KR102083954B1 - Mcu 타이밍 회로를 가진 레이더 레벨 게이지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기 신호를 사용하여 탱크 내 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법으로서: a) 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하는 단계; b) 제품을 향해 신호를 전파하는 단계; c) 반사 신호를 수신하는 단계; d) 시간-도메인에서 반사 신호가 전송 신호를 중첩시키는지 판단하는 단계; e) 중첩이 검출되면 중첩 파라미터를 1로 설정하는 단계와 그렇지 않으면 중첩 파라미터를 0으로 설정하는 단계; 및 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩이 검출되지 않는다면, 이전의 길이를 초과하는 길이를 가지는 신호를 생성하고 단계 b)를 반복하는 단계와; 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩이 검출된다면, 이전의 길이보다 더 짧은 길이를 가지는 신호를 생성하고 단계 b)를 반복하는 단계와; 중첩 파라미터의 상태가 변경된다면, 전송 신호의 길이를 기초로 충진 레벨을 판단하는 단계를 포함한다.

Description

MCU 타이밍 회로를 가진 레이더 레벨 게이지{RADAR LEVEL GAUGE WITH MCU TIMING CIRCUIT}
본 발명은 전자기 신호를 사용하여 탱크 내에 포함된 제품의 표면으로의 거리를 판단하기 위한 방법 및 레벨 게이지 시스템에 관한 것이다.
레이더 레벨 게이지(RLG) 시스템은 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는데 널리 사용된다. 레이더 레벨 게이징(Radar level gauging)은 일반적으로 전자기 신호가 탱크 내에 포함된 제품을 향해 방사되는 비-접촉 측정에 의해 또는 전자기 신호가 도파관의 역할을 하는 프로브에 의해 제품을 향해 그리고 제품으로 안내되는 종종 유도파 레이더(guided wave radar, GWR)라고 하는 접촉 측정에 의해 수행된다. 프로브는 일반적으로 탱크의 상부에서 탱크의 하부를 향해 수직으로 뻗어있도록 배열된다. 또한, 프로브는 탱크의 외부 벽으로 연결되고 탱크의 내부와 유체 연결되는 소위 챔버와 같은 측정 튜브에 배열될 수 있다.
전송되는 전자기 신호는 제품의 표면에서 반사되며, 반사된 신호는 레이더 레벨 게이지 시스템에 포함된 수신기나 송수신기에 의해 수신된다. 전송되고 반사된 신호들을 기초로, 제품의 표면으로의 거리가 결정될 수 있다.
더 상세하게, 제품의 표면으로의 거리는 통상 탱크 내 분위기와 그 내부에 포함된 제품 사이의 인터페이스에서 전자기 신호의 전송과 그 신호의 반사의 수신 사이의 시간을 기초로 결정된다. 제품의 실제 충진 레벨을 판단하기 위해, 기준 위치에서 표면으로의 거리는 상술한 시간(소위 비행시간(time-of-flight)) 및 전자기 신호의 전파 속도를 기초로 결정된다.
오늘날 업계에서 대부분의 레이더 레벨 게이지 시스템은 펄스의 전송과 제품의 표면에서 그 펄스의 반사의 수신 사이의 시간 차를 기초로 탱크 내에 포함된 제품의 표면으로의 거리를 판단하는 소위 펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템 또는 전송된 주파수-변조형 신호와 표면에서 그 신호의 반사 사이의 위상 차를 기초로 표면으로의 거리를 판단하는 시스템 중 하나이다. 후자의 타입의 시스템은 통상 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 타입이라고 일컬어진다.
펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템에 대하여, 시간 확장 기술이 일반적으로 비행시간을 해결하는데 사용된다.
이런 펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템은 통상 전송된 펄스 반복 주파수로 탱크 내에 포함된 제품의 표면을 향해 전송하기 위한 펄스에 의해 형성되는 전송 신호를 생성하는 제1 오실레이터 및 전송된 펄스 반복 주파수와 다른 기준 펄스 반복 주파수로 기준 펄스에 의해 형성된 기준 신호를 생성하는 제2 오실레이터를 가진다.
측정 스윕(measurement sweep)의 시작으로, 전송 신호와 기준 신호는 동일한 위상을 가지도록 동기화된다. 주파수 차이로 인해, 전송 신호와 기준 신호 사이의 위상 차는 측정 스윕 동안 점차 증가할 것이다.
측정 스윕 동안, 탱크 내에 포함된 제품의 표면에서 전송 신호의 반사로 형성된 반사 신호는 기준 신호와 상관되고 있어서, 출력 신호는 반사 펄스와 기준 펄스가 동시에 발생할 때에만 생성된다. 측정 스윕의 시작으로부터 반사 신호와 기준 신호의 상관으로 발생한 출력 신호의 발생까지의 시간은 전송 신호와 반사 신호 사이의 위상 차의 양(measure)이며, 이는 결국 탱크 내에 포함된 제품의 표면으로의 거리가 결정될 수 있는 반사된 펄스의 비행시간의 시간 증가량(time expanded measure)이다.
2개의 오실레이터를 갖는 펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템은 전송 신호를 기준 신호와 정확히 상관시키기 위해 2개의 오실레이터 사이의 정확한 타이밍(timing)을 필요로 한다. 따라서, 오실레이터 성능이 중요하다. 게다가, 전송 신호와 기준 신호 사이의 주파수 차의 정확성이 펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템의 성능에서 중요하기 때문에, 실제 충진 레벨 측정이 시작가능하기 전 오랜 보정 순서가 요구될 수 있다.
종래기술의 상술한 결함 및 다른 결함들의 관점에서, 본 발명의 일반적인 목적은 개선된 펄스형 레벨 게이지 시스템 및 방법을 제공하기 위함이며, 특히 충진 레벨을 판단하는 간소하고 더 견고한 펄스형 레벨 게이지 시스템 및 방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 이런 목적 및 다른 목적들은 전자기 신호를 사용하여 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법을 통해 달성되는데, 이런 방법은: a) 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하는 단계; b) 탱크 내에 포함된 제품의 표면을 향해 전송 신호를 전파하는 단계; c) 제품의 표면에 전송 신호의 반사로 발생한 반사 신호를 수신하는 단계; d) 시간-도메인에서 수신된 반사 신호가 전송 신호를 중첩시키는지 판단하는 단계; e) 중첩이 검출되면 중첩 파라미터를 상태 1로 설정하는 단계와 중첩이 검출되지 않으면 중첩 파라미터를 상태 0으로 설정하는 단계; 및 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩이 검출되지 않는다면, 제1 기결정된 길이를 초과하는 업데이트된 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하고 단계 b)를 반복하는 단계와; 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩이 검출된다면, 제1 기결정된 길이보다 더 짧은 업데이트된 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하고 단계 b)를 반복하는 단계와; 중첩 파라미터의 상태가 변경된다면, 전송 신호의 기결정된 길이를 기초로 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 단계를 포함한다.
탱크는 제품을 포함할 수 있는 임의의 컨테이너 또는 용기(vessel)일 수 있으며, 금속형, 또는 부분이나 완전 비-금속형, 개방형, 반-개방형 또는 폐쇄형일 수 있다. 게다가, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨은 탱크 내부의 제품을 향해 전송 신호를 전파하는 신호 전파 장치를 사용하여 직접적으로, 또는 탱크 외부에 위치한 소위 챔버 내부에 배치되나 챔버 내 레벨이 탱크 내부의 레벨과 일치하는 방식으로 탱크 내부와 유체 연결되는 전파 장치를 사용하여 간접적으로 판단될 수 있다. 전송 신호는 전자기 신호이며, 신호의 길이는 신호의 지속시간으로 이해되어야 한다. 게다가, 신호는 예컨대 임의의 형태의 하나 이상의 펄스로서, 펄스 트레인(pulse train)으로서 또는 파형(waveform)으로서 제공될 수 있다.
