專利名稱：雙線料面發(fā)送器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及工業(yè)過程中的料面測量。更具體地說，本發(fā)明涉及使用微波料面測量儀對工業(yè)應(yīng)用中所用的一類貯藏容器中的產(chǎn)品料面高度進(jìn)行的測量。
用于測量貯藏容器中產(chǎn)品料面(無論是液體還是固體)的測量儀器從帶尺和浮標(biāo)之類的接觸測量技術(shù)發(fā)展到非接觸技術(shù)。一種使用微波為基礎(chǔ)的技術(shù)具有很大希望。其基本前提包括向產(chǎn)品表面發(fā)射微波并接收自表面發(fā)射的微波能量。對反射的微波進(jìn)行分析以確定它們所傳播的距離。知道了傳播的距離和貯藏容器的高度就能確定產(chǎn)品的料面。由于已知微波是按光速傳播的，只要知道了傳播的時(shí)間就能確定微波傳播的距離。通過測量返回波的相位和已知所發(fā)射微波的頻率就能確定傳播時(shí)間。此外，還能使用已知的數(shù)字取樣技術(shù)測量傳播時(shí)間。
工藝控制工業(yè)中有一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)就是使用4-20毫安的工藝控制環(huán)路。在此標(biāo)準(zhǔn)中，4毫安的信號代表零讀數(shù)，而20毫安的信號則代表滿刻度讀數(shù)。此外，只要現(xiàn)場的發(fā)送器僅需有足夠低的功率，就有可能使用雙線環(huán)路的電流向發(fā)送器供電。然而，工藝控制工業(yè)中的微波料面發(fā)送器往往要求有單獨(dú)的電源。料面發(fā)送器較大，它們工作需有比用4-20毫安工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所能提供的更大功率。因此，一般現(xiàn)有技術(shù)的微波料面發(fā)送器就需向現(xiàn)場增補(bǔ)線路以向部件供電。這種增補(bǔ)的線路不僅多化費(fèi)，而且還是潛在失效源。
發(fā)明概要一種測量諸如在工業(yè)過程中所用容器內(nèi)的產(chǎn)品高度的料面發(fā)送器。該料面發(fā)送器與一雙線工藝控制環(huán)路耦連，雙線工藝控制環(huán)路既用于發(fā)送由料面發(fā)送器提供的料面信息又向料面發(fā)送器提供電源。料面發(fā)送器包含一個(gè)對準(zhǔn)容器的微波天線。一個(gè)經(jīng)過天線向容器發(fā)送微波信號的低功率微波源。一個(gè)接收反射微波信號的低功率微波接收器。測量電路與低功率微波源以及低功率微波接收器耦連啟動(dòng)微波信號的發(fā)送并根據(jù)由接收器所接收的反射信號確定產(chǎn)品的高度。輸出電路與雙線工藝控制環(huán)路耦連在環(huán)路上傳送與產(chǎn)品高度有關(guān)的信息。供電電路與雙線工藝控制環(huán)路耦連從環(huán)路接收電力向料面發(fā)送器供電。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，測量電路包含一個(gè)與信號源耦連的第一時(shí)鐘，用于以第一時(shí)鐘速率周期地啟動(dòng)微波信號。與接收器耦連的第二時(shí)鐘周期地以第二時(shí)鐘速率開啟所接收的信號。
附圖的簡要說明

圖1為本發(fā)明微波料面發(fā)送器的簡圖。
圖2為表示圖1料面發(fā)送器電氣線路的方框圖。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1為表示可與貯藏容器12運(yùn)行耦連的微波料面發(fā)送器10的圖解。貯藏容器12是屬工藝應(yīng)用中一般所用的類型并容納流體(產(chǎn)品)14。這里所用的產(chǎn)品，可以是一種液體、一種固體或是它們兩者的一種組合。料面發(fā)送器10包括殼體16和喇叭天線18。發(fā)送器10與雙線環(huán)路20耦連。雙線環(huán)路20是一4-20毫安的工藝控制環(huán)路。按照本發(fā)明，發(fā)送器10在環(huán)路20上傳送與產(chǎn)品高度有關(guān)的信息。此外，發(fā)送器10完全由從環(huán)路20上接收到的電力供電。在某些裝備中，發(fā)送器10符合其內(nèi)在的安全要求并能在潛在易爆炸的環(huán)境中工作而不致引起著火的危險(xiǎn)。例如，殼體16被緊密封閉以抑制任何引燃，并將殼體內(nèi)的電路設(shè)計(jì)成壓縮能量貯存，從而減少引燃的可能。
圖2為料面發(fā)送器10經(jīng)過線工藝控制環(huán)路20與一工藝控制室30耦連的方框圖。控制室30被模擬成電阻32與電壓源34。發(fā)送器10根據(jù)容器12中產(chǎn)品14的高度控制流過環(huán)路20的電流I。
