СИСТЕМА РАДАРНОГО УРОВНЕМЕРА МАЛОЙ МОЩНОСТИ, СОДЕРЖАЩАЯ ИНТЕГРАЛЬНУЮ СХЕМУ СВЧ
LOW POWER RADAR LEVEL GAUGE SYSTEM WITH INTEGRATED MICROWAVE CIRCUIT

Область техники
Изобретение относится к радарной системе измерения уровня, а также к 4 способу определения уровня заполнения резервуара (танка) продуктом.
Уровень техники
С тех пор как в 1970-1980-е годы радарное измерение уровня приобрело форму коммерческого продукта, использование непрерывного излучения с частотной модуляцией (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) стало доминирующим измерительным принципом для приложений, требующих высокой точности. FMCW-измерение уровня заполнения включает в себя этап, на котором в резервуар посылают сигнал, сканируемый в частотном интервале порядка нескольких гигагерц. В частности, данный интервал может составлять 24-27 ГГц или 9-10,5 ГГц. Переданный сигнал отражается поверхностью содержимого резервуара (или любой другой границей скачка импеданса), после чего эхо-сигнал с определенной задержкой во времени возвращается к измерительному прибору. Затем его в смесителе комбинируют с переданным сигналом, формируя на выходе смесителя сигнал, частота которого соответствует изменению частоты переданного сигнала, происходящему за время данной задержки. Если используется линейное сканирование, эта частота, именуемая также промежуточной частотой (intermediate frequency, IF), пропорциональна расстоянию до отражающей поверхности. Данный сигнал, поступивший из смесителя, часто именуют сигналом с промежуточной частотой, или IF сигналом.
В последнее время принцип FMCW был усовершенствован, и сейчас в типичном варианте передают сигнал не с непрерывным сканированием частоты, а с пошагово изменяющейся частотой и практически постоянной амплитудой (пошаговое сканирование частоты). После смешивания переданного и принятого сигналов каждым частотным шагом будет обеспечиваться индивидуальный постоянный фрагмент постоянного IF сигнала, состоящего из таких фрагментов. Этот сигнал семплируют, а затем переводят в пространство частот, используя для этого, например, быстрое преобразование Фурье, чтобы идентифицировать частотные компоненты IF сигнала. Затем эти компоненты могут быть переданы дистанционно, например, в виде графика эхо-сигналов или в другой подобной форме.
Обычные системы FMCW (как непрерывные, так и пошаговые) при своей высокой точности являются относительно энергоемкими, что делает их менее пригодными для приложений, в которых мощность (и/или энергия) питания ограничена. В число примеров таких приложений входят полевые устройства с питанием от двухпроводного интерфейса (такие как токовая петля 4-20 мА), а также беспроводные устройства с питанием от внутреннего источника энергии (например от батареи или от 4 солнечного элемента).
Для приложений, в которых приемлемые энергия и/или мощность ограничены, ключевыми параметрами часто являются также стоимость и размер системы измерения уровня. Такие приложения могут встретиться, например, в обрабатывающей промышленности.
Чтобы в таких приложениях можно было извлечь преимущество из высоких функциональных характеристик радарного измерения уровня методом FMCW, желательно иметь более компактную и более экономически эффективную систему такого типа, которая, кроме того, была бы способна функционировать в условиях ограниченной мощности/энергии с приемлемой частотой обновления данных.
Раскрытие изобретения
С учетом изложенного основная задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы создать улучшенную радарную систему измерения уровня, способную выполнять точное определение уровня заполнения в приложениях с существенно ограниченной подачей энергии и/или мощности. Дополнительной задачей для вариантов изобретения является выполнение этого условия при стоимости, уменьшенной по сравнению с известными системами, использующими FMCW и применяемыми для радарного измерения уровня.
Соответственно, согласно первому аспекту изобретения предлагается радарная система измерения уровня с питанием от токовой петли, предназначенная для определения уровня заполнения резервуара продуктом, а также для подачи измерительного сигнала, характеризующего уровень заполнения, на удаленное устройство посредством двухпроводной токовой петли 4-20 мА, которая является также единственным внешним источником питания для предлагаемой системы. Предлагаемая система содержит:
- контур интерфейса, посылающий измерительный сигнал в двухпроводную токовую петлю и подающий питание от указанной токовой петли на радарную систему измерения уровня,
- устройство распространения сигнала, способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого сигнала от данной поверхности,
- источник СВЧ-сигнала, подключенный к устройству распространения сигнала, выполненный с возможностью регулировки, обеспечивающей генерирование передаваемого электромагнитного сигнала, и сконфигурированный для функционирования при уровне фазового шума не менее -70 дБн при отстройке от несущей 100 КГц (нее менее -70 дБн @ 100 КГц),
- контроллер источника СВЧ-сигнала, подключенный к этому источнику и выполненный с возможностью такой регулировки указанного источника, при которой передаваемый сигнал генерируется в виде измерительного сканирования, состоящего из временной последовательности дискретных и отличающихся друг от друга частотных шагов, задающих ширину полосы передаваемого сигнала,
- смеситель, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и к устройству распространения сигнала и выполненный с возможностью комбинировать передаваемый и отраженный сигналы с формированием, в результате, сигнала с промежуточной частотой, и
- процессорный контур, подключенный к смесителю и выполненный с возможностью определять, на основе сигнала с промежуточной частотой, уровень заполнения.
