具有无线能力的计量系统的制作方法
专利名称：具有无线能力的计量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有无线能力的计量系统(gauging system)。
背景技术：
用于测量包含在储罐或储藏箱中的产品的特性的系统_所谓的储罐计量系统_在 涉及到产品的处理、装运和储存的应用领域中，以及例如在化学加工工业中是无所不在的。由于要监视和/或测量的产品往往是危险品，因此对于像位于所谓危险区内的储 罐计量系统或至少其一些部分那样的设备存在特殊的安全要求。因此，这样的设备一般需 要被证明是防爆的或本质安全(intrinsically safe)的。对于本质安全设备，存在着保证 设备不能引起可能存在于危险区中的气体点燃的限制。应用储罐计量系统的代表性领域在通常称为“油库”的石油产品等的储存设施中。 在这样的油库中，每个储罐通常装有许多感测单元，每个感测单元被配置成感测包含在该 储罐中的产品的诸如液位(level)、温度、压力等的某种特性。用于危险环境的传统本质安全系统是主要为模拟的所谓4_20mA系统，其中感测 单元以点对点方式经由本质安全屏障与中央主机连接，以便提供危险区内的本质安全。容易理解，传统4_20mA系统需要大量连线。尤其是对于像储罐可以分开相当大距 离的油库那样的应用，所需的连线以及大量本质安全屏障，占安装储罐计量系统的成本的 很大一部分。减少本质安全系统中的连线数量的一种方法是使用数字本质安全通信总线。当使 用这样的总线时，可以沿着总线连接各种传感器，并且，将一条电缆从许多传感器路由到控 制室就足够了。这种数字通信总线的一个例子是可以在一个总线区段上连接最多达15个 传感器的HART总线。减少本质安全系统中的连线数量的另一种方法是将无线技术用于与 感测单元通信。例如，使用完全无线的装置，其中现场设备使用电池、太阳能电池或其它技 术来获取功率而没有任何有线连接。另一个例子由US 7262693提供，它公开了与感测单元有线和无线通信的组合。在 这个例子中，本质安全控制回路将数据传送到并将功率提供给与感测单元串联的无线现场 设备，并且使用从本质安全双线过程控制回路接收的功率对无线现场设备中的RF电路供 电。该无线现场设备进一步适用于限制其对双线过程控制回路的影响。但是，在一些情况下的无线现场设备只提供无线发送和接收信息的有限可能性， 因为在可以将多少功率提供给无线现场设备而不严重影响通过双线过程控制回路传递的 信息的意义上讲，本质安全双线过程控制回路受到严格限制。因此，需要一种具有无线能力的改进计量系统。
发明内容
鉴于现有技术的上述及其它缺陷，本发明的一般目的是提供具有无线能力的改进 计量系统。
本发明的一个目的是提高计量系统中无线发送和接收信息的可能性。按照本发明的一个方面，这些和其它目的通过一种计量系统实现，该计量系统包 括计量仪(gauge)，配置成感测过程变量(processvariable)并提供代表所述过程变量的 过程数据(process data)；与所述计量仪连接的处理单元，所述处理单元包含配置成接 收来自远程外部电源的功率并提供稳定功率(regulated power)的供电电路，和配置成接 收来自所述计量仪的过程数据并将所述过程数据叠加在所述稳定功率上形成功率信号的 第一电路；以及通过双线控制回路与所述处理单元电连接的无线通信单元，所述无线通信 单元包含配置成接收所述功率信号并将所述过程数据与所述稳定功率分离的第二电路， 天线，和通过来自所述第二电路的稳定功率供电、配置成接收来自所述第二电路的过程数 据、并使用所述天线发射代表所述过程数据的RF信号的射频(RF)通信电路，其中，所述功 率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给定时刻发射RF 信号。本发明基于这样的认识，即可以从远程外部电源与计量系统结合在一起使用的 事实中取得积极效果。通过按照本发明的配置，通过具有可恒定获得的远程电源，可以在任 何给定时刻激活无线通信单元。任何时刻的激活理论上看起来允许进行连续无线通信。但 是，实际上，连续无线通信也许是不可行的，因为无线带宽在不同无线设备之间分享，不同 无线设备被安排成在与无线通信单元中的RF电路被配置来通信的频率相同或相近的频率 上通信。在任何情况下，通过按照本发明的供电配置，可以为计量仪和处理单元的连续供电 提供足够量的功率。同时，允许在任何给定时刻激活无线通信单元。代表计量仪感测的过程变量的过程数据，以及类似地，RF电路接收的要提供给处 理单元的信息可以传送给外部控制系统(例如与操作控制室相关联的控制系统)并从这样 的外部控制系统被接收。通过这种配置，可以提供智能计量系统，它们不仅能够向外部控制 系统提供原始数据，而且能够向外部控制系统提供通过例如处理单元以多种方式处理过的 测量数据。可用在按照本发明的计量系统中的适当无线通信单元的一个例子公开在此处通 过引用全部并入的US 7，262，693中。这样的处理可以包括聚集从计量仪获得的测量数据，以便例如帮助统计分析，以 及组合来自两个或更多个计量仪的测量数据。该处理可以得出指示诸如液位、体积、密度或 其组合的参数的数据。此外，由此可以避免用于过程数据的传递的分立连线，并且可以缓解 对围绕基于微波的液位计的防爆屏障的需要。从而可以显著降低安装和采购成本。也就是 说，该计量仪不局限于任何特定类型的测量设备。但是，在一个实施例中，该计量仪是基于微波的液位计(levelgauge)，配置成通过 微波能量的反射来感测储罐中的产品的液位。该基于微波的液位计适用于发射连续信号， 并且，该基于微波的液位计可以包含适用于根据接收的回波信号与参考信号之间的相位差 来确定储罐液位的处理电路。虽然与其它类型的感测单元相比需要相对较大的功率，例如， 需要远程外部电源，但该基于微波的液位计一般能够进行非常准确的液位测量。该基于微 波的液位计可以依照FMCW(调频连续波)或TDR(时域反射计)配置来配置。但是，也可以 使用除了 FMCW和TDR之外的其它测量过程。按照本发明的计量系统还可以包含进一步的计量仪。例如，可以将基于微波的液 位计和温度计与同一处理单元连接，以便向和从单个无线通信单元发送和接收信息。