裝在發(fā)送器10的殼體16中的電路包括穩(wěn)壓器40、微處理器42、存貯器44、與模擬輸出電路48耦合的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器46、系統(tǒng)時(shí)鐘50以及復(fù)位電路52。微處理器42與控制數(shù)字輸入/輸出電路56的通用異步收發(fā)機(jī)(芯片) (UART)54相連并經(jīng)隔直流電容器58與電流環(huán)路20耦接。通用異步收發(fā)機(jī)(芯片)54還可以是微處理器42的一個(gè)部件。微處理器42還與顯示模件60耦接以提供一顯示輸出并且與收發(fā)報(bào)電路70耦接。
發(fā)送器殼體16包含微波收發(fā)報(bào)電路70，它包括有時(shí)鐘-1 72和時(shí)鐘-2 74。時(shí)鐘-1 72的輸出耦接至階梯發(fā)生器76，它向微波循環(huán)器78提供一輸入信號。微波循環(huán)器78耦接至天線18并向沖擊接收器80提供一輸入。沖擊接收器80還從時(shí)鐘-2 74接收一輸入并向模-數(shù)轉(zhuǎn)換器82提供一輸出。
在運(yùn)行中，發(fā)送器10經(jīng)環(huán)路20與控制室30處于連通狀態(tài)并從環(huán)路20接收供電。穩(wěn)壓器40向發(fā)送器10中的電子電路提供穩(wěn)定的電壓輸出。發(fā)送器10按照存貯器44中所存的指令在微處理器42的控制下以系統(tǒng)時(shí)鐘50所確定的時(shí)鐘速率運(yùn)行。一個(gè)復(fù)位和監(jiān)視電路52監(jiān)視著向微處理器和存貯器的供電。當(dāng)接通電源時(shí)，一旦供電電壓達(dá)到足以能使微處理器42工作的電平時(shí)，電路52就向微處理器42提供一復(fù)位信號。此外，微處理器42周期地向監(jiān)視電路52提供一“反沖”信號。只要電路52未接收到這種反沖脈沖，電路52就向微處理器42提供一復(fù)位輸入用以重新啟動(dòng)微處理器42。
微處理器42經(jīng)模一數(shù)轉(zhuǎn)換器82從電路70接收數(shù)據(jù)以判定產(chǎn)品的料面高度。時(shí)鐘-1 72以第一時(shí)鐘頻率f1運(yùn)行，而時(shí)鐘-274以第二時(shí)鐘頻率f2運(yùn)行。時(shí)鐘-1 72起“啟動(dòng)發(fā)送”時(shí)鐘的作用，而時(shí)鐘-2 74則作為“開啟接收器”時(shí)鐘運(yùn)行，并且時(shí)鐘略有頻率上的偏離。也就是，f2＝f1+Δf。這就提供了一種數(shù)字取樣技術(shù)，它在由德國毛爾布的恩德雷斯和豪澤公司的雨果·蘭和沃爾夫?qū)呜惪酥鴮懙念}為“在工藝應(yīng)用中使用微波脈沖測量液體和固體的料面的新式發(fā)送器”的美國儀表學(xué)會(huì)(ISA)論文中進(jìn)行了描述。產(chǎn)品高度由與接收微波脈沖相一致的時(shí)鐘-2 74的周期確定計(jì)算出來。在一項(xiàng)實(shí)施例中，時(shí)鐘-1 72是建立在1兆赫和4兆赫的頻率之間，根據(jù)所要測量的最遠(yuǎn)距離以及電路所要消耗的電流這些裝備所處的條件而定。時(shí)鐘-274與時(shí)鐘-1 72同步，但頻率變動(dòng)在10赫與40赫之間。時(shí)鐘72和74之間的頻率差(Δf，它提供了一時(shí)鐘速率的差)決定著發(fā)送器10的更新速率。有可能以減少更新速率的代價(jià)通過集合幾個(gè)周期內(nèi)接收到的脈沖獲得更高的接收信號電平。
時(shí)鐘-2 74的信號提供一開啟窗口，它以由Δf確定的速率掃過進(jìn)入信號。沖擊接收器80利用來自時(shí)鐘-2 74的f2信號開啟進(jìn)入的微波信號。沖擊接收器80的輸出是一系列脈沖。這些脈沖的幅度將隨接收信號中所含的噪聲和亂真反射而變動(dòng)。當(dāng)從產(chǎn)品表面接收到微波的反射波與來自時(shí)鐘-2 74的開啟脈沖一致時(shí)，輸出一個(gè)較大的脈沖，并經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器82轉(zhuǎn)換成一個(gè)較大的數(shù)值。微處理器42通過確定從接收器80提供最大輸出脈沖的時(shí)鐘-2 74的周期計(jì)算出距離。微處理器42通過已知的經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器82確定的來自沖擊接收器80的由開啟脈沖所產(chǎn)生的最大輸出脈沖確定距離。產(chǎn)品的高度是按照下式確定的料面＝容器高度-脈沖傳播距離式1
