KR20180105119A - 레이더 레벨 게이지 시스템 및 신호전파경로 모델링을 갖는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 송신신호를 발생시키고 송신하는 단계; 트랜시버에 인접한 알려진 신호전파특성을 갖는 제 1 부분 및 상기 제 1 부분에 인접한 제 2 부분을 포함하는 신호전파경로를 따라 상기 제품의 표면을 향해 상기 송신신호를 전파시키는 단계; 상기 제품의 표면을 포함하는, 상기 송신신호에 의해 마주치는 임피던스 전이들에서의 반사들로 인한 반사신호를 수신하는 단계; 상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 타이밍 관계에 기초하여 제 1 측정 관계를 결정하는 단계; 상기 제 1 측정 관계 및 상기 알려진 신호전파특성들에 기초하여 제 2 측정 관계를 결정하는 단계; 및 상기 제 2 측정 관계에 기초하여 상기 충진수위를 결정하는 단계를 포함하는 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 레이더 레벨 게이지 시스템 및 탱크내 제품의 충진수위를 결정하는 방법에 관한 것이다.
레이더 레벨 게이지(RLG) 시스템은 탱크에 담은 제품의 충진수위를 결정하는 데 광범위하게 사용된다. 레이더 레벨 게이징은 일반적으로 전자기 신호가 탱크에 포함된 제품쪽으로 방사되는 비접촉식 측정을 통해 수행되거나, 전자기 신호가 웨이브가이드 역할을 하는 송신라인 프로브에 의해 제품 내부 및 내부로 가이드되는 종종 가이드 웨이브 레이더(GWR)라고 하는 접촉식 측정을 통해 수행된다. 프로브는 일반적으로 탱크의 상부로부터 하부로 수직으로 연장되도록 배치되어 있다.
전자기 송신신호는 트랜시버에 의해 생성되고 탱크 내의 제품 표면을 향해 전파되며, 표면에서의 송신신호의 반사로 인한 전자기 반사신호가 트랜시버쪽으로 다시 전파된다.
송신신호와 반사신호 사이의 관계에 기초하여, 제품의 표면까지의 거리가 결정될 수 있다.
송신신호는 전형적으로 탱크 대기와 제품 표면 사이의 경계면에 의해 구성되는 임피던스 전이에서뿐만 아니라 송신신호에 의해 마주치게 되는 몇몇 다른 임피던스 전이에서 반사된다. 이러한 임피던스 전이는 예를 들어 탱크 지붕을 통과하는 피드스루(feed-through)와 같이 탱크내 고정식 구조에 기인할 수 있다.
탱크 내의 고정된 구조물로 인한 임피던스 전이는 충진수위가 고정 구조물에 근접할 경우 충진수위를 정확히 결정하기 어려울 수 있다.
이 상황을 개선하기 위해, 예를 들어, 현재 측정값에서 기준 측정값(예를 들어, 탱크가 비어있을 때 취해진 값)을 빼는 것이 제안되어 왔다.
예를 들어, 미국특허 제 6,078,280 호에 개시된 이러한 접근법은 일반적으로 충진수위 측정결과를 개선할 수 있지만, 기준 측정이 수행된 시간과 현재 측정 시간 사이에 발생한 온도 등과 같은 환경의 변화에 민감할 수 있다 .
따라서, 개선된 충진수위 측정, 특히 더 확고한 충진수위 결정을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
상기를 고려하여, 본 발명의 일반적인 목적은 개선된 충진수위 결정, 특히 보다 확고한 충진수위 결정을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제 1 태양에 따르면, 트랜시버; 상기 트랜시버에 연결된 신호전파장치; 및 충진수위를 결정하기 위해 상기 트랜시버에 연결된 처리회로를 포함한 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은: 상기 트랜시버에 의해 전자기 송신신호를 발생시키고 송신하는 단계; 상기 신호전파장치를 포함한 신호전파경로를 따라 상기 제품의 표면을 향해 상기 송신신호를 전파하는 단계; 상기 신호전파경로의 계산 모델을 제공하는 단계; 상기 트랜시버에 의해, 상기 제품의 상기 표면을 포함한 상기 신호전파경로를 따른 임피던스 전이에서의 반사로 인한 전자기 반사신호를 수신하는 단계; 상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 타이밍 관계에 기초하여, 상기 신호전파경로의 제 1 및 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이에 의해 반사된 에너지와 상기 신호전파경로의 상기 제 1 및 제 2 방향을 따라 상기 반사신호의 이동 시간 간의 제 1 측정 관계를 결정하는 단계; 상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이의 제 1 서브-세트에 의해 반사된 에너지와, 상기 신호전파경로의 계산 모델을 이용하여, 상기 제 1 측정 관계 및 상기 신호전파경로의 제 1 부분의 상기 알려진 신호전파특성에 기초하여 상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따라 상기 반사신호의 이동 시간 사이의 제 2 측정 관계를 결정하는 단계; 및 상기 제 2 측정 관계에 기초하여 상기 충진수위를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 신호전파경로는 알려진 신호전파특성을 갖는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분은 상기 트랜시버와 상기 제 2 부분 사이에 위치되는 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법이 제공된다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 방법의 단계는 반드시 특정 순서로 수행될 필요는 없다는 것을 알아야 한다.
"트랜시버"는 전자기 신호를 송수신할 수 있는 하나의 기능 유닛일 수 있거나, 별도의 송신기 및 수신기 유닛을 포함하는 시스템일 수 있다.
