JP2011518329A - ガルバーニ電気的にアイソレートされた通信リンクを有するレーダー式レベルゲージシステム - Google Patents
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Abstract
マイクロ波信号をタンク内の製品の表面に向かって伝搬させ、前記表面から前記マイクロ波信号の反射信号を戻すことを可能にするようになっている伝搬デバイスと、少なくとも2つのレーダー式レベルゲージ(RLG)ユニットとを備える、タンク内の製品の表面のレベルを決定するためのレーダー式レベルゲージシステムである。各RLGユニットは、トランシーバー回路と、トランシーバー回路に接続されており、送信信号と受信信号との間の関係に基づき、前記レベルを決定するようになっている処理回路と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、RLGユニットを相互に接続し、RLGユニット間で制御データを伝送するための通信リンクを更に備える。よって1つのULGユニットは、コンフィギュレーションデータをRLGユニットのうちの他のユニットに伝送することができ、この結果、センサシステムのコンフィギュレーションは簡略化され、よって従来の解決案と比較し、よりコスト的に効果的となる。
Description
本発明は、タンク内のプロセス変数を測定するためのレーダー式レベルゲージシステムに関し、より詳細には、かかるシステムにおける制御データの交換に関する。
タンク内の製品のプロセス変数に関する情報を提供するため、タンク内にレーダー式レベルゲージシステムを配置できる。かかるセンサによって測定できるプロセス変数の例として、充填レベル、製品の組成、流入量などがある。
かかるゲージシステムでは、機能が独立していることが必要なことがある。例えば安全規則は、高レベルのアラームセンサおよび/または溢流アラームセンサがレベル測定センサからだけでなく、相互に独立して機能することを求めている。ここで、機能の独立性とは、あるシステム内の障害が他のシステムを動作不能にしないことを意味する。
相互にガルバーニ電気的にアイソレートされた数個のRLGユニットを設けることにより、かかる独立性を得ることができる。この結果、作動条件およびサービス条件の双方を満たすように、完全に冗長なハードウェアおよびソフトウェアによって各RLGユニットが実現されるシステムが得られる。レベル測定およびアラームの場合、センサシステム内の各RLGユニットは、充填レベルを測定するためのコンポーネントを必要とし、各RLGユニットは、コンフィギュレーションデータを受信するためのインターフェースを必要とする。かかるRLGシステムは、特に海事用途で使用され、例えばタンク搭載船舶に取り付けられるが、そのような用途だけに限定されるわけではない。
高度技術ゲージシステムの場合、多数のコンフィギュレーションパラメータが必要とされ、センサのステータスを判断するためにセンサへサービスコマンドが伝送される。このタイプまたは同様なタイプの数個の独立したセンサを有するシステムでは、独立性の条件によってシステムが複雑となり、かつ高価となる。更に、各センサに多量のデータを伝送しなければならないので、システムの作動に時間がかかり、かつ困難となる。
従って、本発明の目的は、従来技術の上記問題を克服するか、または少なくとも緩和した、改良されたセンサシステムを提供することにある。
上記およびそれ以外の目的は、マイクロ波信号をタンク内の製品の表面に向かって伝搬させ、表面からマイクロ波信号の反射信号を戻すことを可能にするようになっている伝搬デバイスと、少なくとも2つのレーダー式レベルゲージ(RLG)ユニットとを備え、各RLGユニットは、伝搬デバイスに接続されており、マイクロ波信号を伝搬デバイスに送信し、反射に関連した反射信号を受信するようになっているトランシーバー回路と、トランシーバー回路に接続されており、送信信号と受信信号との間の関係に基づき、レベルを決定するようになっている処理回路と、RLGユニットが取得した測定データをRLGユニットの外側に伝送するための通信インターフェースとを備える、タンク内の製品の表面のレベルを決定するためのレーダー式レベルゲージシステムによって達成される。このシステムは、RLGユニットを相互に接続し、RLGユニット間で制御データを伝送するための通信リンクを含み、通信リンクは、RLGユニットのガルバーニ電気からのアイソレーションを保証するアイソレートインターフェースを含む。