按照本发明的第二方面，提供了一种将功率提供给通过双线控制回路与处理单元 电连接的无线通信单元的方法，其中，所述方法包含从连接到所述处理单元的计量仪接收 感测的过程变量，从而形成代表所述过程变量的过程数据；根据从远程外部电源接收的功 率提供稳定功率；将所述过程数据叠加在所述稳定功率上，从而形成功率信号；将所述功 率信号提供给所述无线通信单元；将所述过程数据与所述稳定功率分离；将所述稳定功率 提供给包含在所述无线通信单元中的射频(RF)通信电路；将所述分离的过程数据提供给 所述RF通信电路；以及通过与所述RF电路连接的天线发射代表所述过程数据的RF信号， 其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给 定时刻发射RF信号。通过本发明的这个第二方面也可以达到与上面结合本发明的第一方面所述的那 些类似的进一步效果。
现在参考示出本发明当前优选实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其它 方面，在附图中图1是将多个计量系统连在一起的现有油库的示意性方块图；图2a和2b是按照本发明的两种不同计量系统的示意性方块图；图3是包含在计量系统中的处理单元和无线通信单元之间的连接的详细示意性 方块图；以及图4示意性地例示了多个计量系统被安排来通信的网格网络。
具体实施例方式在本说明书中，主要参考安装在包含产品的容器上的雷达液位计系统来描述本发 明的实施例。但是，应该注意到，这并不意味着限制可以以许多不同形式实施的本发明的范 围，也不应该理解为局限于本文所述的实施例；而是，这些实施例是为全面性和完整性而提 供的，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。相似的标号自始至终表示相似的元件。图1示出了作为多个计量系统连在一起的现有油库的一个例子的油库la。在图 1中，举例来说，三个储罐2a_c的每一个都被显示成装有储罐计量系统，包括这里显示为分 立控制单元3a_c的控制器、基于微波的液位计4a_c、和温度感测单元5a_c。该储罐计量系 统经由外部系统总线6连接到主计算机7，主计算机7被配置成控制包含在储罐2a-c内的 产品的液位和其它参数。参考图2a，现在与过程变量的测量相联系描述按照本发明的计量系统20。在例示 的实施例中，计量系统20包含各自配置成感测不同过程变量的第一和第二计量仪22，24。 但是，计量系统20不局限于特定数量的计量仪，而是可以包含例如仅单个计量仪或多个计 量仪。计量仪22，24可以从包含如下的非限制性组中选择基于微波的液位计、温度计、通 过确定流动物质的量来测量有多少流体流过管道的Coriolis流量计、或配置成根据物理 输入生成输出信号或根据输入信号生成物理输出的任何其它转换器。通常，转换器将输入转换成具有不同形式的输出。转换器的类型包括各种分析设 备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量发送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯
6等。而且，计量仪可以是有源的，无源的，或两者的组合，也就是说，计量仪可以配置成只发 送信息(例如，温度传感器)，只接收信息(例如，阀门)，或接收和发送信息的组合(例如， 雷达液位计)。计量系统20进一步包含配置成接收每个计量仪22，24提供的过程变量的处理单 元26。处理单元26也可以配置成，例如通过将控制命令提供给计量仪22，24来控制每个计 量仪22，24。处理单元26进一步配置成接收来自远程外部电源的功率。远程外部电源可 以通过在计量系统20附近已经可用的电源来提供，例如对计量系统周围的区域中的环境 照明供电的电源，例如230伏电源、工厂干线、电网等。也可以使用递送小于230伏(例如 大约12伏及以上)的远程外部电源。例如，在一些装置中，计量仪22/24可能需要比使用 电池、太阳能电池、或通过双线控制回路实际可获得的功率更大的功率，并且从远程外部电 源将功率提供给计量仪。也就是说，不单独使用双线控制回路对计量系统20供电。一般说 来，外部电源不是本质安全电源。但是，处理单元26中的供电电路执行适当操作来使得从 远程外部电源接收的功率稳定，使处理单元变成本质安全的。处理单元的处理电路可以提 供来自远程外部电源的输入功率与来自供电电路的作为输出提供的本质安全稳定功率之 间的电流隔离。另外，电缆28提供功率，并将外部电源与计量系统20连接。本质安全在这里应该理解为通过按照不带来潜在危险地允许易燃气体与电气设 备接触的当前标准IEC 6007911或相应的后续标准的防爆方法保护的含义。可在本质安全 电路中获得的电能局限于这样的水平，使得由电气故障引起的任何火花或发热表面都微弱 得不会引起点火。在适用于与图1中的主计算机7双向通信的一个实施例中，计量系统20还包含无 线通信单元30。无线通信单元30通过例如依照数字HART协议或任何其它适当通信协议安 排的本质安全接口 32与处理单元26连接。接口 32既向无线通信单元30提供功率，又在 无线通信单元30与处理单元26之间提供信息路径。按照本发明，无线通信单元30与处理 单元26之间的优选为双向的通信通过将信息(即，代表计量仪22，24中的至少一个感测的 过程变量的过程数据)叠加到接口 32上来提供。也就是说，将信息叠加在处理单元26与 无线通信单元30之间的接口 32上可以通过对与提供给无线通信单元的功率相关联的电压 电平稍作调整来提供。类似地，可以调整与提供给无线通信单元30的功率相关联的电流， 或者通过调整提供给无线通信单元30的功率本身。并且，存在包括例如将高频信号叠加到 提供给无线通信单元30的功率上的可能性。在一个实施例中，处理单元26的耦合输出单元(out-couplingunit)，S卩，处理单 元26的一部分(作为连接处理单元26和无线通信单元30的物理接口 32之前的最后一个 器件)，是数字HART通信调制解调器，它被配置成对无线通信单元30供电，将过程数据提供 给无线通信单元30，并接收来自无线通信单元30，例如由包含在无线通信单元30中的RF 电路接收的控制信息。数字HART通信调制解调器可以配置成在激活无线通信单元30的 时刻将至少40mW的功率递送给无线通信单元30。而且，例如通过编程HART调制解调器， 可以将输出电平设置成总是递送差不多20mA (即，在将数字HART协议安排成配置用来递送 4-20mA的双线控制接口的实施例中)，从而一般说来，足以允许在任何给定时刻激活无线 通信单元30。包含在无线通信单元30中的RF电路可以与天线34连接，以便将信息发射给 例如主计算机7，并接收来自计算机7的信息，其中主计算机7进而包含将信息发送给计量的信息的装置。