專(zhuān)利名稱(chēng)：具有無(wú)線能力的計(jì)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有無(wú)線能力的計(jì)量系統(tǒng)(gauging system)。
背景技術(shù)：
用于測(cè)量包含在儲(chǔ)罐或儲(chǔ)藏箱中的產(chǎn)品的特性的系統(tǒng)_所謂的儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)_在 涉及到產(chǎn)品的處理、裝運(yùn)和儲(chǔ)存的應(yīng)用領(lǐng)域中，以及例如在化學(xué)加工工業(yè)中是無(wú)所不在的。由于要監(jiān)視和/或測(cè)量的產(chǎn)品往往是危險(xiǎn)品，因此對(duì)于像位于所謂危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的儲(chǔ) 罐計(jì)量系統(tǒng)或至少其一些部分那樣的設(shè)備存在特殊的安全要求。因此，這樣的設(shè)備一般需 要被證明是防爆的或本質(zhì)安全(intrinsically safe)的。對(duì)于本質(zhì)安全設(shè)備，存在著保證 設(shè)備不能引起可能存在于危險(xiǎn)區(qū)中的氣體點(diǎn)燃的限制。應(yīng)用儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)的代表性領(lǐng)域在通常稱(chēng)為“油庫(kù)”的石油產(chǎn)品等的儲(chǔ)存設(shè)施中。 在這樣的油庫(kù)中，每個(gè)儲(chǔ)罐通常裝有許多感測(cè)單元，每個(gè)感測(cè)單元被配置成感測(cè)包含在該 儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品的諸如液位(level)、溫度、壓力等的某種特性。用于危險(xiǎn)環(huán)境的傳統(tǒng)本質(zhì)安全系統(tǒng)是主要為模擬的所謂4_20mA系統(tǒng)，其中感測(cè) 單元以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式經(jīng)由本質(zhì)安全屏障與中央主機(jī)連接，以便提供危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的本質(zhì)安全。容易理解，傳統(tǒng)4_20mA系統(tǒng)需要大量連線。尤其是對(duì)于像儲(chǔ)罐可以分開(kāi)相當(dāng)大距 離的油庫(kù)那樣的應(yīng)用，所需的連線以及大量本質(zhì)安全屏障，占安裝儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)的成本的 很大一部分。減少本質(zhì)安全系統(tǒng)中的連線數(shù)量的一種方法是使用數(shù)字本質(zhì)安全通信總線。當(dāng)使 用這樣的總線時(shí)，可以沿著總線連接各種傳感器，并且，將一條電纜從許多傳感器路由到控 制室就足夠了。這種數(shù)字通信總線的一個(gè)例子是可以在一個(gè)總線區(qū)段上連接最多達(dá)15個(gè) 傳感器的HART總線。減少本質(zhì)安全系統(tǒng)中的連線數(shù)量的另一種方法是將無(wú)線技術(shù)用于與 感測(cè)單元通信。例如，使用完全無(wú)線的裝置，其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用電池、太陽(yáng)能電池或其它技 術(shù)來(lái)獲取功率而沒(méi)有任何有線連接。另一個(gè)例子由US 7262693提供，它公開(kāi)了與感測(cè)單元有線和無(wú)線通信的組合。在 這個(gè)例子中，本質(zhì)安全控制回路將數(shù)據(jù)傳送到并將功率提供給與感測(cè)單元串聯(lián)的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備，并且使用從本質(zhì)安全雙線過(guò)程控制回路接收的功率對(duì)無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的RF電路供 電。該無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)一步適用于限制其對(duì)雙線過(guò)程控制回路的影響。但是，在一些情況下的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只提供無(wú)線發(fā)送和接收信息的有限可能性， 因?yàn)樵诳梢詫⒍嗌俟β侍峁┙o無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備而不嚴(yán)重影響通過(guò)雙線過(guò)程控制回路傳遞的 信息的意義上講，本質(zhì)安全雙線過(guò)程控制回路受到嚴(yán)格限制。因此，需要一種具有無(wú)線能力的改進(jìn)計(jì)量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述及其它缺陷，本發(fā)明的一般目的是提供具有無(wú)線能力的改進(jìn) 計(jì)量系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提高計(jì)量系統(tǒng)中無(wú)線發(fā)送和接收信息的可能性。