(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク内の生産物の高さを測定するための２線プロセス制御ループに接続可能なレベル送信機において、
第１のクロック信号により決定されるレートで、タンク内に電磁波パルス信号を送る電磁波パルス源と、
受信パルス信号は前記第１のクロック信号の周波数ｆ1とは異なる周波数ｆ2で第２のクロック信号に応答してゲートされ、前記第２のクロック信号は、前記周波数ｆ1とｆ2の差であるΔｆで決められるレートで受信反射波パルスを掃引(sweep)するゲートを提供することによって、前記タンクからの反射電磁波パルス信号を受信し積分するように適合された受信機と、
前記第１および第２のクロック信号を発生する少なくとも１つのクロックと、
前記受信機からのゲート出力をデジタル化するアナログーデジタル変換器と、
前記アナログーデジタル変換器からのデジタル出力信号に基づいて生産物の高さを決定するように該アナログーデジタル変換器に接続され、（タンクの高さ−パルス伝搬距離）の関数として生産物の高さを求めるデジタルプロセッサと、
該デジタルプロセッサに接続されるシステムクロックと、
２線プロセス制御ループに接続され、該２線プロセス制御ループから受信された電力でレベル送信機に完全に電力を供給する電力供給回路と、
該２線プロセス制御ループに接続され、２線ループの電流を４ｍＡ〜２０ｍＡの間に制御するアナログ出力回路と、
前記２線ループに接続されたＵＡＲＴと、
前記電磁波パルス源、前記少なくとも１つのクロック、前記アナログーデジタル変換器、前記デジタルプロセッサ、前記システムクロック、前記電力供給回路、前記アナログ出力回路、および前記ＵＡＲＴを密閉して収容し、爆発環境における点火を防止するハウジングとから構成されたことを特徴とするレベル送信機。
【請求項２】
前記マイクロプロセッサは、下式で表される関係を用いて表される送信パルスの伝搬距離の関数として、生産物の高さを決定することを特徴とする請求項１記載のレベル送信機。
パルス伝搬の片道距離＝Ｒ・Δｆ／ｆ1・Ｃ／２ｆ1
ここに、ｆ1は第１のクロック信号の周波数、ｆ2は第２のクロック信号の周波数、Δｆはｆ2とｆ1との差、およびＲは受信サンプルパルスの数であり、Ｒは０からｆ1／Δｆまでの値である。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、工業プロセスのためのレベル測定に関する。特に本発明は、マイクロ波レベル計を使った、工業的用途に利用される形式の貯蔵タンク内の生産物のレベル測定に関する。
貯蔵容器内の生産物（液体または固体）のレベルを測定するための装置は、テープ式やフロート式などの接触式技法を用いるものから非接触式技法のものへ進歩している。有望な特徴をもつ技術の１つに、マイクロ波利用を基本としたものがある。その前提技術は、生産物の表面にマイクロ波を投射し、表面から反射したマイクロ波エネルギーを受信することである。反射されたマイクロ波は、それが伝播した距離を決定するために分析される。伝播距離や貯蔵容器高さの情報から、生産物のレベルが判定できる。マイクロ波は光速度で伝播することが知られており、マイクロ波の伝播距離はその伝播の時間が判れば算定できる。伝播時間は、反射波の位相を測定し、かつ送信されたマイクロ波の周波数を知ることによって算出される。さらに、周知のデジタル式サンプリング技法を使っても、伝播時間を計測することができる。
プロセス制御分野における１つの標準技法に、４〜２０ｍＡのプロセス制御ループの利用がある。この標準においては、４ｍＡ信号がゼロ読取値を、また２０ｍＡ信号がフルスケール読取値をそれぞれ表わす。また、現場での送信機の電力消費が十分に低いものである場合には、２線式ループからの電流を使って送信機を給電できる。しかし、プロセス制御分野におけるマイクロ波レベル送信機では、常に別途の電源が必要とされてきた。レベル送信機は大型で、その動作には、４〜２０ｍＡ工業基準にしたがって供給できるよりも多量の電力を必要とした。そのため、従来の一般的なマイクロ波レベル送信機は、その装置に電力を供給するため、現場まで延びる付加的な電線を必要とした。この付加線は、費用がかかるだけでなく、ときには停電事故の原因となる。
発明の概要