其中f1＝時(shí)鐘1的頻率f2＝時(shí)鐘2的頻率Δf＝f2-f1R＝檢測到的返回取樣脈沖接收數(shù)與反射之比(R＝0至f1/Δf)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器82應(yīng)有非?？斓霓D(zhuǎn)換速率，例如當(dāng)發(fā)送速率(時(shí)鐘1)為2兆周時(shí)為0.5微秒，這是由于只要出現(xiàn)反射就必須在每發(fā)送一次脈沖之后觀察取樣，轉(zhuǎn)換器82就必需具有至少等于時(shí)鐘-1 72的頻率的取樣速率。一例這種模-數(shù)轉(zhuǎn)換器就是同在審查中的美國專利申請系列No.08/060,448題為“用于渦流流量計(jì)的∑-Δ轉(zhuǎn)換器中所述的∑-Δ轉(zhuǎn)換器”。由于只要求是否明顯出現(xiàn)脈沖就行，因而對模-數(shù)轉(zhuǎn)換器82的分辨率要求得并不苛刻。
為了進(jìn)一步提高發(fā)送器10的性能，電路70中的接收和發(fā)送電路被相互隔離。這對于不致使接收器將發(fā)送脈沖錯(cuò)誤地當(dāng)作反射脈沖檢測是很重要的。使用微波循環(huán)器78使發(fā)送源的阻抗和接收阻抗能夠受到精確控制。微波循環(huán)器在發(fā)送和接收電路之間設(shè)置了隔離。此外，循環(huán)器78避免了造成接收電路向環(huán)路發(fā)送脈沖。一例循環(huán)器是一個(gè)三轉(zhuǎn)口裝置，它只讓來自發(fā)送電路(階梯發(fā)生器76)的信號到達(dá)天線18以及來自天線18的進(jìn)入信號到達(dá)接收電路80。發(fā)送和接收電路之間的電隔離可用專業(yè)人員已知的其它技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例如，可移去循環(huán)器78并實(shí)現(xiàn)分開發(fā)送和接收天線。此外，還可采用電路隔離技術(shù)，它在發(fā)送與接收電路以及一延遲電路之間設(shè)置隔離，使得直至來自發(fā)送脈沖的任何“回響”已衰落之后為止，接收不到接收脈沖。在另一實(shí)施例中，用一探頭取代微波天線18，它伸展進(jìn)圖1中所示的容器12中。此實(shí)施例還可以包括一循環(huán)器。
根據(jù)由微處理器42經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器82檢測到的一反射脈沖，微處理器42確定容器12中的產(chǎn)品14的高度。這一信息能在UART54的控制下用數(shù)字電路56在雙線環(huán)路20上發(fā)送。換句話說，微處理器42能用數(shù)-模轉(zhuǎn)換器46控制電流強(qiáng)度(譬如，在4和20毫安之間)以控制輸出電路48并用以在雙線環(huán)路20上發(fā)送信息。在一項(xiàng)實(shí)施例中，只要不論產(chǎn)品的料面是在存貯器44中所存閾值料面的以上還是以下，微處理器42就能設(shè)置成在環(huán)路20上提供一高輸出(例如16毫安)。
在一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施例中，微處理器42包含一摩托羅拉68HCl1。這是一種也能提供高速運(yùn)行的低功率微處理器。另一種合適的微處理器是英特爾(Intel)80 C51。它有較好的低功率存貯器件。在一項(xiàng)實(shí)施例中，用24 K字節(jié)的EPROM(電可編程序只讀存貯器)作程序存貯器，用1K字節(jié)的RAM(隨機(jī)存取存貯器)作工作存貯器并設(shè)置一256字節(jié)的EEPROM(可擦除電可編程序只讀存貯器)的非易失性存貯器。用于微處理器的一個(gè)通常的系統(tǒng)時(shí)鐘約在2兆周和4兆周之間。然而，較慢的時(shí)鐘需要較低的功率，但也產(chǎn)生較慢的校正速率。一般情況是，電源40從控制環(huán)路向供電電壓提供有效的轉(zhuǎn)換。例如，若是輸入電源為12伏而料面測量儀的電子儀器則需4毫安，電源就必需將此48毫瓦有效地轉(zhuǎn)換成可利用的供電壓，例如是5伏。
本發(fā)明提供了某些超過現(xiàn)有技術(shù)的顯著改進(jìn)。例如，發(fā)送器10完全由在雙線電流環(huán)路20上接收到的電力供電。這就減少了將發(fā)送器10設(shè)于一遠(yuǎn)距離位置所需的拉線量。微處理器42還能在雙線電流環(huán)路20上接收由控制室30發(fā)送的指令。這要根據(jù)數(shù)字通信的草約而定，例如HART通信草約，或者最好是有直流電壓平均零點(diǎn)的數(shù)字通信草約。