При этом по меньшей мере источник СВЧ-сигнала и смеситель выполнены, как части интегральной СВЧ-схемы.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается радарная система измерения уровня с автономным питанием, предназначенная для определения уровня заполнения резервуара продуктом, а также для подачи, с использованием беспроводной коммуникации, измерительного сигнала, характеризующего уровень заполнения, на удаленное устройство. Предлагаемая система содержит:
- устройство распространения сигнала, способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого сигнала от данной поверхности,
- источник СВЧ-сигнала, подключенный к устройству распространения сигнала, выполненный с возможностью регулировки, обеспечивающей генерирование передаваемого электромагнитного сигнала, и сконфигурированный для функционирования при уровне фазового шума не менее -70 дБн @ 100 КГц,
- контроллер источника СВЧ-сигнала, подключенный к этому источнику для обеспечения генерирования передаваемого сигнала в виде измерительного сканирования, состоящего из временной последовательности дискретных и отличающихся друг от друга частотных шагов, задающих ширину полосы передаваемого сигнала,
- смеситель, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и к устройству распространения сигнала и выполненный с возможностью комбинировать передаваемый сигнал и отраженный сигнал с формированием, в результате, сигнала с промежуточной частотой,
- процессорный контур, подключенный к смесителю и выполненный с возможностью определять, на основе сигнала с промежуточной частотой, уровень заполнения,
- блок беспроводной коммуникации, подключенный к процессорному контуру и предназначенный для возвращения значения уровня заполнения из процессорного контура и для беспроводной передачи измерительного сигнала на удаленное устройство, и
- собственный источник или накопитель энергии, обеспечивающий подачу энергии, которая достаточна для функционирования радарной системы измерения уровня.
При этом по меньшей мере источник СВЧ-сигнала и смеситель выполнены, как части интегральной СВЧ-схемы.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается радарная система измерения уровня, предназначенная для определения уровня заполнения резервуара продуктом и содержащая:
- устройство распространения сигнала, способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать электромагнитный отраженный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого сигнала от данной поверхности,
- источник СВЧ-сигнала, подключенный к устройству распространения сигнала, выполненный с возможностью регулировки, обеспечивающей генерирование передаваемого электромагнитного сигнала, и сконфигурированный для функционирования при уровне фазового шума не менее -70 дБн @ 100 КГц,
- контроллер источника СВЧ-сигнала, подключенный к этому источнику для обеспечения генерирования передаваемого сигнала в виде измерительного сканирования, состоящего из временной последовательности дискретных и отличающихся друг от друга частотных шагов, задающих ширину полосы передаваемого сигнала,
- смеситель, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и к устройству распространения сигнала и выполненный с возможностью комбинировать передаваемый сигнал и отраженный сигнал с формированием, в результате, сигнала с промежуточной частотой, и
- процессорный контур, подключенный к смесителю и выполненный с возможностью определять, на основе сигнала с промежуточной частотой, уровень заполнения.
При этом по меньшей мере источник СВЧ-сигнала и смеситель выполнены, как части интегральной СВЧ-схемы.
Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается способ определения уровня заполнения резервуара продуктом, использующий радарную систему измерения уровня, которая содержит:
- устройство распространения сигнала,
- источник СВЧ-сигнала, генерирующий передаваемый электромагнитный сигнал и подключенный к устройству распространения сигнала, причем указанный источник СВЧ-сигнала содержит осциллятор, управляемый напряжением, и
- смеситель, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и к устройству распространения сигнала,
причем по меньшей мере источник СВЧ-сигнала и смеситель выполнены, как части интегральной СВЧ-схемы, а способ включает следующие операции:
- настраивают осциллятор, управляемый напряжением, на такую рабочую точку, в которой уровень фазового шума составляет не менее -70 дБн @ 100 КГц,
- регулируют источник СВЧ-сигнала так, чтобы передаваемый сигнал генерировался в виде измерительного сканирования, состоящего из временной последовательности дискретных и отличающихся друг от друга частотных шагов, задающих ширину полосы передаваемого сигнала,
- используя устройство распространения сигнала, посылают передаваемый сигнал в направлении поверхности продукта,
- используя устройство распространения сигнала, возвращают отраженный сигнал, полученный в результате отражения передаваемого сигнала от указанной поверхности,
- используя смеситель, комбинируют передаваемый сигнал и отраженный сигнал, формируя сигнал с промежуточной частотой,
- на основе сигнала с промежуточной частотой определяют уровень заполнения.
В контексте изобретения термин "интегральная СВЧ-схема" должен означать тип монолитной (однокристальной) интегральной схемы (ИС), функционирующей на СВЧ-частотах (примерно в интервале 300 МГц - 300 ГГц).
Интегральную СВЧ-схему часто обозначают, как СВЧ МИС (микроволновая монолитная интегральная схема). Такие схемы можно изготовить, например, используя SiGe или компаундный полупроводник типа III-V, такой как GaAs или InP.
Желательно предусмотреть возможность включить интегральную СВЧ-схему вместе с одним или несколькими другими интегральными. схемами в общий мультичиповый модуль, чтобы повысить функциональные свойства отдельного электронного компонента (помещенного в отдельный корпус).
Смеситель может быть выполнен в виде любого контура, способного комбинировать передаваемый и отраженный сигналы так, чтобы сформировался сигнал с промежуточной частотой, характеризующий разность фаз между комбинируемыми сигналами.
Одним из примеров простого и компактного смесителя является так называемый однодиодный смеситель, допускающий утечку.
В различных вариантах изобретения передаваемый электромагнитный сигнал может иметь, по существу, постоянную амплитуду. Мощность передаваемого сигнала может находиться в интервале от -50 дБм до +50 дБм, в типичном случае составлять 0 дБм, что соответствует мощности 1 мВт.
Изобретение основано на осознании ряда взаимосвязей.
