JPH11506830A - ２線式レベル送信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセス用途に用いるレベル送信機（１０）は、タンク（１２）内の生産物（１４）の高さを測定する。レベル送信機（１０）は、タンク（１０）の内方へ指向されたマイクロ波アンテナ（１８）を含む。低電力マイクロ波発生源（７０）はマイクロ波アンテナ（１８）を介してマイクロ波信号を送信する。低電力マイクロ波受信機（７０）は反射マイクロ波信号を受信する。前記発生源および受信機に接続された測定回路（４２）は、マイクロ波の送信を開始させ、また受信された反射信号に基づいて生産物の高さを決定する。２線式プロセス制御ループ（２０）に接続された出力回路（４８、５６）は、ループ（２０）を介して生産物の高さに関する情報を伝送する。レベル送信機（１０）内の電源回路（４０）は、２線式プロセス制御ループ（２０）に接続されてループ（２０）から電力を受け取り、マイクロ波源およびマイクロ波受信機（７０）を含むレベル送信機（１０）に給電する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 ２線式レベル送信機 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すれぞれ表わす。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 使って送信機に給電できる。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、タンクに内へ指向され 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ＵＡＲ Ｔ５４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７ ４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、マイクロプロセッサー４２が動作できる十分なレベルに供給電 圧が達するとすぐに、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＋△ｆ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（Hug o 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（ △ｆ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、△ｆ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・△ｆ／ｆ₁×Ｃ／２・ｆ₁ … 式２ パルス伝播の片道距離＝Ｒ・△ｆ／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、 △ｆ＝ｆ₂−ｆ_l、 Ｒ＝エコー復帰の受信サンプルパルス （Ｒは０からｆ₁／△ｆ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８ ０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、１６ ｍＡ）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（Inte l）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Ｅ ＥＰＲＯＭ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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マニコール，スコット ディー. アメリカ合衆国 55419 ミネソタ州、ミ ネアポリス、ペン アベニュー サウス 5030

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．タンク内の生産物の高さを測定するため、２線式プロセス制御ループに接 続されたレベル送信機であって、 タンク内に指向されたマイクロ波アンテナと、 マイクロ波アンテナ経由でマイクロ波信号をタンク内へ送信する低電力マイク ロ波発生源と、 タンクから反射マイクロ波信号を受信するための低電力マイクロ波受信機と、 前記発生源と受信機とに接続され、マイクロ波信号の送信を開始させ、かつ受 信信号に基づいて生産物の高さを決定する測定回路と、 生産物の高さに関する情報を前記ループ経由で送信するように、２線式プロセ ス制御ループに接続された出力回路と、 ２線式プロセス制御ループに接続され、前記ループから電力を受け取ってレベ ル送信機に電力を供給する電力供給回路とから成るレベル送信機。 ２．前記測定回路が、マイクロ波信号の送信と反射マイクロ波信号の受信との 間の遅延時間を測定することを特徴とする請求項１記載のレベル送信機。 ３．前記測定回路が、前記発生源に接続されて、マイクロ波信号を第１クロッ ク速度で周期的に開始させる第１クロックを備えたことを特徴とする請求項１記 載のレベル送信機。 ４．前記測定回路は、さらに、前記受信機に接続されて、受信信 号を第２クロック速度で周期的にゲート操作する第２クロックを備え、前記測定 回路は、受信信号の受信および、第１クロック速度と第２クロック速度との差に 基づいて、生産物の高さを決定することを特徴とする請求項３記載のレベル送信 機。 ５．前記第２クロック速度が、第１クロック速度と速度差の和に基づいて設定 されることを特徴とする請求項４記載のレベル送信機。 ６．前記第１クロック速度がほぼ１．０ＭＨｚと４．０ＭＨｚの間であり、前 記第１クロック速度と第２クロック速度の差がほぼ１０Ｈｚと４０Ｈｚの間であ ることを特徴とする請求項４記載のレベル送信機。 ７．前記プロセス制御ループは４〜２０ｍＡプロセス制御ループであることを 特徴とする請求項１記載のレベル送信機。 ８．さらに、マイクロ波受信機に接続された第２のマイクロ波アンテナを備え たことを特徴とする請求項１記載のレベル送信機。 ９．さらに、受信マイクロ波信号を受け取って、第２クロック速度に応じてゲ ート操作された出力を発生するインパルス受信機を備えたことを特徴とする請求 項４記載のレベル送信機。 １０．さらに、レベル送信機の回路を収容した固有安全性のハウジングを備え たことを特徴とする請求項１記載のレベル送信機。 １１．前記マイクロ波アンテナが、マイクロ波信号を伝送するように、タンク 内まで延びた細長いマイクロ波プローブであることを特徴とする請求項１記載の レベル送信機。