KR20190082846A

KR20190082846A - 에너지 저장소 분리형 레이더 레벨 게이지

Info

Publication number: KR20190082846A
Application number: KR1020197015943A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 클레만
Original assignee: 로즈마운트 탱크 레이더 에이비
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-07-10
Also published as: CN206488832U; RU2019116691A; EP3538852A1; WO2018087005A1; CN108072423A; CN108072423B; US10948332B2; US20180136028A1

Abstract

레이더 레벨 게이지(1; 100)는 트랜시버 회로(6; 106), 전파 장치(10) 및 송신 신호와 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 프로세스 변수의 값을 결정하기 위한 처리 회로(7)를 포함한다. 게이지는 전원 인터페이스(12)와 연결되고 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 제1 전압을 변환하도록 구성되는 DC/DC 컨버터(15) 및 에너지 저장장치(17)를 가진다. 게이지는 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치 사이에 연결되고 트랜시버 회로가 활성일 때 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치의 연결을 차단하는 비-전도성 상태 및 트랜시버 회로가 비활성일 때만 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치를 연결하는 전도성 상태를 가지는 스위치를 더 가진다.

Description

에너지 저장소 분리형 레이더 레벨 게이지

본 발명은 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 레이더 레벨 게이지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이런 레벨 게이지의 트랜시버 회로의 전력 공급에 관한 것이다.

많은 레이더 레벨 게이지 응용에서, 레이더 신호의 생성 및 처리는 일반적으로 의도된 전원이 지속적으로 전달할 수 있는 것보다 많은 전력을 소비한다. 이는 다른 고정밀 레이더 레벨 측정 기술에도 유사한 제약이 있을 수 있지만 FMCW(주파수 변조 연속파) 레이더 기술에 특히 해당된다.

많은 필드 장치는 2선식 전류 루프를 통해 전원이 공급되어 지정된 범위 내의 전류에서 지정된 범위 내의 전압을 제공한다. 몇몇 2선식 전류 루프에서, 루프 내 전류는 그 범위의 하단이 RLG 전력을 공급하는데 가장 어려운 경우가 있어서 RLG에 의해 감지되는 레벨을 나타내는데 사용된다. 이러한 전류 루프의 한 예는 전류가 4 내지 20 mA 루프이며, 이때 전류는 4 내지 20mA 범위 내에 있다.

다른 경우, 게이지는 가령 배터리 팩과 같은 로컬 에너지원에 의해 전원을 공급받는다. 예를 들어, 이는 무선 레이더 레벨 게이지의 경우이다. 로컬 전원은 (대안으로 피크 전력 제한이라고 표시될 수 있는) 피크 전류 제한을 가진다. 또한, 로컬 에너지 저장소는 재충전 또는 교체가 필요하기 전에 제한된 전체 에너지만을 전달할 수 있다.

이 두 경우 모두, 2선식 루프 또는 배터리에 의해 전력이 공급되며, 가능하게 경우에 따라서는 전력 공급 제한에도 불구하고 모든 기능을 사용할 수 있도록 특정 전력 공급 체계 및 구조가 필요하다. 일반적으로 사용되는 솔루션 중 하나는 간헐적인 레이더 신호 생성이므로 신호 생성이 없을 때마다 에너지가 에너지 저장장치에 저장되게 할 수 있다.

레이더 레벨 게이지에서, DC/DC 컨버터는 일반적으로 전원(예컨대, 2선식 인터페이스 또는 배터리)의 전압을 필드 장치의 필요한(더 낮은) 내부 전압으로 변환하는데 사용된다. 전력 소비를 최소한으로 유지하기 위해, 일반적으로 고효율 DC/DC 컨버터(예컨대, 약 90% 효율)를 사용해야 한다. 이러한 컨버터의 문제점은 이들이 다소 잡음이 있고 트랜시버 회로의 민감한 아날로그 회로에 방해를 유발한다는 것이다. 필드 장치가 본질적으로 안전한 시스템인 경우, 이 문제는 얼마나 많은 커패시턴스가 허용되는지에 대한 한계가 있기 때문에 이러한 잡음을 제거하기 위한 효과적인 커패시티브 필터링이 어렵다는 점에서 두드러진다.

하나의 특정 상황은 FMCW(주파수 변조 연속파)에 따라 작동하는 레이더 레벨 게이지와 관련된다. 이러한 게이지에서, DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수는 레이더 레벨 게이지의 중간 주파수(IF) 신호와도 간섭할 수 있다.

저잡음 DC/DC 컨버터는 당업계에 공지되어 있다. 그러나, 이러한 변환기는 전력 효율이 낮다(예컨대, 50-80%). 따라서, 상술한 바와 같이 전력 공급이 제한되는 상황에서, 이러한 컨버터는 측정 속도, 대역폭(스윕 길이) 또는 신호 처리 능력의 형태로 측정 성능을 희생시키지 않으면서 전체 시스템에 사용될 수 없다.

DC/DC 컨버터가 없는 상황에서는 다른 구성요소들로 인해 트랜시버 회로를 방해할 수 있는 잡음이 발생할 수 있다.