レベル送信機により、工業プロセスの用途に使われるようなタンク内の生産物のレベル高さが測定される。レベル送信機は、そのレベル送信機から供給されるレベル情報を送信したり、当該水準器送信機へ電力を供給したりするための２線式プロセス制御ループに接続される。レベル送信機には、タンク内へ指向されたマイクロ波アンテナが備わっている。低電力マイクロ波発生源から、アンテナ経由でタンク内へマイクロ波信号が送信される。低電力マイクロ波受信機が、反射されたマイクロ波信号を受信する。
測定回路が、低電力マイクロ波発生源と低電力マイクロ波受信機の両方に接続されており、マイクロ波信号の送信を開始させ、受信機で受信された反射信号から生産物のレベルの高さを決定する。２線式プロセス制御ループに接続された出力回路からは、生産物レベルの高さに関する情報がループへ送信される。また、２線式プロセス制御ループに接続された電源回路は、ループから電力を取り込んでレベル送信機に給電する。
１つの実施例においては、測定回路は、第１クロック速度でマイクロ波信号を周期的にスタートさせるように発生源に接続された第１クロックを備える。受信機に接続された第２クロックにより、受信信号は第２クロック速度で周期的にゲート操作される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明によるマイクロ波レベル送信機の概要図である。
図２は、図１のレベル送信機の電気回路を示すブロック図である。
好適な実施例の詳細な説明
図１は、貯蔵タンク１２に動作可能に結合されたマイクロ波レベル送信機１０を示す図である。貯蔵タンク１２は、プロセス工業分野で一般的に使われている形式のものであって、液体（生産物）１４が貯蔵されている。本発明における生産物は、液体、固体、またはその組合せのいずれでもよい。レベル送信機１０は、ハウジング１６とフィーダーホーン１８を備える。また送信機１０は２線式ループ２０に接続されている。２線式ループ２０は、４〜２０ｍＡのプロセス制御ループである。
本発明においては、生産物１４の高さ面に関する情報がループ２０を介して送信機１０から送信される。さらに送信機１０は、ループ２０から入力される電力によって全体が給電されている。設置例として、送信機１０は固有の安全要件を満たしており、発火の危険性なく誘爆環境において動作可能となっている。例えば、ハウジング１６は、どのような発火現象をも閉じ込められるように密閉され、ハウジング１６内の回路も、貯留エネルギーの少ない設計が施されていて、発火の危険性を減らしている。
図２は、２線式プロセス制御ループ２０でプロセス制御室３０へ接続されたレベル送信機１０のブロック図である。制御室３０は、抵抗器３２と電源３４として例示されている。送信機１０により、タンク１２内の生産物１４の面高さに応じて、ループ２０を流れる電流Ｉが制御される。
前記送信機１０のハウジング１６内に装備された電気回路は、電圧調整器４０、マイクロプロセッサー４２、メモリー４４、アナログ出力回路４８に接続されたデジタル／アナログ変換器４６、システムクロック５０、およびリセット回路５２を備える。マイクロプロセッサー４２は、デジタル式Ｉ／Ｏ回路５６を制御するため、ＤＣ阻止コンデンサー５８経由で電流ループ２０に接続されたＵＡＲＴ５４に接続されている。ＵＡＲＴ５４は、マイクロプロセッサー４２の一部として構成しても構わない。マイクロプロセッサー４２には、表示信号を出力する表示モジュール６０や送受信回路７０も接続されている。
前記送信機ハウジング１６には、第１クロック７２と第２クロック７４を備えたマイクロ波送受信回路７０が具備されている。第１クロック７２の出力は、マイクロ波サーキュレータ７８に入力信号を送るステップ発生器７６に接続されている。マイクロ波サーキュレータ７８はアンテナ１８に接続されており、インパルス受信機８０へ入力信号を送る。インパルス受信機８０はまた第２クロック７４から入力信号を受け取って、アナログ／デジタル変換器８２へ出力信号を送る。