在结合图2a提供的上面描述中，在分离的模块的上下文中(即包含计量仪22/24、 处理单元26和无线通信单元30的计量系统20)对计量系统20作了描述。但是，图2b例 示了计量仪具有集成处理单元的可替代实施例。在图2b中例示的组合计量/处理单元是附连在容器(例如储罐40)的顶部38上 的基于微波的液位计量/处理单元36。储罐40用于储存产品42。该产品可以是诸如石 油、精制产品、化学品和液化气，或可以是粉末状的材料。在储罐40的内部经由天线44从 液位计量/处理单元36发射微波束。发射束从产品42的表面46反射回来，并被天线44 接收。通过在控制单元中比较和评估发射束与反射束之间的时间延迟，以已知方式，例如通 过FMCW(调频连续波)或通过重复微波脉冲来进行产品表面46的液位的确定。但是，微波也可以经由诸如波导或同轴电缆(未示出)(例如通过TDR(时域反射 计)与产品通信)的微波传输媒体发送。液位计量/处理单元36的控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信 号处理器或另外的可编程器件。控制单元可以另外或替代性地包括专用集成电路(ASIC)、 可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或数字信号处理器。在控制单元包括诸 如上述微处理器或微控制器的可编程器件的情况下，处理器可以进一步包括控制可编程器 件的操作的计算机可执行代码。与结合图2a所描述的实施例类似，在图2b中例示的计量系统20从位于计量系统 20附近的大型电源接收功率。图3例示了处理单元26与无线通信单元30之间的连接的详细示意性方块图。正 如上面结合图2a所讨论的那样，处理单元26包含供电单元48和控制单元50，在一个实施 例中，还有数字HART调制解调器52。在操作期间，如上面简要讨论过的那样，控制单元50 接收感测的过程变量，该过程变量被处理成代表感测的过程变量的过程数据。类似地，供电 单元48接收来自外部电源的功率，并依照IS条例调适该功率。接着，将分别来自供电单元 48和控制单元50的功率和过程数据提供给HART调制解调器52，其中将过程数据叠加在要 供应给无线通信单元30的功率上。本质安全接口 32，例如双线连接，将处理单元26与无线通信单元30连接。在无线 通信单元30中，另一个数字HART调制解调器54接收组合的功率和通信信号，并将过程数 据与功率分离。在例示的实施例中，两个HART调制解调器52，54被用于处理单元26与无 线通信单元30之间的通信，并用于无线通信单元30的供电。但是，适用于组合和划分功率 和信息信号的其它类似装置也是可以的，并且在本发明的范围之内。在一个可替代实施例 中，本质安全接口 32包含三条导线，以便通过处理单元26简化无线通信单元30的供电。
将来自通信设备26的HART调制解调器54的输出，即，通信信号和功率，作为分离 的信号提供给RF电路56，RF电路56生成使用天线34发射的射频(RF)信号。正如上面讨 论过的那样，RF电路56也可以从外部单元(例如主计算机7)接收通信信号，接着将接收 的通信信号提供给无线通信单元30的HART调制解调器54，其中将它们叠加在从处理单元 26的HART调制解调器52接收的功率上。接收的通信信号接着将被处理单元26的HART调 制解调器52分离，并被提供给控制单元50作进一步处理。可以使用数字调制技术配置RF 电路56以便进行数字通信，或使用模拟调制技术依照更普通的模拟通信协议配置RF电路
856。但是，如有需要，可以使用任何通信协议，包括IEEE 802. 15. 4，或其它协议，包括专用通 信协议。现在转到图4，图4例示了包含按照本发明的计量系统的实现方式的油库Ib的顶 视图。与在图1中例示的现有油库Ia相比，油库Ib的储罐58，60，62和64通过无线通信 相互连接。于是，储罐58，60，62和64的每一个设置了如上面讨论过的计量系统20，包含 允许在储罐58，60，62和64之间进行无线通信的无线通信单元30。与图1中的油库Ia类 似，油库Ib包含具有用于接收通信信号的主计算机(未示出)的控制室66，其中主计算机 连接到从储罐58，60，62和64接收信号并将信号发送给储罐58，60，62和64的收发器68。 储罐58，60，62和64与收发器68之间的通信路径用虚线示出。在例示的实施例中，储罐58，60，62和64被配置成自组织网格网络，其中自组织网 格网络优选地依照时间同步网格协议(TSMP)来配置。TSMP在时间、频率和空间上提供冗余 和故障转移，以便即使在最具挑战性的无线电环境下也保证很高的可靠性。TSMP还提供自 组织、自修复网格路由所需的智能。而且，由于网络是自组织的，因此可以按需要扩展而无 需复杂规划。正如本领域技术人员所理解的那样，两个无线通信单元之间的实际无线通信距离 由于可允许的传输效果、当前RF环境等而受到限制。因此，在例示的实施例中，不是所有的 储罐58，60，62和64都可以与控制室66的收发器68直接通信。于是，作为一个例子，在安 排到储罐58上的计量系统20的无线通信单元与控制室66的收发器68之间的距离与可能 的无线范围相比太大的情况下，要在它们之间发送的信息使用网格协议来转发，例如，使用 储罐60的计量系统、储罐64的计量系统、储罐60和62的计量系统的组合、或储罐64和62 的计量系统的组合来转发，如通过例示可能的通信路径的虚线所示的那样。在计量系统20包含与相应多个无线通信单元连接的多个计量仪的可替代实施例 中，自组织实现了大量通信路径和在一个通信路径中断的情况下重新组织的能力。此外，通 过这种能力，按照本发明的储罐计量系统可用在甚至更广泛的应用领域中。因此，使用自组 织、自修复网格网络的效果是在计量系统与控制室之间的通信路径中引入了冗余，以及在 通信路径因条件变化(例如因天气、新的或未知的RF系统、运动设备和分布密度造成)而 中断的情况下重新组织的可能性。而且，尽管存在这些挑战，但自动节点连接和修复的全网格布局使网络可以长期 保持可靠性和可预测性。如同水向山下流动一样，仅自组织全网格网络能够通过可用节点 布局找到并利用最稳定路线。此外，全冗余路由既需要空间分集(尝试不同路线)又需要 时间分集(以后再次尝试)。于是，TSMP通过使每个节点能够发现多个可能母节点来覆盖 空间分集，然后建立与两个或更多个节点的链路。优选地，时间分集通过重试和故障转移机 制来管理。而且，本领域技术人员应该认识到，本发明决不局限于上面所述的优选实施例。相 反，本领域的技术人员应该明白，许多修改和变化都是可能的并且在所附权利要求书的范 围之内。例如，射频(RF)信号的发射可以包含任何频率的电磁发射，而不局限于特定频率 群，频率范围或任何其它限制。