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，這些和其它目的通過(guò)一種計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該計(jì)量系統(tǒng)包 括計(jì)量?jī)x(gauge)，配置成感測(cè)過(guò)程變量(processvariable)并提供代表所述過(guò)程變量的 過(guò)程數(shù)據(jù)(process data)；與所述計(jì)量?jī)x連接的處理單元，所述處理單元包含配置成接 收來(lái)自遠(yuǎn)程外部電源的功率并提供穩(wěn)定功率(regulated power)的供電電路，和配置成接 收來(lái)自所述計(jì)量?jī)x的過(guò)程數(shù)據(jù)并將所述過(guò)程數(shù)據(jù)疊加在所述穩(wěn)定功率上形成功率信號(hào)的 第一電路；以及通過(guò)雙線控制回路與所述處理單元電連接的無(wú)線通信單元，所述無(wú)線通信 單元包含配置成接收所述功率信號(hào)并將所述過(guò)程數(shù)據(jù)與所述穩(wěn)定功率分離的第二電路， 天線，和通過(guò)來(lái)自所述第二電路的穩(wěn)定功率供電、配置成接收來(lái)自所述第二電路的過(guò)程數(shù) 據(jù)、并使用所述天線發(fā)射代表所述過(guò)程數(shù)據(jù)的RF信號(hào)的射頻(RF)通信電路，其中，所述功 率信號(hào)能夠?qū)⒆銐虻姆€(wěn)定功率遞送給所述無(wú)線通信單元，以便允許在任何給定時(shí)刻發(fā)射RF 信號(hào)。本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)，即可以從遠(yuǎn)程外部電源與計(jì)量系統(tǒng)結(jié)合在一起使用的 事實(shí)中取得積極效果。通過(guò)按照本發(fā)明的配置，通過(guò)具有可恒定獲得的遠(yuǎn)程電源，可以在任 何給定時(shí)刻激活無(wú)線通信單元。任何時(shí)刻的激活理論上看起來(lái)允許進(jìn)行連續(xù)無(wú)線通信。但 是，實(shí)際上，連續(xù)無(wú)線通信也許是不可行的，因?yàn)闊o(wú)線帶寬在不同無(wú)線設(shè)備之間分享，不同 無(wú)線設(shè)備被安排成在與無(wú)線通信單元中的RF電路被配置來(lái)通信的頻率相同或相近的頻率 上通信。在任何情況下，通過(guò)按照本發(fā)明的供電配置，可以為計(jì)量?jī)x和處理單元的連續(xù)供電 提供足夠量的功率。同時(shí)，允許在任何給定時(shí)刻激活無(wú)線通信單元。代表計(jì)量?jī)x感測(cè)的過(guò)程變量的過(guò)程數(shù)據(jù)，以及類(lèi)似地，RF電路接收的要提供給處 理單元的信息可以傳送給外部控制系統(tǒng)(例如與操作控制室相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng))并從這樣 的外部控制系統(tǒng)被接收。通過(guò)這種配置，可以提供智能計(jì)量系統(tǒng)，它們不僅能夠向外部控制 系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)，而且能夠向外部控制系統(tǒng)提供通過(guò)例如處理單元以多種方式處理過(guò)的 測(cè)量數(shù)據(jù)?？捎迷诎凑毡景l(fā)明的計(jì)量系統(tǒng)中的適當(dāng)無(wú)線通信單元的一個(gè)例子公開(kāi)在此處通 過(guò)引用全部并入的US 7，262，693中。這樣的處理可以包括聚集從計(jì)量?jī)x獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，以便例如幫助統(tǒng)計(jì)分析，以 及組合來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多個(gè)計(jì)量?jī)x的測(cè)量數(shù)據(jù)。該處理可以得出指示諸如液位、體積、密度或 其組合的參數(shù)的數(shù)據(jù)。此外，由此可以避免用于過(guò)程數(shù)據(jù)的傳遞的分立連線，并且可以緩解 對(duì)圍繞基于微波的液位計(jì)的防爆屏障的需要。從而可以顯著降低安裝和采購(gòu)成本。也就是 說(shuō)，該計(jì)量?jī)x不局限于任何特定類(lèi)型的測(cè)量設(shè)備。但是，在一個(gè)實(shí)施例中，該計(jì)量?jī)x是基于微波的液位計(jì)(levelgauge)，配置成通過(guò) 微波能量的反射來(lái)感測(cè)儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品的液位。該基于微波的液位計(jì)適用于發(fā)射連續(xù)信號(hào)， 并且，該基于微波的液位計(jì)可以包含適用于根據(jù)接收的回波信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位差 來(lái)確定儲(chǔ)罐液位的處理電路。