따라서, 고효율 DC/DC 변환기 및 다른 구성요소들에 의해 야기되는 잡음의 부정적인 영향을 피하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 상기 단점을 극복하고, DC/DC 변환기 또는 다른 구성요소들에 의해 야기되는 레이더 레벨 게이지 내 민감한 아날로그 회로의 교란을 피하는 것이다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 이런 목적 및 다른 목적은 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 레이더 레벨 게이지에 의해 달성되며, 상기 레이더 레벨 게이지는: 전자기 송신 신호를 생성하고 송신하며 전자기 복귀 신호를 수신하기 위한 트랜시버 회로; 트랜시버 회로와 연결되며, 전자기 송신 신호가 제품의 표면을 향해 전파하게 하고 표면에서 전자기 송신 신호의 반사에 의해 발생한 전자기 복귀 신호를 복귀하게 하도록 배열되는 전파 장치; 송신 신호와 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 프로세스 변수의 값을 결정하기 위한 처리 회로; 제1 전압에서 전원으로부터 레이더 레벨 게이지로 동작 전력을 제공하는 전원 인터페이스; 전원과 연결되며, 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 제1 전압을 변환하도록 구성되는 DC/DC 컨버터; 트랜시버 회로가 활성일 때 트랜시버 회로로 전력을 제공하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때 전력을 저장하도록 구성되는 에너지 저장장치; 및 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치 사이에 연결되며, 트랜시버 회로가 활성일 때 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치의 연결을 차단하는 비-전도성 상태 및 트랜시버 회로가 비활성일 때만 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치를 연결하는 전도성 상태를 가지는 스위치를 포함한다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 이런 목적 및 다른 목적은 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 레이더 레벨 게이지에 의해 달성되며, 상기 레이더 레벨 게이지는: 전자기 송신 신호를 생성하고 송신하며 전자기 복귀 신호를 수신하기 위한 트랜시버 회로; 트랜시버 회로와 연결되며, 전자기 송신 신호가 제품의 표면을 향해 전파하게 하고 표면에서 전자기 송신 신호의 반사에 의해 발생한 전자기 복귀 신호를 복귀하게 하도록 배열되는 전파 장치; 송신 신호와 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 프로세스 변수의 값을 결정하기 위한 처리 회로; 제1 전압에서 동작 전력을 레이더 레벨 게이지로 제공하는 내부 전원; 트랜시버 회로가 활성일 때 트랜시버 회로로 전력을 제공하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때 전력을 저장하도록 구성되는 에너지 저장장치; 제1 전압과 연결되며, 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 제1 전압을 변환하도록 구성되는 선형 전압 조정장치; 제2 전압과 연결되며, 레이더 레벨 게이지 외부와 통신하도록 구성되는 통신 회로; 및 선형 전압 조정장치와 에너지 저장장치 사이에 연결되며, 트랜시버 회로가 활성일 때 제1 전압과 에너지 저장장치의 연결을 차단하는 비-전도성 상태 및 트랜시버 회로가 비활성일 때만 제1 전압과 에너지 저장장치를 연결하는 전도성 상태를 가지는 스위치를 포함한다.

본 발명의 제3 태양에 따르면, 이런 목적 및 다른 목적은 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 트랜시버 회로를 사용하여 전자기 송신 신호를 송신하는 단계; 전자기 송신 신호를 제품의 표면을 향해 전파시키는 단계; 트랜시버 회로를 사용하여 표면에서 전자기 송신 신호의 반사로 발생한 전자기 복귀 신호를 수신하는 단계; 송신 신호와 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 프로세스 변수의 값을 결정하는 단계; 제1 전압에서 레이더 레벨 게이지로 동작 전력을 제공하는 단계; DC/DC 컨버터를 사용하여 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 제1 전압을 변환하는 단계; 트랜시버 회로가 활성일 때 에너지 저장장치로부터 트랜시버 회로로 전력을 공급하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때 에너지 저장장치에 전력을 저장하는 단계; 및 트랜시버 회로가 활성일 때 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치의 연결을 차단하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때만 DC/DC 컨버터와 에너지 저장장치를 연결하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제4 태양에 따르면, 이런 목적 및 다른 목적은 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 전자기 송신 신호를 생성 및 송신하는 단계; 전자기 송신 신호를 제품의 표면을 향해 전파시키는 단계; 표면에서 전자기 송신 신호의 반사로 발생한 전자기 복귀 신호를 수신하는 단계; 송신 신호와 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 프로세스 변수의 값을 결정하는 단계; 제1 전압에서 레이더 레벨 게이지로 동작 전력을 제공하는 단계; 트랜시버 회로가 비활성일 때 에너지 저장장치에 에너지를 저장하고 트랜시버 회로가 활성일 때 에너지 저장장치로부터 트랜시버 회로로 전력을 제공하는 단계; 선형 전압 조정장치를 사용하여 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 제1 전압을 변환하는 단계; 제2 전압에 의해 전력을 공급받는 통신 회로를 사용하여 레이더 레벨 게이지 외부로 통신하는 단계; 및 트랜시버 회로가 활성일 때 제1 전압과 에너지 저장장치의 연결을 차단하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때만 제1 전압과 에너지 저장장치를 연결하는 단계를 포함한다.

