专利名称：过程流体中的材料浓度的测量的制作方法
技术领域：
过程控制业采用了过程变量发送器，以便远程地监控与化学、纸浆、石油、药品、食品和其他食品加工工厂中的固体、灰浆、液体、蒸气和气体等物质相关的过程变量。过程变量包括压力、温度、流量、液面(level)、浊度、密度、浓度、化学成分和其他特性。过程变量发送器可以将与所感知的过程变量有关的输出通过过程控制环提供给控制间，从而可以监视和控制该过程。
背景技术：
过程控制环可以是双线、4-20mA的过程控制环。利用这样的过程控制环，通电电平足够低，以致于即使在发生故障的情况下，所述环通常也不包含足够的电能来产生火花。这在易燃的环境下尤为有利。有时，过程变量发送器可以在这样低的能级上工作，以致于其能够从4-20mA的环中接收所有的电能。根据诸如HART数字协议的过程工业标准协议，控制环还可以具有叠加在双线环上的数字信号。
已经使用了低功率时域反射测定雷达(LPTDRR)设备来测量在存储容器中过程产品(液体或固体)的液面。在时域反射测定时，从源发出电磁能，并且不连续地对其进行反射。接收到的脉冲的传播时间基于脉冲通过其传播的介质。一种类型的LPTDRR已知为微功率冲激雷达(MIR)，其由Lawrence Livermore国家实验室开发。典型地，LPTDRR液面发送器将等级(例如，存储罐中的流体的液面)确定为微波信号往返于产品的界面或表面的传播时间的函数。然而，该技术可以用于测量除了液面之外的其他过程变量。

发明内容
一种用于测量过程流体中的材料浓度的设备，包括天线，将其配置为与过程流体接触；以及脉冲发生器，连接以配置天线，从而通过天线产生微波发射脉冲。脉冲接收器接收来自天线的反射脉冲，并且作为反射脉冲的函数来计算材料浓度。


图1是示出了本发明实施例的环境的过程控制系统的图。
图2是示出了根据本发明实施例的液面发送器的电路的方框图。
图3是示出了根据本发明的可选实施例的液面发送器的电路的方框图。
图4和5是示出了低功率时域反射测定(LPTDRR)等价时间波形可控阈值的曲线图。
图6是根据本发明实施例的可控接收阈值电路的示意图。
图7、9和12是示出了由图2所示的微波发送器所实现的方法的流程图。
图8、10和11是示出了LPTDRR等价时间波形的曲线图。
图13是示出了配置用于确定材料浓度的发送器的简化图。
图14是示出了混合脉冲和参考脉冲的能量与时间的曲线图。
图15是示出了用于计算材料“A”的浓度变化的电路的方框图。
图16是示出了在过程流体流动时的接触天线的简化图。
图17是使用皮托管作为天线的本发明的浓度检测电路的简化图。
图18是其中沿着皮托管的内部高压间(plenum)承载的微波信号的图。
图19是在皮托管的高压间内携带天线的简化图。
图20是示出了与过程流体的流动方向平行延伸的天线的图。
图21示出了其中使用了螺旋天线的实施例。
图22示出了其中过程管道包括弯管和部分天线沿流动的方向延伸的实施例。
图23是配置用于确定材料浓度的发送器的方框图。
具体实施例方式
本发明使用微波辐射来测量过程流体中材料的浓度。特别地，本发明认识到材料的浓度可以改变过程流体的介电常数。反射微波辐射的改变可能与过程流体内的材料的绝对或相对浓度相关联。
图1是示出了在其被安装到包含至少一个产品的存储罐12、13、17、24上的环境中操作的液面发送器100的图。如图所示，罐12包含位于第二产品15顶部的第一产品14。发送器100包括外壳16和端接器110。发送器100与过程控制环20相连，并且将与过程产品的介电常数和/或高度有关的信息通过控制环20传送到控制间30(将其建模为电压源和电阻)、或者与过程控制环20相连的其他设备(未示出)。控制环20是发送器100的功率源，并且可以使用任何过程工业标准通信协议，例如4-20mA、FoundationTM现场总线或HART。作为低功率雷达发送器，可以完全由通过4-20mA过程控制环接收到的电能向发送器100提供能量。
图1示出了其中雷达介电常数测量是有用的多种应用。例如，在罐12中的过程产品14和15是流体，而在罐13中的过程产品18(如图所示，具有给定的静止角)和19是固体。在罐17中的过程产品21和22是其液面与一个端接器110延伸到其中的管23连通的流体。此外，所示的罐24包含产品25和26，并且具有安装在罐24的顶部的辐射型端接器。虽然，图1示出了罐12、13、17和24，但是，可以诸如在池或贮存槽中而不是在罐中实施本发明的实施例。
图2和3是发送器100的方框图。图4和5是示出了本发明的可控阈值检测器方面的等价时间低功率时域反射测定雷达(LPTDRR)发射/接收波形的曲线图。在外壳16内，发送器100包括LPTDRR电路205(如图3所示)、LPTDRR电路控制器206(如图3所示)和介电常数计算器240。控制器206通过连接207控制LPTDRR电路205，以便确定与罐12中的产品14的介电常数成比例的参数。介电常数计算器240作为所确定的参数的函数来计算产品14的介电常数。LPTDRR电路205可以包括发射脉冲发生器210和脉冲接收器220。