雖然與其它類(lèi)型的感測(cè)單元相比需要相對(duì)較大的功率，例如， 需要遠(yuǎn)程外部電源，但該基于微波的液位計(jì)一般能夠進(jìn)行非常準(zhǔn)確的液位測(cè)量。該基于微 波的液位計(jì)可以依照FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)或TDR(時(shí)域反射計(jì))配置來(lái)配置。但是，也可以 使用除了 FMCW和TDR之外的其它測(cè)量過(guò)程。按照本發(fā)明的計(jì)量系統(tǒng)還可以包含進(jìn)一步的計(jì)量?jī)x。例如，可以將基于微波的液 位計(jì)和溫度計(jì)與同一處理單元連接，以便向和從單個(gè)無(wú)線通信單元發(fā)送和接收信息。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種將功率提供給通過(guò)雙線控制回路與處理單元 電連接的無(wú)線通信單元的方法，其中，所述方法包含從連接到所述處理單元的計(jì)量?jī)x接收 感測(cè)的過(guò)程變量，從而形成代表所述過(guò)程變量的過(guò)程數(shù)據(jù)；根據(jù)從遠(yuǎn)程外部電源接收的功 率提供穩(wěn)定功率；將所述過(guò)程數(shù)據(jù)疊加在所述穩(wěn)定功率上，從而形成功率信號(hào)；將所述功 率信號(hào)提供給所述無(wú)線通信單元；將所述過(guò)程數(shù)據(jù)與所述穩(wěn)定功率分離；將所述穩(wěn)定功率 提供給包含在所述無(wú)線通信單元中的射頻(RF)通信電路；將所述分離的過(guò)程數(shù)據(jù)提供給 所述RF通信電路；以及通過(guò)與所述RF電路連接的天線發(fā)射代表所述過(guò)程數(shù)據(jù)的RF信號(hào)， 其中，所述功率信號(hào)能夠?qū)⒆銐虻姆€(wěn)定功率遞送給所述無(wú)線通信單元，以便允許在任何給 定時(shí)刻發(fā)射RF信號(hào)。通過(guò)本發(fā)明的這個(gè)第二方面也可以達(dá)到與上面結(jié)合本發(fā)明的第一方面所述的那 些類(lèi)似的進(jìn)一步效果。


現(xiàn)在參考示出本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其它 方面，在附圖中圖1是將多個(gè)計(jì)量系統(tǒng)連在一起的現(xiàn)有油庫(kù)的示意性方塊圖；圖2a和2b是按照本發(fā)明的兩種不同計(jì)量系統(tǒng)的示意性方塊圖；圖3是包含在計(jì)量系統(tǒng)中的處理單元和無(wú)線通信單元之間的連接的詳細(xì)示意性 方塊圖；以及圖4示意性地例示了多個(gè)計(jì)量系統(tǒng)被安排來(lái)通信的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)施例方式在本說(shuō)明書(shū)中，主要參考安裝在包含產(chǎn)品的容器上的雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)來(lái)描述本發(fā) 明的實(shí)施例。但是，應(yīng)該注意到，這并不意味著限制可以以許多不同形式實(shí)施的本發(fā)明的范 圍，也不應(yīng)該理解為局限于本文所述的實(shí)施例；而是，這些實(shí)施例是為全面性和完整性而提 供的，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分表達(dá)本發(fā)明的范圍。相似的標(biāo)號(hào)自始至終表示相似的元件。圖1示出了作為多個(gè)計(jì)量系統(tǒng)連在一起的現(xiàn)有油庫(kù)的一個(gè)例子的油庫(kù)la。在圖 1中，舉例來(lái)說(shuō)，三個(gè)儲(chǔ)罐2a_c的每一個(gè)都被顯示成裝有儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)，包括這里顯示為分 立控制單元3a_c的控制器、基于微波的液位計(jì)4a_c、和溫度感測(cè)單元5a_c。該儲(chǔ)罐計(jì)量系 統(tǒng)經(jīng)由外部系統(tǒng)總線6連接到主計(jì)算機(jī)7，主計(jì)算機(jī)7被配置成控制包含在儲(chǔ)罐2a-c內(nèi)的 產(chǎn)品的液位和其它參數(shù)。參考圖2a，現(xiàn)在與過(guò)程變量的測(cè)量相聯(lián)系描述按照本發(fā)明的計(jì)量系統(tǒng)20。在例示 的實(shí)施例中，計(jì)量系統(tǒng)20包含各自配置成感測(cè)不同過(guò)程變量的第一和第二計(jì)量?jī)x22，24。 但是，計(jì)量系統(tǒng)20不局限于特定數(shù)量的計(jì)量?jī)x，而是可以包含例如僅單個(gè)計(jì)量?jī)x或多個(gè)計(jì) 量?jī)x。計(jì)量?jī)x22，24可以從包含如下的非限制性組中選擇基于微波的液位計(jì)、溫度計(jì)、通 過(guò)確定流動(dòng)物質(zhì)的量來(lái)測(cè)量有多少流體流過(guò)管道的Coriolis流量計(jì)、或配置成根據(jù)物理 輸入生成輸出信號(hào)或根據(jù)輸入信號(hào)生成物理輸出的任何其它轉(zhuǎn)換器。通常，轉(zhuǎn)換器將輸入轉(zhuǎn)換成具有不同形式的輸出。轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型包括各種分析設(shè) 備、壓力傳感器、熱敏電阻、熱電偶、應(yīng)變計(jì)、流量發(fā)送器、定位器、致動(dòng)器、螺線管、指示燈
