JP2005508002A - プロセス流体内の物質の濃度を測定する方法 - Google Patents
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Abstract
プロセス流体内の物質の濃度を測定する装置（１００）は、プロセス流体と接触するように構成されたアンテナ（１１５、１２０）と、アンテナ（１１５、１２０）からマイクロ波送信パルスを発生するために、アンテナ（１１５、１２０）に接続されたパルス発生装置（２１０）を含んでいる。パルス受信器（２２０）は、アンテナ（１１５、１２０）からの反射パルスを受信し、物質の濃度が反射パルスの関数として計算される。
Description
【技術分野】
【０００１】
プロセス制御工業は、プロセス変数送信機を使用して、固体、スラリ、液体、蒸気、および化学製品中のガス、パルプ、石油、薬剤、食品および他の食品処理プラントのような物質に関連するプロセス変数を遠隔的に監視する。プロセス変数には、圧力、温度、流量、レベル、不透明性、密度、濃度、化学成分および他の特性が含まれる。プロセス変数送信機は、プロセスを監視し、制御することができるように、プロセス制御ループを経て感知されたプロセス変数に関係する出力を、制御室に提供することができる。
【背景技術】
【０００２】
プロセス制御ループは、２線の４〜２０ｍＡプロセス制御ループとすることができる。この種のプロセス制御ループによれば、付勢レベルは、故障状態においてさえも、ループがスパークを発生させるのに十分な電気エネルギを有しないような十分低いものである。これは可燃性環境において特に有利である。プロセス変数送信機は、これが４〜２０ｍＡループから全電力を受信できるような低いエネルギ・レベルで作動することができる。制御ループは、ＨＡＲＴ（登録商標）デジタル・プロトコルのようなプロセス工業標準プロトコルに基づいて２線ループ上に重畳されたデジタル信号を有している。
【０００３】
低電力時間領域反射レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）機器が、貯蔵容器内のプロセス製品（液体または固体いずれでも）のレベルを測定するのに使用されている。時間領域反射において、電磁エネルギがソースから送信され、また断続的に反射される。受信パルスの走行時間は、これが走行する媒体に基づいている。ＬＰＴＤＲＲの一つのタイプは、ロレンス・リバーモア・ナショナル・ラボラトリ（Lawrence Livermore National Laboratory）によって開発されたマイクロパワ・インパルス・レーダ（ＭＩＲ）として知られている。ＬＰＴＤＲＲレベル送信機は、一般的に製品の境界面すなわち表面までのマイクロ波信号の走行時間と、該境界面すなわち表面からの走行時間との関数としてレベル（例えば、貯蔵タンク内の流体のレベルのような）を決定する。しかし、この技術はレベル以外のプロセス変数を測定するのにも使用することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
プロセス流体内の物質の濃度を測定する装置は、プロセス流体と接触するように構成されたアンテナと、アンテナを介してマイクロ波送信パルスを発生するために該アンテナに結合されたパルス発生装置を含んでいる。パルス受信装置がアンテナからの反射パルスを受信し、物質の濃度が反射パルスの関数として計算される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明はマイクロ波放射を使用して、プロセス流体中の一つのまたは複数の物質の濃度を測定する。特に、本発明は物質の濃度がプロセス流体の誘電率を変えることができることを認識している。反射されたマイクロ波の変化は、プロセス流体内の物質の濃度に相対的または絶対的に相関されることができる。
【０００６】
図１は少なくとも一つの製品を含む貯蔵タンク１２、１３、１７、２４に取り付けられる環境内で作動するレベル送信器１００を示す図である。図示したように、タンク１２は第２製品１５の上に配置された第１製品１４を含んでいる。送信器１００は、ハウジング１６と端子又は成端（teminations）１１０を含んでいる。送信器１００は、プロセス制御ループ２０に接続され、誘電率および（または）プロセス製品の高さに関する情報を、制御室３０（電圧源および抵抗器としてモデル化されている）に、またはプロセス制御ループ２０に結合された他の装置（不図示）に送信する。ループ２０は送信器１００のための電力源であり、また４〜２０ｍＡ、ファウンデーション（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ：商標名）フィールドバスまたはＨＡＲＴ（登録商標）のようないずれのプロセス工業基準通信プロトコルを使用することができる。低電力レーダ送信器として、送信器１００が４〜２０ｍＡプロセス制御ループを経て受信されたエネルギによって完全に電力を供給されることができる。
【０００７】
図１はレーダ誘電率測定が有用である種々の適用例を示す。例えば、タンク１２内のプロセス製品１４および１５が流体であり、一方タンク１３内のプロセス製品１８（任意の載置角度で示す）と１９は固体である。タンク１７内のプロセス製品２１および２２は流体であり、そのレベルは、端子１１０の一つが延びている管２３に伝えられる。さらに、タンク２４は製品２５および２６を収容しているように示されており、タンク２４の上に取り付けられた放射形の端子を有している。タンク１２、１３、１７および２４を図１に示しているが、本発明の実施例は湖または貯水池のようなタンクのない環境でも実施することができる。
【０００８】
図２および３は、送信器１００のブロック図である。図４および５は本発明に関する制御可能閾値検出装置を表す等価時間低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）の送信／受信波形図を示すものである。ハウジング１６内に、送信器１００は、ＬＰＴＤＲＲ回路２０５（図３に示す）、ＬＰＴＤＲＲ回路コントローラ２０６（図３に示す）および誘電率計算装置２４０を含んでいる。制御装置２０６は、タンク１２内の製品１４の誘電率に比例するパラメータを決定するために接続線２０７を介してＬＰＴＤＲＲ回路２０５を制御する。誘電率計算装置２４０は、決定されたパラメータの関数として製品１４の誘電率を計算する。ＬＰＴＤＲＲ回路２０５は、伝送パルス発生装置２１０およびパルス受信装置２２０を含むことができる。
【０００９】
送信器１００は、閾値コントローラ２３０および任意のレベル計算回路２５０（図３に示す）も含んでいる。閾値コントローラ２３０はＬＰＴＤＲＲ回路２０５の一構成要素とすることができる。閾値コントローラ２３０、誘電率計算装置２４０、レベル計算回路２５０およびＬＰＴＤＲＲコントローラ２０６は、図３に示すようにマイクロプロセッサ２５５内に配備することができる。しかし、これらの機能を別々にした回路を使用することができる。これらの機能がマイクロプロセッサ２５５内で実行される実施例において、送信器１００はアナログ−デジタル変換器２７０を含んでいる。送信器１００は、ループ２０を介して受信された電力で送信器１００を付勢するための電源と、ループ２０を介して通信するための入／出力回路２６０（図３に示すような）を含むこともできる。このような通信は、ループ２０を経てプロセス製品に関する情報の送信を含むことができる。電源回路はループ２０を経て受信された電力から送信器１００の単独電力源を提供するように構成することもできる。
【００１０】
