用于料位雷达的电势隔离 |
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| 申请号 | CN200780003392.5 | 申请日 | 2007-01-18 | 公开(公告)号 | CN101400973B | 公开(公告)日 | 2011-05-04 |
| 申请人 | VEGA格里沙贝两合公司; | 发明人 | 卡尔·格里斯鲍姆; 于尔根·莫策; 托马斯·德克; 约瑟夫·费伦巴赫; 温弗里德·劳尔; | ||||
| 摘要 | 在 微波 路径中电势隔离的情况下以及直接在双线回路与输出 电路 之间电势隔离的情况下， 信号 传输 质量 都会受到影响。根据本 发明 的一个 实施例 ，提供了一种在 电子 单元内具有电势隔离的料位雷达，其中电势隔离并不隔离 模拟信号 ，而是隔离 数字信号 或者不含 直流分量 的交流信号。例如，分界线通过数字信号连接或者交流信号连接。由此，可以降低用于电势隔离的开销并且提高传输质量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有电势隔离的料位雷达，用于测量容器中的料位和用于连接至双线回路(9)，该料位雷达包括： |
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| 说明书全文 | 用于料位雷达的电势隔离[0001] 相关申请 [0002] 本申请要求于2006年1月27日提交的美国临时专利申请60/763,020、于2006年4月4日提交的美国临时专利申请60/789,227以及于2006年4月4日提交的德国专利申请10 2006 015 659.5的优先权，其公开内容通过引用结合于此。 技术领域[0003] 本发明涉及料位测量。本发明尤其涉及一种具有电势隔离的、用于测量容器中的料位和用于连接到双线回路的料位雷达，以及涉及一种用于测量料位的方法。 背景技术[0005] 此外，还可以设计电势隔离。出于测量技术的考虑以及出于安全原因，雷达传感器的馈电线的电势应与(通常为金属的)填料容器的电势隔离。这例如能够使在测量时的噪声效应减小，并且使测量信号的干扰敏感性降低。此外，这样的隔离使安全性提高，例如提高在避免火灾方面的安全性，其中火灾可能是由于在料位雷达的电子装置或者电压供给中的短路或者故障而发生的。这样，不希望的火花冲击例如可能会引起填料的点燃或者损坏。 [0006] 这种电势隔离可以设置在微波路径中。然而，在此由于失配而产生信号衰减或者反射的形式的微波发射信号和接收信号的信号干扰。恰好在非常高的微波频率的情况下，实现变得困难，因为不能使用分立部件来隔离，并且由于线路元件的小尺寸而只能以高的开销制造具有可再现的良好特性的线路元件。 [0008] 由于在具有4mA...20mA双线端子的传感器的情况下，双线回路上的电流必须通过输出电路来调节，但同时要保持双线回路与输出电路之间的电势隔离，所以较不适合通过分离部来传输的信号也必须通过不导电的分离部来传输。在此，一方面涉及电流感测信号(Stromfuehlsignal)(调节的实际值)而另一方面涉及调节器的控制信号。这两个信号通常是模拟直流信号，此外在电流感测信号的情况下还需要幅值的精确传输。这借助简单的光耦合器是不可能实现的。所以，在输出电路与双线回路之间的电势隔离的开销是比较高的。 发明内容[0009] 本发明的任务是提供一种改进的、用于双线技术中的微波料位雷达的电势隔离。 [0010] 根据本发明的一个实施例，提供了一种用于测量罐中的料位和用于连接到双线回路上的、具有电势隔离的料位雷达，该料位雷达包括：电子单元，用于生成发射信号，用于接收和分析接收信号，以及用于生成和输出输出信号，该输出信号基于所分析的接收信号并且表征料位；以及在电子单元内的电势隔离，其用于使在电子单元的第一区域中的第一信号与电子单元的第二区域中的第二信号电隔离，其中电子单元具有输入和输出电路，该输入和输出电路被实施为用于调节和输出输出信号，并且被设置在第一区域中，其中发射信号的生成在第二区域中进行。 [0011] 由此，根据本发明的料位雷达具有位于电子装置内的电势隔离。在此，由电势隔离限定的分界线可以通过数字信号连接或者交流-信号连接导向。 [0012] 以这样的方式分离数字信号或者不含直流分量的交流信号。 [0013] 根据本发明的另一实施例，输入和输出电路被实施为用于接收外部输入信号。 [0014] 输入信号例如可以通过双线回路来传输，并且例如用于电子单元的配置或者也用于能量馈送。根据本发明的另一实施例，外部输入信号的接收也可以通过手动输入来进行，或者也可以无接触地通过无线电信号或者其他信号(例如声学信号)来进行。 [0015] 根据本发明的另一实施例，输入和输出电路被实施为用于调节双线回路的输出电流。 [0016] 以这样的方式，测量值可以通过双线回路传输。调节的“实际值”在此从双线回路发送给输入和输出电路并且不必通过电势隔离来传输。 [0017] 根据本发明的另一实施例，输出信号是数字输出信号，其中输入和输出电路被实施为用于数字输出信号的调制和用于数字输入信号的解调。 [0018] 根据本发明的另一实施例，电子单元还包括电压供给，用于向电子单元的输入和输出电路(第一电子部件)馈送第一驱动信号而为电子单元的第二电子部件馈送第二驱动信号，其中电势隔离被实施为用于在电压供给内使第一驱动信号与第二驱动信号分离。 [0019] 由此，电势隔离不仅使输入和输出电路与发射信号生成分离，而且使电压供给的不同区域彼此分离。以这样的方式在电子单元中提供了综合的电势隔离，该电势隔离使电子单元包括其能量供给装置在内的不同的功能区域彼此分离。 [0020] 根据本发明的另一实施例，该电势隔离包括在电压供给内的电感性隔离。 [0021] 在电压供给内其他类型的隔离也是可能的，例如电容性隔离。 [0022] 根据本发明的另一实施例，电子单元还包括用于分析接收信号的分析电路。 [0023] 接收信号在此可以是数字化的接收信号，或者也可以是模拟的接收信号。 [0024] 根据本发明的另一实施例，接收信号的分析包括：识别填料回波，并且将数字化的料位值提供给输入和输出电路。接收信号的分析也可以包括填料距离的测量。 [0025] 根据本发明的另一实施例，电子单元还包括用于生成发射信号的发射器。 [0027] 根据本发明的另一实施例，电子单元此外还包括用于接收测量信号的接收器。根据本发明的另一实施例，该接收器可以实施为微波接收电路。 [0028] 此外，接收器可以包括：接收放大器、混合器、时钟电路、振荡器、滤波器、中频放大器、解调器、对数器(Logarithmierer)和/或模拟/数字转换器。 [0030] DC-DC转换器例如借助电感性隔离在电压供给中实施。 [0031] 根据本发明的另一实施例，电势隔离被实施为用于隔离数字信号。 [0032] 数字信号可以简单地被隔离。为数字信号的电势隔离要花费的开销明显低于为隔离模拟信号所必须花费的相应开销。 [0033] 根据本发明的另一实施例，电势隔离被实施为用于隔离不含直流分量的交流信号。 [0034] 与模拟直流信号的隔离相比，不含直流分量的交流信号的隔离也是简单的。 [0035] 根据本发明的另一实施例，在分析电路内进行电势隔离。 [0036] 分析电路在此包括例如两个微处理器或者微控制器，它们通过光耦合器或者(电感性的)传输器或者借助电容器的电容性耦合在引出线和引回线中彼此分离。分析电路在此被实施为用于信号分析并且获得回波轮廓，由此接着形成要输出的测量值。 [0037] 根据本发明的另一实施例，料位测量值直接从(处于第二区域中的)第二微处理器通过电势隔离(例如通过光耦合器)直接递送给输入和输出电路的电流调节器。通过这种方式，(处于电子单元的第一区域中的)第一微处理器被绕开。由此，即使在第一微处理器故障时，也保证了信号从第二微处理器可靠地传输给输入和输出电路的电流调节器。 [0038] 根据本本发明的另一实施例，实现在一侧设置在第一区域中的分析电路与另一侧设置在第二区域中的接收器之间的电势隔离。 [0039] 由此，不仅存在输入和输出电路，而且在第一区域中(即在电子单元的朝着双线回路的侧上)还存在分析电路。 [0040] 根据本发明的另一实施例，在接收器内进行电势隔离。 [0041] 在此，例如中频(ZF)信号被隔离，其中涉及不含直流分量的交流信号。例如通过电容器来实现隔离。 [0042] 根据本发明的另一实施例，电势隔离包括光耦合器。 [0043] 根据本发明的另一实施例，料位雷达被实施为用于连接到双线回路上以向料位测量设备馈送能量，以及用于在唯一的线路对上输出输出信号。 [0044] 双线回路例如可以是4mA...20mA双线电流回路。 [0045] 根据本发明的另一实施例，提供了一种用于测量料位的方法，其中进行如下的步骤： [0046] 生成发射信号；接收和分析接收信号；生成和输出输出信号，该输出信号基于所分析的表征料位的接收信号；通过在电子单元内的电势隔离使在电子单元的第一区域中的第一信号与在电子单元的第二区域中的第二信号分离；以及通过设置在第一区域中的输入和输出电路调节和输出输出信号，其中发射信号的生成在第二区域中进行。 [0047] 根据本发明的另一实施例，该方法还包括：接收外部输入信号，以及通过输入和输出电路调节双线回路的输出电流。 [0048] 此外，输入和输出电路可以被实施为用于调制数字输出信号和用于解调数字输入信号。 [0049] 由此提供了一种方法，其保证在电子单元内信号的简单隔离。要隔离的信号例如是数字信号或者不含直流分量的交流信号。 [0051] 以下将参照附图来描述本发明的优选实施例。 [0052] 图1A示出了在微波路径中具有电势隔离的料位雷达的示意图。 [0053] 图1B示出了在双线回路与电子单元之间具有电势隔离的料位雷达的示意图。 [0054] 图2示出了根据本发明的多个实施例的料位雷达的示意图。 [0055] 图3示出了根据本发明的一个实施例的料位雷达的示意图。 [0056] 图4A示出了根据本发明的一个实施例的料位雷达的示意图。 [0057] 图4B示出了根据本发明的另一实施例的料位雷达的示意图。 [0058] 图5示出了根据本发明的另一实施例的料位雷达的示意图。 [0059] 图6示出了根据本发明的另一实施例的料位雷达的示意图。 [0060] 图7示出了图3的电势隔离的框图。 [0061] 图8示出了根据本发明的另一实施例的图3的框图。 [0062] 图9示出了根据本发明的另一实施例的图3的电势隔离的框图。 [0063] 图10示出了根据本发明的另一实施例的图3的另一框图。 [0064] 图11示出了根据本发明的另一实施例的图3的电势隔离的框图。 [0065] 图12示出了根据本发明的另一实施例的图3的框图。 [0066] 图13示出了根据本发明的另一实施例的图3的框图。 [0067] 图14示出了根据本发明的一个实施例的图4的电势隔离的框图。 [0068] 图15示出了根据本发明的一个实施例的图5的电势隔离的框图。 [0069] 图16示出了根据本发明的一个实施例的图6的电势隔离的框图。 [0070] 附图中的图示是示意性的而并非是合乎比例的。 具体实施方式[0071] 在以下的附图描述中，对相同的或者类似的元件使用相同的参考标记。 [0072] 图1A示出了在微波路径14中具有电势隔离10的料位雷达的示意图。在此，料位雷达包括电子单元1，该电子单元连接在双线回路9上。电子单元1包含电压供给7，该电压供给具有：DC-DC转换器、一个或多个滤波器、一个或多个电压调节器和一个或多个存储电容器。此外，电子单元1还包括：输入和输出电路8、分析电路6、发射器2、接收器5和用于分离发射和接收路径4的电路，该电路例如包括定向耦合器或者循环器。 [0073] 电压供给7通过线路11与输入和输出电路8、分析电路6、发射器2以及接收器5相连，并且向这些单元馈送能量。 [0074] 发射器2生成发射信号13，该发射信号被转送给用于隔离发射和接收路径4的电路。