본 발명은 탱크 내 제품의 충진 레벨을 판단하는 개선된 방법 및 개선된 레벨 게이지 시스템이 시간 도메인에서 중첩이 전송 신호와 그로 인해 수신된 반사 신호 사이에 발생하는 전송 신호의 특성을 기초로 제품의 표면으로의 거리를 결정함으로써 달성될 수 있는 구현을 기초로 한다. 본 발명을 통해, 충진 레벨을 판단하기 위해 반사 신호를 분석할 필요가 없고 반사 신호가 검출되고 전송 신호와 상관시키는 것만이 필요하기 때문에, 충진 레벨을 판단하는 간소한 방법이 제공된다. 수신된 반사 신호와 전송 신호 사이의 중첩이 검출된다면, 충진 레벨은 전송 신호의 공지된 특성을 기초로 판단될 수 있다.
상술한 방법에서, 충진 레벨이 단계 e)에서 판단되지 못하면, 업데이트된 기결정된 길이를 가지는 전송 신호가 생성되고 상기 방법이 단계 b)부터 반복된다는 점을 유의해야 한다. 이런 방법의 반복은 바람직하기로 충진 레벨이 판단될 때까지 수행된다.
본 발명의 일실시예로, 전송 신호는 이점적으로 단일의 전송 펄스일 수 있다. 단일 펄스의 형태로 전송 신호를 사용하는 경우, 시간 도메인에서 전송 신호와 반사 신호 사이의 탱크 외부 위치에서의 중첩은 수신된 반사 펄스의 리딩 에지(leading edge)가 전송 신호의 트레일링 에지(trailing edge)와 중첩할 때 발생한다. 이로써, 탱크의 높이에 해당하는 길이를 가지는 제1 전송 신호를 제공함으로써 그리고 중첩 상태의 변화가 발생할 때까지, 즉 어떠한 중첩도 발생하지 않을 때까지 전송 신호의 길이를 순차적으로 감소시켜 중첩 상태의 변화가 결정되는 전송 신호의 길이를 기초로 충진 레벨을 판단함으로써 충진 레벨이 판단될 수 있다. 전송 신호가 단일 펄스의 형태로 제공되는 경우, 전송 신호의 길이는 펄스의 길이와 동일하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상술한 기결정된 길이의 전송 신호는 이점적으로 사전 결정된 충진 레벨을 기초로 할 수 있다. 통상, 측정 사이클에서 제1 전송 신호는 임의의 선택된 길이를 가질 수 있으며, 바람직하게는 그 길이가 탱크의 높이 이하의 거리에 해당하도록 선택될 수 있다. 대안으로, 전송 신호는 최단으로 달성가능한 신호로서 제공될 수 있다. 제1 측정 신호의 반사가 수신된 후, 표면의 위치를 검출하기 위해 신호의 길이가 증가되거나 감소될 필요가 있는지 결정될 수 있다. 따라서, 전송 신호의 길이를 순차적으로 변경함으로써, 표면의 위치가 발견될 수 있다. 그러나, 사전 결정된 충진 레벨을 기초로 측정 사이클에서 제1 측정 신호의 길이를 대신 선택함으로써, 표면이 발견되기 전까지 더 적은 측정의 반복이 요구될 수 있다. 이로써, 측정 시스템은 제1 전송 신호의 길이가 임의로 선택는 경우에 비해 더 에너지 효율적이고 더 신속해질 수 있다.
본 발명의 일실시예로, 전송 신호를 생성하는 단계는: 기결정된 길이를 가지는 제1 펄스(P1)를 생성하는 서브-단계; 제1 펄스(P1)의 길이와 다른 길이를 가지는 제2 펄스(P2)를 생성하는 서브-단계; 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2) 사이의 길이 차에 해당하는 길이를 가지는 제어 펄스(PSW)를 제공하도록 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2)의 논리 연산을 수행하는 서브-단계; 및 제어 펄스(PSW)의 길이에 해당하는 길이를 가지는 전송 신호를 생성하는 서브-단계를 포함할 수 있다. 최단의 측정가능한 거리는 전송 신호의 최소의 달성가능한 길이에 의해 결정된다. 몇몇의 상황하에서, 가령 제품의 표면이 탱크의 천장에 근접하면, 표면으로의 거리를 정확히 판단하기 위한 충분히 짧은 전송 신호를 직접 제공하는 것이 불가능할 수 있다. 따라서, 논리 연산이 2개의 펄스의 차이에 해당하는 길이를 가지는 매개 제어 펄스(intermediate control pulse)를 형성하는데 이용될 수 있다. 결국, 제어 펄스는 이후 전송 신호를 형성하는데 사용될 수 있다. 제1 및 제2 펄스(P1 및 P2)가 동시에 시작하거나 종료하면, 논리 XOR 연산이 펄스 사이의 길이 차를 나타내는 제어 펄스(PSW)를 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전송 신호를 생성하는 단계는: 기결정된 길이를 가지는 제1 펄스(P1)를 생성하는 서브-단계; 제1 펄스(P1)와 관련하여 기결정된 시간-지연을 가지는 제2 펄스(P2)를 생성하는 서브-단계; 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2)의 중첩에 해당하는 길이를 가지는 제어 펄스(PSW)를 제공하도록 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2)의 논리 연산을 수행하는 서브-단계; 및 제어 펄스(PSW)의 길이에 해당하는 길이를 가지는 전송 신호를 생성하는 서브-단계를 포함할 수 있다. 상술한 것과 유사한 방식으로, 논리 연산은 결국 전송 신호를 형성하는데 사용되는 매개 제어 펄스를 형성하는 데 사용될 수 있다. 여기서, AND 연산은 펄스들(P1 및 P2) 사이의 중첩을 나타내는 펄스(PSW)를 제공하는데 사용될 수 있다. 게다가, 제1 및 제2 펄스(P1 및 P2)는 동일한 길이를 가질 수 있다. 탱크의 임의의 충진 레벨에 대한 표면의 위치를 결정하도록 전송 신호를 제공하기 위해 제어가능한 양으로 전송 신호의 길이를 감소하고 증가하는 것이 바람직하다. 결과적으로, 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2)가 동일한 길이를 가지고, 기결정된 시간 지연이 일정하다면, 결국 전송 신호의 길이를 제어하는 제어 펄스(PSW)의 길이의 증가는 제1 및 제2 펄스 모두가 동일한 양으로 증가하도록 제공되는 제1 및 제2 펄스의 길이의 증가와 같다. 따라서, 제1 및 제2 펄스(P1 및 P2)의 길이를 변화시켜 전송 신호의 길이를 변화시키기 위한 쉬운 방식이 제공된다.
또한, 전송 신호 및/또는 매개 제어 펄스가 상술한 것들 이외의 논리 연산들 또는 예컨대 OR, NOR, NAND 등과 같은 논리 연산들의 조합을 사용하여 생성될 수 있음을 유의해야 한다.
본 발명의 일실시예로, 전송 신호는 이점적으로 2개의 전송 펄스를 포함할 수 있다. 전송 신호가 2 이상의 펄스를 포함하는 경우, 전송 신호의 길이는 제1 펄스의 리딩 플랭크(leading flank)에서 마지막 펄스의 폴링 플랭크(falling flank)까지의 시간으로 정의된다.
게다가, 전송 신호를 생성하는 단계는 이점적으로: 제1 전송 펄스(T1)를 생성하는 단계와; 제1 전송 펄스(T1)와 관련하여 기결정된 시간-지연을 가지는 제2 전송 펄스(T2)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 단일 펄스를 포함하는 전송 신호에 대해, 반사 펄스의 리딩 에지가 전송 펄스의 트레일링 에지와 중첩할 때 중첩이 검출된다. 그러나, 충진 레벨을 판단하는 더 에너지 효율적인 방법이 2개의 전송 펄스(T1 및 T2)의 형태로 전송 신호를 사용하여 제공될 수 있는데, 여기서 제2 전송 펄스(T2)는 제1 전송 펄스(T1)와 관련하여 제어가능한 시간 지연을 가진다. 이로써, 2개의 전송 펄스(T1 및 T2)는 단일 전송 펄스를 포함하는 전송 신호에 비해 상당히 더 짧을 수 있다. 따라서, 전송 신호를 생성하고 충진 레벨을 판단하는데 에너지가 덜 필요하다.
