包括具有邏輯能力的電源模塊的無線現場設備組件的制作方法

包括具有邏輯能力的電源模塊的無線現場設備組件的制作方法
【專利摘要】一種無線現場設備組件包括過程傳感器、外殼、變送器和電源模塊。過程傳感器被構造成監控過程變量并產生傳感器信號。外殼將無線現場設備的內部空間封閉。變送器被封閉在內部空間中，并被構造成處理傳感器信號。電源模塊被構造成被容納在內部空間中，并且包括能量存儲設備、至本地電源的連接件、和處理器，所述處理器被構造成為變送器提供能量存儲設備和本地電源的診斷報告。
【專利說明】包括具有邏輯能力的電源模塊的無線現場設備組件

【技術領域】
[0001]本實用新型一般涉及工業過程現場設備，并且更特別地，涉及用于給無線工業過程現場設備供電的混合電源模塊。

【背景技術】
[0002]術語“現場設備”覆蓋大范圍的過程管理設備，所述過程管理設備測量并控制諸如壓力、溫度和流量之類的參數。許多現場設備是變送器，所述變送器擔當用于檢測或驅動工業過程變量的傳感器和諸如控制室中的計算機之類的遠程控制或監控設備之間的通信中繼站。例如，傳感器的輸出信號一般不足以與遠程控制或監控設備有效地通信。變送器通過從傳感器接收通信，將這種信號轉化成用于較長距離通信的更有效的形式(例如，經過調制的4-20mA電流回路信號，或無線協議信號)，并將轉化的信號發射到遠程控制或監控設備以彌合這種間隙。
[0003]現場設備用于監控和控制各種各樣的工業過程參數，包括壓力、溫度、粘度、和流量。其他現場設備驅動閥門、泵和其他工業過程的硬件。每種現場設備一般地包括密封外殼，所述密封外殼包括制動器和/或傳感器，用于接收和處理傳感器和控制信號的電子設備，和用于發射處理的傳感器信號以便每種現場設備和工業過程參數可以被遠程監控的電子設備。大型工業制造工廠一般地使用分布跨越大范圍地區的多種現場設備。這些現場設備通常與公共控制或監控設備通信，允許工業過程被集中地監控或控制。
[0004]現場設備越來越多地使用無線收發器以與集中控制或監控系統通信。無線設備將控制或過程監控系統的范圍延伸超過有線設備的范圍到達提供接線可能困難并昂貴的位置。在某些情況下無線現場設備可以由至諸如120V交流公共電網的直接電連接或帶電數據供電。然而，更多的時候，公共電網并不位于測試設備和傳感器必須運轉的危險地方附近或不能輕易地安裝在測試設備和傳感器必須運轉的危險地方中。因此，現場設備經常由儲存的(如在長壽命電池的情況中一樣)或產生的(如在太陽能電池板的情況中一樣)能量有限的電源本地地供電。電池預計持續超過五年并且更優地持續像產品壽命一樣長。因為本地電源具有有限的能量，功耗較低的電子設備和射頻(RF)無線電設備的使用對許多無線現場設備常常是至關重要的。
[0005]許多現場設備設計將電池裝入現場設備的密封外殼的附接蓋子下面。其他現場設備使用來自外部電源的能量，所述外部電源例如是太陽能電池板、諸如振動或熱電俘獲器之類的能量采集器、或附近的公用電網連接。每種給無線現場設備供電的方法通常需要不同的接線柱接口。部分或全部根據電池電源運行的現場設備一般地結合有提供至附接的電池的接觸點的接線板。相比之下，根據電網電力運行的現場設備包含(一般地通過螺絲接線端)提供針對電網電力的有線連接并使電網電力適合該現場設備使用的接線板。接線板通常是可拆除的，允許單獨的現場設備被配置成通過換入一個或另一個專用電源接線板而用于不同的電源。太陽能電池板、振動能量采集系統和其他類型的本地電源模塊都可以使用不同的接線板。
[0006]無線變送器現場設備廣播與檢測到的參數對應的周期信號。靠電池供電的變送器一般地被預期在電池更換之間運行五年或更多年。取決于應用，現有的系統可以在這種時間周期內運行同時每隔四秒進行發射。更快的更新率對于許多工業應用來說是希望的，但是需要較大的能耗，這極大地降低電池壽命。
[0007]諸如太陽能電池板和振動或熱電俘獲器之類的能量收集系統高度依賴于地點和應用產生能量。例如，振動俘獲器可在高振幅連續振動的區域中可能是高效能源，但是在低振幅或間歇振動的區域中可能不實用或足夠。此外，雖然電池和超級電容器通常在放電時持續供電，但是能量收集系統可能經歷能量生產的意外下降，導致取決于環境條件的能量水平的波動。例如，太陽能電池板在黑暗中不生產能量，并且當所連接的結構(例如，電動機)靜止時振動俘獲器不生產能量。