본 발명은 레이더 레벨 게이지에 트랜시버 회로 및 처리 회로에 일시적으로 전력을 공급하기 위한 에너지 저장장치가 제공되는 경우, 이러한 에너지 저장장치가 이런 회로의 간헐적 동작 중에 (일반적으로 측정 스윕 중에) 전원(및 임의의 다른 구성요소들)과 단선될 수 있다는 사실에 기초한다. 따라서, 전원 회로 및/또는 통신 회로로부터의 잡음은 그것이 활성화되었을 때 트랜시버 회로에 도달하지 않을 것이다. 이후 에너지 저장장치는 트랜시버 회로가 유휴 상태일 때(즉, 측정 스윕 사이에 있을 때) 충전될 수 있다.

예를 들어, 전원 회로가 DC/DC 컨버터를 포함하는 경우 컨버터로부터의 모든 잡음이 민감한 아날로그 회로를 방해하는 것을 효과적으로 방지한다. 이것은 신호와 내부적으로 생성된 잡음의 비율을 수 dB, 아마도 10dB 이상 향상시킬 수 있다.

일반적으로 측정 스윕은 짧으며, 트랜시버 회로는 일반적으로 20ms 이상, 일반적으로 10ms 이하의 기간 동안 활성화되지 않는다. 또한, 전형적인 측정 반복률은 초당 하나의 측정 스윕이다. 이로부터 트랜시버 회로의 "듀티 사이클"은 10% 미만, 일반적으로 훨씬 더 작게 1%에 가까울 수 있다. 이러한 제한된 듀티 사이클에서, 트랜시버 회로가 활성일 때 전원의 연결 해제는 에너지 저장장치의 충전을 크게 손상시키지 않는다.

스위치는 DC/DC 컨버터 또는 전압 조정장치에서 에너지 저장소를 갈바닉적으로 분리하도록 구성될 수 있다. 그러나, 갈바니 분리(galvanic separation)는 전형적으로 물리적 분리를 필요로 하며, 실제로 그러한 분리는 이용 가능한 제한된 전력을 고려하여 실현 가능하지 않다. 그 대신, 스위치는 전형적으로 비-전도 상태에서 매우 크지만 한정된 임피던스에 의한 분리를 제공하도록 구성된다. 일례로서, 이러한 임피던스는 대략 M옴(Ohm), 예컨대, 1 M옴 이상 또는 2 M옴 이상일 수 있다.

적절한 스위칭 소자의 예는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)이며, 전도성 상태에 있을 때 가령 낮은 저항 및 이를 제어하는데 필요한 매우 제한된 전류와 같은 다수의 적절한 특징을 갖는다.

스위치는 처리 회로에 연결되고 처리 회로에 의해 제어될 수 있다. 처리 회로는 트랜시버 회로의 간헐적인 동작의 타이밍에 기초하여, 즉 측정 스윕이 발생할 때, 스위치를 제어할 수 있다.

전원은 레이더 레벨 게이지의 내부에 있을 수 있다. "내부"란 일반적으로 전원이 레이더 레벨 게이지의 기계적 하우징 내에 배치되는 것을 의미한다. 그러나, 가령 휴대용 배터리와 같은 독립형 전원은 레이더 레벨 게이지에서 떨어진 위치에서 전력이 공급되지 않는다는 의미에서 "내부" 전원이라고도 할 수 있다.

대안으로, 전원은 게이지의 외부에 있다. "외부"는 전력 소스가 원격으로 위치하고 전원이 전원에서 레이더 레벨 게이지로 전력을 전송하기 위한 일종의 전원 매체를 포함한다는 것을 의미한다.

예를 들어, 전원은 2선식 전류 루프일 수 있다. 이 경우, 전원 인터페이스는 기정의된 버스 전류와 동일한 공급 전류를 끌어내도록 배열되거나, 검출된 값을 나타내는 공급 전류를 끌어내도록 배열될 수 있다. 후자의 경우, 널리 사용되는 예는 4-20 mA 전류 루프이다.

전원 인터페이스는 또한 필드 버스 인터페이스로 구성될 수 있으며, 2선식 전류 루프를 통해 디지털 방식으로 통신하도록 배열된다. 이러한 통신은 공급 전류 레벨로서 측정 값의 통신 대신에 또는 그와 함께 제공될 수 있다.

2선식 전류 루프를 사용하는 통신의 대안으로서, 레이더 레벨 게이지는 측정 데이터를 원격 위치로 무선으로 통신할 수 있다.

통신 유형(4-20mA, 필드 버스, 무선 또는 기타)에 관계없이, 레이더 레벨 게이지는 측정 데이터를 레이더 레벨 게이지의 외부로 통신하기 위한 통신 회로가 제공될 수 있다.

