雷达物位计的制作方法

本实用新型涉及用于测量罐中产品的过程变量的雷达物位计。特别地，其涉及这种物位计的收发器电路的电源。

背景技术：

在许多雷达物位计应用中，雷达信号的产生和处理通常将消耗比预期的电源可以连续递送的电力更多的电力。虽然其它高精度雷达物位测量技术可能涉及类似的约束，但是这对于FMCW(调频连续波)雷达技术尤其如此。

许多现场设备通过双线电流回路供电，该回路在指定范围内的电流下提供指定范围内的电压。在一些双线电流回路中，回路中的电流用于指示由RLG感测的电平，其中，该范围的下限是为RLG供电的最困难的情况。这种电流回路的一个示例是4mA至20mA回路，其中，电流在4mA至20mA的范围内。

在其它情况下，物位计由诸如电池组这样的本地能源供电。这是例如无线雷达物位计的情况。本地电源将具有峰值电流限制(也可能表达为峰值功率限制)。另外，本地能量存储单元在其需要充电或替换之前仅能够递送有限的总能量。

在这两种情况下，需要通过双线回路或电池供电，并且在另外的情况下还可能需要通过特定功率管理方案和结构来供电，以实现全功能性，而不管电源的限制。一种常用的解决方案是雷达信号的间歇生成，从而只要没有信号生成就使得能量能够被存储在能量存储单元中。

在雷达物位计中，通常使用DC/DC(直流-直流)转换器将来自电源(例如，双线接口或电池)的电压转换为现场设备中的所需(较低的)内部电压。为了将功率消耗保持在最小，通常需要使用高效DC/DC转换器(例如，约90％的效率)。这种转换器的问题是它们相当嘈杂，并且将在收发器电路的敏感模拟电路中引起干扰。如果现场设备是本质上安全的系统，则由于存在对允许多少电容的限制而使得难以实现去除这种噪声的高效电容滤波，因此这个问题更加突出。

一种特定的情况涉及根据FMCW(调频连续波)工作的雷达物位计。在这种物位计中，DC/DC转换器的开关频率也可能干扰雷达物位计中的中频(IF)信号。

低噪声DC/DC转换器在现有技术中是已知的。然而，这种转换器的功率效率较低(例如50％至80％)。因此，在如上所述的电力供应有限的情况下，在不以测量速率、带宽(扫描长度)或信号处理能力的形式牺牲测量性能的情况下，这种转换器无法用于整个系统。

在没有DC/DC转换器的情况下，其他部件可能产生会干扰收发器电路的噪声。

因此，希望避免由高效DC/DC转换器和其他部件引起的噪声的负面影响。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是克服上述缺点，并避免由DC/DC转换器或其它部件引起的雷达物位计中的敏感模拟电路的干扰。

根据本实用新型的第一方面，通过一种用于测量罐中产品的过程变量的雷达物位计来实现该目的和其它目的，所述雷达物位计包括：收发器电路，其用于生成和发送电磁发送信号以及用于接收电磁返回信号；传播装置，其连接至收发器电路并且被布置成允许电磁发送信号朝向产品的表面传播并且返回由电磁发送信号在表面处的反射而引起的电磁返回信号；处理电路，其用于基于发送信号与返回信号之间的关系而确定过程变量的值；电源接口，其以第一电压从电源向雷达物位计提供工作电力；DC/DC转换器，其连接至电源并且被配置成将第一电压转换成低于第一电压的第二电压；能量存储单元，其被配置成：当收发器电路激活时向收发器电路提供电力，以及当收发器电路不激活时存储电力；以及开关，其连接在DC/DC转换器与能量存储单元之间，所述开关具有非导通状态和导通状态，所述非导通状态用于当收发器电路激活时将能量存储单元从DC/DC转换器断开，而所述导通状态用于仅当收发器电路不激活时才将能量存储单元连接至DC/DC转换器。