본 발명의 일실시예로, 중첩 파라미터의 상태가 제1 전송 펄스(T1) 및 상기 제1 전송 펄스(T1)와 관련하여 기결정된 시간-지연을 가지는 제2 전송 펄스(T2)를 포함하는 전송 신호에 대해 변경된다면, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨은 기결정된 시간 지연을 기초로 결정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 충진 레벨은 중첩 상태의 변화가 발생하는 전송 신호의 공지된 특성을 기초로 결정될 수 있다. 여기서, 충진 레벨을 판단하는데 사용되는 공지된 특성은 2개의 전송 펄스 사이의 시간 지연이다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 전자기 신호를 사용하여 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 레벨 게이지 시스템이 제공되는데, 이런 레벨 게이지 시스템은: 전자기 신호를 생성하는 오실레이터와; 오실레이터를 제어함으로써 기결정된 길이를 가지는 제1 전송 신호를 제공하는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)을 포함하는 전송 신호 생성 회로; 전송 신호 생성 회로에 연결되고, 탱크 내부의 제품의 표면을 향해 제1 전송 신호를 전파하고 탱크 내 포함된 제품의 표면에서 제1 전송 신호의 반사로 발생한 반사 신호를 반환하도록 배열된 전파 장치; 및 전파 장치에 연결되고 제1 출력을 통해 제1 전송 신호를 전파 장치로 연결하도록 구성되며, 전파 장치로부터 반사 신호를 수신하고 제2 반사 신호를 제2 출력으로 연결하도록 더 구성되는 순환기와; 반사 신호를 수신하기 위한 순환기의 제2 출력에 연결되며, MCU에 연결되고 반사 신호가 혼합기에서 시간-도메인으로 제1 전송 신호를 중첩한다면 MCU로 중첩-표시를 제공하도록 구성되는 혼합기를 포함하는, 전송 신호 생성 회로와 전파 장치 사이에 배열되는 신호 라우팅 회로를 포함하며, MCU는 중첩-표시가 수신되면 중첩 파라미터를 상태 1로 설정하고 중첩-표시가 수신되지 않으면 중첩 파라미터를 상태 0으로 설정하며; 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩-표시가 수신되지 않는다면, 제1 전송 신호의 길이를 초과하는 길이를 가지는 제2 전송 신호를 생성하고; 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩-표시가 수신된다면, 제1 전송 신호의 길이보다 더 짧은 길이를 가지는 제2 전송 신호를 생성하며; 중첩 파라미터의 상태가 변경된다면, 중첩 파라미터의 상태가 변경되는 전송 신호의 길이를 기초로 탱크 내 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하도록 구성된다.
전파 장치는 전송선 프로브, 도파관 및 가령 호른 안테나(horn antennas), 어레이 안테나(array antennas) 등과 같은 다양한 타입의 안테나를 포함하는 전자기 신호를 전파할 수 있는 임의의 장치일 수 있다.
본 발명의 맥락에서 혼합기는 신호가 입력 단자 모두에 존재하는 경우에만 출력 신호를 제공하도록 구성되는 2개의 입력 및 1개의 출력을 가진 주파수 혼합기로 이해되어야 한다. 따라서, 혼합기는 시간 도메인으로 전송 신호와 반사 신호가 혼합기에서 중첩하는 경우에만 출력을 제공하는 전송 신호와 반사 신호용 논리 AND 게이트의 역할을 한다.
순환기는 전송 신호 생성 회로로부터 전송 신호를 수신하는 입력 단자, 전송 신호를 전파 장치로 제공하고 전파 장치로부터 반사 신호를 수신하는 입력/출력 단자 및 반사 신호를 혼합기로 제공하는 출력 단자를 가지는 3-포트 장치로 간주되어야 한다. 또한, 순환기는 각각 전송 신호를 제공하고 반사 신호를 수신하기 위한 별도의 포트를 가지는 4 포트 장치의 형태로 제공될 수 있다. 그러나, 신호를 지향시키는 소기의 기능을 수행하는 임의의 타입의 신호 라우팅 장치나 커플링이 이용될 수 있다.
MCU는 가변 길이의 전송 신호가 제공될 수 있도록 오실레이터의 출력을 제어하기 위한 가변 길이의 펄스를 제공하기 위해 펄스 폭 변조(PWM)를 할 수 있는 적어도 하나의 출력을 가지는 마이크로컨트롤러 유닛이다. MCU는 중첩-표시 신호를 수신하기 위한 입력을 더 포함한다.
본 발명의 제2 태양은 탱크 내 제품으로의 거리를 판단하는 개선된 레벨 게이지 시스템이 RF-오실레이터에 의해 생성된 전송 신호의 길이를 제어하는 MCU의 사용을 통해 달성될 수 있다는 점을 기초로 한다. 측정되는 제품의 표면에서의 반사로 생긴 수신된 신호는 시간-도메인에서 전송 신호와 비교되며, 중첩이 발생하면 수신된 반사 신호가 이동한 거리가 광속과 곱해진 신호의 길이보다 더 짧다. 따라서, 표면으로의 거리는 펄스가 이동한 거리의 절반이며, 이로써 표면으로의 거리가 중첩이 검출되는 전송 신호의 길이를 기초로 결정될 수 있다. 기술된 시스템에서, 레벨 게이지 시스템의 최소 측정가능 거리는 MCU가 달성할 수 있는 최소 펄스 길이의 절반에 대략적으로 비례하며, 정밀도(resolution)는 전송 신호가 증가할 수 있는 최소 길이에 비례한다.
본 발명의 제1 태양과 관련하여 논의된 이점들 이외에 본 발명의 제2 태양의 이점은 측정 회로의 복잡성이 2개의 오실레이터를 필요로 하는 종래의 공지된 레이더 레벨 게이지 시스템에 비해 감소할 수 있다는 점이다. 게다가, 본 발명에 따른 측정 시스템은 시간 오류(timing errors)에 덜 민감하고, 오실레이터의 성능이 거리를 판단하는데 다른 오실레이터들에 의해 발생한 신호들의 위상 차이나 주파수 차이가 사용되는 시스템에 비해 덜 중요하다. 또한, 측정의 정밀도가 MCU의 성능을 기초로 하고 MCU들의 성능은 계속 향상되고 있기 때문에, 측정 시스템이 MCU를 대체함으로써 용이하게 업그레이드될 수 있다.
측정 시스템에서 MCU를 사용하는 추가적인 이점은 가령 증폭기, 감쇠기 및 전원과 같은 주변 컴포넌트가 MCU에 의해 제어될 수 있어서, 그렇지 않으면 가능하지 않을 수 있는 성능 및/또는 전력 효율의 개선을 가능하게 할 수 있다는 점이다.
본 발명의 일실시예로, MCU는 이점적으로 전송 신호를 제공하기 전 기결정된 시간으로 오실레이터를 초기화하도록 구성될 수 있다.