전자기 송신신호는 유리하게는 마이크로파 신호일 수 있다. 예를 들어, 송신신호는 마이크로파 주파수 범위의 반송파 상에서 주파수 및/또는 진폭 변조될 수 있다.
신호전파장치는 임의의 적절한 방사 안테나 또는 송신라인 프로브일 수 있다. 안테나의 예는 혼 안테나, 로드 안테나, 어레이 안테나 및 파라볼릭 안테나 등을 포함한다. 송신라인 프로브의 예는 싱글라인 프로브(Goubau probe), 트윈라인 프로브 및 동축 프로브 등을 포함한다.
신호전파경로는 트랜시버에서 시작하고, 신호전파장치 이외에, 트랜시버의 송신신호 출력을 신호전파장치에 연결하기 위한 결합 장치를 포함할 수 있다. 신호전파장치가 방사 안테나인 실시예에서, 결합 장치는 탱크의 경계를 한정하는 웨이브가이드 및/또는 프로세스 씰을 포함할 수 있다. 신호 전파가 송신라인 프로브인 실시예에서, 결합 장치는 탱크 천장과 같은 탱크 벽을 통한 적어도 하나의 피드스루(feed-through)를 포함할 수 있다. 결합 장치는 또한, 예를 들어, 트랜시버의 송신신호 출력을 피드스루와 연결하기 위한, 동축 케이블과 같은, 송신라인을 포함할 수 있다.
본 발명은 트랜시버의 적어도 수신기 부분이 상기 임피던스 전이들보다 신호전파경로를 따라 더 멀리 배치될 수 있다면 탱크 내의 제품과 무관한 신호전파경로를 따른 임피던스 전이로부터의 원치 않는 반사신호와 관련된 문제가 방지될 수 있다는 사실에 기초한다. 즉, 트랜시버를 제품의 표면에 더 가깝게 배치하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 이는 실제로 많은 어플리케이션에서 가능하지 않거나 바람직하지 않다.
본 발명자는 이제 신호전파경로를 따르는 트랜시버의 가상 위치가 이 가상 위치와 트랜시버의 실제 위치 간의 신호전파경로의 제 1 부분의 신호전파특성에 관한 지식에 기초하여 변경될 수 있음을 더 알게 되었다.
다시 말하면, 상기 송신신호와 상기 반사신호의 타이밍 관계로부터 도출 된 제 1 측정 관계 및 신호전파경로의 제 1 부분의 알려진 신호전파특성에 기초하여, 상기 신호전파경로의 상기 제 1 부분 아래의 상기 신호전파경로의 제 2 부분에 대하여 제 2 측정 관계를 결정할 수 있다.
레이더 레벨 게이지 시스템은 일반적으로 탱크 내의 제품의 표면을 향해 적어도 대략 수직으로 송신신호를 전파함으로써 충진수위를 측정하기 때문에, 여기에서 "위" 및 "아래"라는 용어가 사용된다. 본 발명의 실시예는 전자기 신호가 일반적으로 수직으로뿐만 아니라, 적어도 부분적으로 다른 방향으로 전파되는 레이더 레벨 게이지 시스템 및 방법을 또한 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 트랜시버는 탱크의 측벽 외부에 배치될 수 있고, 전파 장치는 예를 들어 수평으로 뻗어 있는 송신라인 또는 웨이브가이드에 의해 트랜시버에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예를 통해, 이전에 결정된 기준 측정 관계는 원치 않는 임피던스 전이의 영향을 제거하는데 사용되지 않는다. 대신에, 본 발명의 실시예는 신호전파경로의 제 1 부분의 공지된 신호전파특성과 조합하여 신호전파경로의 계산 모델을 사용한다.
이러한 공지된 신호전파특성의 온도 의존성은 트랜시버에 의해 제공되는 송신신호의 주파수 및/또는 펄스 폭 등과 같은 특성의 온도 의존성에 비해 무시할 수 있다.
이는 본 발명의 실시예가 충진수위 측정 시간과 기준 측정 관계가 결정된 시간 사이의 온도 차에 덜 민감하다는 것을 의미한다. 따라서, 보다 확고한 충진수위 결정이 제공된다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 계산 모델은 제 1 측정 관계와 신호전파경로의 제 1 부분의 알려진 신호전파특성의 함수로서 제 2 측정 관계를 제공할 수 있다.
실시예에 따르면, 계산 모델은 제 1 측정 관계와 제 1 부분의 공지의 전파 특성의 함수로서 신호전파경로의 제 2 부분의 임피던스를 제공할 수 있다.
본 발명자는, 놀랍게도, 송신라인의 등가 임피던스를 결정하기 위한 비교적 간단한 계산 모델이 자유 방사 레이더 레벨 게이지 시스템에 대한 신호전파경로를 포함하는 보다 복잡한 신호전파경로에 대해서도 충분히 양호한 결과를 제공한다는 것을 발견했고, 여기서 신호전파장치는 혼 안테나, 로드 안테나 또는 파라볼릭 안테나 등과 같은 자유 방사 안테나를 포함할 수 있다.