アイソレートインターフェースは、通信リンクを介してセンサ間で帯電粒子が移動できないこと、すなわちRLGユニット間で導電性接続がなく、通信リンクを介してRLGユニットから次のRLGユニットに直接電流が流れないことを保証するようになっている。しかしながら、他の手段、例えば容量手段、誘導手段、電磁波、光手段、音響手段または機械的手段により、通信リンクを通してエネルギーおよび/または情報を交換することもできる。
1つのRLGユニットは、RLGユニットの残りのユニットにコンフィギュレーションデータを伝送することができ、この結果、センサシステムのコンフィギュレーションは簡略化されるので、従来の解決方法と比較して、よりコスト的に効果的となる。
一実施形態によれば、RLGユニットは、これらRLGユニットのうちの1つで障害が生じても、前記RLGユニットのうちの他の1つが作動可能な状態のままとなるように機能的に独立している。通信リンクのアイソレートインターフェースは、異なるRLGユニットの独立した機能を弱体化することなく、RLGユニット間で通信リンクが種々の制御データを伝送できることを保証している。
制御データを、コンフィギュレーションデータ、例えばセンサ設備の物理的性質に関連するデータ、またはユーザーが設定したパラメータに関連したデータとすることができる。センサ内のいくつかのセンサに対して一般に同じであるかかるコンフィギュレーションデータ、例えばタンクの特性または幾何学的形状に関連するデータを、1つのセンサから通信リンクを介し、別のセンサに伝送できる。
コンフィギュレーションデータの一部がマニュアル入力された場合、かかるデータを1つのユニットに入力するだけでよいので、この結果、利用性が高くなり、かつシステムがより効率的となる。更にセンサ間でコンフィギュレーションデータが異なるような危険性も低減される。
上記とは異なり、制御データをセンサが取得した測定データに関連付けしてもよい。これによって各RLGユニットが他のセンサからの結果に関する情報を有し、例えば真の測定データをトラッキングすることを証明できる。別の利点は、異なる機能の間でプロセスデータを比較することにより、信号処理を改善できることである。
各RLGユニットは、前記通信リンクを介して制御データを送受信し、よってセンサの完全に双方向のネットワークを形成できるようになっている。このことは特に、制御データが多くのセンサから他のセンサに伝送しなければならないデータ、例えば測定データとなっているときに好ましい。
上記とは異なり、前記RLGユニットのうちの1つを、前記センサシステムの外部からの前記制御データを受信するようになっている「マスター」ユニットとし、残りのRLGユニットを、通信リンクを介してマスターユニットからの制御データを受信するようになっている「スレーブ」ユニットとすることができる。したがって、かかるマスターユニットは、すべてのユニットに到達しなければならないデータ、例えばコンフィギュレーションデータまたは外部センサデータのための入力ポイントとして使用できる。
したがって、データ入力デバイスが制御データを入力するために使用されている場合、マスターユニットは、かかる入力デバイスを含むだけで十分である。マスターユニットは、通信リンクを介して他のRLGユニットにデータを送信できるので、スレーブユニットは、どんな入力デバイスも必要としない。
通信リンクは、光信号に基づくことができ、例えば各RLGユニット内に設けられた光スイッチおよびこれらスイッチを接続する光リンクを含む。ガルバーニ電気からアイソレートされた通信リンクを提供するような光信号が知られている。例えば無線ネットワーク技術を使って通信リンクを実現することもできる。
次に、現時点で好ましい本発明の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の上記以外の特徴について説明する。
次に保護ハウジング4内に物理的に一体化された3つのレーダー式レベルゲージ(RLG;Radar Level Guage)ユニット1、2、3を有する、図1に示されたレーダー式レベルゲージシステム10を参照して、本発明を説明する。ここで、ハウジング4は、外側カバー4aだけでなく内側カバー4bも含む。本システムは、タンク船舶(タンカー)に取り付けられている場合、ゲージシステム内の電子装置を外側環境、例えば海水のしぶきから保護するようになっている。更に、カバー4a、4bのうちの少なくとも1つは、電子装置を電磁的外乱からシールドするように、導電性とすることができる。