发送器100还包括阈值控制器230，以及可选的液面计算电路250(如图3所示)。阈值控制器230可以是LPTDRR电路205的组件。如图3所示，可以在微处理器255中实现阈值控制器230、介电常数计算器240、液面计算电路250和LPTDRR控制器206。然而，可以使用针对这些功能中的任一个的分立电路。在微处理器255中具体实现这些功能的实施例中，发送器100包括模拟到数字转换器270。发送器100还可以包括电源和输入/输出电路260(如图3所示)，用于利用通过环20接收到的电能向发送器100提供能量，以及用于通过环20进行通信。电源电路可以适合于从通过环20接收到的电能中，向发送器100提供唯一的电源。
微波端接器110可以具有在液面发送器技术中公知的类型，并且可以是任何适当的传输线、波导或天线。传输线是形成了从一处到另一处的连续路径并能够引导电磁能沿该路径传输的材料边界的系统。在一些实施例中，端接器110是双股引线天线，具有在底部区域125处连接的、可延伸到罐12的产品14和15中的引线或导线115和120，以及可选地具有发射板155。端接器110还可以是单极、同轴、双线、单线、微带或辐射角端接器，并且可以具有任何适当数量的引线。
优选地，发射脉冲发生器210是与端接器110相连的低功率微波源。在控制器206的控制下，发生器210产生微波发射脉冲、或者沿端接器110发射到产品14中的信号15。发射脉冲可以处于任何较宽的频率范围，例如，在大约250MHz和大约20GHz或更大之间。在一个实施例中，发射脉冲的频率大约为2.0GHz。在发射板155处或由其他机制，可以产生等价时间波形300的基准脉冲310(如图4和5所示)，以指定发射/接收周期的开始。沿着引线115和120发射的发射脉冲微波能量的第一部分在空气和产品14之间的第一产品界面127处反射。发射脉冲微波能量的第二部分在产品14和产品15之间的界面128处反射。如果罐12仅包含产品14而不包含产品15，则典型地，界面128是端接器或罐的底部。在图4和5中，等价时间波形300的脉冲320表示在空气和产品14之间的界面127处反射的微波能量，而脉冲330表示在界面128处反射的微波能量。本领域的技术人员将会意识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下，图4和5所示的波形可以反转。通常，如果产品14具有小于产品15的介电常数，则脉冲330的幅度可以大于脉冲320。
脉冲接收器220是与端接器110相连的低功率微波接收器。接收器220接收与在第一产品界面127处的发射脉冲的第一部分的反射相对应的第一反射波脉冲(由图4和5中的脉冲320表示)。接收器220还接收与在第二产品界面128处的发射脉冲的第二部分的反射相对应的第二反射波脉冲(由图4和5中的脉冲330所示)。利用公知的低功率时域反射测定雷达抽样技术，脉冲接收器220产生等价时间LPTDRR波形300，作为输出。
阈值控制器230接收波形300，作为输入。在微处理器255中具体实现阈值控制器230和介电常数计算器240的实施例中，模拟到数字电路270使波形300数字化。阈值控制器230产生阈值315、340和350，以便检测基准脉冲310并因而检测接收到脉冲310的时间T1，检测反射波脉冲320并因而检测接收到脉冲320的时间T2，以及检测反射波脉冲330并因而检测接收到脉冲330的时间T3。用于检测基准脉冲310的阈值315可以是预定的恒定电压，或者可以按照已知的方式作为脉冲310的峰值幅度的函数而自动确定。阈值控制器230提供了在由脉冲330越过的电平处的、图4所示的接收脉冲阈值340。阈值控制器230提供了在由脉冲320越过的电平处的、图5所示的接收脉冲阈值350。阈值控制器230根据反射波脉冲320和/或330的检测，向介质常数计算器240和电路250提供接收脉冲输出信息，作为输出。
图6示出了在分立电路中实现的阈值控制器230的一部分，用于产生如阈值340和350等可控阈值。阈值控制器230包括比较器400，所述比较器具有来自接收器220的第一输入，波形300包含接收脉冲320和330。作为第二输入，比较器400接收从数字到模拟转换器410的输出提供的可控模拟阈值电压。转换器410从微处理器255中接收表示所期望的阈值的数字输入。将比较器400的输出420提供给介电常数计算器240和液面计算电路250，作为接收到脉冲320和330的时间指示。在其中产生了波形300的第一扫描周期期间，控制转换器410以提供用于检测脉冲320的阈值350。在随后的扫描周期期间，控制转换器410以提供用于检测脉冲330的阈值340。这些阈值可以用于检测反射波脉冲的接收时间。还可以控制这些阈值来确定反射波脉冲的幅度。
