意性地示出的，测量单元10包括第一输出端14、第二输出端15、以及第一输入端16。第一输出端14通过第一专用离散线连接至无线通信单元11的第一输入端17，第二输出端15连接至无线通信单元11的第二输入端18，并且第一输入端16通过第二专用离散线连接至无线通信单元11的第一输出端19。测量单元10的第二输出端15和无线通信单元11的第二输入端18可以被配置成根据串行或并行通信协议处理双向数据通信以允许测量单元10与无线通信单元11之间的数据交换。以下将结合根据本发明的方法的示例实施例的描述来更详细地描述使用不同输入端/输出端进行的测量单元10与无线通信单元11之间的通信。

现在将参照图2中的框图、图3中的流程图和图4中的时序图来描述由电池供电的料位计系统1的操作。

图3示意性地示出左侧由无线通信单元（WCU）11执行的步骤和右侧由测量单元（MU）10执行的步骤。在两个流程图之间使用箭头表示WCU11与MU10之间的交互。

在下文中，将按时间顺序描述所执行的步骤，这意味着，描述将在两个流程图之间交替。然而，将清楚地表示出哪个单元执行所讨论的不同的方法步骤中的相应步骤。此外，由WCU11执行的方法步骤将从100开始编号，而由MU10执行的方法步骤将从200开始编号。

在第一步骤100中，WCU11通过向MU10发送启动信号S_A来启动MU10。启动信号S_A从WCU的第一输出端19输出并且被直接路由至MU10的第一输入端16，并且MU被配置成响应于在第一输入端16接收到的信号从可以是完全或几乎完全关断的非活动状态转换到活动状态。

因此，在第一步骤200中，MU10响应于在第一输入端16接收到启动信号S_A而醒来/上电。

WCU11的下一个步骤101是向MU10发送测量请求信号S_MRQ。测量请求信号S_MRQ被从WCU的第二输出端（I/O）18发送至MU10的第二输入端（I/O）15，并且将测量请求消息编码。测量请求消息可以包括各种测量参数，包括测量定时参数t_M，该测量定时参数t_M可以指示到MU10应当开始用于测量填充料位的过程的时间。在WCU11向MU10发送了测量请求信号S_MRQ之后，在步骤102中WCU11设置内部定时器。随后，在步骤103中WCU11将自身切换到其非活动状态。在步骤102中设置内部定时器以确保在MU10花费比预期时间更长的时间来完成填充料位测量或根本不提供测量值的情况下将WCU切换回其活动状态。这将在下面进一步更详细地描述。

再次回到图3中右侧由MU10执行的步骤，在步骤201中，MU10通过其第二输入端（I/O）15接收测量请求信号S_MRQ，并且提取测量参数，包括测量定时t_M。在测量定时指示填充料位测量不应立即发生的情况下，在随后的步骤202中MU10基于测量定时t_M设置内部定时器并且转换至其非活动状态。

在测量定时t_M指示的时间之后，在步骤203中MU10醒来并且执行填充料位测量。当测量已执行并且MU10已确定指示填充料位的值时，MU10在步骤204中从其第一输出端14向WCU11的第一输入端17发送测量就绪信号S_RD。

再次回到图3左侧与WCU11有关的流程图，根据如何启动WCU来采取不同的动作。参照步骤104，如果来自MU10的测量就绪信号S_RD在内部定时器提供内部唤醒信号之前被接收到，则在步骤105中WCU由于接收到来自MU10的测量就绪信号S_RD而被从其非活动状态切换到其活动状态。然后WCU将进行到步骤106从而使用串行或并行数据接口从MU10取回测量数据。在WCU11取回了测量数据之后，在步骤107中WCU11向MU10发送关断信号S_SD，并且在步骤108中向远程设备例如主机发送指示填充料位的值。在步骤205中MU10响应于关断信号S_SD而关断。

如果在步骤102中设置的暂停在WCU11接收到来自MU10的测量就绪信号S_RD之前到期，那么在步骤109中WCU11代替地通过来自内部定时器的信号从其非活动状态切换到其活动状态。之后，WCU11进行到下一步骤110以采取适当的动作，例如检查MU10的状态以确定测量就绪信号S_RD迟到或未出现的原因。

参照图4a至图4c，现在将关于使用例如时域多址（TDMA）型无线通信的用于无线通信的时隙来描述MU10和WCU11的活动时段和非活动时段的示例性定时。

图4a示意性地示出通信时隙30a、30b，每个通信时隙具有时隙持续时间t_ts和相继时隙之间的时间间隔T，时间间隔T基本上长于时隙持续时间t_ts。例如，时隙持续时间t_ts可以是毫秒量级，而时间间隔根据不同的应用可以是几十秒到分钟的量级甚至对于某些应用（例如用于水的存储罐）是小时的量级。