6等。而且，計(jì)量?jī)x可以是有源的，無(wú)源的，或兩者的組合，也就是說(shuō)，計(jì)量?jī)x可以配置成只發(fā) 送信息(例如，溫度傳感器)，只接收信息(例如，閥門(mén))，或接收和發(fā)送信息的組合(例如， 雷達(dá)液位計(jì))。計(jì)量系統(tǒng)20進(jìn)一步包含配置成接收每個(gè)計(jì)量?jī)x22，24提供的過(guò)程變量的處理單 元26。處理單元26也可以配置成，例如通過(guò)將控制命令提供給計(jì)量?jī)x22，24來(lái)控制每個(gè)計(jì) 量?jī)x22，24。處理單元26進(jìn)一步配置成接收來(lái)自遠(yuǎn)程外部電源的功率。遠(yuǎn)程外部電源可 以通過(guò)在計(jì)量系統(tǒng)20附近已經(jīng)可用的電源來(lái)提供，例如對(duì)計(jì)量系統(tǒng)周?chē)膮^(qū)域中的環(huán)境 照明供電的電源，例如230伏電源、工廠干線、電網(wǎng)等。也可以使用遞送小于230伏(例如 大約12伏及以上)的遠(yuǎn)程外部電源。例如，在一些裝置中，計(jì)量?jī)x22/24可能需要比使用 電池、太陽(yáng)能電池、或通過(guò)雙線控制回路實(shí)際可獲得的功率更大的功率，并且從遠(yuǎn)程外部電 源將功率提供給計(jì)量?jī)x。也就是說(shuō)，不單獨(dú)使用雙線控制回路對(duì)計(jì)量系統(tǒng)20供電。一般說(shuō) 來(lái)，外部電源不是本質(zhì)安全電源。但是，處理單元26中的供電電路執(zhí)行適當(dāng)操作來(lái)使得從 遠(yuǎn)程外部電源接收的功率穩(wěn)定，使處理單元變成本質(zhì)安全的。處理單元的處理電路可以提 供來(lái)自遠(yuǎn)程外部電源的輸入功率與來(lái)自供電電路的作為輸出提供的本質(zhì)安全穩(wěn)定功率之 間的電流隔離。另外，電纜28提供功率，并將外部電源與計(jì)量系統(tǒng)20連接。本質(zhì)安全在這里應(yīng)該理解為通過(guò)按照不帶來(lái)潛在危險(xiǎn)地允許易燃?xì)怏w與電氣設(shè) 備接觸的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)IEC 6007911或相應(yīng)的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的防爆方法保護(hù)的含義?？稍诒举|(zhì)安全 電路中獲得的電能局限于這樣的水平，使得由電氣故障引起的任何火花或發(fā)熱表面都微弱 得不會(huì)引起點(diǎn)火。在適用于與圖1中的主計(jì)算機(jī)7雙向通信的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)量系統(tǒng)20還包含無(wú) 線通信單元30。無(wú)線通信單元30通過(guò)例如依照數(shù)字HART協(xié)議或任何其它適當(dāng)通信協(xié)議安 排的本質(zhì)安全接口 32與處理單元26連接。接口 32既向無(wú)線通信單元30提供功率，又在 無(wú)線通信單元30與處理單元26之間提供信息路徑。按照本發(fā)明，無(wú)線通信單元30與處理 單元26之間的優(yōu)選為雙向的通信通過(guò)將信息(即，代表計(jì)量?jī)x22，24中的至少一個(gè)感測(cè)的 過(guò)程變量的過(guò)程數(shù)據(jù))疊加到接口 32上來(lái)提供。也就是說(shuō)，將信息疊加在處理單元26與 無(wú)線通信單元30之間的接口 32上可以通過(guò)對(duì)與提供給無(wú)線通信單元的功率相關(guān)聯(lián)的電壓 電平稍作調(diào)整來(lái)提供。類(lèi)似地，可以調(diào)整與提供給無(wú)線通信單元30的功率相關(guān)聯(lián)的電流， 或者通過(guò)調(diào)整提供給無(wú)線通信單元30的功率本身。并且，存在包括例如將高頻信號(hào)疊加到 提供給無(wú)線通信單元30的功率上的可能性。在一個(gè)實(shí)施例中，處理單元26的耦合輸出單元(out-couplingunit)，S卩，處理單 元26的一部分(作為連接處理單元26和無(wú)線通信單元30的物理接口 32之前的最后一個(gè) 器件)，是數(shù)字HART通信調(diào)制解調(diào)器，它被配置成對(duì)無(wú)線通信單元30供電，將過(guò)程數(shù)據(jù)提供 給無(wú)線通信單元30，并接收來(lái)自無(wú)線通信單元30，例如由包含在無(wú)線通信單元30中的RF 電路接收的控制信息。