게다가, 레벨 게이지 시스템은 오실레이터의 출력을 온 상태와 오프 상태 사이에서 스위칭하기 위해 MCU로 제어되는 스위치를 더 포함할 수 있다. 오실레이터로의 전원을 제어하여 오실레이터의 출력을 제어하는 대신, 안정된 주파수에 도달하고 안정한 RF 신호가 제공될 수 있기 전에, 오실레이터가 특정 시동-기간(startup-period) 또는 초기화 기간(initiation period)을 필요로 할 수 있기 때문에, MCU로 제어되는 마이크로파 스위치는 오실레이터의 출력으로 연결될 수 있다. 이로써, MCU는 전송 신호가 제공되기 전에 충분한 시간으로 시동하도록 오실레이터의 전원을 제어할 수 있다. 따라서, 전송 신호는 오실레이터가 개시된 후 충분한 시간으로 오실레이터의 출력에 연결된 마이크로파 스위치를 작동시켜 제공되며, 이로써 오실레이터의 고유 시동-시간이 덜 관련되도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 혼합기로부터의 중첩-표시는 이점적으로 직류 전류(DC) 펄스일 수 있다. 본 발명의 측정 시스템에서, 혼합기에 의해 제공되는 중첩-표시 신호가 임의의 정보를 포함할 필요는 없다. 이로써, DC-펄스가 제공되는 것으로 충분하다. DC-펄스는 결국 진폭 검출기에 의해 검출될 수 있으며, 차례로 검출기는 적절한 포맷의 중첩 표시 신호를 MCU에 제공한다.
본 발명의 일실시예로, 전송 신호 생성 회로는 MCU의 제1 출력과 제2 출력에 의해 제공되는 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2) 사이의 차에 해당하는 제어 펄스(PSW)를 제공하도록 구성되는 논리 회로를 더 포함하며, 제어 펄스(PSW)는 제어 펄스(PSW)의 길이에 해당하는 길이를 가지는 전송 신호(ST)가 오실레이터에 의해 제공되도록 오실레이터의 출력을 제어하기 위한 상기 스위치와 연결된다.
측정 시스템의 측정가능한 최단 거리는 전송 신호의 길이에 비례하기 때문에, 탱크가 거의 가득 채워졌을 때 충진 레벨을 검출할 수 있도록 하기 위해 가능한 한 짧은 전송 신호를 획득하는 것이 바람직하다. 한편, MCU들에서, 달성가능한 최소 펄스 길이는 통상 펄스 길이의 달성가능한 최소 스텝 크기(step size)보다 실질적으로 더 길다. 따라서, 측정 시스템의 정밀도는 전송 신호의 최소 길이가 MCU의 최소 스텝 크기와 동일하도록 상술한 바에 따른 논리 회로를 제공함으로써 증가할 수 있다. 따라서, 펄스 길이의 달성가능한 최소 스텝 크기와 동일한 길이를 가지는 전송 신호는 한 스텝 크기가 다른 길이를 가지는 2개의 펄스 사이의 차를 이용함으로써 제공될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 레벨 게이지 시스템은 전송 신호를 지연시키기 위해 신호 생성 회로와 혼합기 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로를 더 포함할 수 있다. MCU에 의해 달성가능한 최소 스텝 길이로 한계 설정(limit set) 이상의 충진 레벨 특정의 정밀도를 향상시키는 것이 바람직하다. 방향성 결합기(directional coupler)와 혼합기 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로는 MCU의 최소 스텝 크기보다 훨씬 더 작은 증가분만큼 혼합기에서 반사 신호에 대해 전송 신호를 지연시킬 수 있다. 이로써, MCU로 전송 신호의 길이를 제어하여 상술한 바와 같이 충진 레벨이 판단되면, 반복되는 제2 측정 프로세스가 제어가능한 지연 회로의 지연을 순차적으로 증가 또는 감소시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 레벨 게이지 시스템은 반사 신호를 지연시키기 위해 순환기와 혼합기 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로를 더 포함할 수 있다. 상술한 바와 유사한 방식으로, 충진 레벨 측정의 정밀도는 순환기와 혼합기 사이에 제어가능한 지연 회로를 배열함으로써 개선될 수 있으며, 이로써 혼합기로 진행되는 반사 신호의 지연을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예로, 레벨 게이지 시스템은 전송 신호의 적어도 일부를 지연시키기 위해 MCU와 스위치 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 제1 태양과 관련하여 논의된 바와 같이, 2개의 전송 펄스를 포함하는 전송 신호를 사용하는 것이 이점적일 수 있다. 2개의 펄스를 포함하는 전송 신호를 사용하는 경우, 충진 레벨 측정의 정밀도는 MCU에 의해 달성가능한 2개의 펄스 사이의 시간 지연의 순차적 최소 변화로 제한된다. 이런 정밀도는 전송 신호에 포함된 2개의 펄스 중 하나만을 지연시키도록 제어가능한 MCU와 스위치 사이의 제어가능한 지연 회로를 배열함으로써 향상될 수 있다. 바람직하기로, 지연 회로는 예컨대 전송 신호의 제1 펄스가 지연되지 않으면서 제2 펄스가 제어가능한 시간 구간 만큼 지연되도록 MCU에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전파 장치는 표면을 향해 전송 신호를 전송하기 위한 제1 전파 장치 및 반사 신호를 수신하기 위한 제2 전파 장치를 포함할 수 있다. 신호 생성 회로와 전파 장치 사이의 인터페이스에서의 반사가 신호 수신 회로, 즉 상술한 시스템의 혼합기에 도달하는 것을 방지하기 위해 전파 장치의 전송부와 수신부를 분리시키는 것이 이점적일 수 있다. 본 발명의 레벨 게이지 시스템을 참조하면, 전송 신호는 순환성 결합기(circular coupler)와 전파 장치 사이의 인터페이스에서 부분적으로 반사될 수 있으며, 이로써 표면에서 반사되는 신호를 간섭할 수 있다. 이런 간섭 반사는 전송 신호가 방향성 결합기에서 제1 전파 장치로 직접 전파되도록 순환기를 제거하고 혼합기의 입력에 직접 연결되는 반사 신호를 수신하기 위한 제2 전파 장치를 제공함으로써 방지될 수 있다.
본 발명의 일실시예로, 레벨 게이지 시스템은 반사 신호를 수신하기 위해 순환기의 제2 출력에 연결되는 제2 혼합기; 및 제1 전송 신호를 위상 변이하고 위상 변이된 제1 전송 신호를 제2 혼합기로 제공하기 위해 방향성 결합기(312)와 제2 혼합기(320) 사이에 배열되는 위상 변이 회로(322)를 더 포함할 수 있으며, 제2 혼합기는 MCU에 또한 연결되고 반사 신호가 혼합기에서 시간-도메인으로 위상 변이된 제1 전송 신호를 중첩한다면 중첩-표시를 MCU로 제공하도록 또한 구성된다. 몇몇 상황하에서, 반사 신호는 전송 신호와 반사 신호가 서로 상쇄되도록 위상-변이될 수 있다. 이로써, 혼합기는 2개의 신호들이 시간 도메인에서 중첩하더라도 출력을 제공하지 않을 수 있다. 2개의 혼합기를 사용하고 혼합기 중 하나에 제공되는 전송 신호를 위상-변이함으로써, 전송 신호와 반사 신호가 시간 도메인에서 중첩하면 혼합기 중 적어도 하나가 출력 신호를 제공할 것이기 때문에, 이상 신호(out of phase signal)의 문제가 방지될 수 있다. 위상-변이 회로는 예컨대 90°의 고정 위상 변이를 제공할 수 있거나, 제어가능한 위상 변이 회로일 수 있다. 게다가, 위상 변이는 시간 지연에 상응하기 때문에, MCU는 충진 레벨의 판단시 시간 지연을 보상기 위해 중첩 검출이 지연 신호의 결과인지를 인지해야 한다. 이런 보상은 전송 신호의 주파수와 위상 지연의 양이 모두 공지되기 때문에 수행될 수 있다. 당업자가 쉽게 구현할 수 있기 때문에, 상술한 바와 같은 동일한 효과는 제2 오실레이터에 제공되는 반사 신호가 위상 변이되도록 위상 변이 회로를 배열함으로써 달성될 수 있다.
게다가, 본 발명의 이런 제2 태양의 효과 및 특징은 본 발명의 제1 태양과 관련하여 상술한 바와 대체로 유사하다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
이제, 본 발명의 이런 태양 및 다른 태양이 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 첨부도면을 참조로 더 상세히 기술될 것이다:
도 1은 예시적인 탱크에 설치된 본 발명의 한 실시예에 따라 레벨 게이지 시스템을 도식적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 레벨 게이지 시스템에 포함된 측정 전자 유닛의 개략도이다.