상술한 공지된 신호전파특성은 제 1 부분의 신호 전파 거리, 임피던스 및 신호 감쇠를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 신호전파경로의 제 1 부분은 적어도 제 1 세그먼트 및 제 2 세그먼트를 포함할 수 있고, 상기 제 1 세그먼트는 상기 트랜시버와 상기 제 2 세그먼트 사이에 위치하며; 상기 제 2 측정 관계를 결정하는 단계는: 상기 제 2 세그먼트 및 상기 제 2 부분을 포함하는 상기 신호전파경로의 제 3 부분을 따라 상기 임피던스 전이들의 제 2 서브-세트에 의해 반사된 에너지와 상기 신호전파경로의 계산 모델을 사용하여, 상기 제 1 측정 관계 및 상기 제 1 세그먼트의 공지된 신호전파특성에 기초한 상기 신호전파경로의 제 3 부분을 따라 상기 반사신호의 이동 시간 사이의 제 3 측정 관계를 결정하는 단계; 및 상기 신호전파경로의 계산 모델을 사용하여, 상기 제 3 측정 관계 및 상기 제 2 세그먼트의 알려진 신호전파특성에 기초하여 상기 제 2 측정 관계를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하기 위한 레이더 레벨 게이지 시스템으로서, 전자기 신호를 생성, 송신 및 수신하기 위한 트랜시버; 상기 트랜시버에 결합되고 제품의 표면을 향하여 전자기 송신신호를 전파하고 상기 트랜시버를 향해 상기 표면에서 다시 상기 전자기 송신신호의 반사로 인한 전자기 반사신호를 복귀시키도록 설비된 신호전파장치; 상기 트랜시버에 연결된 처리회로; 및 제 2 측정 관계를 기초로 충진수위를 결정하기 위한 충진수위 결정회로를 포함하고, 상기 신호전파장치는 상기 송신신호 및 상기 반사신호에 대한 신호전파경로에 포함되며, 상기 신호전파경로는 알려진 신호전파특성을 갖는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분은 상기 트랜시버와 상기 제 2 부분 사이에 위치되며, 상기 처리회로는: 상기 송신신호 및 상기 반사신호 간에 타이밍 관계에 기초하여, 상기 신호전파경로의 제 1 및 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이에 의해 반사된 에너지와 상기 신호전파경로의 상기 제 1 및 제 2 부분을 따른 상기 반사신호의 이동 시간 간의 제 1 측정 관계를 결정하고, 상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이들의 제 1 서브-세트에 의해 반사된 에너지와, 상기 신호전파경로의 계산 모델을 이용하여, 상기 제 1 측정 관계 및 상기 신호전파경로의 제 1 부분의 상기 알려진 전파 특성을 기초로 상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따른 상기 반사신호의 이동 시간 사이의 제 2 측정 관계를 결정하기 위한 측정관계 결정회로를 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템이 제공된다.
실시예에 따르면, 레이더 레벨 게이지 시스템은 소위 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 타입일 수 있다. 이들 실시예에서, 트랜시버는 송신신호를 생성하도록 제어가능한 마이크로파 신호 소스; 상기 마이크로파 신호 소스에 결합되고, 시간가변 반송파 주파수를 나타내는 측정 스위프(sweep)의 형태로 상기 송신신호를 생성하도록 상기 마이크로파 신호 소스를 제어하게 구성된 마이크로파 신호 소스 컨트롤러; 및 상기 마이크로파 신호 소스 및 상기 신호전파장치에 결합되고, 중간 주파수 신호를 형성하도록 상기 송신신호 및 상기 반사신호를 결합하게 구성된 믹서를 포함하고, 상기 측정 스위프는 대역폭을 정의하며, 상기 측정 신호 결정 회로는 상기 중간 주파수에 기초하여 상기 제 1 측정 신호를 결정한다.
실시예에서, 상술한 대역폭은 적어도 0.5GHz일 수 있다.
송신신호의 주파수는 연속적으로(또는 준-연속적으로) 또는 단계적으로 변조될 수 있음에 유의해야 한다.
또한, 다양한 실시예에 따르면, 본 발명의 레이더 레벨 게이지 시스템은 마이크로파 신호 소스가 송신신호를 생성하도록 제어되는 활성 상태와 송신신호가 생성되지 않는 휴지 상태 사이에서 제어될 수 있다.
레이더 레벨 게이지 시스템은 상기 레이더 레벨 게이지 시스템이 휴지 상태에 있을 때 에너지를 저장하고 상기 레이더 레벨 게이지 시스템이 활성 상태에 있을 때 마이크로파 신호 소스에 에너지를 제공하도록 구성된 에너지 저장소를 더 포함할 수 있다.
로컬 에너지 저장소는, 예를 들어, 배터리, 커패시터 및/또는 수퍼 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 레이더 레벨 게이지 시스템은 원격 시스템과의 무선 통신을 위한 무선 트랜시버와 같은 무선 통신 회로를 더 포함할 수 있다.
신호전파장치는 임의의 적절한 방사 안테나 또는 송신라인 프로브일 수 있음을 알아야 한다. 안테나의 예는 혼 안테나,로드 안테나, 어레이 안테나 및 파라볼릭 안테나 등을 포함한다. 송신라인 프로브의 예는 싱글라인 프로브(Goubau 프로브), 트윈라인 프로브 및 동축 프로브 등을 포함한다.
처리회로는 하나의 장치 또는 함께 동작하는 여러 장치로서 제공될 수 있음을 또한 알아야 한다.
본 발명의 제 2 태양의 다른 효과 및 변형은 본 발명의 제 1 태양을 참조하여 상기한 것과 대체로 유사하다.