Во-первых, было осознано, что для понижения стоимости радарной системы, использующей FMCW, предназначенной для измерения уровня и доступной для использования в настоящее время, ключевым фактором является уменьшение размера механических деталей системы, поскольку их часто изготавливают с высокой точностью из высококачественных материалов, например из высококачественной нержавеющей стали. Другим важным фактором является выход годных компонентов, причем в особенности это относится к источнику СВЧ-сигнала (и к смесителю).
Во-вторых, авторы изобретения пришли к выводу, что как уменьшение размера, так и повышение производительности можно обеспечить, выполнив по меньшей мере источник СВЧ-сигнала и смеситель в виде единой (монолитной) микроволновой интегральной схемы (СВЧ-МИС). В таком варианте появляется возможность заменить большое количество дискретных компонентов одним или несколькими компонентами.
Однако известные в настоящее время интегральные СВЧ-схемы, содержащие источник СВЧ-сигнала, часто предназначены для использования в коммуникационных приложениях, в которых фазовый шум должен быть очень низким, или в приложениях, связанных с автомобилестроением, в которых подача требуемой энергии/мощности не является проблемой. Отсюда можно заключить, что в рассматриваемых приложениях, в которых энергия/мощность ограничена, интегральные СВЧ-схемы непригодны
Поскольку при радарном измерении уровня в резервуарах измеряется относительно короткое расстояние, требования, предъявляемые к фазовому шуму, не такие жесткие, как для других радарных приложений, связанных с увеличенными расстояниями. Кроме того, снижение требований, предъявляемых к фазовому шуму, позволяет сконструировать источник СВЧ-сигнала, расходующий меньше энергии. Соответственно, предусмотрев для такого источника уровень фазового шума не менее -70 дБн @ 100 КГц, можно уменьшить расход энергии, обеспечивая в то же время измерительные возможности, достаточные для рабочего диапазона радарной системы измерения уровня.
Так, авторы изобретения неожиданно обнаружили, что, используя интегральную СВЧ-схему, содержащую по меньшей мере смеситель и источник СВЧ-сигнала, имеющий уровень фазового шума не менее -70 дБн @ 100 КГц, можно существенно понизить энергию/мощность, расходуемые радарной системой измерения уровня, в то же время сохранив достаточно высокие характеристики, в частности, в отношении скорости обновления данных. Например, измерение уровня заполнения можно проводить один раз в секунду.
Испытания и теоретические расчеты показывают, что длительность сканирования, составляющая примерно 10 мс, достаточно коротка, чтобы отвечать критерию расхода энергии/мощности для системы, использующей двухпроводную токовую петлю, что в настоящее время рассматривается как приложение, наиболее сложное для реализации.
Соответственно, все перечисленные соображения, которые привели к изобретению, синергично способствуют высокоточному радарному FMCW-измерению уровня, использующему компактную и экономически эффективную радарную систему измерения уровня, которая может получать питание посредством только двухпроводного коммуникационного интерфейса или собственного источника энергии.
Желательно предусмотреть возможность разместить СВЧ-схему и компоненты измерительной электроники на одной и той же печатной плате. В таком варианте облегчается изготовление системы и снижаются затраты.
В разных вариантах радарной системы измерения уровня контроллер источника СВЧ-сигнала может быть выполнен с возможностью регулировать данный источник так, чтобы производилось измерительное сканирование с длительностью менее 5 мс.
Эту операцию можно выполнить даже с меньшим расходом энергии благодаря меньшей длительности нахождения источника СВЧ-сигнала во включенном состоянии.
Кроме того, согласно различным вариантам изобретения радарная система измерения уровня может дополнительно содержать самплер (дискретизатор сигналов), подключенный к смесителю и выполненный с возможностью во время измерительного сканирования отбирать сигнал, имеющий промежуточную частоту, менее 500 раз.
Этим обеспечивается дополнительное снижение энергии, расходуемой радарной системой измерения уровня, поскольку можно уменьшить время, которое используется для обработки сигнала, имеющего промежуточную частоту.
Кроме того, согласно различным вариантам предусматривается возможность управлять контроллером источника СВЧ-сигнала и самплером независимо друг от друга, причем так, что длительность каждого из частотных шагов измерительного сканирования можно выбрать отличающейся от интервала, с которым проводится семплирование (интервала получения отсчетов) и который равен времени между следующими друг за другом отсчетами.
Таким образом, генерирование измерительного сканирования и интервал семплирования можно независимо друг от друга отрегулировать так, чтобы в работе радарной системы измерения уровня были оптимальным образом скомбинированы производительность измерений и расход мощности/энергии в различных приложениях.
Например, желательно предусмотреть возможность управлять контроллером источника СВЧ-сигнала и самплером так, чтобы длительность каждого из частотных шагов измерительного сканирования была существенно короче, чем временной интервал семплирования.
Так можно уменьшить - вероятность искажения сигнала, имеющего промежуточную частоту, из-за больших частотных шагов и, тем самым, повысить надежность и/или точность измерения, причем в особенности это относится к большим измеряемым расстояниям.
Согласно различным вариантом изобретения ширина полосы передаваемого сигнала может составлять по меньшей мере 1 ГГц. Для большинства приложений такое значение ширины полосы позволяет обеспечить достаточное разрешение.
В различных вариантах системы измерения уровня, выполненной согласно изобретению, измерительное сканирование может представлять собой сканирование по частоте в интервале от первой частоты до второй частоты, являющихся соответственно самой высокой и самой низкой частотами частотной развертки.