動作中には、送信機１０はループ２０経由で制御室３０と接続されて、ループ２０経由で電力を受け取る。電圧調整器４０により、送信機１０内の電子回路に調整された電圧出力が供給される。送信機１０は、マイクロプロセッサー４２の制御下で、メモリー４４に記憶されている命令に従って、システムクロック５０で決められたクロック速度で動作する。リセット／監視（ウォッチドッグ）回路５２により、マイクロプロセッサーとメモリーへの供給電圧がモニターされる。電源投入の間は、供給電圧がマイクロプロセッサー４２の動作に十分なレベルに達するとすぐに、回路５２からマイクロプロセッサー４２へリセット信号が送られる。さらに、マイクロプロセッサー４２は、監視回路５２へ「キック」信号を周期的に出力する。キックパルスが監視回路５２で受信されない場合には、その監視回路５２からマイクロプロセッサー４２へリセット信号が送られて、マイクロプロセッサー４２を再始動させる。
マイクロプロセッサー４２は、アナログ／デジタル変換器８２経由で送受信回路７０からデータを受け取って、生産物のレベルの高さを決定する。第１クロック７２は第１クロック周波数ｆ1で、また第２クロック７４は第２クロック周波数ｆ2で動作する。第１クロック７２は「送信開始」クロックとして、また第２クロック７４は「ゲート受信」クロックとして機能する。両クロックの周波数は、わずかだがオフセットしている。すなわち、ｆ2＝ｆ1＋Δｆとされている。これは、ＩＳＡ誌記載の、ドイツ国、マルベルグ（Maulburg）所在のエンドレス・ハウザー社（Endress and Hauser GmbH and Company）のヒューゴ・ラング（Hugo Lang）およびウォルフガング・ルブケ（Wolfhabg Lubcke）による「プロセス用途における液体や固体のレベルを測定するための、マイクロ波パルスを用いたスマート送信機」論文で説明されているデジタルサンプリング技術を構成する。生産物のレベルは、第２クロック７４のどのサイクルが受信マイクロ波パルスに一致しているかを決定することによって算定できる。
ある実施例では、第１クロック７２は、測定予定の最大距離や回路の電流消費量などの設置条件要件に従って、１ＭＨｚと４ＭＨｚの間のある周波数に設定されている。第２クロック７４は第１クロック７２に同期しているが、周波数はほぼ１０Ｈｚないし４０Ｈｚだけ変動する。両クロック７２と７４間の周波数差（Δｆであって、クロック速度差を生ずる）により、送信機１０のクロック更新速度が決まる。また、クロック更新速度の低減という犠牲を払えば、数サイクル期間中の受信パルスを積分することによって高い受信信号レベルを得ることが可能である。
前記第２クロック７４の信号は、Δｆで決められたクロック速度で入力信号を掃引できるゲートウィンドウを形成する。インパルス受信機８０は、第２クロック７４からのｆ2信号を使って、入力マイクロ波信号をゲート操作する。なお、インパルス受信機８０の出力はパルス列である。これらのパルスは、受信信号に含まれるノイズまたは偽（スプリアス）反射成分に応じて、その振幅が変動するであろう。生産物のレベルからのマイクロ波エコーの受信が第２クロック７４からのゲートパルスと一致する場合には、より大きな出力パルスが得られ、アナログ／デジタル変換器８２でより大きい値に変換される。マイクロプロセッサー４２は、第２クロック７４のどのサイクルが受信回路８０から最大の出力パルスを出力させたかを決定して、距離を算定する。マイクロプロセッサー４２は、どのゲートパルスがアナログ／デジタル変換器８２で決められるインパルス受信機８０からの最大出力パルスをもたらすかを確認して、距離を決定する。生産物面高さは、下記の式で演算できる。
レベル＝タンクの高さ−パルス伝播距離  …  式１
レベル＝タンク高さ−Ｒ・Δｆ／ｆ1×Ｃ／２・ｆ1  …  式２
パルス伝播の片道距離＝Ｒ・Δｆ／ｆ1×Ｃ／２・ｆ1  …  式３
ただし、ｆ1＝第１クロックの周波数、
ｆ2＝第２クロックの周波数、
Δｆ＝ｆ2−ｆ1、
Ｒ＝エコー復帰の受信サンプルパルス
（Ｒは０からｆ1／Δｆの間）である。
エコーの存在を確認するためには、各送信パルス毎に１つのサンプルを採取する必要があるので、送信速度（第１クロック）が２ＭＨｚの場合には、前記アナログ／デジタル変換器８２は例えば０．５μｓという非常に高い変換速度をもたねばならない。また変換器８２のサンプリング速度は、少なくとも第１クロック７２の周波数に等しくなければならない。そのようなアナログ／デジタル変換器の１例として、申請中の米国特許出願第０８／０６０，４４８号の「渦流量計のシグマ／デルタ変換器」に説明されているシグマ／デルタ変換器がある。なおアナログ／デジタル変換器８２ではパルスの有無だけが重要であるので、その分解能は特に厳密である必要はない。
