雷达物位计系统和用于控制雷达物位计系统的方法与流程

1.本发明涉及用于改进雷达物位计的电磁抗扰度的系统和方法。


背景技术：

2.现场设备通常用于工业中，用以测量各种过程变量(例如，压力、温度、流量或产品物位)。特别地，雷达物位计系统可以用于测量诸如过程流体、粒状化合物或另一材料的产品的物位。
3.在雷达物位计系统中，电磁发射信号可以从布置在罐的顶部处的收发器朝向罐中产品的表面传播，并且从发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号返回至收发器。基于发射信号和反射信号，可以确定到产品的表面的距离，由此可以推断出罐中产品的物位。
4.在使用现场设备的许多设施(例如，过程工业设施)中，在现场设备与远程位置(例如，主机)之间存在现有布线。现有布线通常形成用于从主机到现场设备的命令的通信和从现场设备到主机的指示过程变量的测量信号的双线电流回路。双线电流回路上的通信可以通过控制流过回路的电流来进行。在4ma至20ma回路中，例如，测量信号可以是回路电流本身。作为对这种模拟电流电平的替代或补充，例如，可以使用hart协议(可寻址远程传感器高速通道)通过调制回路电流来传达数字信息。
5.除了能够通过双线电流回路接收和发送信号之外，现场设备可能需要能够使用从双线电流回路汲取的电力进行操作。换言之，现场设备可以是回路供电的现场设备。
6.例如，雷达物位计系统用于石油工业和其他应用中，其中测量电路必须符合ex(防爆)要求，这使得很难满足规定的emc(电磁兼容性)水平。
7.要解决的主要问题通常是传导抗扰度，因为辐射抗扰度可以通过要求罐或容器由电磁屏蔽材料(例如，金属)制成来进行处理。
8.例如，传导干扰可以通过在有线连接处添加滤波或通过引入测量电路的最敏感部分的电流隔离来处理，然后可以可选地将其接地至容器接地。前一种方法的效率通常由于ex要求而受到限制，因为能量存储部件(即电容/电感)的允许水平受到严格限制。这在适用于发射器电源端子处的相对高的电压电平下尤其如此，即可能实现的滤波的量可能根本不够。后一种方法显著地增加了系统的成本和/或复杂性。


技术实现要素：

9.鉴于现有技术的以上提及的缺点和其他缺点，本发明的一个目的是提供一种解决与传导干扰相关的问题的雷达物位计系统。
10.根据本发明的第一方面，提供了一种雷达物位计系统，包括：通信模块，该通信模块被配置成连接至外部通信设备；测量模块，该测量模块被配置成生成、发送和接收测量信号；控制连接，该控制连接被配置成将通信模块连接至测量模块，控制连接被配置成至少在由测量模块进行测量期间处于高阻抗模式；电源，该电源被配置成将电力提供至测量模块；能量存储器，该能量存储器耦接至电源；测量连接，该测量连接将通信模块连接至能量存储
器。能量存储器被布置成通过测量连接充电，并且被配置成将电力提供至电源以由测量模块执行测量。
11.该系统还包括布置在通信模块与能量存储器之间的开关，该开关可以被控制成在由测量模块进行测量期间将通信模块与能量存储器之间的测量连接断开。
12.本发明基于以下认识：可以通过布置由开关控制的内部能量存储器使得外部测量连接能够在测量期间断开来实现能够处理规定的emc水平的雷达物位计。由于测量连接用于将电力提供至能量存储器，因此测量连接为低阻抗连接以避免功率损耗。通过在测量期间将通信模块与能量存储器之间的测量连接断开，防止了传导干扰在测量期间到达测量模块。
13.此外，与测量连接分开的控制连接至少在由测量模块进行测量期间处于高阻抗模式，这应当被解释为意味着在通信模块与测量模块之间的连接的阻抗足够高以防止传导干扰到达测量模块，至少在一定程度上，测量不受经由控制连接或经由测量连接到达测量模块的任何干扰的负面影响。
14.与包括例如使用变压器等的传统电流隔离的解决方案相比，所描述的雷达物位计能够以低成本和低复杂性提供有利的emc特性。
15.根据本发明的一个实施方式，测量连接是有利地具有阻抗的连接，该测量连接适于将电力从通信模块提供至能量存储器。测量连接是通信模块与测量模块之间的连接，该测量连接也用于将电力提供至能量存储器并且随后将电力提供至测量模块。为了经由测量连接对能量存储器充电，重要的是测量连接的阻抗不能太高，因为当将能量从通信模块传输至能量存储器时，高阻抗将在连接中导致功率损耗。如从通信模块的输入侧看，用于测量连接的合适阻抗可以优选地低于数百欧姆，例如，低于300ω。此外，通过开关使通信模块的输出侧与能量存储器之间的阻抗优选地尽可能低。然而，测量连接的合适的总阻抗也可以基于测量模块的配置。