在每个时隙30a、30b期间，WCU11与远程设备通信以例如提供指示储罐2中的填充料位的值。图4b示意性地示出WCU关于每个时隙30a、30b的动作。如可以在图4b中看出的，WCU在紧接在时隙30a之后的第一时间段31期间和紧接在下一时隙30b之前的第二时间段32期间是活动的。

图4c示意性地示出MU10的活动时间段。如可以在图4c中看出的，MU10在用于无线通信的时隙30a、30b期间是非活动的，并且在时隙30a之后的某时的第一时间段33期间和在下一时隙30b之前的第二时间段34期间是活动的。

参照图4a至图4c和以上涉及图3中的流程图的描述，WCU11在WCU的第一活动时间段31期间启动MU10并且发送测量请求信号S_MRQ。之后，WCU11使自身进入休眠。如可以在图4b和图4c中看出的，因此，同时MU10是活动的，以接收测量请求信号S_MRQ、提取测量定时并且设置其内部定时器。之后，MU10进入休眠直到要开始填充料位测量的时间为止。

如可以在图4c中看出的，填充料位测量发生在第二活动时间段34期间，其在用于无线通信的下一时隙30b之前的某时完成。WCU11在其第二活动时间段32期间取回测量数据，使MU10返回休眠，并且准备好在用于无线通信的下一时隙30b期间无线发送指示填充料位的值。

本技术领域的技术人员认识到本发明绝不限于上述优选实施例。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多修改和变化，例如，测量时间段不需要被编码在测量请求信号中，而无线通信单元可以在应当执行测量时，例如在用于无线通信的相继时隙之间的时间间隔的后半段中向测量单元提供启动信号和测量请求信号。

Claims

1.一种由电池供电的料位计系统，其用于使用无线通信向远程设备提供指示容纳在储罐中的产品的填充料位的值，所述由电池供电的料位计系统包括：

测量单元，用于测量所述填充料位，所述测量单元是在活动状态与非活动状态之间可控的，所述非活动状态具有比所述活动状态更低的能耗；

无线通信单元，其连接至所述测量单元，以用于从所述测量单元取回指示所述填充料位的所述值，以及向所述远程设备无线发送指示所述填充料位的所述值，所述无线通信单元是在活动状态与具有比活动状态更低能耗的非活动状态之间可控的；以及

本地能量存储设备，其连接至所述测量单元和所述无线通信单元以用于提供足以进行所述测量单元和所述无线通信单元的操作的能量，

其中，所述测量单元被配置成：

响应于来自所述无线通信单元的测量请求信号来测量所述填充料位；以及

在测量了所述填充料位之后向所述无线通信单元提供测量就绪信号；以及

其中，所述无线通信单元被配置成：

向所述测量单元提供启动信号以将所述测量单元从其非活动状态切换到其活动状态；

向所述测量单元提供测量请求信号以请求测量所述填充料位；

在向所述测量单元提供了所述测量请求信号之后将所述无线通信单元从其活动状态切换到其非活动状态；

响应于从所述测量单元接收到的所述测量就绪信号将所述无线通信单元从其非活动状态切换到其活动状态；

从所述测量单元取回指示所述填充料位的所述值；以及

向所述远程设备无线发送指示所述填充料位的所述值。

2.根据权利要求1所述的由电池供电的料位计系统，其中：

所述测量单元包括：第一输出端，用于提供所述测量就绪信号；以及第二输出端，其独立于所述第一输出端，所述第二输出端用于向所述无线通信单元提供指示所述填充料位的所述值；并且

所述无线通信单元包括：第一输入端，其连接至所述测量单元的所述第一输出端以用于接收所述测量就绪信号；以及第二输入端，其独立于所述第一输入端，所述第二输入端连接至所述测量单元的所述第二输出端以用于接收指示所述填充料位的所述值。

3.根据权利要求1或2所述的由电池供电的料位计系统，其中：

所述无线通信单元还包括定时器；并且

所述无线通信单元还被配置成：控制所述定时器，以在预定暂停时段之后将所述无线通信单元从其非活动状态切换到其活动状态，所述预定暂停时段长于到从所述测量单元接收所述测量就绪信号的预期时间段。

4.根据权利要求1或2所述的由电池供电的料位计系统，其中，所述测量单元包括：

收发器，用于生成、发送并接收电磁信号；

传播设备，其连接至所述收发器以用于从所述收发器向容纳在所述储罐中的所述产品的表面传播电磁发射信号以及将由所述电磁发射信号在所述表面处的反射产生的电磁返回信号返回到所述收发器；以及

处理电路，用于基于所述电磁返回信号确定所述填充料位。