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权利要求
一种计量系统，包含 计量仪，配置成感测过程变量并提供代表所述过程变量的过程数据； 与所述计量仪连接的处理单元，所述处理单元包含 供电电路，配置成接收来自远程外部电源的功率并提供稳定功率；以及 第一电路，配置成接收来自所述计量仪的过程数据并将所述过程数据叠加在所述稳定功率上形成功率信号；以及 通过双线控制回路与所述处理单元电连接的无线通信单元，所述无线通信单元包含 第二电路，配置成接收所述功率信号并将所述过程数据与所述稳定功率分离； 天线；以及 通过来自所述第二电路的稳定功率供电的射频RF通信电路，配置成接收来自所述第二电路的过程数据，并使用所述天线发射代表所述过程数据的RF信号，其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给定时刻发射RF信号。
2.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述稳定功率以本质安全方式提供。
3.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述功率信号以本质安全方式提供。
4.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述远程外部电源被配置成将至少100伏递送 给供电电路。
5.如权利要求1所述的计量系统，其中，被叠加的过程数据以数字方式被传送给所述 无线通信单元。
6.如权利要求1所述的计量系统，其中，被叠加的过程数据依照数字HART协议来安排。
7.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述组合电路包含在数字HART调制解调器中。
8.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述第二电路包含在数字HART调制解调器中。
9.如权利要求1所述的计量系统，其中，在发射RF信号的时刻，所述供电电路通过所述 功率信号将至少40mW提供给所述无线通信单元。
10.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述无线通信单元依照自组织网格网络来配置。
11.如权利要求10所述的计量系统，其中，所述自组织网格网络按照时间同步网格协 议TSMP来配置。
12.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述RF电路被配置用于数字通信。
13.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述RE电路被配置用于模拟通信。
14.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述处理单元与所述无线通信单元之间的电 连接包含第三导线。
15.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪是基于微波的液位计，配置成通 过微波能量的反射来感测储罐中的产品的液位。
16.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪是配置成感测储罐中的产品的温 度的温度计。
17.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪是配置成感测产品的质量流的直 接测量值的Coriolis流量计。
18.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪和所述处理单元在物理上是分离的。
19.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪和所述处理单元在物理上是组合在一起的。
20. 一种用于将功率提供给通过双线控制回路与处理单元电连接的无线通信单元的方 法，其中所述方法包含-从连接到所述处理单元的计量仪接收感测的过程变量，从而形成代表所述过程变量 的过程数据；-根据从远程外部电源接收的功率提供稳定功率； -将所述过程数据叠加在所述稳定功率上，从而形成功率信号； -将所述功率信号提供给所述无线通信单元； -将所述过程数据与所述稳定功率分离；-将所述稳定功率提供给包含在所述无线通信单元中的射频RF通信电路； -将所述分离的过程数据提供给所述RF通信电路；以及 -通过与所述RF电路连接的天线发射代表所述过程数据的RF信号， 其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任 何给定时刻发射RF信号。
21.如权利要求1所述的方法，进一步包含以本质安全方式提供所述稳定功率的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种计量系统，包含计量仪，配置成感测过程变量并提供代表所述过程变量的过程数据；与所述计量仪连接的处理单元，所述处理单元包含配置成接收来自远程外部电源的功率并提供稳定功率的供电电路、和配置成接收来自所述计量仪的过程数据并将所述过程数据叠加在所述稳定功率上形成功率信号的第一电路；以及通过双线控制回路与所述处理单元电连接的无线通信单元，所述无线通信单元包含配置成接收所述功率信号并将所述过程数据与所述稳定功率分离的第二电路，天线，和通过来自所述第二电路的稳定功率供电、配置成接收来自所述第二电路的过程数据、并使用所述天线发射代表所述过程数据的RF信号的射频(RF)通信电路，其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给定时刻发射RF信号。
文档编号G01F23/00GK101918992SQ200880123274
公开日2010年12月15日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年1月4日