數(shù)字HART通信調(diào)制解調(diào)器可以配置成在激活無(wú)線通信單元30的 時(shí)刻將至少40mW的功率遞送給無(wú)線通信單元30。而且，例如通過(guò)編程HART調(diào)制解調(diào)器， 可以將輸出電平設(shè)置成總是遞送差不多20mA (即，在將數(shù)字HART協(xié)議安排成配置用來(lái)遞送 4-20mA的雙線控制接口的實(shí)施例中)，從而一般說(shuō)來(lái)，足以允許在任何給定時(shí)刻激活無(wú)線 通信單元30。包含在無(wú)線通信單元30中的RF電路可以與天線34連接，以便將信息發(fā)射給 例如主計(jì)算機(jī)7，并接收來(lái)自計(jì)算機(jī)7的信息，其中主計(jì)算機(jī)7進(jìn)而包含將信息發(fā)送給計(jì)量的信息的裝置。在結(jié)合圖2a提供的上面描述中，在分離的模塊的上下文中(即包含計(jì)量?jī)x22/24、 處理單元26和無(wú)線通信單元30的計(jì)量系統(tǒng)20)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)20作了描述。但是，圖2b例 示了計(jì)量?jī)x具有集成處理單元的可替代實(shí)施例。在圖2b中例示的組合計(jì)量/處理單元是附連在容器(例如儲(chǔ)罐40)的頂部38上 的基于微波的液位計(jì)量/處理單元36。儲(chǔ)罐40用于儲(chǔ)存產(chǎn)品42。該產(chǎn)品可以是諸如石 油、精制產(chǎn)品、化學(xué)品和液化氣，或可以是粉末狀的材料。在儲(chǔ)罐40的內(nèi)部經(jīng)由天線44從 液位計(jì)量/處理單元36發(fā)射微波束。發(fā)射束從產(chǎn)品42的表面46反射回來(lái)，并被天線44 接收。通過(guò)在控制單元中比較和評(píng)估發(fā)射束與反射束之間的時(shí)間延遲，以已知方式，例如通 過(guò)FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)或通過(guò)重復(fù)微波脈沖來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品表面46的液位的確定。但是，微波也可以經(jīng)由諸如波導(dǎo)或同軸電纜(未示出)(例如通過(guò)TDR(時(shí)域反射 計(jì))與產(chǎn)品通信)的微波傳輸媒體發(fā)送。液位計(jì)量/處理單元36的控制單元可以包括微處理器、微控制器、可編程數(shù)字信 號(hào)處理器或另外的可編程器件?？刂茊卧梢粤硗饣蛱娲缘匕▽?zhuān)用集成電路(ASIC)、 可編程門(mén)陣列、可編程陣列邏輯、可編程邏輯器件、或數(shù)字信號(hào)處理器。在控制單元包括諸 如上述微處理器或微控制器的可編程器件的情況下，處理器可以進(jìn)一步包括控制可編程器 件的操作的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行代碼。與結(jié)合圖2a所描述的實(shí)施例類(lèi)似，在圖2b中例示的計(jì)量系統(tǒng)20從位于計(jì)量系統(tǒng) 20附近的大型電源接收功率。圖3例示了處理單元26與無(wú)線通信單元30之間的連接的詳細(xì)示意性方塊圖。正 如上面結(jié)合圖2a所討論的那樣，處理單元26包含供電單元48和控制單元50，在一個(gè)實(shí)施 例中，還有數(shù)字HART調(diào)制解調(diào)器52。在操作期間，如上面簡(jiǎn)要討論過(guò)的那樣，控制單元50 接收感測(cè)的過(guò)程變量，該過(guò)程變量被處理成代表感測(cè)的過(guò)程變量的過(guò)程數(shù)據(jù)。類(lèi)似地，供電 單元48接收來(lái)自外部電源的功率，并依照IS條例調(diào)適該功率。接著，將分別來(lái)自供電單元 48和控制單元50的功率和過(guò)程數(shù)據(jù)提供給HART調(diào)制解調(diào)器52，其中將過(guò)程數(shù)據(jù)疊加在要 供應(yīng)給無(wú)線通信單元30的功率上。本質(zhì)安全接口 32，例如雙線連接，將處理單元26與無(wú)線通信單元30連接。在無(wú)線 通信單元30中，另一個(gè)數(shù)字HART調(diào)制解調(diào)器54接收組合的功率和通信信號(hào)，并將過(guò)程數(shù) 據(jù)與功率分離。在例示的實(shí)施例中，兩個(gè)HART調(diào)制解調(diào)器52，54被用于處理單元26與無(wú) 線通信單元30之間的通信，并用于無(wú)線通信單元30的供電。但是，適用于組合和劃分功率 和信息信號(hào)的其它類(lèi)似裝置也是可以的，并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在一個(gè)可替代實(shí)施例 中，本質(zhì)安全接口 32包含三條導(dǎo)線，以便通過(guò)處理單元26簡(jiǎn)化無(wú)線通信單元30的供電。