图2所示的介电常数计算器240与阈值控制器230相连，并且适合于作为由阈值控制器230提供的接收脉冲输出信息的函数来计算罐12中的第一产品14的介电常数。
下面将参考图7-12，详细讨论在计算介电常数时由电路240实现的方法。
等式1示出了微波信号的传播距离和传播时间之间的关系。
D=(1ϵR)C(T2)]]>等式1其中T/2＝微波脉冲往返界面的传播时间的一半；εR＝微波脉冲通过其传播的材料的介电常数(对于空气，εR＝1)；C＝光速；以及D＝从端接器的顶部到界面所传播的距离。
利用此关系，可以计算正在测量的材料的介电常数。微波的传播时间取决于其正在通过的介质的介电常数。根据等式2所示的关系，介质的介电常数与传播时间成正比。
εR∝(A·时间)2等式2其中，时间＝通过介质的微波传播时间；以及A＝比例常数。
此外，根据等式3所示的关系，与材料之间的界面反射过来的脉冲幅度与材料的介质常数成正比。
ϵR∝VRVT]]>等式3其中，VR＝反射脉冲的幅度；以及VT＝发射脉冲的幅度。
利用等式2和3所示的关系，可以单独地或组合地计算一个或多个产品或材料的介电常数。
方法图7示出了计算产品14的介电常数的方法。方法开始于方框500，其中，控制低功率时域反射测定雷达(LPTDRR)，以便将微波能量引导到过程产品中。在方框503处，控制LPTDRR电路以接收反射过来的微波能量。在方框505处，控制LPTDRR电路以测量与产品14的介电常数成正比的参数。然后，在参考510处，利用等式2和/或等式3的关系，作为测量参数的函数，计算产品14的介电常数。
利用等式3的关系计算产品14的介电常数的第一更为特定的方法利用阈值控制器230，来更精确地测量发射和反射的脉冲幅度。在图8所示的曲线图中示出了该方法，并且在图9所示的流程图中总结了该方法。本领域的技术人员将意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以反转图8所示的波形。
该方法在方框705处开始，其中，产生发射脉冲。沿端接器将发射脉冲发射到罐中的产品中，并且由表面127和128反射。在方框710处，接收第一反射波脉冲540。第一反射波脉冲对应于在第一产品界面127处发射脉冲的第一部分的反射。在控制LPTDRR电路205以接收反射波脉冲之后，在方框715处，计算第一反射波脉冲的幅度。第一反射波脉冲的幅度是与产品14的介电常数成正比的参数。
在方框720处，作为第一反射波脉冲的函数，计算第一产品的介电常数。如图8中的等价时间LPTDRR波形520所示，发射脉冲(由基准脉冲530表示)具有发射幅度VT，而接收脉冲540具有接收幅度VR。或者通过由模拟到数字转换器270使等价时间LPTDRR波形520数字化并由微处理器255分析数字化后的信号，或者通过利用数字到模拟转换器410来设置比较器阈值，计算第一反射波脉冲的幅度，并且利用等式3来计算第一产品14的介电常数。因此，典型地，计算得到的与产品14的介电常数成正比的参数是第一反射波脉冲的幅度和发射脉冲的幅度之间的比值。控制LPTDRR电路包括控制阈值控制器230来调节阈值，以计算反射波脉冲540的幅度。
计算产品14的介电常数的第二更为特定的方法利用等式2的关系，使用阈值控制器230来计算发射脉冲的发射和脉冲从表面128的反射之间的时延。更具体地，所述方法计算微波通过产品14的已知距离传播的时间。在图10和11的曲线图中示出了该方法，并且在图12的流程图中总结了该方法。本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以反转图10和11所示的波形。
该方法在方框805处开始，其中，产生发射脉冲。沿端接器将发射脉冲发射到产品14和15中。在方框810处，接收第一反射波脉冲，并利用阈值控制器检测该脉冲。如方框815所示，第一反射波脉冲的接收启动了时钟或指定了时间段的开始。接下来，在方框820处，接收第二反射波脉冲并对其进行检测。如其中记录了时间段的方框825所示，第二反射波脉冲的接收指定了时间段的结束。作为表示微波沿端接器通过产品14传播已知距离的时间的已记录时间段的函数，计算产品14的介电常数。
图10和11示出了图12中的方法。图10和11示出了与填充了不同的罐的第一和第二产品的表示相对应的等价时间LPTDRR波形850和880，第一和第二产品分别具有第一和第二介电常数。在两个曲线图中，产品或者几乎覆盖了端接器110的引线，或者按照已知的距离覆盖端接器110的引线。