发明者L·哈格 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司
技术领域：
本发明涉及具有无线能力的计量系统(gauging system)。
背景技术：
用于测量包含在储罐或储藏箱中的产品的特性的系统_所谓的储罐计量系统_在 涉及到产品的处理、装运和储存的应用领域中，以及例如在化学加工工业中是无所不在的。由于要监视和/或测量的产品往往是危险品，因此对于像位于所谓危险区内的储 罐计量系统或至少其一些部分那样的设备存在特殊的安全要求。因此，这样的设备一般需 要被证明是防爆的或本质安全(intrinsically safe)的。对于本质安全设备，存在着保证 设备不能引起可能存在于危险区中的气体点燃的限制。应用储罐计量系统的代表性领域在通常称为“油库”的石油产品等的储存设施中。 在这样的油库中，每个储罐通常装有许多感测单元，每个感测单元被配置成感测包含在该 储罐中的产品的诸如液位(level)、温度、压力等的某种特性。用于危险环境的传统本质安全系统是主要为模拟的所谓4_20mA系统，其中感测 单元以点对点方式经由本质安全屏障与中央主机连接，以便提供危险区内的本质安全。容易理解，传统4_20mA系统需要大量连线。尤其是对于像储罐可以分开相当大距 离的油库那样的应用，所需的连线以及大量本质安全屏障，占安装储罐计量系统的成本的 很大一部分。减少本质安全系统中的连线数量的一种方法是使用数字本质安全通信总线。当使 用这样的总线时，可以沿着总线连接各种传感器，并且，将一条电缆从许多传感器路由到控 制室就足够了。这种数字通信总线的一个例子是可以在一个总线区段上连接最多达15个 传感器的HART总线。减少本质安全系统中的连线数量的另一种方法是将无线技术用于与 感测单元通信。例如，使用完全无线的装置，其中现场设备使用电池、太阳能电池或其它技 术来获取功率而没有任何有线连接。另一个例子由US 7262693提供，它公开了与感测单元有线和无线通信的组合。在 这个例子中，本质安全控制回路将数据传送到并将功率提供给与感测单元串联的无线现场 设备，并且使用从本质安全双线过程控制回路接收的功率对无线现场设备中的RF电路供 电。该无线现场设备进一步适用于限制其对双线过程控制回路的影响。但是，在一些情况下的无线现场设备只提供无线发送和接收信息的有限可能性， 因为在可以将多少功率提供给无线现场设备而不严重影响通过双线过程控制回路传递的 信息的意义上讲，本质安全双线过程控制回路受到严格限制。因此，需要一种具有无线能力的改进计量系统。
发明内容
鉴于现有技术的上述及其它缺陷，本发明的一般目的是提供具有无线能力的改进 计量系统。
本发明的一个目的是提高计量系统中无线发送和接收信息的可能性。按照本发明的一个方面，这些和其它目的通过一种计量系统实现，该计量系统包 括计量仪(gauge)，配置成感测过程变量(processvariable)并提供代表所述过程变量的 过程数据(process data)；与所述计量仪连接的处理单元，所述处理单元包含配置成接 收来自远程外部电源的功率并提供稳定功率(regulated power)的供电电路，和配置成接 收来自所述计量仪的过程数据并将所述过程数据叠加在所述稳定功率上形成功率信号的 第一电路；以及通过双线控制回路与所述处理单元电连接的无线通信单元，所述无线通信 单元包含配置成接收所述功率信号并将所述过程数据与所述稳定功率分离的第二电路， 天线，和通过来自所述第二电路的稳定功率供电、配置成接收来自所述第二电路的过程数 据、并使用所述天线发射代表所述过程数据的RF信号的射频(RF)通信电路，其中，所述功 率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给定时刻发射RF 信号。本发明基于这样的认识，即可以从远程外部电源与计量系统结合在一起使用的 事实中取得积极效果。通过按照本发明的配置，通过具有可恒定获得的远程电源，可以在任 何给定时刻激活无线通信单元。任何时刻的激活理论上看起来允许进行连续无线通信。但 是，实际上，连续无线通信也许是不可行的，因为无线带宽在不同无线设备之间分享，不同 无线设备被安排成在与无线通信单元中的RF电路被配置来通信的频率相同或相近的频率 上通信。在任何情况下，通过按照本发明的供电配置，可以为计量仪和处理单元的连续供电 提供足够量的功率。同时，允许在任何给定时刻激活无线通信单元。代表计量仪感测的过程变量的过程数据，以及类似地，RF电路接收的要提供给处 理单元的信息可以传送给外部控制系统(例如与操作控制室相关联的控制系统)并从这样 的外部控制系统被接收。通过这种配置，可以提供智能计量系统，它们不仅能够向外部控制 系统提供原始数据，而且能够向外部控制系统提供通过例如处理单元以多种方式处理过的 测量数据。可用在按照本发明的计量系统中的适当无线通信单元的一个例子公开在此处通 过引用全部并入的US 7，262，693中。这样的处理可以包括聚集从计量仪获得的测量数据，以便例如帮助统计分析，以 及组合来自两个或更多个计量仪的测量数据。该处理可以得出指示诸如液位、体积、密度或 其组合的参数的数据。此外，由此可以避免用于过程数据的传递的分立连线，并且可以缓解 对围绕基于微波的液位计的防爆屏障的需要。从而可以显著降低安装和采购成本。也就是 说，该计量仪不局限于任何特定类型的测量设备。但是，在一个实施例中，该计量仪是基于微波的液位计(levelgauge)，配置成通过 微波能量的反射来感测储罐中的产品的液位。该基于微波的液位计适用于发射连续信号， 并且，该基于微波的液位计可以包含适用于根据接收的回波信号与参考信号之间的相位差 来确定储罐液位的处理电路。虽然与其它类型的感测单元相比需要相对较大的功率，例如， 需要远程外部电源，但该基于微波的液位计一般能够进行非常准确的液位测量。该基于微 波的液位计可以依照FMCW(调频连续波)或TDR(时域反射计)配置来配置。但是，也可以 使用除了 FMCW和TDR之外的其它测量过程。按照本发明的计量系统还可以包含进一步的计量仪。例如，可以将基于微波的液 位计和温度计与同一处理单元连接，以便向和从单个无线通信单元发送和接收信息。