DC/DC 변환기에 의해 제공되는 제2 전압은 바람직하기로 에너지 저장장치에 효율적인 에너지 저장을 제공하도록 형성된다. 일반적으로, 이는 예컨대 IS(내부 안전) 조건을 고려하여 가능한 한 높은 전압 레벨을 제시한다. 그 결과, 제2 전압은 너무 높아서 트랜시버 회로가 비활성일 때도 전력이 공급되어야 하는 그러한 회로에 전원을 공급할 수 없을 수 있다. 이러한 회로는 임의의 통신 회로뿐만 아니라 처리 회로(의 일부)를 포함할 수 있다.

이러한 이유로, 레이더 레벨 게이지는 전원에 연결되고 제1 전압을 제2 전압보다 낮은 제3 전압으로 변환하도록 구성된 추가의 DC/DC 컨버터가 제공될 수 있으며, 이런 추가의 DC/DC 컨버터는 처리 회로 및 가능한 경우 임의의 통신 회로에 전력을 제공하도록 연결된다. 이런 추가의 DC/DC 컨버터는 전원으로부터 항상 전력을 제공할 수 있음이 주목된다. 그러나, 이런 추가의 DC/DC 컨버터는 트랜시버 회로에서 민감한 아날로그 회로의 부분들을 제공하지 않으므로, 이런 추가의 DC/DC 컨버터의 모든 잡음은 이러한 회로를 방해하지 않는다.

트랜시버 회로는 FMCW 처리에 적합한 주파수 변조 마이크로파 스윕 신호를 생성하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 이 경우, 트랜시버 회로는 또한 중간 주파수(IF) 신호를 제공하기 위해 송신 신호를 복귀 신호와 합성하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 또한, 트랜시버 회로는 IF 신호를 샘플링하고 디지털 출력을 제공하기 위한 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

현재 바람직한 본 발명의 실시예를 도시한 첨부도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이더 레벨 게이지의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1의 트랜시버 회로의 일부분의 개략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이더 레벨 게이지의 개략적인 블록도이다.
도 4는 도 1 및 도 3에서 레이더 레벨 게이지에 적합한 에너지 저장유닛의 예의 개략적인 회로도이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 레벨 게이지(RLG)(1)의 개략적인 블록도를 도시한다. RLG(1)는 탱크(2) 상에 장착되고, 탱크(2) 내 2개 재료(4, 5) 사이 경계면(3)의 레벨(L)과 같은 프로세스 변수의 측정을 수행하도록 배열된다. 일반적으로, 제1 재료는 탱크 내에 저장된 액체(4), 가령 가솔린인 반면, 제2 재료는 탱크에 있는 공기나 다른 분위기(5)이다.

레이더 레벨 게이지(1)는 트랜시버 회로(6)와 처리 회로(7)를 포함한다. 트랜시버 회로(6)는 전자기 송신 신호를 생성 및 송신하고 전자기 복귀 신호를 수신하도록 구성된다. 처리 회로는 송신 신호와 복귀 신호 간의 관계에 기초하여 프로세스 변수를 결정하도록 구성된다.

트랜시버 회로(6)는 적절한 신호 전파 장치, 여기서는 지향성 안테나(10)에 전기적으로 연결된다. 안테나(10)는 전자기 송신 신호를 제품(4)의 표면을 향해 전파하게 하고, 인터페이스, 여기서는 탱크(2) 내 제품(4)의 표면(3)에 의한 전자기 송신 신호의 반사로 발생한 전자기 복귀 신호를 복귀시키도록 배열된다.

신호 전파 장치가 자유 전파 방향성 안테나일 때(도 1에서와 같이), RLG는 "비-접촉" 레이더라고 한다. 때때로 안테나는 간섭을 줄이고 평온한 표면을 보장하기 위해 파이프 형태("스틸 파이프(still pipe)라고 함)의 도파 구조에 결합된다.

신호 전파 장치는 프로브(도 3 참조), 즉 탱크의 내용물로 연장되는 전송선이 될 수도 있다. 이 경우, 송신 신호와 복귀 신호는 표면(3)에서 발생하는 임피던스 불연속에 의해 반사될 때까지 프로브를 따라 전파된다. 프로브가 있는 RPG는 때때로 가이드 웨이브 레이더(GWR)라고 한다. 예컨대 단일 라인(Goubau-타입), 동축 및 트윈-라인(twin-line) 프로브와 같은 여러 유형의 프로브가 사용될 수 있다. 프로브는 본질적으로 강성이거나 가요성일 수 있으며, 이들은 가령 스테인레스 스틸, PTFE와 같은 플라스틱 또는 이들의 조합과 같은 금속으로 제조될 수 있다.

송신 신호는 일반적으로 GHz 범위(예컨대, 약 6GHz 또는 26GHz)에 있다. 다양한 주파수(주파수 변조 연속파, FMCW)를 갖는 연속 신호이거나 변조된 펄스일 수 있다. 또한, 다른 유형의 송신 신호도 가능하다.