接着，该发射信号通过微波路径14传输给天线3，该天线向填料发射该信号并且接收相应的接收信号，该接收信号同样通过微波线路14被传输给定向耦合器4。接收信号接着通过微波线路15被转送给接收器5，该接收器随后将信号通过线路16传输给分析电路6。 [0075] 线路16被实施为用于将接收器-输出信号递送给分析电路6。例如，当接收电路5包括相应的模拟/数字转换器时，在此涉及数字信号。 [0076] 分析电路6通过用于递送料位测量值(所分析的接收信号)的线路17连接到输入和输出电路8。同样，输入和输出电路8通过用于内部传输数字通信信号的线路18连接到分析电路6上。 [0077] 线路13、14、15例如可以是微波线路。 [0078] 发射器2例如实施为微波发射电路，并且例如包含：时钟电路、振荡器、调制电路和/或发射放大器。 [0080] 用于隔离发射和接收路径的电路4例如是定向耦合器或者循环器。 [0081] 接收器5例如可以实施为微波-接收电路，该微波-接收电路具有：接收放大器、混合器、时钟电路、振荡器、滤波器、中频放大器、解调器、对数器和/或A/D转换器。 [0082] 分析电路6用于分析数字化的接收信号、识别填料回波、测量填料距离和提供数字料位值。 [0083] 双线回路9用于对传感器馈电以及在单个线路对上输出测量值，并且双线回路例如实施为4mA...20mA的双线电流回路。 [0084] 线路12用于通过分析电路6激活发射电路2。 [0085] 如果电势隔离10设置在设置在混合耦合器4(或者循环器4)与天线3之间的微波线路14中或者微带线路中，则由于匹配不充分而会出现损耗。 [0086] 图1B示出了在双线回路9与输入和输出电路8之间具有电势隔离10的料位雷达的示意图。这种电势隔离在US 6,956,382中公开。 [0087] 设置有隔离电路19，该隔离电路在双线回路9与电压供给7和输出电路8之间提供电势隔离。输出电路8的主要组成部分是调节元件，该调节元件用于根据相应的额定值来调节4mA...20mA的双线电流回路9的输出电流。被调节过的模拟信号接着必须通过电势隔离10传输给双线回路9。同样，调节的实际值必须从双线回路通过电势隔离10传输给输入和输出电路8。 [0088] 在此，涉及模拟信号，该信号通过这种电势隔离的传输是高消耗的。 [0089] 图2示出了根据本发明的实施例的具有电势隔离10a、10b、10c、10d的料位雷达的示意图。输入和输出电路8在此始终设置在电子单元的双线回路侧(即第一区域201内)。而发射器2始终设置在另一侧(第二区域202)。电势隔离10的可能的布置通过虚线10a、 10b、10c和10d表示。 [0090] 电势隔离10a在输入和输出电路8与分析电路6之间通过信号线路17和18和通过电压供给7实现。 [0091] 第二可能(替换)的电势隔离10b通过分析电路6和通过电压供给7实现。 [0092] 电势隔离的另一可能性通过虚线10c来表示。在此，在一侧为分析电路6与另一侧为发射器2、接收器5之间的电势隔离通过信号线路12和16和通过电压供给7来实现。 [0093] 虚线10d示出了电势隔离通过接收器5、电压供给7和信号线路12的第四布置。 [0094] 图3示出了根据本发明的一个实施例的具有电势隔离10a的示意性框图。如在图3中可看到的那样，电势隔离10a通过信号线路17和18并且通过电压供给7。在电压供给 7内设置有具有在电压供给内的电感性隔离的DC-DC转换器，如通过参考标记20表示的那样。 [0095] 在信号线路17、18中，例如通过光耦合器21实现分析电路6与输入和输出电路8之间的电势隔离。替换地，在引出和引回线路中也可以设置有借助电容器的电容性耦合和传输器。 [0096] 输入和输出电路8包括用于在双线电流回路中调节输出电流4mA...20mA的电流调节器81，并且必要时包括调制解调器82，用于与调制器/解调器进行数字通信，其中该调制器/解调器用于调制和解调被数字传输的数据。 [0097] 图4A示出了根据本发明的另一实施例的具有电势隔离10b的料位雷达的框图。