Это позволяет улучшить работу радарной системы измерения уровня в тех вариантах, в которых в промежутках между измерительными операциями в накопителе сохраняется энергия. В типичном случае при получении высокой частоты требуется большее входное напряжение источника СВЧ-сигнала, чем при получении низкой - частоты. В особенности это относится к вариантам, в которых в источнике СВЧ-сигнала имеется так называемый осциллятор, управляемый напряжением (ОУН). Если применен накопитель энергии, использующий, например, один или несколько конденсаторов, способность обеспечить достаточно высокое напряжение для наивысшей частоты развертки будет в начале измерительной операции больше, чем в конце.
Кроме того, согласно различным вариантам осуществления может оказаться желательным, чтобы контроллер источника СВЧ-сигнала содержал ПФС-контур, т.е. петлю фазовой синхронизации (ПФС), и подключенный к данному контуру кристаллический осциллятор.
ПФС-контур может быть, например, так называемым аналоговым, линейным, цифровым или полностью цифровым или представлять собой программную версию ПФС.
Желательно предусмотреть возможность поместить ПФС-контур в том же корпусе для электронных компонентов, в котором находится интегральная СВЧ-схема, а кристаллический осциллятор установить снаружи данного корпуса.
В различных вариантах осуществления контроллер источника СВЧ-сигнала можно дополнительно снабдить низкочастотным фильтром, включив его между ПФС-контуром и данным источником, причем желательно вне корпуса для электронных компонентов, заключающего в себе интегральную СВЧ-схему.
Согласно различным вариантам изобретения система измерения уровня выполнена с возможностью управляемого переключения по меньшей мере в первый и второй режимы сканирования. В этих режимах контроллер источника СВЧ-сигнала способен регулировать данный источник так, что генерируются, соответственно, первое измерительное сканирование, имеющее первую длительность и первую ширину полосы, и второе измерительное сканирование, имеющее вторую длительность и вторую ширину полосы. При этом по меньшей мере один из этих параметров (вторая длительность или вторая ширина полосы) существенно отличается соответственно от первой длительности или от первой ширины полосы.
Для любой семплирующей системы FMCW (с непрерывным или пошаговым сканированием) максимальное измеряемое расстояние L определяется, как
L=Nc/4B,
где N - количество замеров, с - скорость света, а В - ширина полосы измерительного сканирования.
Увеличенная ширина В полосы обеспечивает улучшенное разрешение; однако, 4 из приведенного выше соотношения следует, что, если не повысить количество N замеров, увеличение ширины В приведет к уменьшению L Но поскольку частота семплирования зафиксирована у выбранного значения, определенного с учетом возможностей аналого-цифрового преобразования, любое увеличение количества замеров неизбежно приведет к повышению времени сканирования.
Таким образом, для конкретного измерительного интервала имеет место компромисс между разрешением (шириной полосы), с одной стороны, и расходом энергии (временем сканирования), с другой.
Наличие радарной системы измерения уровня, выполненной с возможностью переключения в различные режимы сканирования, как это было описано выше, позволяет реализовать различные компромиссные условия, например, для различных измерительных интервалов. В приложениях с ограниченной доступной энергией, таких как радарные системы измерения уровня, питаемые от токовой петли или от батареи и упомянутые в разделе "Уровень техники", длительности измерительного сканирования могут быть в различных режимах, по существу, одинаковыми, а ширину полосы можно настроить так, чтобы можно было увеличить измерительный интервал в ущерб разрешению. Тем самым расширяется набор приложений, в которых могут быть использованы варианты предлагаемой радарной системы.
Согласно различным вариантам изобретения в радарной системе измерения уровня, выполненной согласно изобретению, желательно предусмотреть возможность переключения в активное состояние, в котором источник СВЧ-сигнала отрегулирован для генерирования передаваемого сигнала, и в нерабочее (нейтральное) состояние, в котором передаваемый сигнал отсутствует.
Радарную систему измерения уровня можно дополнительно снабдить накопителем энергии, способным сохранять ее, когда система находится в нерабочем состоянии, и обеспечивать данную систему энергией, когда система находится в активном состоянии.
Собственный источник или накопитель энергии может представлять собой, например, батарею, конденсатор и/или суперконденсатор.
Кроме того, система измерения уровня может дополнительно содержать беспроводной коммуникационный контур, такой как радиотрансивер, обеспечивающий беспроводную коммуникацию с удаленной системой.
Следует отметить, что устройством распространения сигнала могут быть любые пригодные в данном контексте излучающие антенны или зонды на основе передающей линии. В число примеров антенн входят рупорная антенна, стержневая антенна, решетчатая антенна, параболическая антенна и другие подобные средства. В число примеров зондов на основе передающей линии входят однопроводная линия (линия Губо), двухпроводная передающая линия, коаксиальный зонд и другие подобные средства.
Следует отметить также, что процессорный контур может быть выполнен в виде одного устройства или в виде нескольких устройств, функционирующих совместно.
В обобщенном виде изобретение относится к радарной системе измерения уровня, содержащей устройство распространения сигнала, источник СВЧ-сигнала, контроллер данного источника, смеситель, способный, комбинируя сигнал, передаваемый от данного источника, и сигнал, отраженный от поверхности продукта, сформировать сигнал, имеющий промежуточную частоту, и процессорный контур, подключенный к смесителю и выполненный с возможностью определять уровень заполнения, исходя из данного сигнала с промежуточной частотой. Источник СВЧ-сигнала выполнен так, что уровень фазового шума составляет не менее -70 дБн @ 100 КГц.
Краткое описание чертежей
Далее эти и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие вариант осуществления, который на данный момент представляется предпочтительным.