マイクロ波端子１１０は、レベル送信器技術において周知であるタイプとすることができ、適切な送信線、導波管またはアンテナとすることができる。送信線は一つの場所から他の場所への連続経路を形成する一系統の物質の境界部であり、この経路に沿って電磁エネルギの伝送を導くことができる。ある実施例において、端子１１０は、タンク１２の底領域１２５に接続され、製品１４および１５内を延びるリード線ないし導電体１１５および１２０と、ラウンチ・プレート（launch plate）１５５を任意に有する平行二線アンテナである。端子１１０は、モノポール、同軸、平行二線、単線、マイクロストリップ、または放射型ホーン端子でもよく、またいずれの適切な数のリード線を備えることができる。
【００１１】
送信パルス発生装置２１０は、端子１１０に接続された低電力マイクロ波源が好ましい。コントローラ２０６の制御下で、発生装置２１０は端子１１０に沿って製品１４、１５に送信されるマイクロ波送信パルスまたは信号を発生する。伝送パルスは広範囲の周波数のいずれでもよく、例えば約２５０ＭＨｚと約２０ＧＨｚの間である。一実施例において、伝送パルスの周波数は約２．０ＧＨｚである。等価時間波形３００（図４および５に示す）の基準パルス３１０は、送信／受信サイクルの開始を指示するために、ラウンチ・プレート１５５で、または他の機構によって生成することができる。リード線１１５および１２０に沿って送信される送信パルスマイクロ波エネルギの第１部分が、空気と製品１４間の第１製品境界部１２７で反射される。送信パルス・マイクロ波エネルギの第２部分が、製品１４と製品１５間の境界部１２８で反射される。タンク１２に製品１４のみが収容され、製品１５が収容されていなければ、境界部１２８は末端すなわちタンクの底になる。図４および５において、等価時間波形３００のパルス３２０は、空気と製品１４間の境界部１２７で反射されるマイクロ波エネルギを表わし、一方パルス３３０は境界部１２８で反射されるマイクロ波エネルギを表わす。当該技術に習熟した人は、図４および５に示した波形が本発明の概念と範囲から逸脱することなく反転されることができることを認識するであろう。一般的に、製品１４が製品１５の誘電率よりも小さい誘電率を有しておれば、パルス３３０の振幅はパルス３２０よりも大きくなる。
【００１２】
パルス受信装置２２０は、端子１１０に接続された低電力マイクロ波受信器である。受信器２２０は、第１製品境界部１２７における送信パルスの第１部分の反射に対応する第１反射波パルス（図４および５のパルス３２０によって表わされる）を受信する。受信器２２０は、また第２製品境界部１２８における送信パルスの第２部分の反射に対応する第２反射波パルス（図４および５のパルス３３０によって表わされる）を受信する。公知の低電力時間領域反射測定レーダ・サンプリング技術を使用することにより、パルス受信装置２２０は出力として等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形３００を生成する。
【００１３】
閾値コントローラ２３０は、入力として波形３００を受信する。閾値コントローラ２３０と誘電率計算装置２４０がマイクロプロセッサ２５５中に設けられている実施例においては、アナログ／デジタル変換回路２７０が波形３００をデジタル化する。閾値コントローラ２３０は、基準パルス３１０、従ってパルス３１０が受信される時刻Ｔ１の検出のために、反射波パルス３２０、従ってパルス３２０が受信される時刻Ｔ２の検出のために、また反射波パルス３３０、従ってパルス３３０が受信される時刻Ｔ３の検出のために、閾値３１５、３４０および３５０を発生する。基準パルス３１０を検出するのに使用される閾値３１５は、所定の定電圧とするか、または公知の方法でパルス３１０のピーク振幅の関数として自動的に決定することができる。閾値コントローラ２３０は、パルス３３０を越えるレベルにある、図４に示される受信パルス閾値３４０を提供する。閾値コントローラ２３０は、パルス３２０を越えるレベルにある、図５に示される受信パルス閾値３５０を提供する。閾値コントローラ２３０は、誘電率計算装置２４０および回路２５０への出力として、反射波パルス３２０および（または）３３０の検出に基づく受信パルス出力情報を提供する。
【００１４】
図６は個別の回路で実施された、閾値３４０および３５０のような制御可能な閾値を発生する閾値コントローラ２３０の一部を示す。閾値コントローラ２３０は比較器４００を含み、この比較器には、受信パルス３２０および３３０を含む受信器２２０からの第１入力波形３００が入力する。第２入力として、比較器４００はデジタル／アナログ変換器４１０の出力から提供される制御可能なアナログ閾値電圧を受信する。変換器４１０は、マイクロプロセッサ２５５から所望の閾値を表すデジタル入力を受信する。比較器４００の出力４２０は、パルス３２０と３３０が受信された時刻の指標として、誘電率計算器２４０およびレベル計算回路２５０に提供される。波形３００が発生されている第１走査サイクル中、変換器４１０は、パルス３２０の検出のための閾値３５０を提供するように制御される。続く走査サイクル中は、変換器４１０は、パルス３３０の検出のための閾値３４０を提供するように制御される。閾値は反射波パルスの受信時間を検出するのに使用することができる。閾値はまた反射波パルスの振幅を決定するように制御されることもできる。
【００１５】
図２の誘電率計算装置２４０は、閾値コントローラ２３０に接続されるとともに、閾値コントローラ２３０によって提供された受信パルス出力情報の関数としてタンク１２内の第１製品１４の誘電率を計算するように構成されている。誘電率の計算において回路２４０によって実行される方法を、図７〜１２を参照して詳細に次に説明する。
【００１６】
マイクロ波信号によって走行された距離と走行時間との間の関係は式１で示される。
【００１７】
【００１８】
ここで、
Ｔ／２は、境界部までおよび該境界部からのマイクロ波パルスの走行時間の半分、
εＲは、マイクロ波パルスが走行する物質の誘電率（空気については、εＲ＝１）、
Ｃは、光りの速度、および
Ｄは、端子の頂部から境界部までの走行距離である。
【００１９】
この関係を使用して、測定されるべき物質の誘電率を計算することができる。マイクロ波の走行時間は、これを走行する媒体の誘電率に依存している。媒体の誘電率は式２に示した関係に基づいた走行時間に比例する。
【００２０】
【００２１】
ここで、
Ｔｉｍｅは、媒体を通るマイクロ波走行時間、および
Ａは、比例定数である。
【００２２】
さらに、物質による境界部で反射されたパルスの振幅は、式３に示した関係に基づいて物質の誘電率に比例する。
【００２３】
【００２４】
ここで、
ＶＲは、反射パルスの振幅、および
ＶＴは、送信パルスの振幅である。
【００２５】
式２および３に示した関係を、単独でまたは組み合わせて使用して、タンク内の一つまたはそれ以上の製品ないし物質の誘電率を計算することができる。
【００２６】
製品１４の誘電率を計算する方法を図７に示す。この方法は、ブロック５００で開始され、低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）を制御してマイクロ波エネルギをプロセス製品中に導く。ブロック５０３で、ＬＰＴＤＲＲ回路が反射マイクロ波エネルギを受信するように制御される。ブロック５０５で、ＬＰＴＤＲＲ回路が製品１４の誘電率に比例するパラメータを測定するように制御される。次に、ブロック５１０で、製品１４の誘電率が式２および（または）式３の関係を使用して測定パラメータの関数として計算される。
【００２７】