요약하면, 본 발명은 따라서 송신신호를 발생시키고 송신하는 단계; 트랜시버에 인접한 알려진 신호전파특성을 갖는 제 1 부분 및 상기 제 1 부분에 인접한 제 2 부분을 포함하는 신호전파경로를 따라 상기 제품의 표면을 향해 상기 송신신호를 전파시키는 단계; 상기 제품의 표면을 포함하는, 상기 송신신호에 의해 마주치는 임피던스 전이들에서의 반사들로 인한 반사신호를 수신하는 단계; 상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 타이밍 관계에 기초하여 제 1 측정 관계를 결정하는 단계; 상기 제 1 측정 관계 및 상기 알려진 신호전파특성들에 기초하여 제 2 측정 관계를 결정하는 단계; 및 상기 제 2 측정 관계에 기초하여 상기 충진수위를 결정하는 단계를 포함하는 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명의 이들 및 다른 태양은 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 실시예를 도시한 첨부도면을 참조로 보다 상세히 기술할 것이다:
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 레벨 게이지 시스템을 포함하는 예시적인 탱크 배치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1b는 도 1a의 레이더 레벨 게이지 시스템에 포함된 측정유닛의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 신호전파경로의 모델링의 예를 개략도이다.
도 4a는 기준을 제거하지 않은 도 3의 예시적인 경우에 대한 트랜시버로부터의 거리의 함수로서의 반사를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예를 사용하는 기준을 제거한 도 3의 예시적인 경우에 대한 트랜시버로부터의 거리의 함수로서의 반사를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 레벨 게이지 시스템을 포함하는 예시적인 탱크 배치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1b는 도 1a의 레이더 레벨 게이지 시스템에 포함된 측정유닛의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 신호전파경로의 모델링의 예를 개략도이다.
도 4a는 기준을 제거하지 않은 도 3의 예시적인 경우에 대한 트랜시버로부터의 거리의 함수로서의 반사를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예를 사용하는 기준을 제거한 도 3의 예시적인 경우에 대한 트랜시버로부터의 거리의 함수로서의 반사를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서, 본 발명에 따른 레이더 레벨 게이지 시스템 및 탱크장치의 예시적인 실시예는 전자기 신호가 송신라인 프로브를 따라 전파되는 가이드 웨이브 레이더(GWR) 타입의 레이더 레벨 게이지 시스템을 참조로 논의된다. 더욱이, 여기에 설명된 예시적인 레이더 레벨 게이지 시스템에서, 전자기 송신신호의 주파수는 측정 스위프(sweep) 내에서 변화되고, 전자기 반사신호는 송신신호와 혼합되어 중간 주파수(IF) 신호의 형태로 측정 신호를 형성한다. 게다가, 전자기 신호에 대한 신호전파경로의 계산 모델의 일례를 설명한다.
이는 본 발명의 범위를 결코 제한하지 않으며 전자기 송신신호가 혼 안테나, 로드 안테나 또는 파라볼릭 안테나와 같은 안테나에 의해 탱크 내의 제품을 향해 방사되는 자유방사형 레이더 레벨 게이지 시스템과 같은 다른 레이더 레벨 게이지 시스템에도 동등하게 적용가능함을 주목해야 한다. 또한, 레이더 레벨 게이지 시스템은 동일하게 송신 펄스 트레인 형태의 송신신호가 탱크 내의 제품을 향해 전파되고, 수신된 반사 펄스 트레인이 기준 펄스 트레인 형태의 기준 신호와 상관되는 펄스형 레이더 레벨 게이지 시스템일 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 탱크장치(17) 및 통제실로 도시된 호스트 시스템(10)을 포함하는 레벨 측정 시스템(1)을 개략적으로 도시한 것이다.
탱크장치(17)는 GWR(Guided Wave Radar) 타입의 레이더 레벨 게이지 시스템(2) 및 탱크(4)의 지붕으로부터 수직으로 뻗어 있는 튜브형 장착 구조물(13)(종종 "노즐"이라고 함)을 갖는 탱크(4)를 포함한다.
레이더 레벨 게이지 시스템(2)은 탱크(4) 내에 포함된 제품(3)의 충진수위를 측정하기 위해 설치된다. 레이더 레벨 게이지 시스템(2)은 측정유닛(6) 및 튜브형 장착 구조물(13)을 통해 측정유닛(6)에서 제품(3)을 향해 그리고 제품 안으로 뻗어 있는 단일 도체 프로브(7) 형태의 신호전파장치를 포함한다. 도 1a의 예시적인 실시예에서, 단일 도체 프로브(7)는 측정유닛(6)에 연결된 제 1 단부 및 와이어를 곧게 그리고 수직으로 유지하기 위해 추(8)의 형태로 프로브 정렬부재에 연결된 제 2 단부(19)를 갖는 와이어 프로브이다.
제품(3)의 표면(11)을 향해 프로브(7)에 의해 가이드된 송신신호(ST) 및 표면(11)으로부터 되돌아 오는 반사신호(SR)를 분석함으로써, 측정유닛(6)은(탱크의 외부와 탱크의 내부 간의 피드스루와 같은) 기준 위치와 제품(3)의 표면(11) 사이의 거리를 결정할 수 있고, 이로써, 충진수위(L)가 추정될 수 있다. 단일 제품(3)을 포함하는 탱크(4)가 본 명세서에서 논의되었지만, 프로브를 따라 임피던스 전이를 초래하는 다른 재료 경계면과의 거리도 유사한 방식으로 측정 될 수 있음을 알아야 한다.
도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 측정유닛(6)은 트랜시버(20), 처리회로(21), 통신 인터페이스(22) 및 통제실(10)과의 무선 통신을 위한 통신 안테나(23)를 포함한다.