На фиг. 1а и 1b в упрощенном виде проиллюстрированы схемы технологического мониторинга с использованием радарной системы измерения уровня, выполненной, соответственно, согласно первому и второму вариантам изобретения.
На фиг. 2а представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая радарную систему по фиг. 1а.
На фиг. 2b представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая радарную систему по фиг. 1b.
На фиг. 3 радарная система по фиг. 1а, 1b схематично представлена в разрезе.
На фиг. 4а схематично представлен, на виде снизу, измерительный модуль радарной системы измерения уровня по фиг. 3.
На фиг. 4b схематично представлен мультичиповый модуль трансивера, содержащийся в измерительном модуле по фиг. 4а.
На фиг. 5 представлена упрощенная блок-схема радарной системы измерения уровня по фиг. 3.
На фиг. 6 приведена диаграмма, схематично иллюстрирующая приемлемый уровень напряжения во время измерительного сканирования, которое выполняется согласно варианту изобретения.
На фиг. 7 приведена диаграмма, схематично иллюстрирующая измерительное сканирование, которое выполняется согласно варианту изобретения.
На фиг. 8 приведена диаграмма, схематично иллюстрирующая сигнал с промежуточной частотой, семплируемый для определения уровня заполнения.
Осуществление изобретения
В приведенном далее подробном описании различные варианты радарной системы измерения уровня, выполненной согласно изобретению, рассмотрены преимущественно со ссылкой на радарную систему этого назначения, включенную в схему технологического мониторинга и подсоединенную к удаленному центру управления посредством двухпроводного коммуникационного контура (токовой петли) 4-20 мА, используемого (используемой), кроме того, для подачи энергии на данную радарную систему, а также со ссылкой на радарную систему измерения уровня, получающую питание от батареи и выполненную с возможностями беспроводной коммуникации.
Следует отметить, что эти варианты никоим образом не ограничивают объем изобретения, в границы которого в равной степени попадают, например, радарные системы измерения уровня, не включенные в схему управления технологическим процессом, а также системы измерения уровня, не получающие питание от указанного контура или батареи.
На фиг. 1а в упрощенном виде проиллюстрирована схема 1 технологического мониторинга, обслуживающая полевые устройства, в число которых входит первый вариант радарной системы 2 измерения уровня и термочувствительное устройство (датчик температуры) 3, подключенные к центру 4 управления через коммуникационную линию 5, которая выполнена в форме токовой петли 4-20 мА. Остальные полевые устройства, подключенные к коммуникационной линии 5, схематично изображены в виде прямоугольников.
Радарная система 2 измерения уровня и датчик 3 температуры установлены на резервуаре 7 с продуктом 8, уровень которого требуется измерять.
В добавление к подаче сигналов в токовую петлю 5, в типичном случае подающихся в виде значений тока, характеризующих измеряемую величину, предусмотрена возможность подавать питание на полевые устройства, используя для этого ток, поступающий от токовой петли 5. Как уже указывалось выше в разделах "Уровень техники" и "Раскрытие изобретения", такой вариант существенно ограничивает энергию, доступную для обеспечения функционирования полевых устройств, причем в особенности это относится к активным полевым устройствам, таким как радарная система 2 измерения уровня, показанная на фиг. 1а.
После преобразования напряжения до уровня (уровней), используемого (используемых) радарной системой 2 измерения, для функционирования этой системы может оказаться доступной мощность менее 30 мВт.
Из-за этого радарные системы измерения уровня, применяющие FMCW, до сих пор не находили широкого применения в приложениях, использующих питание от токовой петли. Вместо них эксплуатировались так называемые импульсные радарные системы измерения уровня. Однако даже применительно к таким импульсным системам с низким уровнем энергопотребления принимались меры, чтобы сделать энергию доступной в больших количествах, когда это требовалось в приложениях, использующих питание по сигнальной линии. Например, по меньшей мере части радарной системы измерения уровня функционировали с перерывами, и во время неактивных (нейтральных) периодов энергия сохранялась для использования во время активных периодов.
Технические решения, связанные с прерываемым функционированием и с соответствующим сохранением энергии, описаны, в частности, в документах US 7952514, US 8477064 и US 12/603048, содержание каждого из которых полностью включено в данное описание посредством ссылки.
На фиг. 1b в упрощенном виде проиллюстрирована схема 1 технологического мониторинга, обслуживающая несколько полевых устройств, в число которых входят второй вариант радарной системы 2 измерения уровня и термочувствительное устройство (датчик температуры) 3, подключенные беспроводным образом к центру 4 управления. В данном (втором) варианте радарная система измерения уровня получает питание от собственного источника энергии, такого как батарея с емкостью, превышающей 0,5 А⋅ч, и содержит коммуникационную антенну 9, позволяющую обеспечить беспроводную коммуникацию с центром 4 управления.
L
На фиг. 2а представлена блок-схема, схематично иллюстрирующая вариант радарной системы 2 по фиг. 1а, измеряющей уровень и получающей питание по сигнальной линии. Данная система 2 содержит измерительный модуль 12, определяющий уровень заполнения, и контур 112 интерфейса, обеспечивающий подачу измерительного сигнала S, характеризующего уровень заполнения, в двухпроводную токовую петлю 5, а также подачу энергии из токовой петли 5 в 4 измерительный модуль 12.
Контур 112 интерфейса содержит схему регулировки тока, представляющую собой регулируемый источник 114 тока, а также первый ПТ/ПТ - преобразователь (конвертер постоянного тока) 115 и контур 116, регулирующий напряжение.