16.开关还可以以受控电流调节器的形式提供，该开关在接通状态下允许高达预定阈值电流的电流经过并且在关断状态下表现出足够高的阻抗以减少干扰。
17.根据本发明的一个实施方式，控制连接可以有利地被配置成可以在低阻抗模式与高阻抗模式之间控制。从而，例如，控制连接可以被控制成在没有进行测量的空闲时段期间以低阻抗模式进行操作并且可以被配置成在由测量模块进行测量期间以高阻抗模式进行操作。例如，控制连接的阻抗可以通过控制通信模块的输入阻抗、测量模块输入阻抗的或控制两者的输入阻抗来控制。为了控制阻抗，通信模块、测量模块或两者都可以设置有三态缓冲器或通用i/o(gpio)，其中输入/输出的阻抗是可控制的。
18.根据本发明的一个实施方式，控制连接的高阻抗模式优选地适于具有足够高的阻抗以防止传导干扰经由控制连接传播至测量模块。特别地，控制连接的高阻抗模式优选地被适配为使得经由控制连接传导并到达测量模块的任何干扰被抑制到足够低，从而不会对测量产生负面影响。对于给定应用，传导干扰优选地低于雷达物位计的有用回波信号。此外，传导干扰优选地低于测量电路系统的固有噪声水平。
19.根据本发明的一个实施方式，处于高阻抗模式的控制连接的阻抗优选地是处于低阻抗模式的控制连接的阻抗的至少10倍。从而，可以在高阻抗模式下抑制传导干扰。
20.根据本发明的一个实施方式，通信模块有利地被配置成控制控制连接以在高阻抗
模式或在低阻抗模式下进行操作。从而，控制连接的阻抗可以与由测量模块进行的测量相协调。此外，将控制连接设置在任一模式下的命令可以由通信模块从外部设备接收。能够使控制连接在高阻抗模式与低阻抗模式之间进行切换的一个优点是低阻抗模式允许例如时钟信号的更高的带宽，而高阻抗模式提供所需要的免受传导干扰的保护。
21.根据本发明的一个实施方式，控制连接是光学连接。使用光学连接的优点是它不受电干扰的影响，从而防止传导干扰到达测量模块。
22.根据本发明的一个实施方式，开关还可以被配置成由测量模块控制以在由测量模块进行测量期间将通信模块与电源断开连接。通过将开关布置成由测量模块控制，开关可以被控制成仅在执行测量时才开路。此外，开关可以被控制成一旦测量完成就立即再次闭合，从而使开关闭合的时间最大化并且因此使对能量存储器充电的时间最大化。
23.根据本发明的一个实施方式，开关可以是半导体开关。该开关也可以是机电继电器。存在与两种类型的开关都相关的优点，并且使用的开关的类型可以基于各种系统参数和要求。
24.根据本发明的一个实施方式，该系统还可以包括第二开关，该第二开关被布置成将通信模块与测量模块之间的控制连接断开。然后，第二开关可以被控制成在测量期间开路，从而防止传导干扰到达测量模块。第一开关和第二开关的切换功能可以由单个集成开关单元提供。
25.根据本发明的一个实施方式，其中测量模块被配置成在能量存储器的充电期间被设置在低功率模式下。通过使测量模块的功耗最小化，可以使对能量存储器充电的时间最小化。
26.根据本发明的一个实施方式，例如，通信模块可以有利地被配置成使用hart通信协议连接至4ma至20ma电流回路接口。
27.根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制雷达物位计系统的方法，所述雷达物位计系统包括：通信模块，该通信模块被配置成连接至外部通信设备；测量模块，该测量模块被配置成生成、发送和接收测量信号；控制连接，该控制连接被配置成将通信模块连接至测量模块，控制连接被配置成至少在由测量模块进行测量期间处于高阻抗模式；电源，该电源被配置成将电力提供至测量模块；能量存储器，该能量存储器耦接至电源；测量连接，该测量连接将通信模块连接至能量存储器，其中，能量存储器被布置且被配置成通过测量连接充电以及将电力提供至电源以由测量模块执行测量；以及开关，该开关被布置在通信模块与能量存储器之间。该方法包括：在测量模块中接收执行测量的命令；将开关控制成处于开路模式以将通信模块与能量存储器之间的测量连接断开；由测量模块执行测量；以及将开关控制成处于闭合模式以重新连接通信模块与能量存储器之间的测量连接。
28.借助于所描述的方法，所描述的雷达物位计系统可以被控制成在显著降低对测量的干扰的风险的情况下执行测量。