트랜시버(20)는 전자기 신호를 생성, 송신 및 수신하도록 구성되고, 처리회로(21)는 트랜시버(20)에 연결되며, 송신신호(ST)와 제품(3)의 표면(11)에서 상기 송신신호(ST)의 반사인 수신된 전자기 신호(SR) 사이의 타이밍 관계에 기초하여 제품(3)의 충진수위(L)를 결정하도록 구성되고, 통신 인터페이스(22)는 처리회로(21)에 연결되고 호스트 시스템(10)과의 통신을 허용하도록 구성된다. 도 1a의 예시적인 실시예에서, 레이더 레벨 게이지 시스템(2)과 호스트 시스템(10) 사이의 통신은 무선 통신으로서 표시된다. 대안으로, 통신은 예를 들어 아날로그 및/또는 디지털 유선 기반 통신 채널을 통해 발생할 수 있다. 예를 들어, 통신 채널은 투-와이어 4-20 mA 루프일 수 있으며 충진수위는 투-와이어 4-20 mA 루프의 충진수위에 해당하는 특정 전류를 제공함으로써 통신될 수 있다. 디지털 데이터는 HART 프로토콜을 사용하여 이러한 4-20 mA 루프를 통해 전송될 수 있다. 또한 Modbus 또는 Foundation Fieldbus와 같은 순수 디지털 통신 프로토콜을 사용할 수 있다.
탱크(4) 내의 제품(3)의 표면(11)에서의 송신신호의 반사로 인한 상술한 표면 반사신호에 추가하여, 송신신호(ST)는 프로브(7) 및 트랜시버(20)와 프로브(7) 간의 결합 배열을 포함한 신호전파경로(30)를 따라 조우된 추가 임피던스 전이에서 반사된다. 이러한 추가의 임피던스 전이는 신호전파경로(30)의 제 1 부분(31)에서의 임피던스 전이 및 제품(3)의 표면(11)에서의 임피던스 전이를 제외하고, 신호전파경로(30)의 제 2 부분(32)에서 임피던스 전이를 포함한다. 제 1 부분(31)은 트랜시버(20)와 제 2 부분(32) 사이에 위치한다.
측정유닛(6)의 구성 및 트랜시버(20)와 신호전파장치(여기서는 송신라인 프로브(7)의 형태) 사이의 전기 결합에 따라, 탱크(4) 내부에, 신호전파경로(30)의 제 1 부분(31)을 따라 여러 임피던스 전이들이 있을 수 있다. 도 1b에서, 2개의 그러한 가능한 임피던스 전이는 '측정유닛 피드스루(14)'라고 하는 제 1 소형 '박스'와 '탱크 피드스루(feed-through)(15)'라고 하는 제 2 소형 '박스'에 의해 개략적으로 표시된다. 측정유닛 피드스루(14) 및 탱크 피드스루(15) 모두는 적어도 부분적으로 원하지 않는 반사신호를 초래할 수 있다. 예를 들어, 탱크 피드스루(feed-through) 반사는 소위 기준(fiducial)으로 사용될 수 있으며 충진수위 결정시 기준점 역할을 할 수 있다. 그러나, 탱크(4) 내 제품(3)의 표면(11) 수위(11) 위의 임피던스 전이로 인한 강한 반사신호는 특히 충진수위가 탱크 피드스루(15)에 가까울 경우 충진수위 결정을 더욱 어렵게 할 수 있다.
튜브형 장착 구조물(노즐)(13)의 구성에 따라, 튜브형 장착 구조물(13)의 하단부에서 추가적인 실질적인 임피던스 전이가 있을 수 있다.
따라서, 배경 기술에서 언급한 바와 같이, 제품 표면 위의 고정 구조물로부터의 임피던스 전이의 충진수위 결정에 미치는 영향을 적어도 부분적으로 제거하기 위해 다양한 기술이 사용되기도 한다.
이를 달성하기 위한 새롭고 개선된 방법의 실시예를 도 2의 흐름도와 도 3 및 도 4a-4b의 첨부도면을 참조로 설명할 것이다.
도 2의 흐름도를 참조하면, 제 1 단계(100)에서, 트랜시버(20)에 의해 전자기 신호가 발생되어 송신된다. 후속 단계(101)에서, 전자기 송신신호(ST)는 신호전파경로(30)를 따라 탱크(4) 내의 제품(3)을 향해 전파된다. 송신신호(ST)는 신호전파경로(30)를 따라 조우되는 임피던스 전이에서 반사되고, 상기 반사로 상술한 바와 같이 전자기 반사신호(SR)가 발생된다. 반사신호(SR)는 다음 단계(102)에서 트랜시버(20)에 의해 수신된다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 트랜시버(20)와 신호전파경로(30)를 따른 다양한 임피던스 전이 사이의 거리는 반사신호(SR)와 송신신호(ST)의 결합에 의해 형성될 수 있는 측정 신호(SM)(또는 송신신호(ST)에 대해 공지의 관계를 갖는 타이밍에 따른 신호)를 기초로 결정될 수 있다. 측정 신호(SM)는 일반적으로 신호전파경로(30)를 따라, 즉 트랜시버(20)로부터 신호전파경로(30)를 따라 그리고 트랜시버(20)로 되돌아 오는 다른 임피던스 전이로 반사신호의 이동시간의 함수로서 반사된 에너지를 나타낸다. FMCW-타입의 레이더 레벨 게이지 시스템의 경우에 대해, 측정 신호(SM)는 수신된 반사신호(SR)의 진폭을 IF 신호의 주파수(송신신호(ST)와 반사신호(SR) 사이의 반송파 주파수의 차) 함수로서 나타낼 수 있다. 송신신호(ST)의 진폭이 일정한 경우, 수신된 반사신호(SR)의 진폭은 반사계수(ρ)와 같다.