如图10和11所能够看到的那样，发射脉冲(由基准脉冲860和890表示)和反射脉冲870和895(例如，对应于由罐12或端接器10的底部的反射、或在产品与产品界面处的反射)之间的时延从一个材料到下一个材料发生变化。该变化是由于材料的不同介电常数而引起的。另外，这由时间差Δt1和Δt2示出，表示微波在两个材料中的每一个中传播相同的抽样距离(sample distance)所需的时间。在具有第一介电常数的材料中，传播抽样距离所需的时间是3.08ms，而在具有第二介电常数的材料中，传播相同的抽样距离所需的时间是3.48ms。因此，可以使用微波信号的发射和由端接器下方已知距离的界面的反射之间的时延来计算介电常数。
在一个实施例中，可以使用本发明来测量在过程流体中材料的浓度。例如，需要测量在流过管道914的过程流体中携带的材料的浓度。在特定实施例中，需要测量在天然气流线中水的百分浓度、或者流体流线中的水的含量，(被成为“流质量”)。流质量是进行测量的特别重要的参数，由于其直接涉及由流线所携带的热能的量。例如，在400°F具有50％质量的流体比在400°F具有100％质量的流体携带有更少的能量。在其中需要传递大量能量的应用中，例如，出于提高石油回收的目的的油田的流体溢流，必须知道流质量，从而可以控制注入到油田中的能量的大小。
根据一个实施例，由与流体直接接触的天线，通过过程流体来引导微波辐射。材料在流体中相对浓度引起了流体的介电常数的变化。结果，介电常数的变化引起了反射微波脉冲的飞行时间的变化，并且还引起了反射脉冲的能级的变化。飞行时间和反射能级的任一个或两者可以由检测电路来测量，并且可以与过程流体中的材料浓度相关联。这可以通过在理论上或通过测试来确定返回脉冲的幅度变化或时延与材料浓度之间的关系来实现。该技术的一个优点在于如果材料的浓度发生缓慢变化，则检测电路可以在时间上(飞行时间、峰值高度中的任一个或两者)对反射微波信号进行积分来提供对特定材料浓度的更为精确的测量。
与过程流体相接触地设置接触天线允许流体通过天线流动。诸如流质量等材料浓度的变化将导致介电的变化。利用天线的末端作为目标，当测量(从天线连接处)与天线相反端的距离时，介电的变化将引起表观变换。更长的接触天线在距离上具有更大的表观变换。因此，通过增加接触天线的长度，可以获得增加的灵敏度。该距离变化由以下等式表示D=(c*t)/(2*ΔϵR)]]>等式4其中，D是距离，c是光速，t是到目标的时间，以及ΔεR是介电变化。
图13是示出了其中在过程管道914中携带有过程流体912的工业过程910的简化图。本发明可以使用其他类型的容器而不局限于管线914。过程发送器916根据本发明操作，并监视反射的微波辐射以确定过程流体的特性，例如在过程流体912中的材料浓度。发送器916通过诸如双线过程控制环等过程控制环918与在远程位置处的控制间920连接。将控制间920建模为与电阻串联的电压源。过程控制环918可以符合任意通信技术。
图14是能量(e)对时间(t)的曲线图，并且示出了反射或返回脉冲930和参考或发射脉冲932。在图14中示出了时间差，作为Δt，并且示出了两个信号之间的能量差，作为Δe。可以通过经验或在理论上确定材料浓度和时延或能量差之间的关系。该相关性还可以使用包括模糊逻辑、神经网络等人工智能技术来建立该关系。另外，可以使用两个参数Δt和Δe来验证该测量。
图15是其中示出了用于检测过程流体中的材料“A”的浓度的本发明的简化方框图。由接触天线检测过程流体的介电常数的变化。测量电路934测量Δt和/或Δe。使用传递函数936来使这些参数中的任一个或两者与过程流体中的材料“A”的百分比或浓度相关联。
图16是示出了过程密封940与过程管线914中的接触天线942连接的检测电路的简化图。例如，检测电路可以是图13所示的发送器916。
图17示出了其中使用平均皮托管作为微波天线942的另一示例实施例。平均皮托管包括高侧高压间950和低侧高压间952。通过管道914的流动引起了可以利用已知技术与流动速率相关联的高压间之间的压差。可以使用金属皮托管来承载微波脉冲954。在该实施例中，微波脉冲954作为通过皮托管周围的过程流体的环形波传播。
在图18所示的可选实施例中，沿高压间例如低侧高压间952的内部承载微波脉冲954。假定高压间与要测量的过程流体紧密接触。在图19所示的实施例中，在皮托管960的高压间之一中携带有天线962。
图20示出了其中天线962大致沿通过过程管线914的流动方向延伸的本发明的另一实施例。天线964与发送器938相连。
图21示出了其中使用螺旋天线970从而增加天线长度的实施例。增加的天线长度提供了对过程流体912中的介电常数的改变的增加的灵敏度。可以使用其他形状，本发明并不局限于图22所示的螺旋形状。
图22示出了其中管线914包括弯管968的另一示例实施例，对天线964进行设置，从而使一部分沿流动的方向延伸。如果天线沿流动的方向延伸，则使阻碍流动的量值最小。