도 2는 FMCW 원리에 따라 동작하는 레이더 레벨 게이지용 트랜시버(6)의 예를 도시한다. 여기서, 트랜시버(6)는 연속 주파수 스윕(continuous frequency sweep)의 형태로 송신 신호를 생성하고 송신하기 위한 마이크로파 소스(31)를 포함한다. 송신 신호는 안테나(10)에 의해 수신되어 트랜시버로 복귀되는 복귀 신호로부터 송신 신호를 분리하도록 구성된 서큘레이터(또는 전력 분배기)(32)를 통해 안테나(10)에 연결된다. 또한, 트랜시버(6)는 중간 주파수(IF) 신호를 생성하기 위해 송신 신호와 복귀 신호를 합성하는 혼합기(33) 및 IF 신호를 샘플링 및 A/D 변환하는 샘플러(A/D 컨버터)(34)를 포함한다. 샘플러(34)로부터의 디지털 출력은 디지털 처리 회로(7)에 연결된다.

후술하는 바와 같이, RLG(1)는 전원 인터페이스(12) 및 통신 회로(18)가 더 제공된다.

도 1에서, 전원 인터페이스는 2선식 제어 루프라고도 하는 2선식 전류 루프(11)와 연결된다. 전원 인터페이스(12)는 루프 전압(여기서는 제1 전압(V1)이라고 함)에서 전류 루프(11)로부터 루프 전류를 끌어낸다. 전형적인 응용으로, 전류 루프에서 이용가능한 제1 전압(V1)은 약 10V, 예를 들어 8V이다.

2선식 전류 루프의 한 예는 4-20mA 루프이며, 이 경우 얻어진 전류는 측정된 값(게이지의 측정 데이터)을 나타낸다. 이 경우, 인터페이스(12)에 의해 루프(11)로부터 얻어진 전류, 따라서 이용 가능한 전력은 변할 것이다. 그러나, 게이지는 루프 전류가 최소(4mA)일 때도 작동할 수 있어야 한다. 때때로, 이러한 아날로그 통신은 루프 전압에 중첩된 디지털 필드 버스 통신과 결합된다. 이러한 통신에 가장 일반적으로 사용되는 프로토콜은 HART이다.

대안으로, 전류 루프(11)는 기정의된(고정된) 전류 레벨을 제공한다. 이 경우, 측정 데이터의 통신은 다른 수단으로 제공된다. 일 예에서, 전력 인터페이스(12)는 또한 필드 버스 인터페이스로서의 역할을 하며, 전류 루프에서 디지털 필드 버스 통신을 제공한다. 파운데이션 필드버스(Foundation Fieldbus)는 이러한 목적으로 사용되는 디지털 프로토콜의 예이다. 또 다른 예에서, 게이지는 무선 통신에 의해 측정 데이터를 전달하도록 구성된다. 무선 HART는 무선 통신 프로토콜의 한 예이다.

도시된 예에서, 전류 루프(11)는 전술한 바와 같이 4-20mA 루프이다. 이를 위해, 통신 모듈(18)은 전원 인터페이스(12)와 연결된다. 전원 인터페이스(12)는 전류 소스(13)에 차례로 연결된다. 전류 소스(13)는 전압 조정장치(14)가 선행된다. 또한, 통신 모듈(18)은 상술한 바와 같이 사용자 인터페이스를 제공하고/하거나 무선 통신을 제공할 수 있음이 주목된다.

전류 소스(13)의 출력은 제1 DC/DC 컨버터(15)와 연결된다. 제1 DC/DC 컨버터(15)는 전류 소스(13)로부터 수신된 제1 전압을 제1 전압보다 낮은 제2 전압(V2)으로 변환하도록 구성된다. 이런 제2 전압은 처리 회로(7) 및 트랜시버 회로(6), 특히 간헐적으로 동작하는 회로(6, 7)의 부분들에 전력을 공급하는데 사용된다.

활성 상태인 동안, 처리 회로(7) 및 트랜시버 회로(6)는 비교적 높은 전력 소비를 가지므로, RLG에 제1 DC/DC 컨버터(15)와 회로(6, 7) 사이에 연결된 에너지 저장 유닛(17)을 제공하는 것이 유리하다. 에너지 저장 유닛(17)의 출력 전압은 트랜시버 회로의 동작 전압이며, 통상적으로 수 볼트이다. 예로서, 2.5V일 수 있다.

ESU(17)에서 에너지 저장을 가능한 효율적으로 하기 위해, DC/DC 컨버터(15)에 의해 제공되는 제2 전압은 IS 안전 규칙이 허용하는 한 높다. 전형적인 응용에서, 제2 전압(V2)은 제1 전압보다 수 볼트 낮고, 특정 예로서 5.4V일 수 있다.