电势隔离10b在此通过电压供给7并且通过分析电路6a、6b。分析电路的两个部分6a、6b分别包括专用的微处理器。在两个微处理器之间分别设置有：光耦合器21、通过电容器的电容性隔离或者其他合适类型的电势隔离。 [0098] 分析电路的第一部分6a通过馈电线路11a被供给电压，分析电路的第二部分6b通过馈电线路11b被供给电压。馈电线路11a和11b分别位于电子单元11的不同区域中，这些区域通过电势隔离10b而彼此隔离。 [0099] 图4B示出了根据本发明的另一实施例的具有电势隔离10b的料位雷达的框图。与图4A的不同之处仅在于，料位测量值通过线路17直接从分析电路6b递送至输入和输出电路8内的电流调节器81，而不再通过分析电路6a。 [0100] 该解决方案的背景是根据现有标准(IEC 61 508/61 515，关键词SIL：“Safety Integrity Level(安全完整性水平)”)的安全草案的实施。 [0101] 根据该草案，所有会引起料位测量值的错误输出的故障源要尽可能地予以排除。由于料位测量值在此直接从分析电路6b被传输至用于相关回路电流81的输出电路，所以针对料位测量值排除了所有可能由分析电路6a的工作引起的故障源。这可以提高工作安全性并且减小了在分析电路6a方面的安全要求，并且由此降低制造开销。 [0102] 图5示出了根据本发明的另一实施例的、具有电势隔离10c的料位雷达的框图。电势隔离10c在此设置在分析电路6与接收器5之间并且附加地通过电压供给7。用于通过分析电路6激活发射电路2的线路12和用于将接收器-输出信号递送给分析电路6的线路16分别通过光耦合器21分离。也可以设置传输器或者电容性耦合。 [0103] 图6示出了根据本发明的另一实施例的具有电势隔离10d的料位雷达的框图。电势隔离10d在此通过接收器5a、5b并且通过电压供给7。在信号线路12中，通过光耦合器21提供隔离。在接收器5a、5b内通过电容性电势隔离22进行电势隔离。该电容性隔离传输例如中频(ZF)信号，该信号通过采样和/或频率转换根据微波接收信号生成。ZF信号例如是具有在数kHz到数MHz范围内的频率的、不含直流分量的交流信号，并且可以特别简单地通过耦合电容器在引出和引回线路中传输。 [0104] 其中实施这种电势隔离10d的实施例在图16中示出。 [0105] 图7示出了根据本发明的一个实施例的、根据图3的电势隔离的示意图。电势隔离10a在此具有DC-DC转换器20(该DC-DC转换器在电压供给内具有电感性隔离)和光耦合器21，用于分离在分析电路6与输入和输出电路8之间的信号(参见图3)。 [0106] 输入和输出电路8包括用于在双线回路上实现数字通信的HART调制解调器701和电流调节器702，该电流调节器一方面通过在负的馈电线上的电阻感测实际值703，而另一方面例如通过PWM(脉宽调制)与分析电路6(未示出在图7中)电势隔离地获得额定值704。电流调节并行于传感器输入地实现，即并行流动的电流被调节，使得所有电流之和得到要设置的电流4mA...20mA。 [0107] 为了最佳地利用可供使用的功率，生成信号“可供使用的功率”705，以便能够通过分析电路最佳地设计传感器的间歇工作。该信号705例如是(由比较器生成的)数字信号，以便以简单的方式和方法通过分离部10a传输该信号。同样，HART信号706、707、708是数字信号。 [0108] 此外，还设置有反向转换器709和功率监控器710。反向转换器709在此可以将信号(例如与反向转换器的输入电压成比例的电压信号)传输给功率监控器710。功率监控器710从并行电流调节器702接收附加信号，例如接收与并行流动的电流成比例的信号。接着，由接收到的信号中的一个或者多个生成信号“可供使用的功率”。 [0109] 图8示出了根据本发明的另一实施例的、对应于图3的电势隔离的框图。与图7中所示的实施例的不同之处在于：测量值从分析电路传输至输入和输出电路。代替PWM信号(参见图7)，传输数字信号801、802。