专利名称：双线料面发送器的制作方法
背景技术：
本发明涉及工业过程中的料面测量。更具体地说，本发明涉及使用微波料面测量仪对工业应用中所用的一类贮藏容器中的产品料面高度进行的测量。
用于测量贮藏容器中产品料面(无论是液体还是固体)的测量仪器从带尺和浮标之类的接触测量技术发展到非接触技术。一种使用微波为基础的技术具有很大希望。其基本前提包括向产品表面发射微波并接收自表面发射的微波能量。对反射的微波进行分析以确定它们所传播的距离。知道了传播的距离和贮藏容器的高度就能确定产品的料面。由于已知微波是按光速传播的，只要知道了传播的时间就能确定微波传播的距离。通过测量返回波的相位和已知所发射微波的频率就能确定传播时间。此外，还能使用已知的数字取样技术测量传播时间。
工艺控制工业中有一项标准就是使用4-20毫安的工艺控制环路。在此标准中，4毫安的信号代表零读数，而20毫安的信号则代表满刻度读数。此外，只要现场的发送器仅需有足够低的功率，就有可能使用双线环路的电流向发送器供电。然而，工艺控制工业中的微波料面发送器往往要求有单独的电源。料面发送器较大，它们工作需有比用4-20毫安工业标准所能提供的更大功率。因此，一般现有技术的微波料面发送器就需向现场增补线路以向部件供电。这种增补的线路不仅多化费，而且还是潜在失效源。
发明概要一种测量诸如在工业过程中所用容器内的产品高度的料面发送器。该料面发送器与一双线工艺控制环路耦连，双线工艺控制环路既用于发送由料面发送器提供的料面信息又向料面发送器提供电源。料面发送器包含一个对准容器的微波天线。一个经过天线向容器发送微波信号的低功率微波源。一个接收反射微波信号的低功率微波接收器。测量电路与低功率微波源以及低功率微波接收器耦连启动微波信号的发送并根据由接收器所接收的反射信号确定产品的高度。输出电路与双线工艺控制环路耦连在环路上传送与产品高度有关的信息。供电电路与双线工艺控制环路耦连从环路接收电力向料面发送器供电。
在一项实施例中，测量电路包含一个与信号源耦连的第一时钟，用于以第一时钟速率周期地启动微波信号。与接收器耦连的第二时钟周期地以第二时钟速率开启所接收的信号。
附图的简要说明
图1为本发明微波料面发送器的简图。
图2为表示图1料面发送器电气线路的方框图。
最佳实施例的详细说明图1为表示可与贮藏容器12运行耦连的微波料面发送器10的图解。贮藏容器12是属工艺应用中一般所用的类型并容纳流体(产品)14。这里所用的产品，可以是一种液体、一种固体或是它们两者的一种组合。料面发送器10包括壳体16和喇叭天线18。发送器10与双线环路20耦连。双线环路20是一4-20毫安的工艺控制环路。按照本发明，发送器10在环路20上传送与产品高度有关的信息。此外，发送器10完全由从环路20上接收到的电力供电。在某些装备中，发送器10符合其内在的安全要求并能在潜在易爆炸的环境中工作而不致引起着火的危险。例如，壳体16被紧密封闭以抑制任何引燃，并将壳体内的电路设计成压缩能量贮存，从而减少引燃的可能。
图2为料面发送器10经过线工艺控制环路20与一工艺控制室30耦连的方框图。控制室30被模拟成电阻32与电压源34。发送器10根据容器12中产品14的高度控制流过环路20的电流I。
装在发送器10的壳体16中的电路包括稳压器40、微处理器42、存贮器44、与模拟输出电路48耦合的数-模转换器46、系统时钟50以及复位电路52。微处理器42与控制数字输入/输出电路56的通用异步收发机(芯片) (UART)54相连并经隔直流电容器58与电流环路20耦接。通用异步收发机(芯片)54还可以是微处理器42的一个部件。微处理器42还与显示模件60耦接以提供一显示输出并且与收发报电路70耦接。
发送器壳体16包含微波收发报电路70，它包括有时钟-1 72和时钟-2 74。时钟-1 72的输出耦接至阶梯发生器76，它向微波循环器78提供一输入信号。微波循环器78耦接至天线18并向冲击接收器80提供一输入。冲击接收器80还从时钟-2 74接收一输入并向模-数转换器82提供一输出。