따라서, 제2 전압(V2)은 일반적으로 민감하지 않고 스윕(sweep) 외부의 전력을 필요로 하는 회로의 부분들에 전력을 공급하기에는 너무 높다. 이러한 회로는 예를 들어 처리 회로(7)의 디지털 부분 및 임의의 통신 회로(18)를 포함한다. 이러한 전압을 제공하기 위해, (저잡음 로우 드롭 아웃(LDO) 조절기와 같은 전압 조정 장치와 직렬인) 제2 DC/DC 컨버터(16)는 전류 소스(13)로부터 수신된 제1 전압을 제2 전압보다 낮은 제3 전압으로 변환하도록 제공된다. DC/DC 컨버터(16)는 처리 회로(6) 및 통신 회로(18)에 각각 전력을 공급하도록 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이런 제2 DC/DC 컨버터는 또한 트랜시버 회로(6)의 덜 민감한 부분들에 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 제2 DC/DC 컨버터(16)에 의해 제공되는 제3 전압(V3)은 전형적으로 ESU(17)에 의해 제공된 동작 전압과 동일할 것이다. 전술한 바와 같이, 이는 통상적으로 수 볼트이며, 예로서 2.5V일 수 있다.

사용시, 통신 모듈(18)은 처리 회로(7)에 의해 결정된 측정 값을 나타내는 원하는 루프 전류를 결정한다. 인터페이스(12)는 이후 이런 루프 전류를 보장하기 위해 전류 소스(13)를 통한 전류를 제어한다.

전류 소스(13)에 의해 제어 루프(11)로부터 얻어진 전류는 통신 회로(18)뿐 아니라 처리 회로(7) 및 트랜시버 회로(6)를 포함하는 RLG(1)의 회로에 의해 소비되도록 이용 가능하다.　소스(13)를 통한 전류가 초과 전력을 제공할 때마다, 그러한 초과는 소스(13)의 출력에서 제한 분기 회로(limiting shunt circuit)(미도시)에 의해 접지로 분기될 수 있다. 컨버터(15 및 16)와 "직렬로" 전류 소스(13)를 배열하면 전류 루프에서 보여지는 부하가 일정하게 유지된다는 이점이 있다. 이는 결국 RLG 회로에 의해 생성된 전류 루프(11) 내의 임의의 잡음을 제한하는 것을 돕는다. 레귤레이터(14)는 RLG의 전류 루프 연결 상의 과도한 고전압의 경우 전류 소스(13)로의 전압 입력을 제한하는 기능을 갖는다.

본 발명에 따르면, DC/DC 컨버터(15)와 ESU(17) 사이에 스위치(20)가 추가로 연결된다. 스위치(20)는 컨버터(15)를 ESU(17)와 분리시킴으로써, DC/DC 컨버터(15)로부터의 임의의 잡음이 트랜시버 회로(6)의 민감한 회로에 도달하는 것을 효과적으로 방지한다.

비-전도성 상태에서, 스위치는 ESU(17)를 DC/DC 컨버터로부터 효과적으로 분리시키기에 충분히 높은 임피던스를 제공할 필요가 있다. 일 예로서, 적합한 스위칭 소자는 통상적으로 1M옴보다 큰 비-전도 상태의 임피던스를 제공하는 전계 효과 트랜지스터(FET)일 수 있다. 이런 전도 상태에서, 스위치는 바람직하게는 매우 낮은 저항을 갖는다. 또한, 스위치는 바람직하기로 스위치의 제어를 위해 매우 작은 전류를 필요로 한다. 또한, FET는 이러한 조건을 충족시킨다.

스위치(20)는 여기에서 처리 회로(7)와 연결되고 처리 회로(7)에 의해 제어된다. 처리 회로(7)는 트랜시버 회로(6)(그의 간헐적 부분들)가 활성일 때마다 ESU(17)로부터 컨버터(15)를 연결해제하고 그 결과 트랜시버 회로(6)(그의 간헐적 부분들)가 비-활성일 때에만 ESU(17)로부터 컨버터(15)를 연결하도록 스위치(20)를 제어하도록 구성된다. 따라서, 처리 회로(7)는 트랜시버 회로의 간헐적 동작과 관련된 적절한 타이밍을 스위치(20)에 제공한다.

스위치가 처리 회로(7)로부터 이용 가능한 것보다 높은 제어 전압을 필요로 할 수 있으며, 따라서 스위치는 적절한 전압 레벨 시프팅 회로를 구비할 수 있다. 스위치는 전형적으로 매우 적은 전류(및 전력)가 스위칭 동작에 필요하도록 선택된다. 따라서, 전압 시프트는 잡음이 없거나 또는 무시할 정도로 수행될 수 있다.

일반적으로, 트랜시버 회로의 민감한 아날로그 부분(예컨대, 상술한 요소(31-34))은 실제 측정 스윕 동안에만, 즉 신호가 송신, 수신, 합성 및 샘플링될 때에만 활성화된다. 이러한 스윕은 10ms 또는 그보다 짧은 것일 수 있다. 측정은 일반적으로 매초 1회 수행되며 트랜시버 회로의 듀티 사이클을 불과 몇 %로 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 레이더 레벨 게이지의 제2 실시예를 도시한다. 탱크 및 그 내용물은 도 1의 탱크와 유사하도록 의도되었으므로, 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않을 것이다. 도 1의 RLG와 유사하게, 도 3의 RLG(100)는 트랜시버 회로(106), 처리 회로(107) 및 전파 장치를 포함한다. 전파 장치는 전술한 바와 같이 여기서 프로브(110)이다. 도 1의 RLG(1)처럼, RLG(100)는 FMCW 원리에 따라 동작하도록 구성될 수 있다. RLG(100)의 동작은 도 1의 RLG의 동작과 유사하며, 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않는다.