式３の関係により製品１４の誘電率を計算する第１のより好適な方法は、送信パルスおよび反射パルスの振幅をより正確に測定するために、閾値コントローラ２３０を使用する。この方法を図８のプロットで示し、また図９の流れ図に要約する。図８に示した波形は本発明の概念および範囲から逸脱することなく反転できることが当該技術に習熟した人に認識されるであろう。
【００２８】
この方法は送信パルスを発生するブロック７０５で開始される。この送信パルスは、端子に沿ってタンク内の製品に送信され、また面１２７および１２８で反射する。ブロック７１０で、第１反射波パルス５４０が受信される。第１反射波パルスは、第１製品境界部１２７における送信パルスの第１部分の反射に対応する。ＬＰＴＤＲＲ回路２０５を制御して反射波パルスを受信した後、ブロック７１５で第１反射波パルスの振幅が計算される。第１反射波パルスの振幅は、製品１４の誘電率に比例する一つのパラメータである。
【００２９】
ブロック７２０で、第１製品の誘電率が第１反射波パルスの関数として計算される。図８の等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形５２０に示すように、送信パルス（基準パルス５３０によって表わされる）が、送信振幅ＶＴを有し、一方受信パルス５４０が受信振幅ＶＲを有している。アナログ／デジタル変換器２７０で等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形５２０をデジタル化し、マイクロプロセッサ２５５でデジタル化信号を分析することによるか、またはデジタル／アナログ変換器４１０を使用して比較器閾値を設定することにより、第１反射波パルスの振幅が計算され、第１製品１４の誘電率が式３を使用して計算される。従って、製品１４の誘電率に比例する算出パラメータは、一般的に第１反射波パルスの振幅と送信パルスの振幅との比である。ＬＰＴＤＲＲ回路の制御工程には、閾値コントローラ２３０を制御して反射波パルス５４０の振幅を計算するための閾値を調整する工程を含んでいる。
【００３０】
式２に関連して製品１４の誘電率を計算する第２のより好適な方法は、閾値コントローラ２３０を使用して送信パルスの送信と面１２８からのパルスの反射との間の時間遅延を計算することである。より詳しく説明すると、この方法はマイクロ波が製品１４の既知の距離を通る走行時間を計算する。この方法は図１０および１１のプロットで示され、また図１２の流れ図に要約される。当該技術に習熟した人は、図１０および１１に示された波形が本発明の概念と範囲から逸脱することなく反転できることを認識するであろう。
【００３１】
この方法は送信パルスを発生するブロック８０５で始まる。送信パルスは端子に沿って製品１４および１５に送信される。ブロック８１０で、第１反射波パルスが閾値コントローラで受信され、検出される。第１反射波パルスが受信されるとクロックはスタートする。すなわち、ブロック８１５で示されるように時間間隔の開始を示す。次に、第２反射波パルスがブロック８２０で受信され、検出される。第２反射波パルスの受信は時間間隔の終点を示し、ブロック８２５で示したように時間間隔が記録される。ブロック８３０で、製品１４の誘電率が、端子に沿ったマイクロ波の製品１４を貫通する既知の距離の走行時間を表わす前記記録された時間間隔の関数として計算される。
【００３２】
図１０および１１は図１２の方法を示している。図１０よび１１は、第１および第２誘電率をそれぞれ有している第１および第２製品で異なるタンクを充填している第１および第２製品の代表に対応する等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形８５０と８８０を示す。両プロットにおいて、製品は端子１１０のリード線を実質的にカバーするか、または既知の距離によってこれをカバーするかのいずれかである。
【００３３】
図１０および１１で見ることができるように、送信パルス（標準パルス８６０と８９０によって表わされる）と反射パルス８７０と８９５（例えば、タンク１２の底または端子１１０における反射に相当するか、あるいは製品と製品の境界部における反射に相当する）との間の時間遅延は、物質が変わると変化する。この変化は物質の異なる誘電率に起因する。これはさらに時間差Δｔ１とΔｔ２によって表わされ、これらの時間差はマイクロ波が二つの物質の各々の同じサンプル距離を走行するのに必要とする時間を表わしている。第１誘電率を有する物質では、同じ距離を走行するのに必要とする時間は、３．０８ｍｓであり、一方第２誘電率を有する物質では、同じサンプル距離を走行するのに必要とする時間は３．４８ｍｓであった。従って、マイクロ波信号の送信と端子下方の既知の距離にある境界部の反射間の時間遅延は、誘電率を計算するのに使用できる。
【００３４】
一実施例において、本発明はプロセス流体内の物質の濃度を測定するのに使用されることができる。例えば、パイプ９１４を流れるプロセス流体中に含有される物質の濃度を測定することが望ましい。特定の実施例において、天然ガス流通ライン内の水のパーセント濃度または蒸気流通ライン内の水の量（「蒸気品質」として知られている）を測定することが望ましい。蒸気品質は測定するのに特に重要なパラメータである。これは蒸気品質が蒸気ラインによって運ばれる熱エネルギの量に直接関係していからである。例えば、４００°Ｆで５０％品質の蒸気は４００°Ｆで１００％品質の蒸気よりも少ないエネルギを運ぶ。大量のエネルギの配送を必要とする分野では、石油回収を強化する目的のために油田の噴出蒸気のような蒸気の品質は、油田に注入されるエネルギの量を制御できるようにするために、知られている必要がある。
【００３５】
一実施例において、マイクロ波放射は流体と直接接触するアンテナによってプロセス流体を直接通って導かれる。流体内の物質の相対的濃度が、流体の誘電率の変化を生ぜしめる。誘電率のこの変化が、反射マイクロ波パルスのフライト時間の変化となり、また反射パルスのエネルギ・レベルの変化となる。フライト時間と反射エネルギ・レベルのいずれか、またはこれら両者は検出回路によって測定されることができ、さらにプロセス流体内の物質の濃度に相関されることができる。このことは、帰還パルスの振幅変化または時間遅延と物質の濃度間の関係を、理論的あるいは試験によって確立することによって分かったことである。この技術の一つの利点は、物質の濃度がゆっくり変化する場合に、検出回路が時間（フライト時間、ピーク高さの一方かまたはこれら両者）に対して反射マイクロ波信号を積分して、特定物質の濃度のより正確な測定値を提供できるようにしたことである。
【００３６】
プロセス流体と接触する接触アンテナを配備することで、アンテナの上を流体が流れるようにすることができる。蒸気品質のような物質の濃度の変化が、誘電体の変化となる。ターゲットとしてアンテナの端部を使用することによって、誘電体の変化が、（アンテナ接続から）アンテナの対向端までの距離の測定のときの見かけの変化となる。より長い接触アンテナが、距離においてより大きい見かけの変化をもつことになる。従って、増大した感度は接触アンテナの長さを増すことによって得られることになる。この距離の変化は次式によって示される。すなわち、
【００３７】
【００３８】
ここで、Ｄは距離、ｃは光の速度、ｔはターゲットまでの時間およびΔεＲは誘電体の変化である。
【００３９】
図１３はプロセス流体９１２がプロセス配管９１４で運ばれる場合の工業的プロセス９１０を示す略図である。この発明は他のタイプの容器と一緒に使用することができ、かつ配管９１４に限定されない。プロセス送信器９１６が本発明に基づいて作動し、反射マイクロ波放射を監視して、プロセス流体９１２内の物質の濃度のようなプロセス流体の特性を決定する。送信器９１６が２線プロセス制御ループのようなプロセス制御ループ９１８を介して遠隔地にある制御室９２０に結合される。制御室９２０は抵抗器と直列の電源としてモデル化されている。プロセス制御ループ９１８はいずれの通信技術によっても実施できる。