도 3a 및 3b는 도 1의 레벨 게이지 시스템의 실시예들을 도식적으로 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 레벨 게이지 시스템에서의 펄스 생성을 도식적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 방법을 도식적으로 개략화하는 흐름도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 한 실시예에 따른 레벨 게이지 시스템에서의 전송 신호를 도식적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 레벨 게이지 시스템에서의 전송 신호를 도식적으로 도시한다.
본 상세한 설명에서, 본 발명에 따른 레벨 게이지 시스템의 다양한 실시예들은 비-접촉 타입의 펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템을 참조로 주로 기술되는데, 전자기 신호는 가령 콘 안테나(cone antenna), 호른 안테나, 어레이 안테나 또는 패치 안테나(patch antenna)와 같은 방사성 안테나의 형태로 전파 장치를 사용하여 탱크 내에 포함된 제품으로 전파된다.
이는 가령 (소위 Goubau 프로브를 포함하는) 단일 라인 프로브, 2-리드 프로브, 동축 프로브 등과 같은 프로브의 형태로 전파 장치를 이용하는 펄스형 유도파 레이더(GWR) 레벨 게이지 시스템에 동일하게 적용가능한 본 발명의 범위를 결코 제한하지 않음을 유의해야 한다.
도 1은 측정 전자 유닛(2) 및 방사성 안테나 장치(3)의 형태의 전파 장치를 포함하는 본 발명의 한 실시예에 따른 레벨 게이지 시스템(1)을 도식적으로 도시한다. 레이더 레벨 게이지 시스템(1)은 측정되는 제품(6)으로 일부 채워진 탱크(5)에 제공된다. 도 1에 도시된 경우에, 제품(6)은 가령 물이나 석유계 제품과 같은 액체이지만, 제품은 가령 곡물이나 플라스틱 펠릿과 같은 균일한 고체일 수 있다. 안테나 장치(3)에 의해 제품(6)의 표면(7)으로 방사되는 전송 신호(ST) 및 표면(7)에서 되돌아가는 반사 신호(SR)를 분석함으로써, 측정 전자 유닛(2)은 기준 위치와 제품(6)의 표면(7) 사이의 거리를 판단하여 충진 레벨이 추론될 수 있다. 기준 위치는 예컨대 안테나 장치(3)의 위치일 수 있다. 단일 제품(6)을 포함하는 탱크(5)가 본 명세서에 기술되지만 탱크(5)에 존재하는 임의의 재료 인터페이스로의 거리가 유사한 방식으로 측정될 수 있음을 유의해야 한다.
도 2에 도식적으로 도시되는 바와 같이, 전자 유닛(2)은 전자기 신호를 송수신하는 송수신기(10)와, 송수신기를 제어하고 탱크(5) 내 제품(6)의 충진 레벨을 판단하도록 송수신기에 의해 수신된 신호를 처리하기 위해 송수신기(10)로 연결되는 처리 유닛(11)을 포함한다.
게다가, 처리 유닛(11)은 인터페이스(12)를 통해 아날로그 및/또는 디지털 통신을 위한 외부 통신 라인(13)으로 연결될 수 있다. 더욱이, 도 2에 도시되지 않지만, 레이더 레벨 게이지 시스템(1)은 통상 외부 전원으로 연결될 수 있거나, 외부 통신 라인(13)을 통해 전원공급될 수 있다. 대안으로, 레이더 레벨 게이지 시스템(1)은 국부적으로 전원공급될 수 있으며, 무선으로 통신하도록 구성될 수 있다.
도 2에 개별 블록으로 도시되지만, 송수신기(10), 처리 회로(11) 및 인터페이스(12) 중 몇몇은 동일한 회로 보드에 제공될 수 있다.
게다가, 도 2에서, 송수신기(10)는 탱크(5)의 내부에서 분리되고 탱크 벽에 구비된 피드-스루(feed-through)(15)를 통과하는 컨덕터(14)를 통해 안테나 장치(3)로 연결되는 것으로 도시된다. 반드시 그렇지는 않으며 적어도 송수신기(10)는 탱크(5)의 내부에 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 예컨대, 도 2에 도식적으로 도시된 바와 같이 안테나 장치(3)가 패치 안테나의 형태로 제공되는 경우, 적어도 송수신기(10)와 패치 안테나(3)는 동일한 회로 보드에 제공될 수 있다.
도 3a는 도 1의 레벨 게이지 시스템에 포함된 기능성 컴포넌트를 도식적으로 도시하는 블록 다이어그램이다. 예시적인 레벨 게이지 시스템(1)은 전송 신호 생성 회로(300), 신호 라우팅 회로(302) 및 전파 장치(3)를 포함한다.
전송 신호 생성 회로는 마이크로컨트롤러 유닛, MCU(304), 논리 회로(306), RF-오실레이터(308) 및 RF-오실레이터(308)의 출력을 제어하는 스위치(310)를 포함한다.
MCU(304)가 레벨 측정이 수행되는 명령을 수신할 때, MCU(304)는 전송 신호가 제공되기 전에 오실레이터가 시동 시간을 가지고 안정한 주파수에 도달하도록 오실레이터(308)를 초기화한다. 그 다음, MCU(304)는 제1 및 제2 펄스(P1, P2)를 본 예에서 논리-AND 함수로 표현되는 논리 회로(306)로 제공한다. MCU(310)에는 제어가능한 길이를 가지는 펄스(P1 및 P2)를 제공하기 위해 펄스 폭 변조를 할 수 있는 적어도 2개의 출력이 있다. 논리 회로(306)에서 논리 연산의 결과로 생긴 신호가 RF-오실레이터의 출력에 연결되는 마이크로파 스위치(310)를 제어하는 제어 신호(PSW)이다. 제어 신호(PSW)가 하이(high)인 경우 스위치(301)는 닫힌다. 이로써, 제어 신호(PSW)의 길이와 동일한 길이를 가지는 전송 신호(ST)는 RF-오실레이터(308)에 의해 신호 라우팅 회로(302)로 제공된다.
신호 라우팅 회로(302)는 방향성 결합기(312), 순환기(314), 혼합기(316) 및 진폭 검출기(318)를 포함한다. 전송 신호(ST)는 전송 신호(ST)를 혼합기(316)와 순환기(314) 모두에 제공하는 방향성 결합기(312)에 의해 수신된다. 또한, 방향성 결합기(312)는 전력 분배기로 기술될 수 있다. 가령 전송선 결합기, 도파관 결합기, 하이브리드 결합기 또는 이산 성분 결합기와 같은 당업자에게 공지된 임의의 타입의 방향성 결합기나 전력 분배기는 전송 신호(ST)를 2개의 출력으로 결합하는 소기의 효과를 달성하는데 사용될 수 있다.
순환기(314)에서, 전송 신호(ST)는 전파 장치(3)로 제공되는데, 여기서 전송 신호가 측정되는 제품의 표면(7)으로 전송된다. 표면(7)에서 또는 제품 내 중간 인터페이스에서 반사된 신호는 전파 장치(3)에 의해 수신되며 순환기(314)로 다시 제공된다. 여기서 3-포트 장치로 기술되는 순환기(314)는 전파 장치(3)로 연결된 포트가 방향성 결합기(312)에 연결된 포트로부터 수신된 전송 신호(ST)를 출력하고 전파 장치(3)로 연결된 순환기(314)의 포트에 의해 수신되는 반사 신호(SR)가 혼합기(316)로 연결된 포트에서 출력되도록 구성된다. 순환기는 또한 4-포트 장치로 구현될 수 있음을 유의해야 한다.
혼합기(316)에서, 전송 신호(ST) 및 반사 신호(SR)가 수신되고, 혼합기(316)는 시간-도메인에서 2개의 신호 사이의 중첩이 있다면 출력 신호(SM)를 제공하도록 구성된다. 출력 신호(SM)는 일반적으로 DC-신호일 수 있다. 예컨대, 입력 신호 중 어느 하나가 존재하지 않으면 출력 신호를 제공하지 않는 이중 평형 혼합기(doubly balanced mixer)가 사용될 수 있다.