システム10は、フランジ5を有し、このフランジはタンク7のルーフ内の開口部の対応するフランジ6に取り付けられている。このタンクは、図1に示されるように固定式プロセスタンクでもよいが、タンク船舶のような移動する船舶上に設けられたタンクでもよい。各RLGユニットは、タンク内に信号を送信し、タンク7内の2つの材料間のインターフェース9によって反射される信号を受信することにより、タンク7内に含まれる製品8の充填レベルLまたはアレージ(内容積)レベルのようなプロセス変数の測定を行うようになっている。一般に第1材料はタンク内に蓄積された液体製品8、例えばガソリンであるが、第2材料は、製品の上の雰囲気、例えば空気となっている。
ここで、3つのすべてのRLGユニットは、トランシーバからタンク7に信号を送ることができるよう、1つの共通伝搬デバイス11に接続されている。この目的のために、システムは各RLGからの信号を合波し、合波された信号を伝搬デバイスに送ると共に、タンクから受信した反射信号を分離するようになっている合波器12を備え、これによって特定のRLGから送信された信号から得られたこの反射信号の一部は、この特定のRLGへ戻される。この合波/分離プロセスは、偏波、周波数変調、時間変調などに基づくことができる。変調の場合、合波器は、本明細書で参考例として援用する国際特許第WO2003/025523号に記載されているようなターンスタイル接合とすることができる。
伝搬デバイス11は、インターフェース9によって反射すべき電磁波をタンク7内に送信するアダプタとして作動するようになっている。伝搬デバイスは、図1に示されるように、タンク7の頂部に配置された自由伝搬アンテナまたはパイプとすることができる。これとは異なり、伝搬デバイス11をガイド波送信ラインとしてもよい。かかる送信ラインは、タンクの頂部と底部の間に吊り下げられた可撓性ワイヤーでもよいし、タンク内に延びる剛性プローブでもよい。更に、このラインは単一ワイヤーでもよいし、ツイン・ワイヤーでもよいし、同軸ワイヤーでもよいし、または他の任意のタイプの適当な送信ラインでもよい。伝搬デバイスは、電磁波をガイドしながら伝搬させるための中空導波管でもよい。
このゲージシステムは、1つまたは数個の別のセンサ13に接続できる。別のセンサの例として、蒸気圧センサおよび温度センサを挙げることができる。
図示されている例では、第1RLGユニット1は、レベル測定に使用される。すなわち連続して更新されるタンク内の充填レベルまたはアレージの値を提供するのに使用される。第2RLGユニット2は、高レベルのアラームとして使用される。すなわち充填レベルが所定のレベル、例えばタンクの95%に等しいレベルを超えたときにアラーム信号を発生するように使用される。第3RLGユニット3は、溢流アラームとして使用される。すなわち充填レベルが所定のオーバーフィルレベル、例えばタンク容積の98%を超えたときにアラーム信号を発生するように使用される。
種々の安全条件、例えば海事安全規則は、図1内の複数のセンサが機能的に独立していること、すなわち1つのセンサの障害が他のシステムを不作動にしないことを求めている。図1に示されるように、数個のRLGが物理的に統合されており、1つの伝搬デバイスを共用しているときにも、この条件が満たされることに留意されたい。
図2は、図1のシステムで使用するのに適したレーダー式レベルゲージの一例を示す、一般化されたブロック略図である。
このレーダー式レベルゲージ1は、伝搬デバイス11に接続された、マイクロウェーブモジュールとも称されるトランシーバー回路21も含む。このレーダー式レベルゲージ1は、トランシーバー回路21を制御し、トランシーバー21によって送受信される波の間の関係に基づき、タンク7内の製品のプロセス変数を決定するようになっているタイミング回路および処理回路も備え、これら回路は、トランシーバー制御および信号処理ブロック22として示されている。