【００４０】
図１４は、時間（ｔ）に対するエネルギ（ｅ）のグラフであり、反射又は帰還パルス９３０および基準又は送信パルス９３２を示す。時間差を図１４にΔｔで表わし、また二つの信号間のエネルギ差をΔｅで表わす。物質の濃度と時間遅延又はエネルギ差との間の関係は、実験的または理論的に決定することができる。この相関は、ファジー論理、ニューラル・ネットワーク等を含む人工知能技術を使用して、確立することもできる。さらに、二つのパラメータ、すなわちΔｔおよびΔｅは、測定値が正しいことを証明するのに使用することができる。
【００４１】
図１５はプロセス流体内の物質「Ａ」の濃度を検出するための本発明を表わす簡略化ブロック図である。プロセス流体の誘電率の変化が、接触アンテナによって検出される。測定回路９３４がΔｔおよび（または）Δｅを測定する。変換関数９３６がこれらのパラメータの一つまたは両者を、プロセス流体内の物質「Ａ」のパーセントまたは濃度と関係づけるのに使用される。
【００４２】
図１６はプロセス・シール９４０を介してプロセス配管９１４内の接触アンテナ９４２に接続された検出回路を示す略図である。検出回路は、例えば図１３に示す送信器９１６であってよい。
【００４３】
図１７は標準ピトー管がマイクロ波アンテナ９４２として使用される他の実施例を示す。標準ピトー管は上流側のプレナム９５０と下流側のプレナム９５２を含んでいる。配管９１４を通る流れは、両プレナム間に、既知技術を使用する流量に相関した圧力差を生ずる。金属ピトー管がマイクロ波パルス９５４を搬送するのに使用できる。本実施例において、マイクロ波パルス９５４はピトー管の回りのプロセス流体を通る環状波として伝播する。
【００４４】
図１８に示された別の実施例において、マイクロ波パルス９５４は、プレナムの内部例えば下流側のプレナム９５２の内側に沿って搬送される。このプレナムは測定されるべきプロセス流体と密に接触することが想定される。図１９の実施例において、アンテナ９６２がピトー管９６０のプレナムの一つを備えている。
【００４５】
図２０は本発明の別の実施例を示し、この実施例ではアンテナ９６４がプロセス配管９１４を通る流れの方向に実質的に沿って延びている。アンテナ９６４は送信器９３８に接続されている。
【００４６】
図２１は、螺旋アンテナ９７０が使用され、これによってアンテナの長さが増大する実施例を示す。増大したアンテナの長さは、プロセス流体９１２の誘電率の変化に対して増大した感度を提供する。他の形状が使用でき、また本発明は図２２に示した螺旋形状に限定されない。
【００４７】
図２２は、配管９１４がエルボ９６８を含み、またアンテナ９６４がその一部が流れの方向に延びるように構成された別の実施例を示す。アンテナが流れの方向に延びていると、流れが妨害される量は最小となる。
【００４８】
図２３はプロセス流体９１２内の物質の濃度を決定するように構成された送信器９１６のブロック図である。図２３は図３と同様であり、同様の番号を使用している。濃度計算器９８０は時間遅延または帰還マイクロ波信号の反射エネルギ変化を物質の濃度と相関するように構成されている。実際の装備は誘電率計算器２４０を含んでおらず、また信号強度内の時間遅延および（または）変化は物質濃度を直接測定するのに使用できることに注意しなければならない。
【００４９】
本発明を好ましい実施例を参照して説明してきたが、当業者は、変形例が本発明の概念および範囲から逸脱することなく形状と詳細を変更することができる。例えば、誘電率を計算する上述の各方法は、多数の誘電率を計算する補助のために、また、誘電率のより正確な計算を提供するために、組み合わせることができる。本発明は流体、流れあるいは実質的に静止プロセス流体内で使用することができる。ここで使用したように、プロセス流体には液体、ガス、泡等、これらの組み合わせ、および（または）この種の物によって運搬される固体物質を含んでいる。この物質は流体中のガスまたは微粒子形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例の環境を示すプロセス制御システムの全体図である。
【図２】本発明の実施例に基づくレーダレベル送信器の回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の別の実施例に基づくレーダレベル送信器の回路を示すブロック図である。
【図４】低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）の等価時間制御可能閾値を示す図である。
【図５】低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）の等価時間制御可能閾値を示す図である。
【図６】本発明の一実施例に基づく制御可能受信閾値回路の概略図である。
【図７】図２のマイクロ波送信器によって実行される方法を示す流れ図である。
【図８】ＬＰＴＤＲＲの等価時間波形を示す図である。
【図９】図２のマイクロ波送信器によって実行される方法を示す流れ図である。
【図１０】ＬＰＴＤＲＲの等価時間波形を示す図である。
【図１１】ＬＰＴＤＲＲの等価時間波形を示す図である。
【図１２】図２のマイクロ波送信器によって実行される方法を示す流れ図である。
【図１３】物質の濃度を決定するように構成された送信器を示す簡略図である。
【図１４】混合パルスおよび基準パルスを示す時間に対するエネルギのグラフである。
【図１５】物質「Ａ」の濃度の変化を計算するための回路を示すブロック図である。
【図１６】プロセス流体の流れ中の接触アンテナを示す簡略図である。
【図１７】アンテナとしてピトー管を使用する本発明の濃度検出回路の簡略図である。
【図１８】マイクロ波信号がピトー管の内部のプレナム（interior plenum）に沿って伝搬される簡略図である。
【図１９】アンテナがピトー管のプレナム内部に配備された簡略図である。
【図２０】プロセス流体の流れの方向と平行に延びるアンテナを示す図である。
【図２１】螺旋アンテナが使用された実施例を示す図である。
【図２２】プロセス配管がＬ字形を含み、アンテナの一部が流れの方向に延びる実施例を示す図である。
【図２３】物質の濃度を決定するように構成された送信器のブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１２、１３、１７、２４・・・貯蔵タンク
１４・・・第１製品
１５・・・第２製品
１６・・・ハウジング
１８、１９、２１、２２、２６・・・プロセス製品
２０・・・ループ
２３・・・管
３０・・・制御室
１００・・・レベル送信器
１１０・・・端子
１２８・・・境界部
【０００１】
プロセス制御工業は、プロセス変数送信機を使用して、固体、スラリ、液体、蒸気、および化学製品中のガス、パルプ、石油、薬剤、食品および他の食品処理プラントのような物質に関連するプロセス変数を遠隔的に監視する。プロセス変数には、圧力、温度、流量、レベル、不透明性、密度、濃度、化学成分および他の特性が含まれる。プロセス変数送信機は、プロセスを監視し、制御することができるように、プロセス制御ループを経て感知されたプロセス変数に関係する出力を、制御室に提供することができる。
【背景技術】
【０００２】