진폭 검출기(318)는 혼합기로부터 출력 신호(SM)를 검출하고 출력 신호(SM)를 MCU(304)에서 판독할 수 있는 포맷을 가지는 "상태"-신호로 변환하도록 혼합기(316)의 출력과 MCU(304) 사이에 연결된다. 진폭 검출기(318)에 의해 제공된 신호는 ST와 SR 사이의 중첩 상태를 나타낸다. 즉, 중첩이 발생하지 않으면, 상태 "0"을 나타내는 어느 신호도 제공되지 않으며, 중첩이 발생하면, 상태 "1"를 나타내는 신호가 MCU(304)에 제공된다.
도 3b는 도 1에 도시된 레벨 게이지 시스템의 한 실시예를 도식적으로 도시한다. 대부분의 부분에서, 도 3b의 시스템은 도 3a을 참조로 상술한 시스템과 유사하다. 차이점은 도 3b에서 위상-변이 회로(322)가 방향성 결합기(312)와 제2 혼합기(320) 사이에 배열된다는 것이다. 전송 신호(ST)는 미변경 상태에서 제1 혼합기(316)로 제공되며, 위상-변이 회로(322)를 통해 ST의 위상 변이 버전이 제2 혼합기(320)로 제공된다. 이로써, 전송 신호와 반사 신호가 상이한 위상이더라도, 혼합기 중 하나가 시간 도메인에서 중첩을 검출하고 출력을 진폭 검출기(318)로 제공할 것이다. 예컨대, 위상-변이 회로(322)는 대략 90°만큼 인입 신호의 위상을 변이할 수 있다.
제2 진폭 검출기(318)는 도 3a와 관련하여 상술한 바와 동일한 방식으로 제2 혼합기(320)로부터 출력 신호(SM2)를 검출하고 출력 신호(SM2)를 MCU(304)가 판독할 수 있는 포맷을 가지는 "상태2"-신호로 변환하도록 혼합기(316)의 출력과 MCU(304) 사이에 연결된다.
위상 변이도 또한 시간 지연에 해당하기 때문에, MCU(304)는 중첩 검출이 제1 혼합기(316)로부터의 비-지연 신호 출력 또는 제2 혼합기(320)로부터의 지연 신호 출력의 결과인지를 인지해야 한다. 따라서, 각각의 혼합기(316, 320)는 결국 각각의 진폭 검출기(318, 324)로부터의 상태 신호인 MCU의 별개의 2개의 입력으로 제공되는 상태 1 및 상태 2로 이어지는 출력을 제공한다. 이로써, MCU는 어느 진폭 검출기로 중첩 검출이 수신되는지에 따라 중첩이 비-지연 신호에 대해 또는 지연 신호에 대해 발생했는지를 결정할 수 있다. 전송 신호의 주파수뿐 아니라 위상 변이의 양은 공지되어 있기 때문에, MCU는 충진 레벨 판단시 중첩이 지연 신호에 대해 발생했다면 그 결과로 생긴 시간 지연에 대해 보상할 수 있다. 도 4a 및 4b는 제어 신호(PSW)의 최소 길이가 MCU(304)에 의해 제공될 수 있어서 결국 측정가능한 최단 거리에 해당하는 펄스 길이의 최소 스텝 크기와 동일한 경우의 원하는 길이를 가지는 제어 신호(PSW)를 형성하는 방법을 도시한다. 예로서, MCU(304)로부터의 최소 펄스 길이(IP)는 500ps일 수 있는 한편, 펄스 길이의 최소 스텝 크기(△l)는 60ps일 수 있다. 이로써, 측정가능한 최소 길이는 최소 스텝 크기에 기반한 전송 신호가 사용될 때 상당히 감소한다.
도 4a에서, 길이(lP)를 가지는 제1 펄스(P1)는 MCU(304)의 제1 출력으로 제공된다. 또한, 길이(lP)를 가지는 제2 펄스(P2)는 MCU(304)의 제2 출력으로 제공된다. 여기서, P2는 lP-△l만큼 P1에 대해 시간 지연된다. 이로써, 길이(△l)를 가지는 전송 신호(ST)를 형성하는데 사용되는 길이(△l)를 가지는 제어 신호(PSW)가 형성된다.
도 4b에서, 펄스(P1 및 P2)는 모두 lP+△l의 길이를 가지는 한편, 펄스 간의 지연은 즉 lP-△l로 계속 유지된다. 따라서, 길이(2△l)를 가지는 제어 신호(PSW)가 형성된다.
이로써, MCU(304)의 달성가능한 최소 스텝 크기의 정수배와 같은 길이를 가지는 전송 신호를 형성하는 방법이 제공된다.
상술한 방법은 단지 전송 신호가 어떻게 형성될 수 있는지에 대한 일예임을 유의해야 한다. 당업자는 전송 신호가 원하는 논리 함수를 달성하기 위해 다른 논리 소자를 사용하거나 논리 소자들의 조합을 사용함으로써 다른 방식으로 형성될 수 있다고 쉽게 인식한다. 게다가, 2 이상의 펄스가 또한 원하는 제어 신호를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 충진 레벨을 판단하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
먼저, 단계 502에서 전송 신호(ST)가 생성된다.
단계 504에서, 전송 신호(ST)는 측정되는 제품의 표면으로 전파되며, 그 결과로 생긴 반사 신호(SR)는 단계 506에서 수신된다.
다음으로, 단계 508에서 전송 신호(ST)와 수신되는 반사 신호(SR) 사이에 중첩이 발생하는지가 결정된다.
중첩이 검출되면, 상태 파라미터는 단계 501에서 "1"로 설정된다. 상태 파라미터를 "1"로 설정하여 상태의 변경이 발생하면, 현재의 전송 신호가 표면으로의 거리에 해당하는 길이를 가진다고 결론지을 수 있다. 가장 최근의 신호가 중첩되지 않았기 때문에, 이전 신호의 길이는 표면으로의 거리에 해당하지 않는다. 따라서, 표면으로의 거리 및 그에 따른 충진 레벨은 중첩을 표시하는 상태 파라미터의 변화가 검출되는 전송 신호의 길이를 기초로 단계 512에서 결정될 수 있다.
반면에, 어떤 상태 변화도 발생하지 않으면, 전송 신호의 길이는 단계 514에서 감소하며, 이 방법은 단계 502에서 다시 시작한다.
중첩이 단계 508에서 검출되지 않는 경우, 상태 파라미터는 단계 516에서 "0"으로 설정된다. 상술한 바와 유사한 추론과정에 따라, 상태 파라미터를 "0"으로 설정하여 상태의 변경이 발생하면, 충진 레벨은 단계 512에서 결정될 수 있다.
단계 516에서 상태를 "0"으로 설정하는 것이 상태 변화로 이어지지 않으면, 전송 신호의 길이가 표면으로의 거리의 길이보다 더 짧은 거리에 해당함을 의미한다. 따라서, 전송 신호의 길이는 단계 518에서 증가하며, 측정 방법은 단계 502에서 다시 시작한다.
도 6a 및 6b는 혼합기(316)에서 중첩이 발생하는 경우 및 중첩이 발생하지 않는 경우에 대하여 전송 신호(ST)와 반사 신호(SR) 사이의 관계를 도식적으로 도시한다. 신호들은 시간-도메인으로 혼합기(316)의 위치에서 도시된다. 도 4에서와 동일한 기호를 사용하여, 도 6a는 길이(lP)를 가지는 전송 신호(ST) 및 상응하는 반사 신호(SR)를 도시한다. 도 6a에서, 전송 신호 및 반사 신호(ST 및 SR)는 시간-도메인에서 중첩되지 않으며, 따라서 표면으로의 거리는 전송 신호(ST)에 해당하는 길이보다 더 길고, 혼합기에 의해 어떠한 중첩 표시도 제공되지 않는다.