將來(lái)自通信設(shè)備26的HART調(diào)制解調(diào)器54的輸出，即，通信信號(hào)和功率，作為分離 的信號(hào)提供給RF電路56，RF電路56生成使用天線34發(fā)射的射頻(RF)信號(hào)。正如上面討 論過(guò)的那樣，RF電路56也可以從外部單元(例如主計(jì)算機(jī)7)接收通信信號(hào)，接著將接收 的通信信號(hào)提供給無(wú)線通信單元30的HART調(diào)制解調(diào)器54，其中將它們疊加在從處理單元 26的HART調(diào)制解調(diào)器52接收的功率上。接收的通信信號(hào)接著將被處理單元26的HART調(diào) 制解調(diào)器52分離，并被提供給控制單元50作進(jìn)一步處理。可以使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)配置RF 電路56以便進(jìn)行數(shù)字通信，或使用模擬調(diào)制技術(shù)依照更普通的模擬通信協(xié)議配置RF電路
856。但是，如有需要，可以使用任何通信協(xié)議，包括IEEE 802. 15. 4，或其它協(xié)議，包括專(zhuān)用通 信協(xié)議?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，圖4例示了包含按照本發(fā)明的計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式的油庫(kù)Ib的頂 視圖。與在圖1中例示的現(xiàn)有油庫(kù)Ia相比，油庫(kù)Ib的儲(chǔ)罐58，60，62和64通過(guò)無(wú)線通信 相互連接。于是，儲(chǔ)罐58，60，62和64的每一個(gè)設(shè)置了如上面討論過(guò)的計(jì)量系統(tǒng)20，包含 允許在儲(chǔ)罐58，60，62和64之間進(jìn)行無(wú)線通信的無(wú)線通信單元30。與圖1中的油庫(kù)Ia類(lèi) 似，油庫(kù)Ib包含具有用于接收通信信號(hào)的主計(jì)算機(jī)(未示出)的控制室66，其中主計(jì)算機(jī) 連接到從儲(chǔ)罐58，60，62和64接收信號(hào)并將信號(hào)發(fā)送給儲(chǔ)罐58，60，62和64的收發(fā)器68。 儲(chǔ)罐58，60，62和64與收發(fā)器68之間的通信路徑用虛線示出。在例示的實(shí)施例中，儲(chǔ)罐58，60，62和64被配置成自組織網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，其中自組織網(wǎng) 格網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選地依照時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議(TSMP)來(lái)配置。TSMP在時(shí)間、頻率和空間上提供冗余 和故障轉(zhuǎn)移，以便即使在最具挑戰(zhàn)性的無(wú)線電環(huán)境下也保證很高的可靠性。TSMP還提供自 組織、自修復(fù)網(wǎng)格路由所需的智能。而且，由于網(wǎng)絡(luò)是自組織的，因此可以按需要擴(kuò)展而無(wú) 需復(fù)雜規(guī)劃。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，兩個(gè)無(wú)線通信單元之間的實(shí)際無(wú)線通信距離 由于可允許的傳輸效果、當(dāng)前RF環(huán)境等而受到限制。因此，在例示的實(shí)施例中，不是所有的 儲(chǔ)罐58，60，62和64都可以與控制室66的收發(fā)器68直接通信。于是，作為一個(gè)例子，在安 排到儲(chǔ)罐58上的計(jì)量系統(tǒng)20的無(wú)線通信單元與控制室66的收發(fā)器68之間的距離與可能 的無(wú)線范圍相比太大的情況下，要在它們之間發(fā)送的信息使用網(wǎng)格協(xié)議來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，例如，使用 儲(chǔ)罐60的計(jì)量系統(tǒng)、儲(chǔ)罐64的計(jì)量系統(tǒng)、儲(chǔ)罐60和62的計(jì)量系統(tǒng)的組合、或儲(chǔ)罐64和62 的計(jì)量系統(tǒng)的組合來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，如通過(guò)例示可能的通信路徑的虛線所示的那樣。在計(jì)量系統(tǒng)20包含與相應(yīng)多個(gè)無(wú)線通信單元連接的多個(gè)計(jì)量?jī)x的可替代實(shí)施例 中，自組織實(shí)現(xiàn)了大量通信路徑和在一個(gè)通信路徑中斷的情況下重新組織的能力。此外，通 過(guò)這種能力，按照本發(fā)明的儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)可用在甚至更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中。因此，使用自組 織、自修復(fù)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的效果是在計(jì)量系統(tǒng)與控制室之間的通信路徑中引入了冗余，以及在 通信路徑因條件變化(例如因天氣、新的或未知的RF系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)設(shè)備和分布密度造成)而 中斷的情況下重新組織的可能性。