도 3에서, 레이더 레벨 게이지(100)는 배터리(111)와 같은 내부 또는 로컬 전원에 의해 전력이 공급된다. 전원 인터페이스는 이 경우 단순히 배터리(111)의 출력(112)이며, 여기서는 제1 전압(V1)이라고 하는 공급 전압을 제공한다. 선형 전압 조정장치(115)는 배터리(111)에 연결되고, 여기서는 제1 전압(V1)보다 낮은 제2 전압(V2)으로 언급되는 조정된 전압을 제공한다. 전압 조정장치는 임시 에너지 저장소(117)를 통해 트랜시버 회로 및 처리 회로에 전력을 공급하도록 연결된다.

레이더 레벨 게이지(100)는 가령 WirelessHART와 같은 프로토콜을 사용하는 무선 통신을 통해 게이지에 의해 감지된 레벨 값을 통신하기 위한 통신 회로(118)를 더 갖는다. 통신 회로는 선형 전압 조정장치에 의해 전원이 공급된다.

선형 전압 조정장치(115)는 도 1의 DC/DC 컨버터와 유사한 방식으로 연결되지만, 선형 전압 조정장치(115)는 DC/DC 컨버터(15)만큼의 잡음을 발생시키지 않는다는 것을 유의해야 한다. 그러나, RLG(100)가 도 1의 RLG와 같이 잡음이 있는 DC/DC 컨버터를 가지지는 않지만, 통신 회로(18)는 트랜시버 회로(106) 내 민감한 아날로그 회로의 간섭을 야기할 수 있는 잡음을 발생시킬 수 있다. 따라서, 트랜시버 회로(106)가 활성일 때(즉, 일반적으로 측정 스윕 중에) ESU(117)를 선형 전압 조정장치로부터 분리하기 위해 스위치(120)가 제공된다. 스위치(120)의 특성 및 기능은 도 1에서와 유사하며, 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않는다.

도 4는 도 1 및 도 3의 에너지 저장 유닛(ESU)(17, 117)의 일실시예를 도시한다. 여기서, 하나 이상의 커패시터(41)를 에너지 저장 요소(들)로서 사용하여 비교적 단순한 에너지 저장 유닛이 사용될 수 있다고 가정한다. 이는 에너지 저장 요소(들)의 전체 용량이 표준 IEC 61079-11의 요구 사항을 준수하도록 저항(42)에 의한 클램핑 및 저항 간격을 통해 국부적으로 보호된다. 도 4의 에너지 저장은 전압 조정장치(43)를 포함하는 간단한 "스텝-다운" 버전이다. 조정장치는 필요한 효율에 따라 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 전술한 DC/DC 컨버터(15)와는 달리, 조정장치(43) 내의 임의의 컨버터는 저잡음 컨버터여야 하는데, 이는 이 구성요소가 항상 트랜시버(6, 106)의 민감한 회로에 연결되기 때문이다. ESU의 피딩 배열에 따라, 충전 제한기(44)가 필요할 수도 있고 없을 수도 있다. 전형적으로, 전류 발생기가 도 1의 경우에서와 같이 ESU의 입력과 직렬로 배열되면, 별도의 전하 제한기(44)가 필요하지 않다.

당업자는 본 발명이 결코 상술한 바람직한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 인식한다. 반대로, 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, FET 대신 다른 유형의 스위치가 사용될 수 있다. 또한, ESU는 상이한 설계를 가질 수 있고, 도 4에 도시된 것 이외의 다른 요소들을 포함할 수 있다. 또한, 트랜시버 회로가 활성일 때 에너지 저장 장치를 연결해제하는 본 발명의 개념은 내부적으로 생성된 간섭이 DC/DC 컨버터 또는 통신 회로 이외의 다른 소스를 갖는 경우에도 유리할 것이라는 점에 유의해야 한다.