단계(103)에서, 제 1 측정 관계(SM1)가 이러한 방식으로 결정된다. 제 1 측정 관계(SM1)의 예가 도 3의 상부에 제공되며, 트랜시버(20)로부터 본 반사계수(ρ0)는 IF 신호의 주파수의 함수로서 표시된다.
예를 들어, FFT를 사용하여 도 3의 상부에서 다이어그램을(전자기 신호의 전파 속도가 알려질 때의 거리 영역과 동등한) 시간 영역으로 변환하면, 도 4a의 다이어그램이 얻어지며, 이는 트랜시버(20)로부터의 거리(d)의 함수로서 반사된 에너지를 나타낸다.
도 4a의 다이어그램으로 간략히 돌아가면, 곡선은 트랜시버(20)로부터 송신신호(ST)가 마주하는 임피던스 전이까지의 거리를 나타내는 4개의 별개의 피크를 포함한다. 도 4a의 좌측에서 우측으로, 제 1 피크(40)는 측정유닛 피드스루(14)에서의 반사를 나타내고, 제 2 피크(41)는 탱크 피드스루(15)에서의 반사를 나타내며, 제 3 피크(42)는 표면(11)에서의 반사를 나타내고, 제 4 피크는 이중 반사를 나타낸다. 송신신호는 트랜스시버(20)에 의해 수신되기 전에 표면(11), 탱크 피드스루(15), 및 마지막으로 표면(11)에서 반사된다. 도 4a의 도면으로부터 명백한 바와 같이, 탱크 피드스루(15)에서의 반사는 표면(11)에서의 반사와 크기가 유사하고, 이는 표면(11)이 탱크 피드스루(15)에 가까울 때 표면 반사를 구별하기 어려울 수 있다.
도 2의 흐름도로 돌아가면, 본 방법은 단계(104)로 진행하여, 제 1 측정 관계(SM1), 신호전파경로의 제 1 부분(31)의 알려진 전파 특성, 및 신호전파경로(30)의 계산 모델을 기반으로 제 2 측정 관계(SM2)를 결정한다.
과중한 계산을 필요로 하지 않고 여전히 충분히 양호한 결과를 제공하는 신호전파경로(30)의 하나의 적합한 계산 모델은 종종 전신 방정식(telegrapher's equations)이라고도 하는 잘 알려진 일반 송신라인 방정식에 기초한다.
이 계산 모델에 따르면, 신호전파경로(30)를 임피던스 단계들로 분할하고, 신호전파경로(30)의 단부로부터 트랜시버(20)를 향해 등가 임피던스를 단계적으로 결정함으로써, 트랜시버(20)에 의해 보여지는 임피던스가 결정될 수 있다.
예를 들어, 신호전파경로를 따라 단지 하나의 임피던스 단계를 고려하면, 트랜시버(20)에 의해 보여지는 등가 임피던스(Zeq)는 다음과 같이 주어진다 :
Zeq = Z0(ZL + Z0 tanhγl)/(ZL + Z0 tanhγl),
(수식 1)
여기서, Z0는 트랜시버(20)와 임피던스 단계 사이의 신호전파경로의 임피던스이며, ZL은 부하 임피던스이고, γ는 트랜시버(20)와 임피던스 단계 사이의 신호전파경로에서의 감쇠이고, l은 트랜시버(20)와 임피던스 단계 사이의 신호전파경로의 길이다.
명백하게, 위 식(수식 1)은 부하 임피던스가 수식 1의 다른 파라미터의 함수로 결정될 수 있도록 다시 작성될 수 있다.
트랜시버(20)로부터 시작하여 이를 단계적으로 수행함으로써, 탱크 피드스루(15) 바로 아래에서 볼 때의 등가 임피던스가 결정될 수 있다. 물론, 튜브형 장착 구조물(노즐)(13) 바로 아래에서 본 것과 같은 등가 임피던스도 필요하다면 결정될 수 있다.
이 절차는 이제 신호전파경로(30)를 따라 상이한 위치에서 볼 때 일련의 입력 임피던스로서 신호전파경로(30)가 개략적으로 도시된 도 3을 참조로 설명할 것이다. 현재 도시된 예에서, 신호전파경로(30)의 상술한 제 1 부분(31)은 측정유닛 피드스루(14)가 있는 제 1 세그먼트(34) 및 탱크 피드스루(15)가 있는 제 2 세그먼트(35)를 포함한다. 신호전파경로(30)의 제 2 부분(32)은 여기서 탱크 피드스루(15) 아래의 신호전파경로의 나머지 부분이 되게 취해진다.
도 3의 도면 상부의 트랜시버(20)로부터 시작하여, IF 신호의 주파수의 함수로서 반사계수(ρ0)로 표현되는 제 1 측정 관계(SM1)가 결정된다. 이는 단계(103)와 관련하여 앞서 상술하였다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 트랜시버에 의해 보이는 부하는은 반사계수(ρ) 또는 임피던스(Z)로 표현될 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 트랜시버(20)에 의해 보여지는 부하 임피던스(Z123)는 하기의 관계식에 따라 트랜시버(20)에 의해 보여지는 반사계수 및 트랜시버(20)와 부하 사이의 신호전파경로의 전파 특성(prop3)(특히 특성 임피던스)로 표현될 수 있다:
Z123 = Z0(1+ρ0)/(1-ρ0),
(수식 2)
여기서, Z0는 트랜시버(20)로부터 측정유닛 피드스루(14)까지의 신호전파경로의 특성 임피던스이고, 반사계수(ρ0)는 제 1 측정 관계(SM1)에 의해 주어진다. 동축 케이블이 트랜시버(20)의 출력을 측정유닛 피드스루(14)와 연결하기 위해 사용되는 경우, 특성 임피던스(Z0)는 전형적으로 약 50Ω일 것이다.