而且，盡管存在這些挑戰(zhàn)，但自動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接和修復(fù)的全網(wǎng)格布局使網(wǎng)絡(luò)可以長(zhǎng)期 保持可靠性和可預(yù)測(cè)性。如同水向山下流動(dòng)一樣，僅自組織全網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)可用節(jié)點(diǎn) 布局找到并利用最穩(wěn)定路線。此外，全冗余路由既需要空間分集(嘗試不同路線)又需要 時(shí)間分集(以后再次嘗試)。于是，TSMP通過(guò)使每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)多個(gè)可能母節(jié)點(diǎn)來(lái)覆蓋 空間分集，然后建立與兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈路。優(yōu)選地，時(shí)間分集通過(guò)重試和故障轉(zhuǎn)移機(jī) 制來(lái)管理。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明決不局限于上面所述的優(yōu)選實(shí)施例。相 反，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，許多修改和變化都是可能的并且在所附權(quán)利要求書(shū)的范 圍之內(nèi)。例如，射頻(RF)信號(hào)的發(fā)射可以包含任何頻率的電磁發(fā)射，而不局限于特定頻率 群，頻率范圍或任何其它限制。
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權(quán)利要求
一種計(jì)量系統(tǒng)，包含 計(jì)量?jī)x，配置成感測(cè)過(guò)程變量并提供代表所述過(guò)程變量的過(guò)程數(shù)據(jù)； 與所述計(jì)量?jī)x連接的處理單元，所述處理單元包含 供電電路，配置成接收來(lái)自遠(yuǎn)程外部電源的功率并提供穩(wěn)定功率；以及 第一電路，配置成接收來(lái)自所述計(jì)量?jī)x的過(guò)程數(shù)據(jù)并將所述過(guò)程數(shù)據(jù)疊加在所述穩(wěn)定功率上形成功率信號(hào)；以及 通過(guò)雙線控制回路與所述處理單元電連接的無(wú)線通信單元，所述無(wú)線通信單元包含 第二電路，配置成接收所述功率信號(hào)并將所述過(guò)程數(shù)據(jù)與所述穩(wěn)定功率分離； 天線；以及 通過(guò)來(lái)自所述第二電路的穩(wěn)定功率供電的射頻RF通信電路，配置成接收來(lái)自所述第二電路的過(guò)程數(shù)據(jù)，并使用所述天線發(fā)射代表所述過(guò)程數(shù)據(jù)的RF信號(hào)，其中，所述功率信號(hào)能夠?qū)⒆銐虻姆€(wěn)定功率遞送給所述無(wú)線通信單元，以便允許在任何給定時(shí)刻發(fā)射RF信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述穩(wěn)定功率以本質(zhì)安全方式提供。
3.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述功率信號(hào)以本質(zhì)安全方式提供。
4.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述遠(yuǎn)程外部電源被配置成將至少100伏遞送 給供電電路。
5.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，被疊加的過(guò)程數(shù)據(jù)以數(shù)字方式被傳送給所述 無(wú)線通信單元。
6.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，被疊加的過(guò)程數(shù)據(jù)依照數(shù)字HART協(xié)議來(lái)安排。
7.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述組合電路包含在數(shù)字HART調(diào)制解調(diào)器中。
8.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述第二電路包含在數(shù)字HART調(diào)制解調(diào)器中。
9.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，在發(fā)射RF信號(hào)的時(shí)刻，所述供電電路通過(guò)所述 功率信號(hào)將至少40mW提供給所述無(wú)線通信單元。
10.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述無(wú)線通信單元依照自組織網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)來(lái)配置。