送信機１０の性能をさらに改善するため、送受信回路７０内の受信回路と送信回路とは互いに電気的に絶縁されている。これは、送信パルスがエコーパルスとして受信機で不正確に検知されないようにするために重要である。マイクロ波サーキュレータ７８の利用により、ソースインピーダンスと受信インピーダンスの制御が正確に行える。そのマイクロ波サーキュレータは送信回路と受信回路との間の絶縁をもたらす。さらに、サーキュレータ７８は、送信パルスが受信回路をリング（ring）させるのを防止する。サーキュレータの１例としては、送信回路（ステップ発生器７６）からの信号のみをアンテナ１８に入力させ、またアンテナ１８からの入力信号のみを受信回路８０に伝送させる３ポート装置があげられる。
もちろん、送信回路と受信回路の電気的絶縁は、当業者にとって周知のその他の方法でも達成可能である。例えば、サーキュレータ７８を除去して、個別の送信アンテナと受信アンテナを装備しても構わない。また、送信パルスからの「呼び出し」（ringing）が消滅するまで、受信パルスを受信できなくする遅延回路を使って、送信回路と受信回路の絶縁を行うような回路絶縁技法を利用することもできる。さらに別の例として、マイクロ波アンテナ１８を、図１に図示したタンク１２内にまで延びたプローブで置き換えても構わない。その例にも、サーキュレータを使用できる。
アナログ／デジタル変換器８２を経由されたエコーパルスのマイクロプロセッサー４２による検知に基づいて、タンク１２内の生産物１４のレベルの高さがマイクロプロセッサー４２によって決定される。その情報は、ＵＡＲＴ５４の制御下にあるデジタル回路５６を使って、２線式ループ２０上にデジタル的に伝送できる。別の例として、マイクロプロセッサー４２は、デジタル／アナログ変換器４６を使って電流レベルを制御（例えば、４ｍＡと２０ｍＡ間で）することにより、出力回路４８を制御し、２線式ループ２０上へ情報を伝送できる。さらにまた別の例では、マイクロプロセッサー４２は、生産物のレベル面がメモリー４４内に記憶されている閾値よりも上か下である場合に、電流ループ２０に高出力（例えば、１６ｍＡ）を出力するような設定にすることも可能である。
１つの好適な例として、マイクロプロセッサー４２はモトローラ社（Motorola）の６８ＨＣ１１がよい。それは低電力マイクロプロセッサーである上に、高速演算を可能にする。別の好適なマイクロプロセッサーとして、インテル社（Intel）の８０Ｃ５１がある。メモリーも、低電力のものが好ましい。１つの実施例においては、２４キロバイトＥＰＲＯＭをプログラムメモリーとして使用し、１キロバイトＲＡＭを作動メモリーとして使用し、また２４５バイトの不揮発性ＥＥＰＲＯＭメモリーを具備する。
一般的なマイクロプロセッサーのシステムクロックは約２ＭＨｚと４ＭＨｚの間にある。しかし、クロックが遅いと電力消費は低くなるが、同時に更新速度も遅くならざるを得ない。普通、電力供給部４０は、制御ループからの電力の供給電圧への効率的な変換を行う。例えば、入力電源が１２ボルトで、レベル計の電子回路が４ｍＡを必要とする場合、この所要電力４８ミリワットは電力供給部によって利用可能な供給電圧（例えば、５ボルト）に効率良く変換されなければならない。
本発明は、従来技術に比べて多くの長所を提供できる。例えば、送信機１０は、２線式電流ループ２０から入力される電力で完全に給電される。これにより、遠隔地に送信機１０を設置するのに必要な配線量を削減できる。また、マイクロプロセッサー４２は、制御室３０から２線式電流ループ２０を介して送られる命令を受信できる。この動作は、例えばＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルなどのデジタル式通信プロトコル、あるいは、好ましくは、ＤＣ電圧平均ゼロであるデジタル式通信プロトコルに従って行われる。
以上では、好適な実施例を参照して本発明を説明したが、本発明の精神や範囲を逸脱することなくその形態や詳細が変更可能なことは、当業者には当然ながら理解できよう。
【図１】
0003839056.tif 000002
【図２】
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