따라서, 수식 2에서 부하 임피던스(Z123)와 반사계수(ρ0) 사이의 관계는 다음 관계식으로 나타낼 수 있다:
Z123 = f(ρ0, prop 3 ),
(수식 3)
상술한 바와 같이, 트랜시버에 의해 보여지는 부하 임피던스(Z123)는 예를 들어 수식 1에 기초하여, 측정유닛 피드스루(14)의 임피던스(ZL3), 트랜시버(20)와 측정유닛 피드스루(14) 사이의 신호전파경로의 일부분의 전파 특성(prop 3 ), 및 측정유닛 피드스루(14) 바로 아래에서 본 부하 임피던스(Z12) 항으로 표현될 수 있다:
Z123 = f(ZL3, prop 3 , Z12)
(수식 4)
역으로, 측정유닛 피드스루(14) 바로 아래에서 본 부하 임피던스(Z12)는 트랜시버(20)에서의 부하 임피던스(Z123), 측정유닛 피드스루(14)의 임피던스, 및 전파 특성(prop 3 ) 항으로 표현될 수 있다:
Z12 = f(Z123, ZL3, prop 3 )
(수식 5)
Z12는 또한 탱크 피드스루(15) 바로 아래에서 본 부하 임피던스(Z1), 측정유닛 피드스루(14)의 임피던스(ZL2) 및 측정유닛 피드스루(14)와 탱크 피드스루(15)사이의 신호전파경로 일부분의 전파 특성(prop2) 항으로 표현될 수 있다:
Z12 = f(Z1, ZL2, prop 2 )
(수식 6)
위의 수식 5와 유사하게, 수식 6은 Z1에 대해 해를 구할 수 있다:
Z1 = f(Z12, ZL2, prop 2 )
(수식 7)
탱크 피드스루(15) 바로 아래에서 본 하중 임피던스(Z1)는 반사계수(ρ1)로 변환될 수 있으며, 여기서 prop1은 탱크(4) 내부의 프로브 임피던스를 나타낸다:
ρ1 = f(Z1, prop 1 )
(수식 8)
수식 3, 수식 5, 수식 7 및 수식 8을 결합하면, 탱크 피드스루(15) 바로 아래에서 본 반사는 하기의 식에 따라 제 1 측정 관계(SM1) 및 신호전파경로(30)의 제 1 부분(31)의 신호전파특성에 기초하여 결정될 수 있음을 안다:
ρ1 = f(ρ0, ZL3, prop 3 , ZL2, prop 2 , prop 1 )
(수식 9)
제 2 측정 관계(SM2)의 일예인이 반사계수(ρ1)는 IF 신호의 주파수의 함수로서 도 3의 하부에 도시되어 있다.
예를 들어 FFT를 사용하여, 도 3의 하단에 있는 다이어그램을 (전자기 신호의 전파 속도가 알려질 때의 거리 영역과 등가인) 시간 영역으로 변환해 도 4b의 다이어그램을 얻으며, 이는 트랜시버(20)로부터의 거리(d)의 함수로서 반사된 에너지를 나타낸다.
도 4b의 다이어그램과 도 4a의 다이어그램을 비교하면, 도 4a의 제 1 피크(40) 및 제 2 피크(41)가 실질적으로 제거되어, 탱크(4) 내의 제품(3) 표면(11)에서의 반사를 나타내는 피크(42)의 더 쉽고 더 신뢰할 수 있는 식별을 제공하는 것이 명백하다.
도 2의 흐름도로 돌아가면, 충진수위는 단계(105)에서 도 4b의 제 2 측정 관계(SM2)에 기초하여 최종적으로 결정된다.
당업자는 본 발명이 결코 위에서 설명된 바람직한 실시예들에 국한되지 않는다는 것을 인식한다. 반대로, 첨부된 청구범위 내에서 많은 수정 및 변형이 가능하다.