11.如權(quán)利要求10所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述自組織網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)按照時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié) 議TSMP來(lái)配置。
12.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述RF電路被配置用于數(shù)字通信。
13.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述RE電路被配置用于模擬通信。
14.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述處理單元與所述無(wú)線通信單元之間的電 連接包含第三導(dǎo)線。
15.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述計(jì)量?jī)x是基于微波的液位計(jì)，配置成通 過(guò)微波能量的反射來(lái)感測(cè)儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品的液位。
16.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述計(jì)量?jī)x是配置成感測(cè)儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品的溫 度的溫度計(jì)。
17.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述計(jì)量?jī)x是配置成感測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量流的直 接測(cè)量值的Coriolis流量計(jì)。
18.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述計(jì)量?jī)x和所述處理單元在物理上是分離的。
19.如權(quán)利要求1所述的計(jì)量系統(tǒng)，其中，所述計(jì)量?jī)x和所述處理單元在物理上是組合在一起的。
20. 一種用于將功率提供給通過(guò)雙線控制回路與處理單元電連接的無(wú)線通信單元的方 法，其中所述方法包含-從連接到所述處理單元的計(jì)量?jī)x接收感測(cè)的過(guò)程變量，從而形成代表所述過(guò)程變量 的過(guò)程數(shù)據(jù)；-根據(jù)從遠(yuǎn)程外部電源接收的功率提供穩(wěn)定功率； -將所述過(guò)程數(shù)據(jù)疊加在所述穩(wěn)定功率上，從而形成功率信號(hào)； -將所述功率信號(hào)提供給所述無(wú)線通信單元； -將所述過(guò)程數(shù)據(jù)與所述穩(wěn)定功率分離；-將所述穩(wěn)定功率提供給包含在所述無(wú)線通信單元中的射頻RF通信電路； -將所述分離的過(guò)程數(shù)據(jù)提供給所述RF通信電路；以及 -通過(guò)與所述RF電路連接的天線發(fā)射代表所述過(guò)程數(shù)據(jù)的RF信號(hào)， 其中，所述功率信號(hào)能夠?qū)⒆銐虻姆€(wěn)定功率遞送給所述無(wú)線通信單元，以便允許在任 何給定時(shí)刻發(fā)射RF信號(hào)。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含以本質(zhì)安全方式提供所述穩(wěn)定功率的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計(jì)量系統(tǒng)，包含計(jì)量?jī)x，配置成感測(cè)過(guò)程變量并提供代表所述過(guò)程變量的過(guò)程數(shù)據(jù)；與所述計(jì)量?jī)x連接的處理單元，所述處理單元包含配置成接收來(lái)自遠(yuǎn)程外部電源的功率并提供穩(wěn)定功率的供電電路、和配置成接收來(lái)自所述計(jì)量?jī)x的過(guò)程數(shù)據(jù)并將所述過(guò)程數(shù)據(jù)疊加在所述穩(wěn)定功率上形成功率信號(hào)的第一電路；以及通過(guò)雙線控制回路與所述處理單元電連接的無(wú)線通信單元，所述無(wú)線通信單元包含配置成接收所述功率信號(hào)并將所述過(guò)程數(shù)據(jù)與所述穩(wěn)定功率分離的第二電路，天線，和通過(guò)來(lái)自所述第二電路的穩(wěn)定功率供電、配置成接收來(lái)自所述第二電路的過(guò)程數(shù)據(jù)、并使用所述天線發(fā)射代表所述過(guò)程數(shù)據(jù)的RF信號(hào)的射頻(RF)通信電路，其中，所述功率信號(hào)能夠?qū)⒆銐虻姆€(wěn)定功率遞送給所述無(wú)線通信單元，以便允許在任何給定時(shí)刻發(fā)射RF信號(hào)。
文檔編號(hào)G01F23/00GK101918992SQ200880123274
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者L·哈格 申請(qǐng)人:羅斯蒙特雷達(dá)液位股份公司