トランシーバー制御および信号処理ブロック22は、更に通信インターフェース23に接続されており、この通信インターフェース23は、2ワイヤーインターフェース24を通してレーダー式レベルゲージ1の外部へ通信信号を送るようになっている。この2ワイヤーインターフェース24は、RLGユニット1の外部と通信すること、およびRLGユニットを作動させるための電力を受けることの双方の組み合わされた機能を有する。2ワイヤーインターフェース24では、インターフェースを通って流れる電流に重畳されたプロトコルによってデータを伝送できる。かかるプロトコルの例として、HART、プロフィバスおよびファンデーションフィールドバスがある。インターフェース24には、シリアルバス25が接続されており、RLGユニット1のデータと中央制御ユニット26との間の伝送を可能にしている。
2ワイヤーインターフェース24によって供給される電力の他に、別個のワイヤーペア(図示せず)に別の電力を供給できる。例えばマイクロウェーブユニット21、処理回路22および/または通信インターフェース23に別の電力を供給できる。
RLGユニット1は、一般に危険なゾーンに設置されて、固有の安全規則を満たさなければならない。したがって、ゲージシステム全体を防爆カプセル化する必要性を回避するよう、固有の安全態様ですべての給電を行うことが好ましい。
RLGのスイッチは、信号処理に必要な種々のコンフィギュレーションデータを記憶するための不揮発性メモリ、例えばEPROM28も含むことができる。かかるデータは、バス25およびインターフェース24を通してゲージ1へ転送できる。この目的のために、バス25はマニュアル入力されたコンフィギュレーションデータを受けるためのユーザーインターフェース29へ接続することもできる。ユーザーインターフェース29は、サービスアプリケーションのためにも使用でき、情報、例えばタンクのスペクトル、レベルに関連する情報などをディスプレイするようにできる。このユーザーインターフェース29は、RLGユニット1の近くに位置していてもよいし、または例えば制御ルーム内に離間して位置していてもよい。
上記とは異なり、図3に示されるように、インダストリアル・ループ(例えば4〜20mAのループ)により、通信インターフェース23と中央制御ユニット26との間の通信を行ってもよく、この場合、測定されたデータはアナログの電流値によって伝送される。この場合、データ処理ブロック22が測定する測定結果に従い、ライン31、32内の電流をレギュレートするように、通信インターフェース内に電流制御ユニット33が配置される。
当業者であれば、他のタイプの通信プロトコル、例えば4ワイヤー接続も使用できることが認識できよう。この場合、レーダー式レベルゲージ1への電力は、4本のワイヤーのうちの2本を通して供給され、残りの2本のワイヤーを通して通信が行われる。
使用に際し、各測定サイクル中に、処理回路22は伝搬デバイス11によりタンク7内へ送信すべき測定信号を発生し、送信するように、トランシーバー回路21を制御する。この信号は、例えばパルス信号(パルスレベルゲージング)でもよいし、または所定のレンジにわたって周波数が変化する連続信号(周波数変調連続波、FMCW)でもよいし、またはタンクゲージングに適した他の任意の変調信号でもよい。パルスレベルゲージの場合、トランシーバ21が発生する信号は、約2ns以下の長さを有し、1MHzの大きさのパルス繰り返し周波数を有し、4〜11GHzの周波数の搬送波(マイクロウェーブ)上で変調されたDCパルスとすることができる。FMCWの場合、信号は、例えば0.5〜3GHzのバンド幅を有し、例えば約6GHz、10GHzまたは26GHzの中心周波数を有する周波数バンド内に存在し得る。平均出力パワーレベルは、mWからμWの範囲内とすることができる。上記のように、伝搬デバイス11、本明細書ではアンテナは、トランシーバ21内で発生される信号が電磁波としてタンク7内に伝搬できるようにするアダプタとして作動し、電磁波は材料8の表面9によって反射できる。
伝搬デバイス11を介し、タンク信号、すなわち送信信号とそのエコーとの相関信号、または送信信号と反射信号の混合信号がトランシーバ21により受信され、処理回路22へ転送される。処理回路22は、送信波と受信波との関係に基づいて測定結果を決定する。
十分な作動をするには、例えばタンクの幾何学的形状、タンク内の製品の特性などを定めるコンフィギュレーションデータを、各RLGユニットに提供することが好ましい。かかるコンフィギュレーションデータは、ユーザーインターフェース29を使ってバス25およびインターフェース24を通して提供できる。これとは異なり、インターフェース23とは別の入力インターフェース30を回路22へ接続し、RLGユニット1へダイレクトにアクセスしてもよい。このインターフェース30は、例えばキーボードのようなマニュアル入力デバイスを直接RLGユニットに接続するのに使用できる。