プロセス制御ループは、２線の４〜２０ｍＡプロセス制御ループとすることができる。この種のプロセス制御ループによれば、付勢レベルは、故障状態においてさえも、ループがスパークを発生させるのに十分な電気エネルギを有しないような十分低いものである。これは可燃性環境において特に有利である。プロセス変数送信機は、これが４〜２０ｍＡループから全電力を受信できるような低いエネルギ・レベルで作動することができる。制御ループは、ＨＡＲＴ（登録商標）デジタル・プロトコルのようなプロセス工業標準プロトコルに基づいて２線ループ上に重畳されたデジタル信号を有している。
【０００３】
低電力時間領域反射レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）機器が、貯蔵容器内のプロセス製品（液体または固体いずれでも）のレベルを測定するのに使用されている。時間領域反射において、電磁エネルギがソースから送信され、また断続的に反射される。受信パルスの走行時間は、これが走行する媒体に基づいている。ＬＰＴＤＲＲの一つのタイプは、ロレンス・リバーモア・ナショナル・ラボラトリ（Lawrence Livermore National Laboratory）によって開発されたマイクロパワ・インパルス・レーダ（ＭＩＲ）として知られている。ＬＰＴＤＲＲレベル送信機は、一般的に製品の境界面すなわち表面までのマイクロ波信号の走行時間と、該境界面すなわち表面からの走行時間との関数としてレベル（例えば、貯蔵タンク内の流体のレベルのような）を決定する。しかし、この技術はレベル以外のプロセス変数を測定するのにも使用することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
プロセス流体内の物質の濃度を測定する装置は、プロセス流体と接触するように構成されたアンテナと、アンテナを介してマイクロ波送信パルスを発生するために該アンテナに結合されたパルス発生装置を含んでいる。パルス受信装置がアンテナからの反射パルスを受信し、物質の濃度が反射パルスの関数として計算される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明はマイクロ波放射を使用して、プロセス流体中の一つのまたは複数の物質の濃度を測定する。特に、本発明は物質の濃度がプロセス流体の誘電率を変えることができることを認識している。反射されたマイクロ波の変化は、プロセス流体内の物質の濃度に相対的または絶対的に相関されることができる。
【０００６】
図１は少なくとも一つの製品を含む貯蔵タンク１２、１３、１７、２４に取り付けられる環境内で作動するレベル送信器１００を示す図である。図示したように、タンク１２は第２製品１５の上に配置された第１製品１４を含んでいる。送信器１００は、ハウジング１６と端子又は成端（teminations）１１０を含んでいる。送信器１００は、プロセス制御ループ２０に接続され、誘電率および（または）プロセス製品の高さに関する情報を、制御室３０（電圧源および抵抗器としてモデル化されている）に、またはプロセス制御ループ２０に結合された他の装置（不図示）に送信する。ループ２０は送信器１００のための電力源であり、また４〜２０ｍＡ、ファウンデーション（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ：商標名）フィールドバスまたはＨＡＲＴ（登録商標）のようないずれのプロセス工業基準通信プロトコルを使用することができる。低電力レーダ送信器として、送信器１００が４〜２０ｍＡプロセス制御ループを経て受信されたエネルギによって完全に電力を供給されることができる。
【０００７】
図１はレーダ誘電率測定が有用である種々の適用例を示す。例えば、タンク１２内のプロセス製品１４および１５が流体であり、一方タンク１３内のプロセス製品１８（任意の載置角度で示す）と１９は固体である。タンク１７内のプロセス製品２１および２２は流体であり、そのレベルは、端子１１０の一つが延びている管２３に伝えられる。さらに、タンク２４は製品２５および２６を収容しているように示されており、タンク２４の上に取り付けられた放射形の端子を有している。タンク１２、１３、１７および２４を図１に示しているが、本発明の実施例は湖または貯水池のようなタンクのない環境でも実施することができる。
【０００８】
図２および３は、送信器１００のブロック図である。図４および５は本発明に関する制御可能閾値検出装置を表す等価時間低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）の送信／受信波形図を示すものである。ハウジング１６内に、送信器１００は、ＬＰＴＤＲＲ回路２０５（図３に示す）、ＬＰＴＤＲＲ回路コントローラ２０６（図３に示す）および誘電率計算装置２４０を含んでいる。制御装置２０６は、タンク１２内の製品１４の誘電率に比例するパラメータを決定するために接続線２０７を介してＬＰＴＤＲＲ回路２０５を制御する。誘電率計算装置２４０は、決定されたパラメータの関数として製品１４の誘電率を計算する。ＬＰＴＤＲＲ回路２０５は、伝送パルス発生装置２１０およびパルス受信装置２２０を含むことができる。
【０００９】
送信器１００は、閾値コントローラ２３０および任意のレベル計算回路２５０（図３に示す）も含んでいる。閾値コントローラ２３０はＬＰＴＤＲＲ回路２０５の一構成要素とすることができる。閾値コントローラ２３０、誘電率計算装置２４０、レベル計算回路２５０およびＬＰＴＤＲＲコントローラ２０６は、図３に示すようにマイクロプロセッサ２５５内に配備することができる。しかし、これらの機能を別々にした回路を使用することができる。これらの機能がマイクロプロセッサ２５５内で実行される実施例において、送信器１００はアナログ−デジタル変換器２７０を含んでいる。送信器１００は、ループ２０を介して受信された電力で送信器１００を付勢するための電源と、ループ２０を介して通信するための入／出力回路２６０（図３に示すような）を含むこともできる。このような通信は、ループ２０を経てプロセス製品に関する情報の送信を含むことができる。電源回路はループ２０を経て受信された電力から送信器１００の単独電力源を提供するように構成することもできる。
【００１０】
マイクロ波端子１１０は、レベル送信器技術において周知であるタイプとすることができ、適切な送信線、導波管またはアンテナとすることができる。送信線は一つの場所から他の場所への連続経路を形成する一系統の物質の境界部であり、この経路に沿って電磁エネルギの伝送を導くことができる。ある実施例において、端子１１０は、タンク１２の底領域１２５に接続され、製品１４および１５内を延びるリード線ないし導電体１１５および１２０と、ラウンチ・プレート（launch plate）１５５を任意に有する平行二線アンテナである。端子１１０は、モノポール、同軸、平行二線、単線、マイクロストリップ、または放射型ホーン端子でもよく、またいずれの適切な数のリード線を備えることができる。
【００１１】
送信パルス発生装置２１０は、端子１１０に接続された低電力マイクロ波源が好ましい。コントローラ２０６の制御下で、発生装置２１０は端子１１０に沿って製品１４、１５に送信されるマイクロ波送信パルスまたは信号を発生する。伝送パルスは広範囲の周波数のいずれでもよく、例えば約２５０ＭＨｚと約２０ＧＨｚの間である。一実施例において、伝送パルスの周波数は約２．０ＧＨｚである。等価時間波形３００（図４および５に示す）の基準パルス３１０は、送信／受信サイクルの開始を指示するために、ラウンチ・プレート１５５で、または他の機構によって生成することができる。リード線１１５および１２０に沿って送信される送信パルスマイクロ波エネルギの第１部分が、空気と製品１４間の第１製品境界部１２７で反射される。送信パルス・マイクロ波エネルギの第２部分が、製品１４と製品１５間の境界部１２８で反射される。タンク１２に製品１４のみが収容され、製品１５が収容されていなければ、境界部１２８は末端すなわちタンクの底になる。図４および５において、等価時間波形３００のパルス３２０は、空気と製品１４間の境界部１２７で反射されるマイクロ波エネルギを表わし、一方パルス３３０は境界部１２８で反射されるマイクロ波エネルギを表わす。当該技術に習熟した人は、図４および５に示した波形が本発明の概念と範囲から逸脱することなく反転されることができることを認識するであろう。一般的に、製品１４が製品１５の誘電率よりも小さい誘電率を有しておれば、パルス３３０の振幅はパルス３２０よりも大きくなる。