L
L
L
Во время функционирования радарной системы 2 измерения уровня регулируемый источник 114 тока контролируется измерительным модулем 12 так, чтобы в двухпроводную токовую петлю 5 подавался измерительный сигнал S. Данному сигналу можно придать форму тока I токовой петли (уровень по постоянному току) и/или форму сигнала переменного тока, наложенного на ток I. Примером второго из этих вариантов может служить коммуникация согласно протоколу HART по токовой петле 4-20 мА.
L
L
В варианте, схематично проиллюстрированном на фиг. 2а, принимается, что измерительному сигналу S придана форма конкретного тока I токовой петли, причем значение этого тока лежит в интервале 4-20 мА.
Первый ПТ/ПТ - преобразователь 115 имеет входные терминалы 118а, 118b и выходные терминалы 119а, 119b, причем входные терминалы 118а, 118b подключены к двухпроводной токовой петле 5 последовательно с регулируемым источником 114 тока, а выходные терминалы подключены к измерительному модулю 12, подавая на него энергию от токовой петли 5. Эта энергия, поступающая от двухпроводной токовой петли 5 4-20 мА, является единственной внешней энергией, подаваемой на радарную систему 2 измерения уровня.
cs
in
L
cs
Контур 116, регулирующий напряжение, отслеживает напряжение V на источнике 114 тока и регулирует входное напряжение V первого ПТ/ПТ-преобразователя, поддерживая, при изменениях напряжения V токовой петли, напряжение V, по существу, постоянным и равным заданному значению, составляющему, например, 2 В. Специалист в данной области может решить эту задачу разными способами. Например, первым преобразователем 115 может быть переключаемый конвертер так называемого "понижающего/повышающего" типа. Его можно выполнить, например, в виде преобразователя SEPIC (конвертера с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью), хорошо известного инженерам-электрикам. Входное напряжение преобразователя SEPIC можно контролировать, регулируя его. посредством коммутационного транзистора, установленного в преобразователе, и используя для этого, например, широтно-импульсную модуляцию.
Однако в полевом устройстве, выполненном согласно различным вариантам изобретения, может быть использован практически любой переключаемый 4 преобразователь, например, прямо- или обратноходовый.
Предусмотрена возможность установить на выходной стороне преобразователя 115 дополнительный контур 121, который может быть выполнен по-разному в зависимости от востребованной функции. Некоторые примеры такого контура подробно описаны в патенте США №8477064, содержание которого полностью включено в данное описание посредством ссылки.
L
L
L
cs
cs
cs
in
Когда в двухпроводную токовую петлю 5 нужно подать новый измерительный сигнал S, источник 114 тока регулируется измерительным модулем 12 так, чтобы на контур 5 подавался новый ток I токовой петли. Для изменения тока I нужно предусмотреть возможность временного изменения напряжения V на регулируемом источнике 114 тока, однако контур, регулирующий напряжение, стремится удержать данное напряжение V постоянным. Чтобы можно было обеспечить быстрые и точные изменения измерительного сигнала, удерживая, одновременно с этим, по существу, постоянным напряжение V на регулируемом источнике 114 тока в течение требуемого отрезка времени, предпочтительно провести регулировку данного источника 114 быстрее (т.е. с уменьшенной постоянной времени), чем регулировку напряжения V на входных терминалах 118а, 118b первого преобразователя 115.
На фиг. 2b приведен второй вариант радарной системы 2 измерения уровня по фиг. 1b, содержащий измерительный блок (ИБ) 210, блок 211 беспроводной коммуникации (БКБ) и собственный источник 212 энергии в виде батареи (БАТ). Блок 211 беспроводной коммуникации предпочтительно соответствует требованиям протокола WirelessHart (IEC 62591).
Как схематично показано на фиг. 2b, измерительный блок 210 имеет первый выход 214, второй выход 215 и первый вход 216. Первый выход 214 подключен к первому входу 217 беспроводного коммуникационного блока 211 посредством первой выделенной дискретной линии. Второй выход 215 подключен ко второму входу 218 блока 211, а первый вход 216 подключен к первому выходу 219 блока 211 через вторую выделенную дискретную линию. Второй выход 215 измерительного блока 210 и второй вход 218 беспроводного коммуникационного блока 211 могут быть выполнены так, чтобы они осуществляли двустороннюю коммуникацию данных согласно последовательному или параллельному коммуникационному протоколу, что позволяет проводить обмен данными между блоками 210 и 211. Коммуникация между этими блоками, использующая различные входы/выходы, более подробно описана в патентной заявке США №13/537513, содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки.
Приведенные примеры конфигурации токовой петли 4-20 мА и беспроводной конфигурации с собственным питанием представлены для того, чтобы специалист в данной области получил в свое распоряжение подробные примеры возможной реализации различных аспектов и вариантов радарной системы измерения уровня, выполненной согласно изобретению. Однако следует отметить, что существует много других вариантов сопряжения такой системы с токовой петлей 4-20 мА, а также много других способов сконфигурировать беспроводную систему измерения уровня, получающую питание от собственного источника или накопителя энергии, и управлять такой системой. Все эти варианты и способы вполне доступны специалисту в данной области и могут быть реализованы без дополнительных экспериментов или чрезмерных затрат.
На фиг. 3 радарная система 2 измерения уровня, выполненная по фиг. 1а, 1b, представлена в схематичном и упрощенном виде, с пространственным разделением компонентов. Она содержит верхний корпус 11, измерительный модуль 12, нижний корпус 13 и диэлектрическую заглушку 14.
Нижний корпус 13 содержит волноводный модуль и модуль конической антенны (на чертеже не изображены), а диэлектрическая заглушка сформирована так, чтобы она заполняла и герметизировала отверстие, ведущее к модулю конической антенны и к волноводному модулю.