按照本发明的第二方面，提供了一种将功率提供给通过双线控制回路与处理单元 电连接的无线通信单元的方法，其中，所述方法包含从连接到所述处理单元的计量仪接收 感测的过程变量，从而形成代表所述过程变量的过程数据；根据从远程外部电源接收的功 率提供稳定功率；将所述过程数据叠加在所述稳定功率上，从而形成功率信号；将所述功 率信号提供给所述无线通信单元；将所述过程数据与所述稳定功率分离；将所述稳定功率 提供给包含在所述无线通信单元中的射频(RF)通信电路；将所述分离的过程数据提供给 所述RF通信电路；以及通过与所述RF电路连接的天线发射代表所述过程数据的RF信号， 其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给 定时刻发射RF信号。通过本发明的这个第二方面也可以达到与上面结合本发明的第一方面所述的那 些类似的进一步效果。
现在参考示出本发明当前优选实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其它 方面，在附图中图1是将多个计量系统连在一起的现有油库的示意性方块图；图2a和2b是按照本发明的两种不同计量系统的示意性方块图；图3是包含在计量系统中的处理单元和无线通信单元之间的连接的详细示意性 方块图；以及图4示意性地例示了多个计量系统被安排来通信的网格网络。
具体实施例方式在本说明书中，主要参考安装在包含产品的容器上的雷达液位计系统来描述本发 明的实施例。但是，应该注意到，这并不意味着限制可以以许多不同形式实施的本发明的范 围，也不应该理解为局限于本文所述的实施例；而是，这些实施例是为全面性和完整性而提 供的，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。相似的标号自始至终表示相似的元件。图1示出了作为多个计量系统连在一起的现有油库的一个例子的油库la。在图 1中，举例来说，三个储罐2a_c的每一个都被显示成装有储罐计量系统，包括这里显示为分 立控制单元3a_c的控制器、基于微波的液位计4a_c、和温度感测单元5a_c。该储罐计量系 统经由外部系统总线6连接到主计算机7，主计算机7被配置成控制包含在储罐2a-c内的 产品的液位和其它参数。参考图2a，现在与过程变量的测量相联系描述按照本发明的计量系统20。在例示 的实施例中，计量系统20包含各自配置成感测不同过程变量的第一和第二计量仪22，24。 但是，计量系统20不局限于特定数量的计量仪，而是可以包含例如仅单个计量仪或多个计 量仪。计量仪22，24可以从包含如下的非限制性组中选择基于微波的液位计、温度计、通 过确定流动物质的量来测量有多少流体流过管道的Coriolis流量计、或配置成根据物理 输入生成输出信号或根据输入信号生成物理输出的任何其它转换器。通常，转换器将输入转换成具有不同形式的输出。转换器的类型包括各种分析设 备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量发送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯
6等。而且，计量仪可以是有源的，无源的，或两者的组合，也就是说，计量仪可以配置成只发 送信息(例如，温度传感器)，只接收信息(例如，阀门)，或接收和发送信息的组合(例如， 雷达液位计)。计量系统20进一步包含配置成接收每个计量仪22，24提供的过程变量的处理单 元26。处理单元26也可以配置成，例如通过将控制命令提供给计量仪22，24来控制每个计 量仪22，24。处理单元26进一步配置成接收来自远程外部电源的功率。远程外部电源可 以通过在计量系统20附近已经可用的电源来提供，例如对计量系统周围的区域中的环境 照明供电的电源，例如230伏电源、工厂干线、电网等。也可以使用递送小于230伏(例如 大约12伏及以上)的远程外部电源。例如，在一些装置中，计量仪22/24可能需要比使用 电池、太阳能电池、或通过双线控制回路实际可获得的功率更大的功率，并且从远程外部电 源将功率提供给计量仪。也就是说，不单独使用双线控制回路对计量系统20供电。一般说 来，外部电源不是本质安全电源。但是，处理单元26中的供电电路执行适当操作来使得从 远程外部电源接收的功率稳定，使处理单元变成本质安全的。处理单元的处理电路可以提 供来自远程外部电源的输入功率与来自供电电路的作为输出提供的本质安全稳定功率之 间的电流隔离。另外，电缆28提供功率，并将外部电源与计量系统20连接。本质安全在这里应该理解为通过按照不带来潜在危险地允许易燃气体与电气设 备接触的当前标准IEC 6007911或相应的后续标准的防爆方法保护的含义。可在本质安全 电路中获得的电能局限于这样的水平，使得由电气故障引起的任何火花或发热表面都微弱 得不会引起点火。在适用于与图1中的主计算机7双向通信的一个实施例中，计量系统20还包含无 线通信单元30。无线通信单元30通过例如依照数字HART协议或任何其它适当通信协议安 排的本质安全接口 32与处理单元26连接。接口 32既向无线通信单元30提供功率，又在 无线通信单元30与处理单元26之间提供信息路径。按照本发明，无线通信单元30与处理 单元26之间的优选为双向的通信通过将信息(即，代表计量仪22，24中的至少一个感测的 过程变量的过程数据)叠加到接口 32上来提供。也就是说，将信息叠加在处理单元26与 无线通信单元30之间的接口 32上可以通过对与提供给无线通信单元的功率相关联的电压 电平稍作调整来提供。类似地，可以调整与提供给无线通信单元30的功率相关联的电流， 或者通过调整提供给无线通信单元30的功率本身。并且，存在包括例如将高频信号叠加到 提供给无线通信单元30的功率上的可能性。在一个实施例中，处理单元26的耦合输出单元(out-couplingunit)，S卩，处理单 元26的一部分(作为连接处理单元26和无线通信单元30的物理接口 32之前的最后一个 器件)，是数字HART通信调制解调器，它被配置成对无线通信单元30供电，将过程数据提供 给无线通信单元30，并接收来自无线通信单元30，例如由包含在无线通信单元30中的RF 电路接收的控制信息。数字HART通信调制解调器可以配置成在激活无线通信单元30的 时刻将至少40mW的功率递送给无线通信单元30。而且，例如通过编程HART调制解调器， 可以将输出电平设置成总是递送差不多20mA (即，在将数字HART协议安排成配置用来递送 4-20mA的双线控制接口的实施例中)，从而一般说来，足以允许在任何给定时刻激活无线 通信单元30。包含在无线通信单元30中的RF电路可以与天线34连接，以便将信息发射给 例如主计算机7，并接收来自计算机7的信息，其中主计算机7进而包含将信息发送给计量的信息的装置。