根据本实用新型的第二方面，通过一种用于测量罐中产品的过程变量的雷达物位计来实现该目的和其它目的，所述雷达物位计包括：收发器电路，其用于生成和发送电磁发送信号以及用于接收电磁返回信号；传播装置，其连接至收发器电路并且被布置成允许电磁发送信号朝向产品的表面传播，并且返回由电磁发送信号在表面处的反射而引起的电磁返回信号；处理电路，其用于基于发送信号与返回信号之间的关系而确定过程变量的值；内部电源，其以第一电压向雷达物位计提供工作电力；能量存储单元，其连接至第一电压并且被配置成当收发器电路激活时向收发器电路提供电力以及当收发器电路不激活时存储电力；线性电压调节器，其连接至第一电压并且被配置成将第一电压转换为低于第一电压的第二电压；通信电路，其连接至第二电压，所述通信电路被配置成在雷达物位计外部通信；以及开关，其连接在线性电压调节器与能量存储单元之间，所述开关具有非导通状态和导通状态，所述非导通状态用于当收发器电路激活时将能量存储单元从第一电压断开，所述导通状态用于仅当收发器电路不激活时将能量存储单元连接至第一电压。

本实用新型基于这样的认识，即当雷达物位计设置有用于暂时为收发器电路和处理电路供电的能量存储单元时，这种能量存储单元可以在该电路的间歇工作期间(通常在测量扫描期间)从电源(以及任何其它部件)断开。因此，来自电源电路和/或通信电路的噪声将不会在收发器电路激活时到达该收发器电路。当收发器电路空闲时(即，在测量扫描之间)，能量存储单元可以随后被充电。

例如，当电源电路包括DC/DC转换器时，有效地防止来自转换器的任何噪声干扰敏感模拟电路。这可以将信号与内部生成的噪声之间的比率提高几个dB(分贝)，可能大于10dB。

测量扫描通常很短，收发器电路通常在长于20ms的时段内不激活，通常不超过10ms。此外，典型的测量重复率是每秒一次测量扫描。由此可见，收发器电路的“占空比”小于10％，通常更小，可能接近1％。以这种有限的占空比，当收发器电路激活时断开电源不会显著地损害能量存储单元的充电。

开关可以被配置成将能量存储单元与DC/DC转换器或电压调节器在电流上分离。然而，电流分离通常需要物理分离，并且在实践中，考虑到有限的可用功率，这种分离是不可行的。相反，开关通常被配置成在其非导通状态下通过非常大但有限的阻抗提供分离。作为示例，这种阻抗可以为Mohm(兆欧姆)量级，例如，大于1Mohm或2Mohm。

合适的开关元件的示例是场效应晶体管(FET)，其具有若干合适的特征，例如当处于导通状态时的低电阻以及控制它所需的非常有限的电流。

开关可以连接至处理电路并且由处理电路控制。处理电路可以基于收发器电路的间歇工作的定时，即当进行测量扫描时，来控制开关。

电源可以在雷达物位计的内部。“内部”通常表示电源被布置在雷达物位计的机械壳体内。然而，在不是从远离雷达物位计的位置供电的意义上来讲，诸如便携式电池这样的独立电源也可以称为“内部”电源。

或者，电源在物位计外部。“外部”旨在表示电源位于远处并且电源包括某种电源介质以将电力从电源传输至雷达物位计。

例如，电源可以是双线电流回路。在这种情况下，电源接口可以被布置成提取等于预定总线电流的电源电流，或者被布置成提取表示检测值的电源电流。后一种情况的广泛使用的示例是4mA至20mA电流回路。

电源接口还可以被配置成现场总线接口，并且被布置成通过双线电流回路进行数字通信。可以代替作为电源电流电平的测量值的传送或者与其相结合地提供这种通信。

作为使用双线电流回路的通信的替选方案，雷达物位计可以将测量数据无线地传送至远端位置。

无论通信类型(4mA至20mA、现场总线、无线或其它)如何，雷达物位计都可以设置有用于在雷达物位计外部传送测量数据的通信电路。

由DC/DC转换器提供的第二电压优选地适于提供能量存储单元中的高效能量存储。通常，例如，考虑到IS(内部安全)要求，这建议尽可能高的电压电平。因此，也是在收发器电路不激活时，第二电压可能太高而不能为需要供电的这种电路供电。这种电路可以包括处理电路(的一部分)以及任何通信电路。