도 6b에서, ST의 길이는 △l만큼 증가하며, 어떻게 혼합기(316)에서 시간-도메인으로 반사 신호(SR)가 전송 신호(ST)와 중첩하고, 중첩을 표시하는 혼합기로부터의 출력 신호(SM)가 제공되어서, 표면으로의 거리가 가장 최근의 전송 신호(ST)에 해당하는 거리보다 더 짧다고 결정될 수 있는지가 도시된다.
한 예로서, 신호가 광속으로 이동하고 중첩이 발생하는 전송 신호의 길이가 10ns라고 가정하면, 신호에 의해 이동된 해당 거리는 3m이다. 신호가 표면으로 가서 되돌아옴을 고려하면, 표면으로의 거리는 1.5m이다. 측정된 거리는 예컨대 방향성 결합기와 전파 장치 사이 그리고 전파 장치와 혼합기 사이의 케이블 길이로 인해 보상될 필요가 있을 수 있다. 또한, 신호가 진공의 유전상수와 상당히 다른 유전상수를 가지는 매질로 전파하는 상황에서 측정된 거리도 보상하는 것이 바람직할 수 있다. 이런 보상은 이점적으로 MCU에 의해 수행될 수 있다. 동일한 추론을 따르면, 상술한 바와 같은 60ps의 최소 스텝 크기는 대략 9mm의 레벨 측정 정밀도를 제공한다.
레벨 게이지 시스템의 정밀도를 더 향상시키기 위해, 제어가능한 지연 회로는 혼합기(316)에서 반사 신호(SR)에 대해 전송 신호(ST)를 지연시키기 위해 방향성 결합기(312)와 혼합기(316) 사이에 또는 혼합기(316)에서 전송 신호(ST)에 대해 반사 신호(SR)를 지연시키기 위해 순환기(314)와 혼합기(316) 사이에 배열될 수 있다. 두 배열 모두에 대한 일반 원리는 동일하기 때문에, 지연 회로가 방향성 결합기(312)와 혼합기(316) 사이에 배열되는 경우만이 기술될 것이다.
지연 회로에 의해 지연이 시작되지 않은 디폴트 상태를 가정하면, 충진 레벨 측정은 상술한 바와 같이 수행될 수 있고 측정된 충진 레벨은 중첩 상태의 변화가 검출되는 신호 길이를 기초로 결정된다. 중첩이 검출되는 최근(즉, 가장 긴) 신호를 전송하고 순차적으로 방향성 결합기와 혼합기 사이의 전송 신호의 지연을 증가시킴으로써, 2개의 신호가 혼합기에서 더 이상 중첩하지 않을 때 중첩 상태의 새로운 변화가 검출될 것이다. 이제, 충진 레벨은 전송 신호의 길이를 얻고 중첩 상태의 변화가 발생되는 지연을 차감하여 결정될 수 있다. 지연 및 전송 신호의 길이 모두가 MCU에 의해 제어되고 공지되기 때문에, 지연에 해당하는 거리는 더 정확한 측정을 위해 펄스 길이에 기반한 거리에서 단순히 차감될 수 있다.
예컨대, 제어가능한 지연 회로는 다른 물리적 길이의 전송 라인을 가지는 인쇄회로기판(PCB)일 수 있다. 이로써, 신호의 지연은 전송 신호가 지연 회로에서 하나 이상의 전송 라인을 통해 선택한 경로를 제어함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 일실시예로, 전송 신호(ST)는 도 7에 도식적으로 도시된 바와 같이 2개의 전송 펄스(T1 및 T2)를 포함할 수 있다. 단일 펄스를 포함하는 전송 신호에 대한 중첩은 도 6b에 도시된 바와 같이 반사 신호의 리딩 플랭크와 전송 신호의 트레일링 플랭크 사이에서 발생하기 때문에, 더 에너지 효율적인 시그널링 방식이 전송 신호의 중간부를 제거함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 2개의 개별 전송 펄스(T1 및 T2)를 포함하고 T2가 T1에 대해 제어가능하게 지연되는 전송 신호(ST)에 대해, 중첩이 반사 신호의 T1과 전송 신호의 T2 사이에서 발생한다. 이로써, 측정 시스템의 에너지 소모는 단일 전송 펄스가 사용되는 경우에 비해 상당히 감소할 수 있다. 2개의 펄스 사이의 거리를 가변시켜 서로 다른 거리들이 측정될 수 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이 중첩이 혼합기(316)에 의해 검출될 때, 표면으로의 거리는 MCU(304)에 의해 T1과 T2 사이의 공지된 시간-지연의 리드아웃(readout)을 작동시켜 결정될 수 있다. 2개의 전송 신호를 사용하는 것의 추가적인 이점은 안테나로부터의 반사가 감소한다는 점이다.
또한, 상술한 제어가능한 지연 회로는 2개의 전송 펄스를 포함하는 전송 신호에 대해 사용될 수 있다. 그러나, 2-펄스 시그널링 방식은 즉 논리 회로(306)를 대체하는 MCU(304)와 스위치(310) 사이에 있는 제어가능한 지연 회로의 대안의 배열에 대하여 가능하다. 이런 배열로, P1과 P2 사이의 시간 지연 및 지연 회로로부터의 시간-지연 모두에 의해 결정되는 시간 차를 가지는 2개의 전송 펄스(T1 및 T2)가 형성되도록 MCU는 2개의 펄스(P1 및 P2)를 제공하고 2개의 펄스 중 하나만을 지연시키도록 지연 회로를 제어할 수 있다. 이로써, 상술한 바와 동일한 정밀도의 개선이 제어가능한 지연 회로에 의해 달성될 수 있다.
게다가, 표면을 찾기 위한 다양한 검색 알고리즘이 MCU에 의해 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 예컨대, 이런 검색 알고리즘은 절반이 채워진 탱크에 해당하는 제1 전송 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있으며, 중첩이 검출되지 않으면, 다음의 전송 신호는 1/4이 채워진 탱크에 해당할 수 있는 등이다.
본 발명은 주로 몇몇 실시예들을 참조로 기술되었음을 유의한다. 그러나, 당업자에 의해 쉽게 이해되듯이, 상기 개시된 것 이외의 다른 실시예들이 첨부된 청구항들로 정의되는 바와 같이 발명의 범위 내에서 동일하게 가능하다.
게다가, 청구범위에서 "포함하는"이란 용어는 다른 요소들이나 단계들을 배제하는 것이 아니며, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하는 것이 아님을 유의한다. 단일의 장치나 다른 유닛이 청구항들에 기재된 몇몇 사항들의 기능을 수행할 있다. 특정 수단들(measures)이 서로 다른 종속 청구항들에 기재되어 있다는 점은 단지 이런 수단들의 조합이 이점적으로 사용될 수 없음을 명시하는 것은 아니다.