У измерительного модуля 12, который более подробно будет описан далее со ссылками на фиг. 4а, 4b, имеются сторона 19 для СВЧ-электроники и сторона 20 для измерительной электроники. На стороне 19 модуль 12 содержит компоненты, генерирующие, передающие и принимающие измерительные электромагнитные сигналы, лежащие в СВЧ-диапазоне. На этой же стороне установлен коннектор 21 (см. фиг. 4а), через который переданные сигналы подаются в волновод нижнего корпуса 13. На фиг. 3 все эти различные компоненты схематично изображены просто в виде прямоугольников.
На фиг. 4а сторона 19 измерительного модуля 12, предназначенная для СВЧ-электроники, схематично показана на виде в плане. Входящий в комплект этих электронных средств трансивер содержит кристаллический осциллятор 25, компоненты, формирующие низкочастотный фильтр 26, и чип 27 радара.
Как очевидным образом следует из фиг. 4а, часть измерительного модуля 12, содержащая электронные СВЧ-средства, весьма компактна и сформирована очень небольшим количеством компонентов. Все это является ключевым фактором для конструирования очень компактной радарной системы 2 FMCW-типа, измеряющей уровень. В частности, если снова вернуться к фиг. 3, на этом чертеже видно, что верхний корпус 11 и нижний корпус 13 могут быть выполнены с использованием существенно меньшего количества материала, чем это можно было сделать до сих пор. В результате получается более удешевленная и более компактная радарная система измерения уровня.
Кроме того, за счет сосредоточения большинства функций трансивера в чипе 27 радара повышается выход годной продукции при изготовлении измерительного модуля 12 и практически устраняется необходимость использовать времяемкие операции подгонки и тестирования компонентов.
На фиг. 4b схематично проиллюстрирован чип 27 радара, установленный на стороне 19 измерительного модуля 12, предназначенной для размещения СВЧ-электроники. Как схематично показано на этом чертеже, чип 27 радара представляет собой компонент типа QFP (quad flat pack; плоский корпус с периферией на всех четырех сторонах), содержащий монтажную подложку 30, первую интегральную схему (ИС) 31, вторую ИС 32, покрывной материал 33 и множество лапок 34 для присоединения чипа 27 радара к измерительному модулю 12.
Первая ИС 31 представляет собой интегральный ПФС-компонент, подключенный проводом к монтажной подложке 30. Таким компонентом может быть, например, устройство НМС 703, поставляемое фирмой Hittite, или устройство ADF 4158, поставляемое фирмой Analog Device. Вторая ИС 32, также подключенная проводом к монтажной подложке 30, представляет собой специальную интегральную СВЧ-схему, содержащую источник СВЧ-сигнала и смеситель, которые входят в конструкцию радарной системы 2 измерения уровня, Эта интегральная СВЧ-схема 32 более подробно будет описана далее со ссылками на фиг. 5. Она выполнена с возможностью работать с фазовым шумом, составляющим от -70 дБн/Гц до -50 дБн/Гц при отстройке от несущей 100 КГц (от -70 дБн/Гц до -50 дБн/Гц @ 100 кГц).
На фиг. 5 представлена схематичная блок-схема радарной системы 2 по фиг. 3, выполняющей измерение уровня. Как указывалось выше, система 2 содержит СВЧ-электронику 40 и измерительную электронику 41, которые установлены, соответственно, на сторонах 19 и 20 измерительного модуля 12, а также контур 42, обеспечивающий коммуникацию и подачу энергии.
Как показано на фиг. 5, в комплект СВЧ-электроники входят осциллятор 45, управляемый напряжением (ОУН), контур 46 подачи тока, ПФС 31, кристаллический осциллятор 25, низкочастотный фильтр 26 и смеситель 48.
ОУН 45, контур 46 подачи тока и смеситель 48 являются частями монолитной интегральной микроволновой схемы (МИМС) 32 (см. также фиг. 4b). ПФС 31 и МИМС 32 введены в чип 27 радара, а кристаллический осциллятор 25 и низкочастотный фильтр 26 выполнены, как дискретные компоненты, расположенные снаружи чипа 27.
В комплект измерительной электроники 41 входят самплер (дискретизатор) 51, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 52 и микропроцессор (МП) 55.
Контур 42, обеспечивающий коммуникацию и подачу энергии, содержит модуль 57 подачи энергии и модуль 58 коммуникационного интерфейса.
В процессе работы для генерации передаваемого электромагнитного сигнала ОУН 45 управляется контроллером источника СВЧ-сигнала, содержащим кристаллический осциллятор 25, ПФС 31 и низкочастотный фильтр.
Контур 46 подачи тока выполнен с возможностью смещать режим ОУН 45 к рабочей точке, в которой фазовый шум ОУН 45 находится в интервале от -70 дБн/Гц @ 100 КГц до -50 дБн/Гц @ 100 КГц. Это позволяет, ценой повышенного фазового шума, обеспечить работу ОУН, более энергетически эффективную по сравнению с известными чипами радара. С другой стороны, как уже упоминалось, благодаря относительно короткому измеряемому расстоянию, конкретно, при измерении уровня в резервуарах достаточная (и высокая) чувствительность может быть реализована даже при относительно высоком уровне фазового шума.
Схематично обозначенный на фиг. 5 передаваемый сигнал ТХ подается в контур распространения сигнала (в антенну или зонд на основе передающей линии), распространяющий сигнал ТХ в направлении поверхности продукта 8 в резервуаре 7 (см. фиг. 1), где он отражается от поверхности, а отраженный сигнал RX возвращается в СВЧ-электронику 40 радарной системы 2 измерения уровня, конкретно, в смеситель 48, в котором он комбинируется с передаваемым сигналом ТХ, формируя сигнал IF с промежуточной частотой.