【００１２】
パルス受信装置２２０は、端子１１０に接続された低電力マイクロ波受信器である。受信器２２０は、第１製品境界部１２７における送信パルスの第１部分の反射に対応する第１反射波パルス（図４および５のパルス３２０によって表わされる）を受信する。受信器２２０は、また第２製品境界部１２８における送信パルスの第２部分の反射に対応する第２反射波パルス（図４および５のパルス３３０によって表わされる）を受信する。公知の低電力時間領域反射測定レーダ・サンプリング技術を使用することにより、パルス受信装置２２０は出力として等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形３００を生成する。
【００１３】
閾値コントローラ２３０は、入力として波形３００を受信する。閾値コントローラ２３０と誘電率計算装置２４０がマイクロプロセッサ２５５中に設けられている実施例においては、アナログ／デジタル変換回路２７０が波形３００をデジタル化する。閾値コントローラ２３０は、基準パルス３１０、従ってパルス３１０が受信される時刻Ｔ１の検出のために、反射波パルス３２０、従ってパルス３２０が受信される時刻Ｔ２の検出のために、また反射波パルス３３０、従ってパルス３３０が受信される時刻Ｔ３の検出のために、閾値３１５、３４０および３５０を発生する。基準パルス３１０を検出するのに使用される閾値３１５は、所定の定電圧とするか、または公知の方法でパルス３１０のピーク振幅の関数として自動的に決定することができる。閾値コントローラ２３０は、パルス３３０を越えるレベルにある、図４に示される受信パルス閾値３４０を提供する。閾値コントローラ２３０は、パルス３２０を越えるレベルにある、図５に示される受信パルス閾値３５０を提供する。閾値コントローラ２３０は、誘電率計算装置２４０および回路２５０への出力として、反射波パルス３２０および（または）３３０の検出に基づく受信パルス出力情報を提供する。
【００１４】
図６は個別の回路で実施された、閾値３４０および３５０のような制御可能な閾値を発生する閾値コントローラ２３０の一部を示す。閾値コントローラ２３０は比較器４００を含み、この比較器には、受信パルス３２０および３３０を含む受信器２２０からの第１入力波形３００が入力する。第２入力として、比較器４００はデジタル／アナログ変換器４１０の出力から提供される制御可能なアナログ閾値電圧を受信する。変換器４１０は、マイクロプロセッサ２５５から所望の閾値を表すデジタル入力を受信する。比較器４００の出力４２０は、パルス３２０と３３０が受信された時刻の指標として、誘電率計算器２４０およびレベル計算回路２５０に提供される。波形３００が発生されている第１走査サイクル中、変換器４１０は、パルス３２０の検出のための閾値３５０を提供するように制御される。続く走査サイクル中は、変換器４１０は、パルス３３０の検出のための閾値３４０を提供するように制御される。閾値は反射波パルスの受信時間を検出するのに使用することができる。閾値はまた反射波パルスの振幅を決定するように制御されることもできる。
【００１５】
図２の誘電率計算装置２４０は、閾値コントローラ２３０に接続されるとともに、閾値コントローラ２３０によって提供された受信パルス出力情報の関数としてタンク１２内の第１製品１４の誘電率を計算するように構成されている。誘電率の計算において回路２４０によって実行される方法を、図７〜１２を参照して詳細に次に説明する。
【００１６】
マイクロ波信号によって走行された距離と走行時間との間の関係は式１で示される。
【００１７】
ここで、
Ｔ／２は、境界部までおよび該境界部からのマイクロ波パルスの走行時間の半分、
εＲは、マイクロ波パルスが走行する物質の誘電率（空気については、εＲ＝１）、
Ｃは、光りの速度、および
Ｄは、端子の頂部から境界部までの走行距離である。
【００１９】
この関係を使用して、測定されるべき物質の誘電率を計算することができる。マイクロ波の走行時間は、これを走行する媒体の誘電率に依存している。媒体の誘電率は式２に示した関係に基づいた走行時間に比例する。
【００２０】
ここで、
Ｔｉｍｅは、媒体を通るマイクロ波走行時間、および
Ａは、比例定数である。
【００２２】
さらに、物質による境界部で反射されたパルスの振幅は、式３に示した関係に基づいて物質の誘電率に比例する。
【００２３】
ここで、
ＶＲは、反射パルスの振幅、および
ＶＴは、送信パルスの振幅である。
【００２５】
式２および３に示した関係を、単独でまたは組み合わせて使用して、タンク内の一つまたはそれ以上の製品ないし物質の誘電率を計算することができる。
【００２６】
製品１４の誘電率を計算する方法を図７に示す。この方法は、ブロック５００で開始され、低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）を制御してマイクロ波エネルギをプロセス製品中に導く。ブロック５０３で、ＬＰＴＤＲＲ回路が反射マイクロ波エネルギを受信するように制御される。ブロック５０５で、ＬＰＴＤＲＲ回路が製品１４の誘電率に比例するパラメータを測定するように制御される。次に、ブロック５１０で、製品１４の誘電率が式２および（または）式３の関係を使用して測定パラメータの関数として計算される。
【００２７】
式３の関係により製品１４の誘電率を計算する第１のより好適な方法は、送信パルスおよび反射パルスの振幅をより正確に測定するために、閾値コントローラ２３０を使用する。この方法を図８のプロットで示し、また図９の流れ図に要約する。図８に示した波形は本発明の概念および範囲から逸脱することなく反転できることが当該技術に習熟した人に認識されるであろう。
【００２８】
この方法は送信パルスを発生するブロック７０５で開始される。この送信パルスは、端子に沿ってタンク内の製品に送信され、また面１２７および１２８で反射する。ブロック７１０で、第１反射波パルス５４０が受信される。第１反射波パルスは、第１製品境界部１２７における送信パルスの第１部分の反射に対応する。ＬＰＴＤＲＲ回路２０５を制御して反射波パルスを受信した後、ブロック７１５で第１反射波パルスの振幅が計算される。第１反射波パルスの振幅は、製品１４の誘電率に比例する一つのパラメータである。
【００２９】
ブロック７２０で、第１製品の誘電率が第１反射波パルスの関数として計算される。図８の等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形５２０に示すように、送信パルス（基準パルス５３０によって表わされる）が、送信振幅ＶＴを有し、一方受信パルス５４０が受信振幅ＶＲを有している。アナログ／デジタル変換器２７０で等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形５２０をデジタル化し、マイクロプロセッサ２５５でデジタル化信号を分析することによるか、またはデジタル／アナログ変換器４１０を使用して比較器閾値を設定することにより、第１反射波パルスの振幅が計算され、第１製品１４の誘電率が式３を使用して計算される。従って、製品１４の誘電率に比例する算出パラメータは、一般的に第１反射波パルスの振幅と送信パルスの振幅との比である。ＬＰＴＤＲＲ回路の制御工程には、閾値コントローラ２３０を制御して反射波パルス５４０の振幅を計算するための閾値を調整する工程を含んでいる。