Claims (18)

  1. 전자기 신호를 사용하여 탱크(5) 내에 포함된 제품(6)의 충진 레벨을 판단하는 방법으로서:
    a) 제1 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하는 단계;
    b) 탱크 내에 포함된 상기 제품의 표면(7)을 향해 상기 전송 신호를 전파하는 단계;
    c) 상기 제품의 상기 표면에 상기 전송 신호의 반사로 발생한 반사 신호를 수신하는 단계;
    d) 시간-도메인에서 상기 수신된 반사 신호가 상기 전송 신호를 중첩시키는지 판단하는 단계;
    e) 중첩이 검출되면 중첩 파라미터를 상태 1로 설정하는 단계와 중첩이 검출되지 않으면 상기 중첩 파라미터를 상태 0으로 설정하는 단계; 및
    상기 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩이 검출되지 않는다면, 상기 제1 기결정된 길이를 초과하는 업데이트된 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하고 단계 b)를 반복하는 단계와;
    상기 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩이 검출된다면, 상기 제1 기결정된 길이보다 더 짧은 업데이트된 기결정된 길이를 가진 전송 신호를 생성하고 단계 b)를 반복하는 단계와;
    상기 중첩 파라미터의 상태가 변경된다면, 전송 신호의 기결정된 길이를 기초로 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 단계를 포함하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 신호는 단일 전송 펄스인, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    단계 a)에서 상기 전송 신호의 상기 기결정된 길이는 미리 결정된 충진 레벨을 기초로 하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전송 신호를 생성하는 단계는:
    기결정된 길이를 가지는 제1 펄스(P1)를 생성하는 서브-단계;
    상기 제1 펄스(P1)의 길이와 다른 길이를 가지는 제2 펄스(P2)를 생성하는 서브-단계;
    상기 제1 펄스(P1)와 상기 제2 펄스(P2) 사이의 길이 차에 해당하는 길이를 가지는 제어 펄스(PSW)를 제공하도록 상기 제1 펄스(P1)와 상기 제2 펄스(P2)의 논리 연산을 수행하는 서브-단계; 및
    상기 제어 펄스(PSW)의 길이에 해당하는 길이를 가지는 전송 신호를 생성하는 서브-단계를 포함하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전송 신호를 생성하는 단계는:
    기결정된 길이를 가지는 제1 펄스(P1)를 생성하는 서브-단계;
    상기 제1 펄스(P1)와 관련하여 기결정된 시간-지연을 가지는 제2 펄스(P2)를 생성하는 서브-단계;
    상기 제1 펄스(P1)와 상기 제2 펄스(P2)의 중첩에 해당하는 길이를 가지는 제어 펄스(PSW)를 제공하도록 상기 제1 펄스(P1)와 상기 제2 펄스(P2)의 논리 연산을 수행하는 서브-단계; 및
    상기 제어 펄스(PSW)의 길이에 해당하는 길이를 가지는 전송 신호를 생성하는 서브-단계를 포함하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 신호는 2개의 전송 펄스를 포함하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    전송 신호를 생성하는 단계는:
    제1 전송 펄스(T1)를 생성하는 단계와;
    상기 제1 전송 펄스(T1)와 관련하여 기결정된 시간-지연을 가지는 제2 전송 펄스(T2)를 생성하는 단계를 포함하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 중첩 파라미터의 상기 상태가 제1 전송 펄스(T1) 및 상기 제1 전송 펄스(T1)와 관련하여 기결정된 시간-지연을 가지는 제2 전송 펄스(T2)를 포함하는 전송 신호에 대해 변경된다면, 상기 기결정된 시간 지연을 기초로 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는, 탱크 내에 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하는 방법.
  9. 전자기 신호를 사용하여 탱크(5) 내에 포함된 제품(6)의 충진 레벨을 판단하는 레벨 게이지 시스템(1)으로서,
    상기 레벨 게이지 시스템은:
    전자기 신호를 생성하는 오실레이터(308)와; 상기 오실레이터를 제어함으로써 기결정된 길이를 가지는 제1 전송 신호를 제공하는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 304)을 포함하는 전송 신호 생성 회로(300);
    상기 전송 신호 생성 회로에 연결되고, 탱크 내부의 상기 제품의 표면(7)을 향해 상기 제1 전송 신호를 전파하고 탱크 내 포함된 제품의 상기 표면에서 상기 제1 전송 신호의 반사로 발생한 반사 신호를 반환하도록 배열된 전파 장치(3); 및
    상기 전파 장치에 연결되고 제1 출력을 통해 상기 제1 전송 신호를 상기 전파 장치(3)로 연결하도록 구성되며, 상기 전파 장치(3)로부터 상기 반사 신호를 수신하고 제2 반사 신호를 제2 출력으로 연결하도록 더 구성되는 순환기(314)와; 상기 반사 신호를 수신하기 위한 상기 순환기(314)의 제2 출력에 연결되며, 상기 MCU에 연결되고 상기 반사 신호가 혼합기에서 시간-도메인으로 상기 제1 전송 신호를 중첩한다면 상기 MCU로 중첩-표시를 제공하도록 구성되는 혼합기(316);를 포함하는, 상기 전송 신호 생성 회로(300)와 상기 전파 장치(3) 사이에 배열되는 신호 라우팅 회로(302)를 포함하며,
    상기 MCU는 중첩-표시가 수신되면 중첩 파라미터를 상태 1로 설정하고 중첩-표시가 수신되지 않으면 상기 중첩 파라미터를 상태 0으로 설정하며;
    상기 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩-표시가 수신되지 않는다면, 제1 전송 신호의 길이를 초과하는 길이를 가지는 제2 전송 신호를 생성하고;
    상기 중첩 파라미터의 상태가 변경되지 않고 중첩-표시가 수신된다면, 제1 전송 신호의 길이보다 더 짧은 길이를 가지는 제2 전송 신호를 생성하며;
    상기 중첩 파라미터의 상태가 변경된다면, 상기 중첩 파라미터의 상기 상태가 변경되는 전송 신호의 길이를 기초로 탱크 내 포함된 제품의 충진 레벨을 판단하도록 구성되는, 레벨 게이지 시스템(1)
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 MCU(304)는 상기 전송 신호를 제공하기 이전의 기결정된 시간으로 상기 오실레이터(308)를 초기화하도록 구성되는, 레벨 게이지 시스템(1).
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 오실레이터(308)의 출력을 온 상태와 오프 상태 사이로 스위칭하기 위한 상기 MCU(304)에 의해 제어되는 스위치(310)를 더 포함하는, 레벨 게이지 시스템(1).
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 혼합기(316)로부터의 상기 중첩-표시는 직류 전류(DC) 펄스인, 레벨 게이지 시스템(1).
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전송 신호 생성 회로(300)는 상기 MCU(304)의 제1 출력과 제2 출력에 의해 제공되는 제1 펄스(P1)와 제2 펄스(P2) 사이의 차에 해당하는 제어 펄스(PSW)를 제공하도록 구성되는 논리 회로(306)를 더 포함하며,
    상기 제어 펄스(PSW)는 상기 제어 펄스(PSW)의 길이에 해당하는 길이를 가지는 전송 신호(ST)가 상기 오실레이터(308)에 의해 제공되도록 오실레이터(308)의 출력을 제어하기 위한 스위치(310)와 연결되는, 레벨 게이지 시스템(1).
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송 신호를 지연시키기 위해 상기 전송 신호 생성 회로(300)와 상기 혼합기(316) 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로를 더 포함하는, 레벨 게이지 시스템(1).
  15. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 신호를 지연시키기 위해 상기 순환기(314)와 상기 혼합기(316) 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로를 더 포함하는, 레벨 게이지 시스템(1).
  16. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송 신호의 적어도 일부를 지연시키기 위해 상기 MCU(304)와 스위치(310) 사이에 배열되는 제어가능한 지연 회로를 더 포함하는, 레벨 게이지 시스템(1).
  17. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전파 장치(3)는 상기 표면을 향해 상기 전송 신호를 전송하기 위한 제1 전파 장치 및 상기 반사 신호를 수신하기 위한 제2 전파 장치를 포함하는, 레벨 게이지 시스템(1).
  18. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 신호를 수신하기 위해 상기 순환기(314)의 상기 제2 출력에 연결되는 제2 혼합기(320); 및
    상기 제1 전송 신호를 위상 변이하고 상기 위상 변이된 제1 전송 신호를 상기 제2 혼합기로 제공하기 위해 방향성 결합기(312)와 상기 제2 혼합기(320) 사이에 배열되는 위상 변이 회로(322)를 더 포함하며,
    상기 제2 혼합기는 상기 MCU에 또한 연결되며 상기 반사 신호가 상기 혼합기에서 시간-도메인으로 상기 위상 변이된 제1 전송 신호를 중첩한다면 중첩-표시를 상기 MCU로 제공하도록 또한 구성되는, 레벨 게이지 시스템(1).
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