该传输例如通过预先定义的数字双线接口SPI或者微丝实现。但是，其他接口也是可能的。 [0110] 此外，还设置有数字/模拟转换器803，该转换器生成用于调节器702的模拟额定值。 [0111] 图9示出根据图3的电势隔离10a的另一实施例。输入和输出电路8包含微控制器901，该微控制器与分析电路6的微控制器(参见图3)进行数字通信。相应的信号902、903可以以简单的方式和方法借助两个光耦合器21或者替换地通过一个或多个电容性耦合来隔离。此外，在传感器上的附加的数字接口也是可能的，例如IIC总线接口，用于通过例如显示操作单元或者膝上型电脑现场操作传感器。 [0112] 图10示出了图3的电势隔离10a的另一实施例。与图9中所示的实施例的不同之处在于电流调节的方式。代替并行于传感器输入的电流调节，在此电流通过纵向位于正线路1001中的晶体管1002来调节。这需要在其下并行设置的电路块1003以限制电压，通过该电路块消耗传感器不需要的功率。信号1004“功率监控”又用于最佳地利用可供使用的功率并且输送给微控制器901。 [0113] 图11示出了图3的电势隔离10a的另一实施例。在此，DC-DC转换器20被改变。反向转换器1101仅生成通过电感性耦合1102被转换成次级电压的电压，其中在此涉及比较简单的分离传输器。之后，多个降压转换器1103、1104生成不同的电压(例如3V和5V)。 [0114] 图12示出了具有不同于图9或者11中所示的电源方案的电势隔离10a的另一实施例。在此设置有降压转换器1201，在该降压转换器上连接有开关调节器1202。开关调节器1202包括分离传输器1203，该分离传输器生成多个次级电压(例如3V、10V、5V)。 [0115] 图13示出了类似图12的实施例，但在此电流调节并不是并行地分布，而是通过晶体管1002和限压器1003(图10)串行分布。 [0116] 图14示出了对应于图4A的电势隔离的另一实施例。在此，设置有两个处理器1401、1402，它们位于电势隔离10b的不同侧，并且属于分析电路6(参见图4A、4B)。这两个处理器1401、1402分担信号分析。处理器1402还附加地承担硬件控制，其中在此例如涉及间歇工作的组织和时钟电路(定时)1409的控制。微波模块1403包含微波发射电路和微波接收电路。ZF放大器和对数器1404和A/D转换器1405同样可以算作接收电路，但是处理中频(ZF)信号或者包络曲线信号。 [0117] 两个处理器1401、1402彼此之间用以传输测量数据和转送设置参数的通信通过分离的光耦合器21或者通过相应的电容性隔离或者电感性传输器(未在图14中示出)来实现。 [0118] 被设置用于信号处理和通信的第二处理器1401连接到电源1406，并且还可以通过线路1407与外部RAM或者外部闪存器1408通信。 [0119] 图15示出了具有根据图5的电势隔离的本发明的另一实施例。电势隔离10c设置在分析电路6与接收器5(参见图5)之间。处理器1402用于硬件控制并且不承担分析电路的任务。该处理器仅仅用于发射和接收电路的硬件控制。接收器的输出信号16在这样的情况下是(通过A/D转换器1501数字化的)数字包络曲线信号，该包络曲线信号可以被良好地通过分离部10传输。 [0120] 图16示出了根据本发明的一个实施例的电势隔离的另一实施例。电势隔离10d在此在接收器5a、5b中实现。在此利用如下情形：ZF信号为不含直流分量的交流信号，该信号可以最佳地通过电容器22隔离。 [0121] 另外，应该指出“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”并不排除复数。此外，应该指出参照上述示例性实施例中之一所说明的特性或步骤还可以与上述的其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应解释为限制。 |
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