【００３０】
式２に関連して製品１４の誘電率を計算する第２のより好適な方法は、閾値コントローラ２３０を使用して送信パルスの送信と面１２８からのパルスの反射との間の時間遅延を計算することである。より詳しく説明すると、この方法はマイクロ波が製品１４の既知の距離を通る走行時間を計算する。この方法は図１０および１１のプロットで示され、また図１２の流れ図に要約される。当該技術に習熟した人は、図１０および１１に示された波形が本発明の概念と範囲から逸脱することなく反転できることを認識するであろう。
【００３１】
この方法は送信パルスを発生するブロック８０５で始まる。送信パルスは端子に沿って製品１４および１５に送信される。ブロック８１０で、第１反射波パルスが閾値コントローラで受信され、検出される。第１反射波パルスが受信されるとクロックはスタートする。すなわち、ブロック８１５で示されるように時間間隔の開始を示す。次に、第２反射波パルスがブロック８２０で受信され、検出される。第２反射波パルスの受信は時間間隔の終点を示し、ブロック８２５で示したように時間間隔が記録される。ブロック８３０で、製品１４の誘電率が、端子に沿ったマイクロ波の製品１４を貫通する既知の距離の走行時間を表わす前記記録された時間間隔の関数として計算される。
【００３２】
図１０および１１は図１２の方法を示している。図１０よび１１は、第１および第２誘電率をそれぞれ有している第１および第２製品で異なるタンクを充填している第１および第２製品の代表に対応する等価時間ＬＰＴＤＲＲ波形８５０と８８０を示す。両プロットにおいて、製品は端子１１０のリード線を実質的にカバーするか、または既知の距離によってこれをカバーするかのいずれかである。
【００３３】
図１０および１１で見ることができるように、送信パルス（標準パルス８６０と８９０によって表わされる）と反射パルス８７０と８９５（例えば、タンク１２の底または端子１１０における反射に相当するか、あるいは製品と製品の境界部における反射に相当する）との間の時間遅延は、物質が変わると変化する。この変化は物質の異なる誘電率に起因する。これはさらに時間差Δｔ１とΔｔ２によって表わされ、これらの時間差はマイクロ波が二つの物質の各々の同じサンプル距離を走行するのに必要とする時間を表わしている。第１誘電率を有する物質では、同じ距離を走行するのに必要とする時間は、３．０８ｍｓであり、一方第２誘電率を有する物質では、同じサンプル距離を走行するのに必要とする時間は３．４８ｍｓであった。従って、マイクロ波信号の送信と端子下方の既知の距離にある境界部の反射間の時間遅延は、誘電率を計算するのに使用できる。
【００３４】
一実施例において、本発明はプロセス流体内の物質の濃度を測定するのに使用されることができる。例えば、パイプ９１４を流れるプロセス流体中に含有される物質の濃度を測定することが望ましい。特定の実施例において、天然ガス流通ライン内の水のパーセント濃度または蒸気流通ライン内の水の量（「蒸気品質」として知られている）を測定することが望ましい。蒸気品質は測定するのに特に重要なパラメータである。これは蒸気品質が蒸気ラインによって運ばれる熱エネルギの量に直接関係していからである。例えば、４００°Ｆで５０％品質の蒸気は４００°Ｆで１００％品質の蒸気よりも少ないエネルギを運ぶ。大量のエネルギの配送を必要とする分野では、石油回収を強化する目的のために油田の噴出蒸気のような蒸気の品質は、油田に注入されるエネルギの量を制御できるようにするために、知られている必要がある。
【００３５】
一実施例において、マイクロ波放射は流体と直接接触するアンテナによってプロセス流体を直接通って導かれる。流体内の物質の相対的濃度が、流体の誘電率の変化を生ぜしめる。誘電率のこの変化が、反射マイクロ波パルスのフライト時間の変化となり、また反射パルスのエネルギ・レベルの変化となる。フライト時間と反射エネルギ・レベルのいずれか、またはこれら両者は検出回路によって測定されることができ、さらにプロセス流体内の物質の濃度に相関されることができる。このことは、帰還パルスの振幅変化または時間遅延と物質の濃度間の関係を、理論的あるいは試験によって確立することによって分かったことである。この技術の一つの利点は、物質の濃度がゆっくり変化する場合に、検出回路が時間（フライト時間、ピーク高さの一方かまたはこれら両者）に対して反射マイクロ波信号を積分して、特定物質の濃度のより正確な測定値を提供できるようにしたことである。
【００３６】
プロセス流体と接触する接触アンテナを配備することで、アンテナの上を流体が流れるようにすることができる。蒸気品質のような物質の濃度の変化が、誘電体の変化となる。ターゲットとしてアンテナの端部を使用することによって、誘電体の変化が、（アンテナ接続から）アンテナの対向端までの距離の測定のときの見かけの変化となる。より長い接触アンテナが、距離においてより大きい見かけの変化をもつことになる。従って、増大した感度は接触アンテナの長さを増すことによって得られることになる。この距離の変化は次式によって示される。すなわち、
【００３７】
ここで、Ｄは距離、ｃは光の速度、ｔはターゲットまでの時間およびΔεＲは誘電体の変化である。
【００３９】
図１３はプロセス流体９１２がプロセス配管９１４で運ばれる場合の工業的プロセス９１０を示す略図である。この発明は他のタイプの容器と一緒に使用することができ、かつ配管９１４に限定されない。プロセス送信器９１６が本発明に基づいて作動し、反射マイクロ波放射を監視して、プロセス流体９１２内の物質の濃度のようなプロセス流体の特性を決定する。送信器９１６が２線プロセス制御ループのようなプロセス制御ループ９１８を介して遠隔地にある制御室９２０に結合される。制御室９２０は抵抗器と直列の電源としてモデル化されている。プロセス制御ループ９１８はいずれの通信技術によっても実施できる。
【００４０】
図１４は、時間（ｔ）に対するエネルギ（ｅ）のグラフであり、反射又は帰還パルス９３０および基準又は送信パルス９３２を示す。時間差を図１４にΔｔで表わし、また二つの信号間のエネルギ差をΔｅで表わす。物質の濃度と時間遅延又はエネルギ差との間の関係は、実験的または理論的に決定することができる。この相関は、ファジー論理、ニューラル・ネットワーク等を含む人工知能技術を使用して、確立することもできる。さらに、二つのパラメータ、すなわちΔｔおよびΔｅは、測定値が正しいことを証明するのに使用することができる。
【００４１】
図１５はプロセス流体内の物質「Ａ」の濃度を検出するための本発明を表わす簡略化ブロック図である。プロセス流体の誘電率の変化が、接触アンテナによって検出される。測定回路９３４がΔｔおよび（または）Δｅを測定する。変換関数９３６がこれらのパラメータの一つまたは両者を、プロセス流体内の物質「Ａ」のパーセントまたは濃度と関係づけるのに使用される。
【００４２】
図１６はプロセス・シール９４０を介してプロセス配管９１４内の接触アンテナ９４２に接続された検出回路を示す略図である。検出回路は、例えば図１３に示す送信器９１６であってよい。
【００４３】