在结合图2a提供的上面描述中，在分离的模块的上下文中(即包含计量仪22/24、 处理单元26和无线通信单元30的计量系统20)对计量系统20作了描述。但是，图2b例 示了计量仪具有集成处理单元的可替代实施例。在图2b中例示的组合计量/处理单元是附连在容器(例如储罐40)的顶部38上 的基于微波的液位计量/处理单元36。储罐40用于储存产品42。该产品可以是诸如石 油、精制产品、化学品和液化气，或可以是粉末状的材料。在储罐40的内部经由天线44从 液位计量/处理单元36发射微波束。发射束从产品42的表面46反射回来，并被天线44 接收。通过在控制单元中比较和评估发射束与反射束之间的时间延迟，以已知方式，例如通 过FMCW(调频连续波)或通过重复微波脉冲来进行产品表面46的液位的确定。但是，微波也可以经由诸如波导或同轴电缆(未示出)(例如通过TDR(时域反射 计)与产品通信)的微波传输媒体发送。液位计量/处理单元36的控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信 号处理器或另外的可编程器件。控制单元可以另外或替代性地包括专用集成电路(ASIC)、 可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或数字信号处理器。在控制单元包括诸 如上述微处理器或微控制器的可编程器件的情况下，处理器可以进一步包括控制可编程器 件的操作的计算机可执行代码。与结合图2a所描述的实施例类似，在图2b中例示的计量系统20从位于计量系统 20附近的大型电源接收功率。图3例示了处理单元26与无线通信单元30之间的连接的详细示意性方块图。正 如上面结合图2a所讨论的那样，处理单元26包含供电单元48和控制单元50，在一个实施 例中，还有数字HART调制解调器52。在操作期间，如上面简要讨论过的那样，控制单元50 接收感测的过程变量，该过程变量被处理成代表感测的过程变量的过程数据。类似地，供电 单元48接收来自外部电源的功率，并依照IS条例调适该功率。接着，将分别来自供电单元 48和控制单元50的功率和过程数据提供给HART调制解调器52，其中将过程数据叠加在要 供应给无线通信单元30的功率上。本质安全接口 32，例如双线连接，将处理单元26与无线通信单元30连接。在无线 通信单元30中，另一个数字HART调制解调器54接收组合的功率和通信信号，并将过程数 据与功率分离。在例示的实施例中，两个HART调制解调器52，54被用于处理单元26与无 线通信单元30之间的通信，并用于无线通信单元30的供电。但是，适用于组合和划分功率 和信息信号的其它类似装置也是可以的，并且在本发明的范围之内。在一个可替代实施例 中，本质安全接口 32包含三条导线，以便通过处理单元26简化无线通信单元30的供电。
将来自通信设备26的HART调制解调器54的输出，即，通信信号和功率，作为分离 的信号提供给RF电路56，RF电路56生成使用天线34发射的射频(RF)信号。正如上面讨 论过的那样，RF电路56也可以从外部单元(例如主计算机7)接收通信信号，接着将接收 的通信信号提供给无线通信单元30的HART调制解调器54，其中将它们叠加在从处理单元 26的HART调制解调器52接收的功率上。接收的通信信号接着将被处理单元26的HART调 制解调器52分离，并被提供给控制单元50作进一步处理。可以使用数字调制技术配置RF 电路56以便进行数字通信，或使用模拟调制技术依照更普通的模拟通信协议配置RF电路
856。但是，如有需要，可以使用任何通信协议，包括IEEE 802. 15. 4，或其它协议，包括专用通 信协议。现在转到图4，图4例示了包含按照本发明的计量系统的实现方式的油库Ib的顶 视图。与在图1中例示的现有油库Ia相比，油库Ib的储罐58，60，62和64通过无线通信 相互连接。于是，储罐58，60，62和64的每一个设置了如上面讨论过的计量系统20，包含 允许在储罐58，60，62和64之间进行无线通信的无线通信单元30。与图1中的油库Ia类 似，油库Ib包含具有用于接收通信信号的主计算机(未示出)的控制室66，其中主计算机 连接到从储罐58，60，62和64接收信号并将信号发送给储罐58，60，62和64的收发器68。 储罐58，60，62和64与收发器68之间的通信路径用虚线示出。在例示的实施例中，储罐58，60，62和64被配置成自组织网格网络，其中自组织网 格网络优选地依照时间同步网格协议(TSMP)来配置。TSMP在时间、频率和空间上提供冗余 和故障转移，以便即使在最具挑战性的无线电环境下也保证很高的可靠性。TSMP还提供自 组织、自修复网格路由所需的智能。而且，由于网络是自组织的，因此可以按需要扩展而无 需复杂规划。正如本领域技术人员所理解的那样，两个无线通信单元之间的实际无线通信距离 由于可允许的传输效果、当前RF环境等而受到限制。因此，在例示的实施例中，不是所有的 储罐58，60，62和64都可以与控制室66的收发器68直接通信。于是，作为一个例子，在安 排到储罐58上的计量系统20的无线通信单元与控制室66的收发器68之间的距离与可能 的无线范围相比太大的情况下，要在它们之间发送的信息使用网格协议来转发，例如，使用 储罐60的计量系统、储罐64的计量系统、储罐60和62的计量系统的组合、或储罐64和62 的计量系统的组合来转发，如通过例示可能的通信路径的虚线所示的那样。在计量系统20包含与相应多个无线通信单元连接的多个计量仪的可替代实施例 中，自组织实现了大量通信路径和在一个通信路径中断的情况下重新组织的能力。此外，通 过这种能力，按照本发明的储罐计量系统可用在甚至更广泛的应用领域中。因此，使用自组 织、自修复网格网络的效果是在计量系统与控制室之间的通信路径中引入了冗余，以及在 通信路径因条件变化(例如因天气、新的或未知的RF系统、运动设备和分布密度造成)而 中断的情况下重新组织的可能性。而且，尽管存在这些挑战，但自动节点连接和修复的全网格布局使网络可以长期 保持可靠性和可预测性。如同水向山下流动一样，仅自组织全网格网络能够通过可用节点 布局找到并利用最稳定路线。此外，全冗余路由既需要空间分集(尝试不同路线)又需要 时间分集(以后再次尝试)。于是，TSMP通过使每个节点能够发现多个可能母节点来覆盖 空间分集，然后建立与两个或更多个节点的链路。优选地，时间分集通过重试和故障转移机 制来管理。而且，本领域技术人员应该认识到，本发明决不局限于上面所述的优选实施例。相 反，本领域的技术人员应该明白，许多修改和变化都是可能的并且在所附权利要求书的范 围之内。例如，射频(RF)信号的发射可以包含任何频率的电磁发射，而不局限于特定频率 群，频率范围或任何其它限制。