盡管本發(fā)明已參照最佳實(shí)施例作了說明，本專業(yè)技術(shù)人員所能作出在形式和細(xì)節(jié)上的改變并不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于測量容器中的產(chǎn)品高度、與一個(gè)雙線工藝控制環(huán)路耦合的料面發(fā)送器，其特征在于，它包括一個(gè)對準(zhǔn)容器的微波天線；一個(gè)用于經(jīng)微波天線向容器發(fā)送微波信號的低功率微波源；一個(gè)用于接收從容器反射的微波信號的低功率微波接收器；與微波源和接收器耦合用以啟動(dòng)微波信號發(fā)射和根據(jù)所接收的信號確定產(chǎn)品高度的測量電路；與雙線工藝控制環(huán)路耦合用以在環(huán)路上發(fā)送有關(guān)產(chǎn)品高度信息的輸出電路；與雙線工藝控制環(huán)路耦合用以從環(huán)路接收電力向料面發(fā)送器供電的電源電路。
2.按照權(quán)利要求1所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述的測量電路測量在發(fā)送的微波信號和接收的反射微波信號之間的一段時(shí)間延遲。
3.按照權(quán)利要求1所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述的測量電路包含一個(gè)與微波源耦合用以按第一時(shí)鐘速率周期地啟動(dòng)微波信號的第一時(shí)鐘。
4.按照權(quán)利要求3所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述的測量電路還包含一個(gè)與接收器耦合用以按第二時(shí)鐘速率周期地開啟接收信號的第二時(shí)鐘；以及所述的測量電路根據(jù)所接收的接收信號和第一與第二時(shí)鐘速率之間的差確定產(chǎn)品高度。
5.按照權(quán)利要求4所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述的第二時(shí)鐘速率是根據(jù)第一時(shí)鐘速率加一速率差產(chǎn)生的。
6.按照權(quán)利要求4所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述第一時(shí)鐘速率在約1.0兆赫和約4.0兆赫之間，而第一和第二時(shí)鐘速率之間的差則在約10赫和約40赫之間。
7.按照權(quán)利要求1所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述工藝控制環(huán)路是一個(gè)4-20毫安的工藝控制環(huán)路。
8.按照權(quán)利要求1所述的料面發(fā)送器，其特征在于，它包含一個(gè)與微波接收器耦合的第二微波天線。
9.按照權(quán)利要求4所述的料面發(fā)送器，其特征在于，它包括一個(gè)接收所接收的微波信號并按第二時(shí)鐘速率作出響應(yīng)提供一開啟輸出的沖擊接收器。
10.按照權(quán)利要求1所述的料面發(fā)送器，其特征在于，它包括一個(gè)容納料面發(fā)送器電路的內(nèi)在安全殼體。
11.按照權(quán)利要求1所述的料面發(fā)送器，其特征在于，所述的微波天線包含一個(gè)向容器內(nèi)伸進(jìn)經(jīng)其載送微波信號的伸長的微波探頭。
全文摘要
一種在工藝應(yīng)用中用以測量容器(12)內(nèi)產(chǎn)品(14)高度的料面發(fā)送器(10)。它包括一個(gè)對準(zhǔn)容器的微波天線(18)。一低功率微波源(70)經(jīng)微波天線發(fā)送微波信號。一低功率微波接收器(70)接收反射的微波信號。與源和接收器耦合的測量電路(42)啟動(dòng)微波信號的發(fā)送并按所接收的反射信號確定產(chǎn)品高度。與雙線工藝控制環(huán)路(20)耦合的輸出電路(48,56)在環(huán)路上發(fā)送有關(guān)產(chǎn)品高度的信息。與環(huán)路耦合的料面發(fā)送器中的電源電路(40)從環(huán)路接收電力并向料面發(fā)送器供電。
文檔編號G01F23/284GK1187242SQ96194475
公開日1998年7月8日 申請日期1996年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
發(fā)明者約翰·A·基爾布, 理查德·L·納爾遜, 斯科特·D·馬尼科爾 申請人:羅斯蒙德公司