为此，雷达物位计可以设置有另一个DC/DC转换器，该DC/DC转换器连接至电源并且被配置成将第一电压转换为低于所述第二电压的第三电压，其中，另一个DC/DC转换器被连接成向处理电路以及可能向任何通信电路提供电力。注意，该另一个DC/DC转换器可以随时从电源提供电力。然而，由于该另一个DC/DC转换器不提供收发器电路中的敏感模拟电路的任何部分，因此来自该另一个DC/DC转换器的任何噪声将不会干扰这些电路。

收发器电路可以包括用于生成适合于FMCW处理的调频微波扫描信号的电路。在这种情况下，收发器电路还可以包括用于混合发送信号与返回信号的电路，以提供中频(IF)信号。此外，收发器电路可以包括用于对IF信号进行采样并提供数字输出的电路。

附图说明

将参照附图更详细地描述本实用新型，附图示出了本实用新型的当前优选实施方式。

图1是根据本实用新型第一实施方式的雷达物位计的示意性框图；

图2是图1中的收发器电路的一些部分的示意性框图；

图3是根据本实用新型的第二实施方式的雷达物位计的示意性框图；

图4是适用于图1和图3中的雷达物位计的能量存储单元的示例的示意性电路图。

具体实施方式

图1示出了根据本实用新型的实施方式的雷达物位计(RLG)1的示意性框图。RLG 1安装在罐2上，并且被布置成执行过程变量的测量，过程变量例如是罐2中的两种材料4、5之间的界面3的水平L。通常，第一材料是储存在罐中的液体4，例如汽油，而第二材料是罐中的空气或其他大气5。

雷达物位计1包括收发器电路6、处理电路7。收发器电路6被配置成生成和发送电磁发送信号并且接收电磁返回信号。处理电路被配置成基于发送信号与返回信号之间的关系来确定过程变量。

收发器电路6电连接至合适的信号传播装置，信号传播装置在这里是定向天线10。天线10被布置成允许电磁发送信号朝向产品4的表面传播，并且返回由电磁发送信号在界面上反射而引起的电磁返回信号，界面在这里是罐2中的产品4的表面3。

当信号传播装置是自由传播的定向天线(如图1所示)时，RLG称为“非接触”雷达。有时天线耦接至管道形式的波导结构(称为“静止管道”)，以减少干扰并确保平静的表面。

信号传播装置还可以是探头(参见图3)，即延伸至罐中的容纳物中的传输线。在这种情况下，发送信号和回波信号将沿着探头传播，直到它们通过由表面3引起的阻抗不连续而被反射。具有探头的RPG有时称为导波雷达(GWR)。可以使用几种类型的探头，例如单线(Goubau型)、同轴和双线探头。探头可以基本上是刚性的或柔性的，并且它们可以由金属(如不锈钢)、塑料(如PTFE(聚四氟乙烯))或其组合制成。

发送信号通常在GHz的范围内，例如约6GHz或26GHz。它可以是具有变化频率(调频连续波FMCW)的连续信号，或者它可以是调制脉冲。其它类型的发送信号也是可以的。

图2示出了用于根据FMCW原理工作的雷达物位计的收发器6的示例。收发器6在此包括用于以连续频率扫描形式生成和发送发送信号的微波源31。发送信号经由环形器(或功率分配器)32连接至天线10，环形器32被配置成将发送信号与由天线10接收并返回至收发器的返回信号分离。此外，收发器6包括用于将发送信号与返回信号进行混合以生成中频(IF)信号的混合器33，以及用于对IF信号进行采样和A/D(模/数)转换的采样器(A/D转换器)34。来自采样器34的数字输出连接至数字处理电路7。

如下面将讨论的，RLG 1还设置有电源接口12和通信电路18。

在图1中，电源接口连接至双线电流回路11，该回路有时称为双线控制回路。电源接口12以回路电压(在此称为第一电压V1)从电流回路11提取回路电流。在典型的应用中，电流回路上可用的第一电压V1大约为10V，例如8V。