在运行中，发送器10经环路20与控制室30处于连通状态并从环路20接收供电。稳压器40向发送器10中的电子电路提供稳定的电压输出。发送器10按照存贮器44中所存的指令在微处理器42的控制下以系统时钟50所确定的时钟速率运行。一个复位和监视电路52监视着向微处理器和存贮器的供电。当接通电源时，一旦供电电压达到足以能使微处理器42工作的电平时，电路52就向微处理器42提供一复位信号。此外，微处理器42周期地向监视电路52提供一“反冲”信号。只要电路52未接收到这种反冲脉冲，电路52就向微处理器42提供一复位输入用以重新启动微处理器42。
微处理器42经模一数转换器82从电路70接收数据以判定产品的料面高度。时钟-1 72以第一时钟频率f1运行，而时钟-274以第二时钟频率f2运行。时钟-1 72起“启动发送”时钟的作用，而时钟-2 74则作为“开启接收器”时钟运行，并且时钟略有频率上的偏离。也就是，f2＝f1+Δf。这就提供了一种数字取样技术，它在由德国毛尔布的恩德雷斯和豪泽公司的雨果·兰和沃尔夫冈·吕贝克著写的题为“在工艺应用中使用微波脉冲测量液体和固体的料面的新式发送器”的美国仪表学会(ISA)论文中进行了描述。产品高度由与接收微波脉冲相一致的时钟-2 74的周期确定计算出来。在一项实施例中，时钟-1 72是建立在1兆赫和4兆赫的频率之间，根据所要测量的最远距离以及电路所要消耗的电流这些装备所处的条件而定。时钟-274与时钟-1 72同步，但频率变动在10赫与40赫之间。时钟72和74之间的频率差(Δf，它提供了一时钟速率的差)决定着发送器10的更新速率。有可能以减少更新速率的代价通过集合几个周期内接收到的脉冲获得更高的接收信号电平。
时钟-2 74的信号提供一开启窗口，它以由Δf确定的速率扫过进入信号。冲击接收器80利用来自时钟-2 74的f2信号开启进入的微波信号。冲击接收器80的输出是一系列脉冲。这些脉冲的幅度将随接收信号中所含的噪声和乱真反射而变动。当从产品表面接收到微波的反射波与来自时钟-2 74的开启脉冲一致时，输出一个较大的脉冲，并经模-数转换器82转换成一个较大的数值。微处理器42通过确定从接收器80提供最大输出脉冲的时钟-2 74的周期计算出距离。微处理器42通过已知的经模-数转换器82确定的来自冲击接收器80的由开启脉冲所产生的最大输出脉冲确定距离。产品的高度是按照下式确定的料面＝容器高度-脉冲传播距离式1
其中f1＝时钟1的频率f2＝时钟2的频率Δf＝f2-f1R＝检测到的返回取样脉冲接收数与反射之比(R＝0至f1/Δf)模-数转换器82应有非常快的转换速率，例如当发送速率(时钟1)为2兆周时为0.5微秒，这是由于只要出现反射就必须在每发送一次脉冲之后观察取样，转换器82就必需具有至少等于时钟-1 72的频率的取样速率。一例这种模-数转换器就是同在审查中的美国专利申请系列No.08/060,448题为“用于涡流流量计的∑-Δ转换器中所述的∑-Δ转换器”。由于只要求是否明显出现脉冲就行，因而对模-数转换器82的分辨率要求得并不苛刻。
为了进一步提高发送器10的性能，电路70中的接收和发送电路被相互隔离。这对于不致使接收器将发送脉冲错误地当作反射脉冲检测是很重要的。使用微波循环器78使发送源的阻抗和接收阻抗能够受到精确控制。微波循环器在发送和接收电路之间设置了隔离。此外，循环器78避免了造成接收电路向环路发送脉冲。一例循环器是一个三转口装置，它只让来自发送电路(阶梯发生器76)的信号到达天线18以及来自天线18的进入信号到达接收电路80。发送和接收电路之间的电隔离可用专业人员已知的其它技术实现。例如，可移去循环器78并实现分开发送和接收天线。此外，还可采用电路隔离技术，它在发送与接收电路以及一延迟电路之间设置隔离，使得直至来自发送脉冲的任何“回响”已衰落之后为止，接收不到接收脉冲。在另一实施例中，用一探头取代微波天线18，它伸展进图1中所示的容器12中。此实施例还可以包括一循环器。
根据由微处理器42经模-数转换器82检测到的一反射脉冲，微处理器42确定容器12中的产品14的高度。这一信息能在UART54的控制下用数字电路56在双线环路20上发送。换句话说，微处理器42能用数-模转换器46控制电流强度(譬如，在4和20毫安之间)以控制输出电路48并用以在双线环路20上发送信息。在一项实施例中，只要不论产品的料面是在存贮器44中所存阈值料面的以上还是以下，微处理器42就能设置成在环路20上提供一高输出(例如16毫安)。