図4に示されるように、ゲージシステム10は、RLGユニット1、2、3を相互に接続する通信リンク41を含むと同時に、リンクを介し、ユニット間で電荷が移らないことを保証するガルバーニ電気的にアイソレートされたインターフェースも含む。かかるガルバーニ電気的にアイソレートされたインターフェースは、別の方法でも実現できる。かかる例として、光インターフェース、誘導インターフェースまたは短距離無線インターフェース、例えばブルートゥースを挙げることができる。本明細書では1つのリンクと記載しているが、リンク41は、各々がシステム10内のRLGユニット1、2、3のうちの2つを接続する数個のリンクセグメントを含むことができる。
リンクは、図4に示されるように直列に接続してもよいが、これとは異なり並列に接続してもよい(図6参照)。図2では、リンク41は通信インターフェース23に接続されるように示されている。必要であれば、通信リンク41に対し、別個の通信ドライバーを設けてもよい。
図4では、通信リンク41は光リンクであり、このリンクでは2つのユニット1、2、3に接続する各セグメントが一方の端部に光スイッチ42を備え、両側の光スイッチ42と、これらスイッチ42の間に延びる光ガイド、例えば光ケーブル43を含む。隣接するRLGユニット1、2、3の対向する表面に互いに向き合う光スイッチ42を配置することにより、光ガイドを省略できる。
通信リンク41によって機能上の独立性を弱体化することなく、センサ1、2、3の間の、可能な場合には外部センサ13との間の通信が可能となる。これによってゲージシステム10内に各センサに対して別々にデータを提供する必要性を少なくできる。
例えばタンク内の同じ開口部内に、各RLGユニット1、2、3が取り付けられているので、各ユニットに対する幾何学的形状の条件は同じとなる。したがって、処理ユニットが必要とし、EPROM28内に記憶されるタンクに関連したコンフィギュレーションデータは、同一となる。次に、センサのうちの1つだけに、かかるコンフィギュレーションデータを入力すれば、通信リンク41を使って残りのセンサにコンフィギュレーションデータを提供できる。
図1に示されるように、センサシステム10全体に対し、1つのユーザーインターフェース29を設けるだけでよい。ユーザーインターフェースは一般にシステムのうちの高価な部品であるので、これによってコストを大幅に低減し、複雑さを縮小できる。
システムの外部からのデータを受信するようになっているRLGユニット1は、「マスター」ユニットと見なすことができ、通信リンク41を介してこのデータを受信するようになっている残りのRLGユニットは、「スレーブ」ユニットと見なすことができる。レーダー式レベルゲージシステム10の図示された例では、マスターセンサを連続的なレベル測定をするために使用されるRLGユニット1とすることが好ましい。
同じように取り扱いできる別のタイプの情報として、外部センサ13からの測定データがある。さらに、かかるデータはすべてのセンサに対して使用できるが、これらデータは、センサのうちの1つだけにより外部から受信され、次に通信リンク41を使って他のセンサに伝送されることが好ましい。一実施形態によれば、マスターRLGユニットにより外部センサデータが受信され、このデータはスレーブRLGユニットへ転送される。
通信リンク41は、センサシステム内のあるセンサから別のセンサに測定データを伝送するのにも使用できる。例えばレーダー式レベルゲージシステム10の場合、1つのRLGユニットが別のRLGユニットによってどの充填レベルが検出されたかを知ることを利点とすることができる。かかる情報は、エラー測定値または他の誤動作を検出するのに使用できる。
当業者であれば、主にレーダー式レベルゲージシステムに関し、これまで本発明について説明したが、本発明はこのような用途だけに限定されないことが認識できよう。逆に本発明は、機能的に独立した複数のセンサの間で伝送されることが望まれるような任意のセンサシステムにも有利に実施できる。
Claims (13)
- タンク内の製品の表面のレベルを決定するためのレーダー式レベルゲージシステムであって、