Claims (13)
- 트랜시버; 상기 트랜시버에 연결된 신호전파장치; 및 충진수위를 결정하기 위해 상기 트랜시버에 연결된 처리회로를 포함한 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법으로서,
상기 방법은:
상기 트랜시버에 의해 전자기 송신신호를 발생시키고 송신하는 단계;
상기 신호전파장치를 포함한 신호전파경로를 따라 상기 제품의 표면을 향해 상기 송신신호를 전파하는 단계;
상기 신호전파경로의 계산 모델을 제공하는 단계;
상기 트랜시버에 의해, 상기 제품의 상기 표면을 포함한 상기 신호전파경로를 따른 임피던스 전이에서의 반사로 인한 전자기 반사신호를 수신하는 단계;
상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 타이밍 관계에 기초하여, 상기 신호전파경로의 제 1 및 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이에 의해 반사된 에너지와 상기 신호전파경로의 상기 제 1 및 제 2 방향을 따라 상기 반사신호의 이동 시간 간의 제 1 측정 관계를 결정하는 단계;
상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이의 제 1 서브-세트에 의해 반사된 에너지와, 상기 신호전파경로의 계산 모델을 이용하여, 상기 제 1 측정 관계 및 상기 신호전파경로의 제 1 부분의 상기 알려진 신호전파특성에 기초하여 상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따라 상기 반사신호의 이동 시간 사이의 제 2 측정 관계를 결정하는 단계; 및
상기 제 2 측정 관계에 기초하여 상기 충진수위를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 신호전파경로는 알려진 신호전파특성을 갖는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분은 상기 트랜시버와 상기 제 2 부분 사이에 위치되는 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 계산 모델은 상기 제 1 측정 관계와 상기 신호전파경로의 제 1 부분의 상기 알려진 신호전파특성의 함수로서 상기 제 2 측정 관계를 제공하는 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 신호전파경로의 제 1 부분은 적어도 제 1 세그먼트 및 제 2 세그먼트를 포함하고, 상기 제 1 세그먼트는 상기 트랜시버와 상기 제 2 세그먼트 사이에 위치하며;
상기 제 2 측정 관계를 결정하는 단계는:
상기 제 2 세그먼트 및 상기 제 2 부분을 포함하는 상기 신호전파경로의 제 3 부분을 따라 상기 임피던스 전이들의 제 2 서브-세트에 의해 반사된 에너지와 상기 신호전파경로의 계산 모델을 사용하여, 상기 제 1 측정 관계 및 상기 제 1 세그먼트의 공지된 신호전파특성에 기초한 상기 신호전파경로의 제 3 부분을 따라 상기 반사신호의 이동 시간 사이의 제 3 측정 관계를 결정하는 단계; 및
상기 신호전파경로의 계산 모델을 사용하여, 상기 제 3 측정 관계 및 상기 제 2 세그먼트의 알려진 신호전파특성에 기초하여 상기 제 2 측정 관계를 결정하는 단계를 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계산 모델은 송신라인 모델인 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 부분의 상기 공지의 신호전파특성은 신호 전파 거리, 임피던스 및 상기 제 1 부분의 신호 감쇠를 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템을 사용하여 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하는 방법. - 탱크 내의 제품의 충진수위를 결정하기 위한 레이더 레벨 게이지 시스템으로서,
전자기 신호를 생성, 송신 및 수신하기 위한 트랜시버;
상기 트랜시버에 결합되고 제품의 표면을 향하여 전자기 송신신호를 전파하고 상기 트랜시버를 향해 상기 표면에서 다시 상기 전자기 송신신호의 반사로 인한 전자기 반사신호를 복귀시키도록 설비된 신호전파장치;
상기 트랜시버에 연결된 처리회로; 및
제 2 측정 관계를 기초로 충진수위를 결정하기 위한 충진수위 결정회로를 포함하고,
상기 신호전파장치는 상기 송신신호 및 상기 반사신호에 대한 신호전파경로에 포함되며, 상기 신호전파경로는 알려진 신호전파특성을 갖는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분은 상기 트랜시버와 상기 제 2 부분 사이에 위치되며,
상기 처리회로는:
상기 송신신호 및 상기 반사신호 간에 타이밍 관계에 기초하여, 상기 신호전파경로의 제 1 및 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이에 의해 반사된 에너지와 상기 신호전파경로의 상기 제 1 및 제 2 부분을 따른 상기 반사신호의 이동 시간 간의 제 1 측정 관계를 결정하고,
상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따라 상기 임피던스 전이들의 제 1 서브-세트에 의해 반사된 에너지와, 상기 신호전파경로의 계산 모델을 이용하여, 상기 제 1 측정 관계 및 상기 신호전파경로의 제 1 부분의 상기 알려진 전파 특성을 기초로 상기 신호전파경로의 제 2 부분을 따른 상기 반사신호의 이동 시간 사이의 제 2 측정 관계를 결정하기 위한 측정관계 결정회로를 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 신호전파장치를 상기 트랜시버에 결합시키는 결합 수단을 더 포함하고,
상기 신호전파경로는 상기 결합 장치를 더 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 신호전파경로의 상기 제 1 부분은 상기 결합 수단을 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 결합 수단은 상기 탱크의 외부 및 상기 탱크의 내부 사이에 피드스루를 포함하는 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜시버는:
상기 송신신호를 생성하도록 제어가능한 마이크로파 신호 소스;
상기 마이크로파 신호 소스에 결합되고, 시간-가변 주파수를 나타내는 측정 스위프 형태로 상기 송신신호를 생성하도록 상기 마이크로파 신호 소스를 제어하게 구성된 마이크로파 신호 소스 제어기; 및
상기 마이크로파 신호 소스 및 상기 신호전파장치에 결합되고, 상기 송신신호 및 상기 반사신호를 결합하여 중간 주파수 신호를 형성하도록 구성된 믹서를 포함하고,
상기 측정 스위프는 대역폭을 정의하며,
상기 측정 신호 결정 회로는 상기 중간 주파수 신호에 기초하여 상기 제 1 측정 신호를 결정하는 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 대역폭은 적어도 0.5 GHz인 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호전파장치는 상기 탱크 내의 상기 제품쪽으로 및 상기 제품 내로 뻗어 있는 송신라인 프로브인 레이더 레벨 게이지 시스템. - 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호전파장치는 탱크 내의 상기 제품의 표면을 향해 상기 송신신호를 방사하도록 배치된 방사 안테나인 레이더 레벨 게이지 시스템.
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