双线电流回路的一个示例是4mA至20mA回路，在这种情况下，所提取的电流表示测量值(来自物位计的测量数据)。在这种情况下，通过接口12从回路11提取的电流以及因此还有可用功率都将变化。然而，当回路电流处于其最小值(4mA)时，物位计也必须能够工作。有时，这种模拟通信与叠加在回路电压上的数字现场总线通信相结合。用于这种通信的最常用的协议是HART(可寻址远程传感器高速通道)。

或者，电流回路11提供预定的(固定的)电流电平。在这种情况下，通过其他方式提供测量数据的传送。在一个示例中，电源接口12还用作现场总线接口，并且在电流回路上提供数字现场总线通信。现场总线基础(Foundation Fieldbus)是用于此目的的数字协议的示例。在另一示例中，物位计被配置成通过无线通信传送测量数据。无线HART是无线通信协议的示例。

在所示的示例中，电流回路11是如上所述的4mA至20mA回路。为此，通信模块18连接至电源接口12。电源接口12又连接至电流源13。在此电压调节器14在电流源13之前。注意，通信模块18还可以提供用户接口，和/或提供如上所述的无线通信。

电流源13的输出端连接至第一DC/DC转换器15。第一DC/DC转换器15被配置成将从电流源13接收的第一电压转换为低于第一电压的第二电压V2。该第二电压用于为处理电路7和收发器电路6供电，特别是为间歇地工作的电路6、7的那些部分供电。

当激活时，处理电路7和收发器电路6具有相对高的功率消耗，因此为RLG提供连接在第一DC/DC转换器15与电路6、7之间的能量存储单元17是有利的。能量存储单元17的输出电压将是收发器电路的工作电压，并且通常为几伏特。作为示例，其可以为2.5V。

为了使ESU 17中的能量存储单元尽可能高效，由DC/DC转换器15提供的第二电压与IS安全调节允许的一样高。在典型的应用中，第二电压V2比第一电压低几伏，作为具体示例，其可以为5.4V。

因此，第二电压V2通常太高而不能为电路中的不敏感且在扫描之外也需要电力的那些部分供电。这种电路包括例如处理电路7和任何通信电路18的数字部分。为了提供这样的电压，第二DC/DC转换器16(可能与电压调节器串联，例如低噪声低压降(LDO)调节器)被设置成将从电流源13接收的第一电压转换为低于第二电压的第三电压V3。DC/DC转换器16被连接成分别为处理电路6和通信电路18供电。如图1所示，可能该第二DC/DC转换器还为收发器电路6的一些较不敏感部分供电。因此，由第二DC/DC转换器16提供的第三电压V3通常与由ESU 17提供的工作电压相同。如上文所述，这通常为几伏，并且作为示例可以为2.5V。

在使用中，通信模块18确定代表由处理电路7确定的测量值的期望回路电流。因而，接口12控制通过电流源13的电流以确保该回路电流。

由电流源13从控制回路11提取的电流可用于由RLG 1中的电路(包括处理电路7和收发器电路6以及通信电路18)消耗。只要通过源13的电流提供了过量的电力，这种过量就会通过在源13的输出端处的限制分流电路(未示出)而被分流到地面。电流源13与转换器15和16的“串联”的布置的优点在于从电流回路看到的负载保持恒定。这又有助于限制由RLG电路产生的电流回路11中的任何噪声。调节器14具有以下功能：在RLG的电流回路连接上的电压过高的情况下限制输入至电流源13的电压。

根据本实用新型，开关20还连接在DC/DC转换器15与ESU 17之间。开关20被配置成将转换器15从ESU 17断开，从而有效地防止来自DC/DC转换器15的任何噪声到达收发器电路6中的敏感电路。

在其非导通状态下，开关需要提供足够高的阻抗以高效地将ESU 17从DC/DC转换器断开。作为示例，合适的开关元件可以是场效应晶体管(FET)，其通常在非导通状态下提供大于1Mohm的阻抗。在其导通状态下，开关优选地具有非常低的电阻。此外，开关优选地需要非常小的电流来控制开关。FET也满足这些要求。