図１７は標準ピトー管がマイクロ波アンテナ９４２として使用される他の実施例を示す。標準ピトー管は上流側のプレナム９５０と下流側のプレナム９５２を含んでいる。配管９１４を通る流れは、両プレナム間に、既知技術を使用する流量に相関した圧力差を生ずる。金属ピトー管がマイクロ波パルス９５４を搬送するのに使用できる。本実施例において、マイクロ波パルス９５４はピトー管の回りのプロセス流体を通る環状波として伝播する。
【００４４】
図１８に示された別の実施例において、マイクロ波パルス９５４は、プレナムの内部例えば下流側のプレナム９５２の内側に沿って搬送される。このプレナムは測定されるべきプロセス流体と密に接触することが想定される。図１９の実施例において、アンテナ９６２がピトー管９６０のプレナムの一つを備えている。
【００４５】
図２０は本発明の別の実施例を示し、この実施例ではアンテナ９６４がプロセス配管９１４を通る流れの方向に実質的に沿って延びている。アンテナ９６４は送信器９３８に接続されている。
【００４６】
図２１は、螺旋アンテナ９７０が使用され、これによってアンテナの長さが増大する実施例を示す。増大したアンテナの長さは、プロセス流体９１２の誘電率の変化に対して増大した感度を提供する。他の形状が使用でき、また本発明は図２２に示した螺旋形状に限定されない。
【００４７】
図２２は、配管９１４がエルボ９６８を含み、またアンテナ９６４がその一部が流れの方向に延びるように構成された別の実施例を示す。アンテナが流れの方向に延びていると、流れが妨害される量は最小となる。
【００４８】
図２３はプロセス流体９１２内の物質の濃度を決定するように構成された送信器９１６のブロック図である。図２３は図３と同様であり、同様の番号を使用している。濃度計算器９８０は時間遅延または帰還マイクロ波信号の反射エネルギ変化を物質の濃度と相関するように構成されている。実際の装備は誘電率計算器２４０を含んでおらず、また信号強度内の時間遅延および（または）変化は物質濃度を直接測定するのに使用できることに注意しなければならない。
【００４９】
本発明を好ましい実施例を参照して説明してきたが、当業者は、変形例が本発明の概念および範囲から逸脱することなく形状と詳細を変更することができる。例えば、誘電率を計算する上述の各方法は、多数の誘電率を計算する補助のために、また、誘電率のより正確な計算を提供するために、組み合わせることができる。本発明は流体、流れあるいは実質的に静止プロセス流体内で使用することができる。ここで使用したように、プロセス流体には液体、ガス、泡等、これらの組み合わせ、および（または）この種の物によって運搬される固体物質を含んでいる。この物質は流体中のガスまたは微粒子形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例の環境を示すプロセス制御システムの全体図である。
【図２】本発明の実施例に基づくレーダレベル送信器の回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の別の実施例に基づくレーダレベル送信器の回路を示すブロック図である。
【図４】低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）の等価時間制御可能閾値を示す図である。
【図５】低電力時間領域反射測定レーダ（ＬＰＴＤＲＲ）の等価時間制御可能閾値を示す図である。
【図６】本発明の一実施例に基づく制御可能受信閾値回路の概略図である。
【図７】図２のマイクロ波送信器によって実行される方法を示す流れ図である。
【図８】ＬＰＴＤＲＲの等価時間波形を示す図である。
【図９】図２のマイクロ波送信器によって実行される方法を示す流れ図である。
【図１０】ＬＰＴＤＲＲの等価時間波形を示す図である。
【図１１】ＬＰＴＤＲＲの等価時間波形を示す図である。
【図１２】図２のマイクロ波送信器によって実行される方法を示す流れ図である。
【図１３】物質の濃度を決定するように構成された送信器を示す簡略図である。
【図１４】混合パルスおよび基準パルスを示す時間に対するエネルギのグラフである。
【図１５】物質「Ａ」の濃度の変化を計算するための回路を示すブロック図である。
【図１６】プロセス流体の流れ中の接触アンテナを示す簡略図である。
【図１７】アンテナとしてピトー管を使用する本発明の濃度検出回路の簡略図である。
【図１８】マイクロ波信号がピトー管の内部のプレナム（interior plenum）に沿って伝搬される簡略図である。
【図１９】アンテナがピトー管のプレナム内部に配備された簡略図である。
【図２０】プロセス流体の流れの方向と平行に延びるアンテナを示す図である。
【図２１】螺旋アンテナが使用された実施例を示す図である。
【図２２】プロセス配管がＬ字形を含み、アンテナの一部が流れの方向に延びる実施例を示す図である。
【図２３】物質の濃度を決定するように構成された送信器のブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１２、１３、１７、２４・・・貯蔵タンク
１４・・・第１製品
１５・・・第２製品
１６・・・ハウジング
１８、１９、２１、２２、２６・・・プロセス製品
２０・・・ループ
２３・・・管
３０・・・制御室
１００・・・レベル送信器
１１０・・・端子
１２８・・・境界部
Claims (21)
- プロセス流体と接触するように構成されたアンテナと、
前記アンテナを通してマイクロ波送信パルスを発生するために、前記アンテナに接続されたパルス発生装置と、
前記アンテナからの反射パルスを受信するように構成された前記アンテナに結合されたパルス受信装置と、
前記反射パルスの関数として物質の濃度を計算するように構成された濃度計算装置とを備えたプロセス流体内の物質の濃度を測定する装置。 - 物質の濃度が、帰還パルスの時間遅延の関数として計算される請求項１に記載の装置。
- 物質の濃度が、帰還パルスのエネルギレベルの関数として計算される請求項１に記載の装置。
- 前記アンテナが、ピトー管からなる請求項１に記載の装置。
- 前記アンテナが、プロセス流体の流れの方向に延びている請求項１に記載の装置。
- 前記アンテナが、曲がっている請求項１に記載の装置。
- 前記アンテナが、螺旋形である請求項６に記載の装置。
- 前記計算された濃度が、プロセス制御ループに送信される請求項１に記載の装置。
- パルスが、ピトー管の外側に沿って搬送される請求項４に記載の装置。
- パルスが、ピトー管の内側に沿って搬送される請求項４に記載の装置。
- プロセス流体と接触するアンテナに沿ってマイクロ波パルスを送信する工程と、
送信パルスに応答して前記アンテナからの反射マイクロ波パルスを受信する工程と、
反射パルスの関数としてプロセス流体内の物質の濃度を計算する工程とを含むプロセス流体内の物質の濃度を測定する方法。 - 前記物質の濃度が、帰還パルスの時間遅延の関数として計算される請求項１１に記載の方法。
- 前記物質の濃度が、帰還パルスの振幅の関数として計算される請求項１１に記載の方法。
- 前記前記アンテナが、ピトー管からなる請求項１１に記載の方法。
- 前記アンテナが、プロセス流体の流れの方向に延びている請求項１１に記載の方法。
- 前記アンテナが、曲がっている請求項１１に記載の方法。
- 前記アンテナが、螺旋形である請求項１６に記載の方法。
- 前記計算された濃度が、プロセス制御ループに送信される請求項１１に記載の方法。
- パルスが、ピトー管の外側に沿って搬送される請求項１４に記載の方法。
- パルスが、ピトー管の内側に沿って搬送される請求項１４に記載の方法。
- プロセス流体の誘電率を計算する工程を含む請求項１４に記載の方法。
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