29.本发明的第二方面的附加效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面所描述的那些效果和特征。
30.在研究所附权利要求和以下描述时，本发明另外的特征以及优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将本发明的不同特征进行组合以创建除了在下面描述的那些实施方式之外的实施方式。
附图说明
31.现在将参照附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，附图示出了本发明的示例实施方式，在附图中：
32.图1示意性地示出了安装在示例罐中的雷达物位计形式的现场设备；
33.图2是以雷达物位计系统的形式示意性地示出根据本发明的现场设备的示例性实施方式的框图；
34.图3是示意性地示出雷达物位计系统的示例性实施方式的框图；以及
35.图4是概述根据本发明的实施方式的用于控制雷达物位计系统的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
36.在本详细描述中，参照通过双线电流回路连接所连接的导波雷达物位计系统来讨论根据本发明的现场设备的示例性实施方式。应当注意的是，这并不意在限制本发明的范围，本发明同样适用于其他现场设备，例如，非接触式雷达物位计系统、温度传感器、压力传感器等。此外，双线电流回路可以被配置成根据各种通信标准(，例如，4ma
‑
20ma、hart、基金会现场总线(foundation fieldbus)、过程现场总线(profibus)等)工作。
37.图1示意性地示出了安装在示例罐2中的雷达物位计1形式的现场设备。雷达物位计1经由双线电流回路4连接至远程主机/主设备3，该双线电流回路4也被用于将电力提供至雷达物位计1。罐2包含产品6，并且雷达物位计1在进行操作时基于朝向产品6的表面7传播的电磁发射信号和由于发射信号在表面7处的反射产生的电磁反射信号来确定罐2中的产品6的填充物位l。
38.在已经确定了作为过程变量的示例的填充物位l之后，雷达物位计经由双线电流回路4将指示填充物位l的测量信号s
l
提供至远程主机/主设备3。下面将参照图2和图3更详细地描述雷达物位计和由雷达物位计执行测量的过程。
39.图2是示意性示出根据本发明的实施方式的雷达物位计系统200的框图。雷达物位计系统200包括通信模块202，该通信模块202被配置成连接至外部通信设备(例如，图1中所示出的远程主机/主设备3)。该连接可以经由现场总线接口203形成，用于将雷达物位计系统200连接至双线4ma至20ma连接。
40.雷达物位计系统200还包括：测量模块204，该测量模块204被配置成生成、发送和接收测量信号；控制连接206，该控制连接206被配置成将通信模块202连接至测量模块204，其中，控制连接被配置成至少在由测量模块204进行测量期间处于高阻抗模式；电源208，该电源208被配置成将电力提供至测量模块204；能量存储器210，该能量存储器210耦接至电源208；以及测量连接212，该测量连接212将通信模块202连接至能量存储器210，其中，能量存储器210被布置成通过测量连接212充电以及被配置成将电力提供至电源208以由测量模块204执行测量。
41.此外，雷达物位计系统200包括布置在通信模块214与能量存储器210之间的开关214，该开关214可以被控制成在由测量模块204进行测量期间将通信模块202与能量存储器210之间的测量连接212断开。
42.此处，控制连接206和测量连接212指的是促进控制模块202与测量模块204之间的
通信耦合的物理有线连接。
43.此处，尽管将能量存储器210示出为布置在开关214与电源208之间的电容器，但是能量存储器210也可以布置在不同位置处，只要通信模块202与能量存储器210之间的电耦合可以被开关214断开。如图2所示，开关是将用于将能量提供至能量存储器210所需要的两个导体断开的双开关214。
44.此外，例如，能量存储器210可以是电源208的集成部分。能量存储器210也可以以可充电电池的形式提供。
45.此外，能量存储器210和/或电源208两者可以连同所需要的测量电路系统一起集成在测量模块204中。出于说明的目的，能量存储器210、电源208和测量模块204被示出为单独的部件。例如，电源208可以是被布置在与测量电路系统的电路板相同的电路板上的线性调节器或dc/dc转换器。