开关20在此连接至处理电路7并且由处理电路7控制。处理电路7被配置成只要收发器电路6(的间歇部分)激活就控制开关20将转换器15从ESU 17断开，因此仅当收发器电路6(的间歇部分)不激活时才将转换器15与ESU 17连接。因此，处理电路7向开关20提供与收发器电路的间歇工作相关联的适当定时。

可能开关将需要比可从处理电路7获得的电压更高的控制电压，因此可以为开关提供适当的电压电平移位电路。注意，开关通常被选择为使得开关的工作需要非常小的电流(从而需要非常小的功率)。因此，可以在没有(或可忽略的)噪声的情况下实现电压偏移。

通常，收发器电路中的敏感的模拟部分(例如，上述元件31至34)仅在实际测量扫描期间激活，即当信号被发送、接收、混合和采样时。这样的扫描可以短至10ms，或者甚至更短。测量通常每秒执行一次，以指示收发器电路的仅为百分之几的占空比。

图3示出了根据本实用新型的雷达物位计的第二实施方式。罐及其容纳物旨在类似于图1中的罐，因此将不在这里进一步描述。类似于图1中的RLG，图3中的RLG 100包括收发器电路106、处理电路107和传播装置。传播装置在这里是如上所述的探头110。正如图1中的RLG 1那样，RLG 100可以被配置成根据FMCW原理工作。RLG 100的工作类似于图1中的RLG的工作，并且这里将不进一步讨论。

在图3中，雷达物位计100由内部或本地电源供电，例如电池111。在这种情况下，电源接口仅为电池111的输出端112，其提供电源电压，在此称为第一电压V1。线性电压调节器115连接至电池111，并且提供经调节的电压，在此称为第二电压V2，该第二电压V2低于第一电压V1。电压调节器被连接成经由临时能量存储单元117为收发器电路和处理电路供电。

雷达物位计100还具有通信电路118，其用于利用诸如WirelessHART这样的协议、通过无线通信传送由物位计感测的物位值。通信电路由线性电压调节器供电。

注意，线性电压调节器115以与图1中的DC/DC转换器类似的方式被连接，但是线性电压调节器115不产生与DC/DC转换器15一样多的噪声。然而，尽管RLG 100不具有噪声DC/DC转换器，如图1中的RLG那样，但是通信电路18可以产生可能导致收发器电路106中的敏感模拟电路的干扰的噪声。因此，开关120被设置成用于当收发器电路106激活(即通常在测量扫描期间)时将ESU 117从线性电压调节器断开。开关120的特性和功能与图1中的类似，因此这里不再进一步讨论。

图4示出了图1和图3中的能量存储单元(ESU)17、117的实施方式。在此，假定可以使用相对简单的能量存储单元，即使用一个或几个电容器41作为一个或更多个能量存储部件。它通过由电阻器42实现的钳位和电阻间隔而被本地保护，使得一个或更多个能量存储部件的总容量符合标准IEC 61079-11的要求。图4中的能量存储单元是简单的“步降(step-down)”版本，其包括电压调节器43。调节器可以包括取决于所需效率的DC/DC转换器。与上述DC/DC转换器15相反，调节器43中的任何转换器必须是低噪声转换器，这是因为该部件总是连接至收发器6、106中的敏感电路。根据ESU的馈送布置，可能需要或不需要充电限制器44。通常，如图1中的情况，如果电流发生器与ESU的输入端串联布置，则不需要单独的充电限制器44。

本领域技术人员认识到，本实用新型决不限于上述优选实施方式。相反，可以在所附权利要求的范围内实现许多修改和变型。例如，可以使用另一类型的开关来代替FET。另外，ESU可以具有不同的设计，并且包括除了图4所示的元件之外的其他元件。还要注意的是，当内部生成的干扰具有除DC/DC转换器或通信电路之外的其它源时，在收发器电路激活时断开能量存储单元的发明构思将是有利的。