Из СВЧ-электроники 40 сигнал IF с промежуточной частотой направляется в измерительную электронику 41, где он семплируется самплером 51, причем до поступления в микропроцессор 55, определяющий уровень заполнения, значения семплированных сигналов преобразуются в цифровую форму посредством АЦП 52. В дополнение к определению уровня заполнения, микропроцессор 55 осуществляет регулировку ПФС-контура 31 и коммуникацию с удаленным устройством через модуль 58 коммуникационного интерфейса.
step
sample
step
В радарной системе 2 измерения уровня, выполненной по фиг. 5, ПФС-контур 31 и самплер 51 (а также АЦП 52) могут регулироваться независимо друг от друга. В результате микропроцессор 55 имеет возможность отрегулировать ПФС-контур 31 и, через него, ОУН 45 ПФС 31 для пошаговой перестройки частоты шагами (steps) с заданной длительностью t при одновременном управлении семплированием с заданием интервала взятия отсчетов (samples), равным t, который отличается от длительности t.
Кроме того, для микропроцессора предусмотрена возможность сохранять (в нем или вне его) параметры, соответствующие различным режимам сканирования. Такие различающиеся между собой режимы можно, например, адаптировать для различных измеряемых интервалов L. Команду на переключение в другой режим сканирования микропроцессор 55 может принимать через коммуникационный интерфейс 58. В ответ на такую команду микропроцессор 55 может затем получить доступ к хранящимся параметрам, относящимся к затребованному режиму сканирования, и отрегулировать по меньшей мере ПФС-контур 31 в соответствии с новыми параметрами.
Примеры параметров режимов сканирования приведены в таблице:
СВЧ-электроника 40 и измерительная электроника 41 получают питание от модуля 57 подачи энергии, который в предпочтительном варианте может содержать накопитель энергии, такой как один или несколько конденсаторов, сохраняющих энергию, когда она доступна от токовой петли 5, и подающих энергию на СВЧ-электронику 40 и/или на измерительную электронику 41, когда требуется энергия, превышающая доступную от токовой петли 5.
начальн.
конечн
Вследствие ограниченной способности конденсатора или другого подобного устройства накапливать энергию напряжение, поступающее на СВЧ-электронику от модуля 57 подачи энергии, может понизиться в связи с отбором тока от данного модуля. Этот эффект схематично проиллюстрирован на фиг. 6. Во время проведения измерений выходное напряжение, поступающее из модуля 57 подачи энергии, как показано на фиг. 6, может уменьшиться от V до V.
конечн
1
В зависимости от количества энергии, запасенной в модуле 57 подачи энергии, напряжение V в конце измерительной операции может оказаться недостаточным для управления ОУН 45 таким образом, чтобы генерировалась максимальная частота (f нз фиг. 7) измерительного частотного сканирования.
1
2
Поэтому в вариантах изобретения предусмотрена возможность регулировать ОУН 45 так, чтобы передаваемый сигнал ТХ генерировался в соответствии с частотным сканированием, происходящим от высокой частоты f до низкой частотой f, хотя обычно сканирование производят в направлении от низкой частоты к высокой. В результате понизится вероятность появления ошибочных частот, возникающих вследствие истощения запасенной энергии.
1
2
sweep
step
step
На фиг. 7 проиллюстрировано измерительное сканирование, которое представляет собой последовательность, состоящую из дискретных и отличающихся друг от друга частотных шагов, которые задают ширину В полосы передаваемого сигнала ТХ. Согласно фиг. 7 данная ширина полосы определяется выражением В=f-f. Длительность t измерительного сканирования составляет менее 10 мс. Длительность каждого частотного шага равна t, как это показано на фиг. 7, а разность частот между смежными (в терминах частоты) частотными шагами обозначена, как f.
Если принять во внимание скорость света, вследствие относительно короткого расстояния в резервуаре 7 от радарной системы 2 измерения уровня до поверхности продукта 8 отраженный сигнал RX почти всегда будет иметь ту же частоту, что и пошагово передаваемый сигнал ТХ, но (в данном случае) с разностью фаз, уменьшающейся от начала измерительного сканирования к его концу.
Такая уменьшающаяся разность фаз будет соответствовать частотной разнице, которую можно получить, используя непрерывное излучение с частотной модуляцией (FMCW), а сигнал IF с промежуточной частотой будет во временном домене выглядеть, как ступенчатая синусоидальная волна, схематично представленная на фиг. 8.
step
sample
step
step
sample
В варианте, проиллюстрированном фиг. 8 на примере IF сигнала, ПФС-контур 31 был настроен так, чтобы, в свою очередь, отрегулировать ОУН 45 с возможностью генерирования частотных шагов с временем шага, равным t, а самплер 51 был отрегулирован для семплирования IF сигнала с интервалом t между следующими друг за другом моментами семплирования, который существенно превышает значение t. Это может оказаться преимуществом, поскольку генерирование передаваемого сигнала ТХ с относительно короткой длительностью t шага не требует слишком много энергии, но существенно понижает вероятность появления "фальшивых эхо-сигналов", возникающих из-за искажения IF сигнала. С другой стороны, чтобы уменьшить потребление энергии измерительной электроникой 41, можно не допускать повышения частоты семплирования (т.е. поддерживать более длинный интервал t).
Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничивается приведенными предпочтительными вариантами его осуществления. Напротив, прилагаемая формула изобретения охватывает также многие другие варианты и модификации.