46.测量连接112被适配成使得连接中的功率损耗低，从而促进对功率存储器210的有效充电。然而，对于一些应用并且特别是在爆炸敏感环境中，可能期望适配通信模块202的电阻，以便将合适的电流和电压电平提供至测量连接112。通信模块202与能量存储器210之间的测量连接112的电阻应当尽可能低，并且可以优选地低于100ω。
47.控制连接206可以被配置成可以可控地在低阻抗模式与高阻抗模式之间。在高阻抗模式下，控制连接206优选地具有高于10kω的阻抗，而在低阻抗模式下，控制连接206优选地具有低于100ω的阻抗。优选地，在低阻抗模式与高阻抗模式之间存在至少十倍的阻抗差。
48.图3是示意性地示出雷达物位计系统200的框图，该雷达物位计系统200还包括被布置成将通信模块202与测量模块204之间的控制连接206断开的第二开关302。通过控制开关302，控制连接可以被设置处于低阻抗模式(开关闭合)或处于高阻抗模式(开关开路)。虽然图3的开关302被示出为物理开关，例如，也可以通过三态缓冲器或通用i/o(gpio)接口在通信模块202和/或测量模块204中提供在高阻抗模式与低阻抗模式之间切换的功能。
49.图4是概述根据本发明的实施方式的用于控制图2和图3的雷达物位计系统的方法的步骤的流程图。该方法包括：在测量模块202中接收执行测量的命令400；将开关214控制成处于开路模式以将通信模块202与电源210之间的测量连接212断开402；由测量模块204执行测量404；以及将开关214控制成处于闭合模式以将通信模块202与能量存储器210之间的测量连接212重新连接406。
50.例如，用以执行测量的命令可以基于用于间歇性测量的设置频率或者基于来自远程主机3的请求由通信模块202发送至测量模块204。测量模块204接收执行测量的命令，还可以包括其中基于预定频率间歇地执行测量或者其中一旦能量存储器充满就执行测量的实施方式。在这样的实施方式中，命令从而可以被视为用于发起测量的触发器。
51.示例性测量顺序可以包括：通信模块202发出接通测量模块204的电力的命令，当不执行测量时，优选地暂停测量模块204或使测量模块204处于低功率模式，以便减少雷达物位计系统200的总能量消耗。一旦测量完成，测量模块204可以向通信模块202返回报告。开关214从而可以由测量模块或由通信模块控制，使得当完成测量以及当需要对能量存储器充电时闭合开关。
52.然而，可以修改该方法的步骤的顺序。例如，可以在测量模块接收用于执行测量的
命令400之前执行将开关控制成处于开路模式的步骤402。
53.在图3所示的实施方式中，包括制动通信模块202与测量模块204之间的控制连接206的第二开关302，第二开关302可以由测量模块204控制。也可以基于用于执行测量的估计或已知时间来控制开关302，使得当经过预定时间时通信模块202可以控制第二开关302闭合。
54.根据示例实施方式，测量模块204可以监测能量存储器210的状态并且基于能量存储器210的荷电的状态控制开关214。从而，当确定能量存储器210需要再充电时，开关可以闭合。例如，如果能量存储器210的荷电的状态低于预定阈值，则开关214可以被控制成闭合。开关214也可以基于对能量存储器完全地充电所需要的估计时间来控制。在一个实施方式中，基于由通信模块202接收到的输入信号的已知特性，可以将开关控制成保持闭合一段时间，已知所述时间足以完全地或充分地为能量存储器充电。还可以基于从通信模块202提供至能量存储器的已知电流和电压，或者基于一个已知量和用于确定能量存储器210的特性的查找表或预定等式来确定用于对能量存储器充电的时间。
55.尽管已经参考本发明的具体例示实施方式描述了本发明，但是许多不同的改变、修改等对于本领域技术人员来说将变得明显。此外，应当注意的是，可以以各种方式省略、互换或布置系统和方法的部分，而该系统和方法仍能够执行本发明的功能。
56.另外，根据对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的各种变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一种(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。