Claims

탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 레이더 레벨 게이지(1; 100)로서, 상기 레이더 레벨 게이지는:
전자기 송신 신호를 생성하고 송신하며 전자기 복귀 신호를 수신하기 위한 트랜시버 회로(6; 106);
트랜시버 회로와 연결되며, 상기 전자기 송신 신호가 상기 제품의 표면을 향해 전파하게 하고 표면에서 전자기 송신 신호의 반사에 의해 발생한 전자기 복귀 신호를 복귀하게 하도록 배열되는 전파 장치(10; 110);
상기 송신 신호와 상기 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 상기 프로세스 변수의 값을 결정하기 위한 처리 회로(7; 107);
제1 전압에서 전원으로부터 상기 레이더 레벨 게이지로 동작 전력을 제공하는 전원 인터페이스(12; 112);
전원과 연결되며, 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 상기 제1 전압을 변환하도록 구성되는 전압 조정장치(15; 115);
트랜시버 회로가 활성일 때 트랜시버 회로로 전력을 제공하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때 전력을 저장하도록 구성되는 에너지 저장장치(17; 117); 및
전압 조정장치와 에너지 저장장치 사이에 연결되며, 트랜시버 회로가 활성일 때 전압 조정장치와 에너지 저장장치의 연결을 차단하는 비-전도성 상태 및 트랜시버 회로가 비활성일 때만 전압 조정장치와 에너지 저장장치를 연결하는 전도성 상태를 가지는 스위치(20; 120)를 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항에 있어서,
전압 조정장치는 DC/DC 컨버터(15)이고, 에너지 저장장치는 제2 전압으로 충전되도록 연결되는 레이더 레벨 게이지.
제 2 항에 있어서,
DC/DC 컨버터(15)는 적어도 85%의 전력 효율을 가지는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
비-전도성 상태의 상기 스위치(20; 120)는 1MΩ보다 큰 유한 임피던스를 가지는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위치(20; 120)는 처리 회로(6; 106)와 연결되고 처리 회로(6; 106)에 의해 제어되는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위치는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원은 상기 레이더 레벨 게이지의 내부에 있는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원은 상기 레이더 레벨 게이지의 외부에 있는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원은 2선식 전류 루프(two wire current loop)(11)인 레이더 레벨 게이지.
제 9 항에 있어서,
전원 인터페이스(12)는 기정의된 버스 전류와 동일한 공급 전류를 얻도록 배열되는 레이더 레벨 게이지.
제 9 항에 있어서,
전원 인터페이스(12)는 검출된 값을 대표하는 공급 전류를 얻도록 배열되는 레이더 레벨 게이지.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 인터페이스(12)는 필드 버스 인터페이스(field bus interface)로 더 구성되고, 2선식 전류 루프(11)를 통해 디지털로 통신하도록 배열되는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이더 레벨 게이지 외부로 측정 데이터를 통신하기 위한 통신 회로(18; 118)를 더 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 13 항에 있어서,
상기 전원 인터페이스(12)는 필드 버스 인터페이스로 더 구성되고, 2선식 전류 루프(11)를 통해 디지털로 통신하도록 배열되며, 통신 회로(18)는 상기 필드 버스 인터페이스를 통해 통신하도록 구성되는 레이더 레벨 게이지.
제 13 항에 있어서,
통신 회로(18; 118)는 무선으로 통신하도록 구성되는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜시버 회로는 주파수 변조 연속파(FMCW) 스윕 신호를 생성하기 위한 회로를 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 16 항에 있어서,
상기 트랜시버 회로는 중간 주파수(IF) 신호를 제공하기 위해 송신 신호와 복귀 신호를 합성하기 위한 회로를 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 17 항에 있어서,
상기 트랜시버 회로는 중간 주파수(IF) 신호를 샘플링하기 위한 회로를 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
트랜시버 회로(6; 106)는 10% 미만의 듀티 사이클(duty cycle)을 가지는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
트랜시버 회로(6; 106)는 아날로그 신호의 송신, 수신 및 샘플링 동안에만 활성 상태에 있는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
트랜시버 회로(6; 106)는 20ms 미만의 측정 사이클 동안 활성 상태에 있는 레이더 레벨 게이지.
탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 방법으로서,
상기 방법은:
트랜시버 회로(6; 106)를 사용하여 전자기 송신 신호를 송신하는 단계;
상기 전자기 송신 신호를 상기 제품의 표면을 향해 전파시키는 단계;
상기 트랜시버 회로를 사용하여 표면에서 전자기 송신 신호의 반사로 발생한 전자기 복귀 신호를 수신하는 단계;
상기 송신 신호와 상기 복귀 신호 사이의 관계에 기초하여 상기 프로세스 변수의 값을 결정하는 단계;
제1 전압에서 동작 전력을 제공하는 단계;
전압 조정장치(15; 115)를 사용하여 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 상기 제1 전압을 변환하는 단계;
트랜시버 회로가 활성일 때 에너지 저장장치(17; 117)로부터 트랜시버 회로로 전력을 공급하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때 에너지 저장장치(17; 117)에 전력을 저장하는 단계; 및
트랜시버 회로가 활성일 때 전압 조정장치와 에너지 저장장치의 연결을 차단하고, 트랜시버 회로가 비활성일 때만 전압 조정장치와 에너지 저장장치를 연결하는 단계를 포함하는 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서,
전압 조정장치는 DC/DC 컨버터(15)이고, 에너지 저장장치는 제2 전압으로 충전되도록 연결되는 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 제2 전압으로 전력을 공급받는 통신 회로를 사용하여 레이더 레벨 게이지 회로 외부로 통신하는 단계를 더 포함하는 탱크 내 제품의 프로세스 변수를 측정하기 위한 방법.