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权利要求
一种计量系统，包含 计量仪，配置成感测过程变量并提供代表所述过程变量的过程数据； 与所述计量仪连接的处理单元，所述处理单元包含 供电电路，配置成接收来自远程外部电源的功率并提供稳定功率；以及 第一电路，配置成接收来自所述计量仪的过程数据并将所述过程数据叠加在所述稳定功率上形成功率信号；以及 通过双线控制回路与所述处理单元电连接的无线通信单元，所述无线通信单元包含 第二电路，配置成接收所述功率信号并将所述过程数据与所述稳定功率分离； 天线；以及 通过来自所述第二电路的稳定功率供电的射频RF通信电路，配置成接收来自所述第二电路的过程数据，并使用所述天线发射代表所述过程数据的RF信号，其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给定时刻发射RF信号。
2.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述稳定功率以本质安全方式提供。
3.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述功率信号以本质安全方式提供。
4.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述远程外部电源被配置成将至少100伏递送 给供电电路。
5.如权利要求1所述的计量系统，其中，被叠加的过程数据以数字方式被传送给所述 无线通信单元。
6.如权利要求1所述的计量系统，其中，被叠加的过程数据依照数字HART协议来安排。
7.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述组合电路包含在数字HART调制解调器中。
8.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述第二电路包含在数字HART调制解调器中。
9.如权利要求1所述的计量系统，其中，在发射RF信号的时刻，所述供电电路通过所述 功率信号将至少40mW提供给所述无线通信单元。
10.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述无线通信单元依照自组织网格网络来配置。
11.如权利要求10所述的计量系统，其中，所述自组织网格网络按照时间同步网格协 议TSMP来配置。
12.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述RF电路被配置用于数字通信。
13.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述RE电路被配置用于模拟通信。
14.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述处理单元与所述无线通信单元之间的电 连接包含第三导线。
15.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪是基于微波的液位计，配置成通 过微波能量的反射来感测储罐中的产品的液位。
16.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪是配置成感测储罐中的产品的温 度的温度计。
17.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪是配置成感测产品的质量流的直 接测量值的Coriolis流量计。
18.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪和所述处理单元在物理上是分离的。
19.如权利要求1所述的计量系统，其中，所述计量仪和所述处理单元在物理上是组合在一起的。
20. 一种用于将功率提供给通过双线控制回路与处理单元电连接的无线通信单元的方 法，其中所述方法包含-从连接到所述处理单元的计量仪接收感测的过程变量，从而形成代表所述过程变量 的过程数据；-根据从远程外部电源接收的功率提供稳定功率； -将所述过程数据叠加在所述稳定功率上，从而形成功率信号； -将所述功率信号提供给所述无线通信单元； -将所述过程数据与所述稳定功率分离；-将所述稳定功率提供给包含在所述无线通信单元中的射频RF通信电路； -将所述分离的过程数据提供给所述RF通信电路；以及 -通过与所述RF电路连接的天线发射代表所述过程数据的RF信号， 其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任 何给定时刻发射RF信号。
21.如权利要求1所述的方法，进一步包含以本质安全方式提供所述稳定功率的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种计量系统，包含计量仪，配置成感测过程变量并提供代表所述过程变量的过程数据；与所述计量仪连接的处理单元，所述处理单元包含配置成接收来自远程外部电源的功率并提供稳定功率的供电电路、和配置成接收来自所述计量仪的过程数据并将所述过程数据叠加在所述稳定功率上形成功率信号的第一电路；以及通过双线控制回路与所述处理单元电连接的无线通信单元，所述无线通信单元包含配置成接收所述功率信号并将所述过程数据与所述稳定功率分离的第二电路，天线，和通过来自所述第二电路的稳定功率供电、配置成接收来自所述第二电路的过程数据、并使用所述天线发射代表所述过程数据的RF信号的射频(RF)通信电路，其中，所述功率信号能够将足够的稳定功率递送给所述无线通信单元，以便允许在任何给定时刻发射RF信号。
文档编号G01F23/00GK101918992SQ200880123274
公开日2010年12月15日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年1月4日
发明者L·哈格 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司
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