マイクロ波信号をタンク内の製品の表面に向かって伝搬させ、前記表面から前記マイクロ波信号の反射信号を戻すことを可能にするようになっている伝搬デバイスと、
少なくとも2つのレーダー式レベルゲージ(RLG)ユニットと、
を備え、
各RLGユニットは、
前記伝搬デバイスに接続されており、マイクロ波信号を前記伝搬デバイスに送信し、前記反射に関連した反射信号を受信するようになっているトランシーバー回路と、
前記トランシーバー回路に接続されており、送信信号と受信信号との間の関係に基づき、前記レベルを決定するようになっている処理回路と、
前記RLGユニットが取得した測定データを前記RLGユニットの外側に伝送するための通信インターフェースとを備え、
前記システムは、前記RLGユニットを相互に接続し、前記RLGユニット間で制御データを伝送するための通信リンクを備え、前記通信リンクは、前記少なくとも2つのRLGユニット間のガルバーニ電気からのアイソレーションを保証するアイソレートインターフェースを含む、レーダー式レベルゲージシステム。 - 各トランシーバー回路および前記伝搬デバイスに接続されたマイクロウェーブ合波器を更に備え、前記合波器は、各トランシーバー回路から送信されるマイクロウェーブ信号を合波することによって形成される、合波された信号を前記伝搬デバイスに提供すると共に、前記特定のトランシーバー回路から送信されたマイクロウェーブ信号に関連する前記反射信号の一部を分離することにより形成される、反射信号を特定のトランシーバー回路に提供するようになっている、請求項1に記載のゲージシステム。
- 前記RLGユニットを囲むと共に、前記RLGユニットを周辺の雰囲気から保護する保護ハウジングを更に含む、請求項1または2に記載のゲージシステム。
- 前記保護ハウジングは、前記RLGユニットを電磁シールドするように導電性となっている、請求項3に記載のゲージシステム。
- 各RLGユニットは、前記通信リンクを介して制御データを送受信するようになっている、請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
- 前記RLGユニットのうちの1つは、前記ゲージシステムの外部から前記制御データを受信するようになっているマスターユニットであり、残りのRLGユニットは、前記通信リンクを介して前記マスターユニットからしか、制御データを受信しないようになっているスレーブユニットである、請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
- 前記マスターユニットの前記通信インターフェースは、前記制御データを受信するようになっている、請求項6に記載のゲージシステム。
- 前記マスターユニットは、制御データを受信するための、前記通信インターフェースとは別個のデータ入力インターフェースを更に含む、請求項6に記載のゲージシステム。
- 前記通信リンクは、各RLGユニット内に設けられた光スイッチと、これら光スイッチを相互に接続する光ガイドとを含む、請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
- 各RLGユニットは、少なくとも前記タンクの幾何学的形状に関連するコンフィギュレーションデータを記憶するためのメモリを備え、前記制御データは、前記タンクの幾何学的形状に関連するコンフィギュレーションデータを含む、請求項1〜9のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
- 前記制御データは、前記プロセス変数に関連する測定データを含む、請求項1〜10のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
- 前記RLGユニットは、前記RLGユニットのうちの1つで障害が生じた場合でも、前記RLGユニットのうちの他の1つが作動可能な状態のままであるように、機能的に独立している、請求項1〜11のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
- 前記RLGユニットのうちの少なくとも1つは、前記タンクの充填レベルが所定のレベルを超えたときに、アラーム信号を発生するようになっているアラームユニットである、請求項1〜12のうちのいずれか1項に記載のゲージシステム。
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