在一项优选实施例中，微处理器42包含一摩托罗拉68HCl1。这是一种也能提供高速运行的低功率微处理器。另一种合适的微处理器是英特尔(Intel)80 C51。它有较好的低功率存贮器件。在一项实施例中，用24 K字节的EPROM(电可编程序只读存贮器)作程序存贮器，用1K字节的RAM(随机存取存贮器)作工作存贮器并设置一256字节的EEPROM(可擦除电可编程序只读存贮器)的非易失性存贮器。用于微处理器的一个通常的系统时钟约在2兆周和4兆周之间。然而，较慢的时钟需要较低的功率，但也产生较慢的校正速率。一般情况是，电源40从控制环路向供电电压提供有效的转换。例如，若是输入电源为12伏而料面测量仪的电子仪器则需4毫安，电源就必需将此48毫瓦有效地转换成可利用的供电压，例如是5伏。
本发明提供了某些超过现有技术的显著改进。例如，发送器10完全由在双线电流环路20上接收到的电力供电。这就减少了将发送器10设于一远距离位置所需的拉线量。微处理器42还能在双线电流环路20上接收由控制室30发送的指令。这要根据数字通信的草约而定，例如HART通信草约，或者最好是有直流电压平均零点的数字通信草约。
尽管本发明已参照最佳实施例作了说明，本专业技术人员所能作出在形式和细节上的改变并不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于测量容器中的产品高度、与一个双线工艺控制环路耦合的料面发送器，其特征在于，它包括一个对准容器的微波天线；一个用于经微波天线向容器发送微波信号的低功率微波源；一个用于接收从容器反射的微波信号的低功率微波接收器；与微波源和接收器耦合用以启动微波信号发射和根据所接收的信号确定产品高度的测量电路；与双线工艺控制环路耦合用以在环路上发送有关产品高度信息的输出电路；与双线工艺控制环路耦合用以从环路接收电力向料面发送器供电的电源电路。
2.按照权利要求1所述的料面发送器，其特征在于，所述的测量电路测量在发送的微波信号和接收的反射微波信号之间的一段时间延迟。
3.按照权利要求1所述的料面发送器，其特征在于，所述的测量电路包含一个与微波源耦合用以按第一时钟速率周期地启动微波信号的第一时钟。
4.按照权利要求3所述的料面发送器，其特征在于，所述的测量电路还包含一个与接收器耦合用以按第二时钟速率周期地开启接收信号的第二时钟；以及所述的测量电路根据所接收的接收信号和第一与第二时钟速率之间的差确定产品高度。
5.按照权利要求4所述的料面发送器，其特征在于，所述的第二时钟速率是根据第一时钟速率加一速率差产生的。
6.按照权利要求4所述的料面发送器，其特征在于，所述第一时钟速率在约1.0兆赫和约4.0兆赫之间，而第一和第二时钟速率之间的差则在约10赫和约40赫之间。
7.按照权利要求1所述的料面发送器，其特征在于，所述工艺控制环路是一个4-20毫安的工艺控制环路。
8.按照权利要求1所述的料面发送器，其特征在于，它包含一个与微波接收器耦合的第二微波天线。
9.按照权利要求4所述的料面发送器，其特征在于，它包括一个接收所接收的微波信号并按第二时钟速率作出响应提供一开启输出的冲击接收器。
10.按照权利要求1所述的料面发送器，其特征在于，它包括一个容纳料面发送器电路的内在安全壳体。
11.按照权利要求1所述的料面发送器，其特征在于，所述的微波天线包含一个向容器内伸进经其载送微波信号的伸长的微波探头。
全文摘要
一种在工艺应用中用以测量容器(12)内产品(14)高度的料面发送器(10)。它包括一个对准容器的微波天线(18)。一低功率微波源(70)经微波天线发送微波信号。一低功率微波接收器(70)接收反射的微波信号。与源和接收器耦合的测量电路(42)启动微波信号的发送并按所接收的反射信号确定产品高度。与双线工艺控制环路(20)耦合的输出电路(48,56)在环路上发送有关产品高度的信息。与环路耦合的料面发送器中的电源电路(40)从环路接收电力并向料面发送器供电。
文档编号G01F23/284GK1187242SQ96194475
公开日1998年7月8日 申请日期1996年5月31日 优先权日1995年6月7日
发明者约翰·A·基尔布, 理查德·L·纳尔逊, 斯科特·D·马尼科尔 申请人:罗斯蒙德公司