图23是配置用于确定过程流体912中的材料浓度的发送器916的方框图。图23与图3类似，并使用了类似的参考数字。浓度计算器980配置用于使返回微波信号的时延或反射能量变化与材料浓度相关联。注意，实际的实现可以不包括介电常数计算器240，并且可以使用时延和/或信号强度变化来直接确定材料浓度。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。例如，可以组合上述计算介电常数的方法，以有助于计算多个介电常数，或者提供更为精确的介电常数的计算。本发明可以在流体流动、液体流中使用，或者用于大致静态的过程流体。如这里所使用的那样，过程流体包括液体、气体、泡沫等、它们的组合、和/或由这样的物质所携带的固体材料。这些材料可以是液化气或微粒的形式。
权利要求
1.一种测量过程流体中的材料浓度的设备，包括天线，配置用于与过程流体接触；脉冲发生器，连接以配置天线，从而通过天线产生微波发射脉冲；脉冲接收器，与天线连接，配置的以接收来自天线的反射脉冲；以及浓度计算器，配置用于作为反射脉冲的函数来计算材料的浓度。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于作为返回脉冲的时延的函数来计算材料的浓度。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于作为返回脉冲的能级的函数来计算材料的浓度。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述天线包括皮托管。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述天线沿过程流体流动的方向延伸。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述天线是弯曲的。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述天线是螺旋的。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于在过程控制环上传送计算得到的浓度。
9.根据权利要求4所述的设备，其特征在于沿皮托管的外部承载脉冲。
10.根据权利要求4所述的设备，其特征在于沿皮托管的内部承载脉冲。
11.一种确定过程流体中的材料浓度的方法，包括沿与过程流体接触的天线发射微波脉冲；响应发送器脉冲，从天线接收反射微波脉冲；以及作为反射脉冲的函数来计算过程流体中材料的浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于作为返回脉冲的时延的函数来计算材料的浓度。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于作为返回脉冲的幅度的函数来计算材料的浓度。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述天线包括皮托管。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述天线沿过程流体流动的方向延伸。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述天线是弯曲的。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述天线是螺旋的。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在过程控制环上传送计算得到的浓度。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于沿皮托管的外部承载脉冲。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于沿皮托管的内部承载脉冲。
21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于包括计算过程流体的介电常数。
全文摘要
一种测量过程流体中的材料浓度的设备(100)，包括天线(115，120)，配置用于与过程流体接触；以及脉冲发生器(210)，与天线(115，120)相连，从而通过天线(115，120)产生微波发射脉冲。脉冲接收器接收来自天线(115，120)的反射脉冲，并且作为反射脉冲的函数，计算材料的浓度。
文档编号G01S13/10GK1578908SQ02821546
公开日2005年2月9日 申请日期2002年10月4日 优先权日2001年10月29日
发明者埃里克·R·勒韦格伦, 马克·S·舒马赫, 詹姆斯·A·约翰逊, 库尔特·C·迪德 申请人:罗斯蒙德公司