實用新型內容
[0008]在本實用新型的一個方面中，提供了一種包括過程傳感器、外殼、變送器和電源模塊的無線現場設備組件。過程傳感器被構造成監控過程變量并產生傳感器信號。外殼將無線現場設備的內部空間封閉。變送器被封閉在所述內部空間中，并被構造成處理傳感器信號。電源模塊被構造成被容納在所述內部空間中，并且包括能量存儲設備、本地電源的連接件、和處理器，所述處理器被構造成向變送器提供能量存儲設備和本地電源的診斷報告。
[0009]在上述無線現場設備組件中，電源模塊還可以包括第一電壓傳感器和第二電壓傳感器，所述第一電壓傳感器和第二電壓傳感器被構造成分別檢測能量存儲設備和本地電源的第一輸出電壓和第二輸出電壓。
[0010]在上述無線現場設備組件中，診斷報告可以包括故障報告，所述故障報告可以基于所述第一輸出電壓和第二輸出電壓指示能量存儲設備或本地電源中的初期故障或當前故障。
[0011]在上述無線現場設備組件中，所述故障報告可以反映來自能量存儲設備和/或本地電源的意料之外的電壓降落。
[0012]在上述無線現場設備組件中，所述診斷報告可以包括能量存儲設備和本地電源中的至少一個的識別。
[0013]在上述無線現場設備組件中，能量存儲設備和本地電源中的至少一個的識別可以包括基于所述第一輸出電壓和第二輸出電壓對本地電源的識別。
[0014]在上述無線現場設備組件中，電源模塊還可以包括機器可讀存儲器，并且能量存儲設備和本地電源中的至少一個的識別可以包括從機器可讀存儲器中檢索到的能量存儲設備的識別。
[0015]在上述無線現場設備組件中，所述診斷報告可以包括基于所述第一輸出電壓和第二輸出電壓預計的能量存儲設備的預計剩余壽命。
[0016]在上述無線現場設備組件中，本地電源還可以包括被構造成產生環境溫度讀數的溫度傳感器，并且其中能量存儲設備的預計剩余壽命可以是基于環境溫度讀數的。
[0017]在上述無線現場設備組件中，電源模塊可以被構造成優先地從本地電源連接件吸取功率，并且當來自本地電源中的功率不可用或不足以滿足功率需求時可以補充地從能量存儲設備中吸取功率。
[0018]在上述無線現場設備組件中，電源模塊可以容納本地電源。
[0019]在上述無線現場設備組件中，本地電源可以位于電源模塊的外部，并且可以通過電源模塊的外部電源端子連接到電源模塊。
[0020]上述無線現場設備組件還可以包括蓋子，該蓋子可以在外殼和該蓋子之間限定一容器，并且其中電源模塊可以被構造成被容納于所述容器中。
[0021]在上述無線現場設備組件中，電源模塊可以被構造成可拆除地容納于所述容器中。
[0022]在上述無線現場設備組件中，能量存儲設備可以是電池或超級電容器。
[0023]在上述無線現場設備組件中，本地電源可以是能量收集設備。
[0024]在上述無線現場設備組件中，電源模塊還可以包括功率調節器，所述功率調節器可以調節來自能量存儲設備和本地電源中的至少一個的功率。
[0025]在上述無線現場設備組件中，功率調節器可以被構造成整流或反相來自能量存儲設備和本地電源中的至少一個的功率。
[0026]在上述無線現場設備組件中，變送器可以被構造成將傳感器信號和診斷報告發送到控制或監控系統。
[0027]在本實用新型的另一個方面中，提供了一種無線現場設備組件，包括:過程傳感器，所述過程傳感器被構造成監控過程變量并產生傳感器信號；外殼，所述外殼對無線現場設備的內部空間進行封閉；變送器，所述變送器被封閉于所述內部空間中，并且被構造成處理傳感器信號；和電源模塊，所述電源模塊被構造成被容納于所述內部空間中。電源模塊包括:至本地電源的連接件，電源模塊優先地從所述本地電源吸取功率；能量存儲設備，當來自本地電源的功率不可用或不足以滿足功率需求時，電源模塊補充地從所述能量存儲設備吸取功率；和第一電壓傳感器和第二電壓傳感器，所述第一電壓傳感器和第二電壓傳感器被構造成分別地檢測能量存儲設備和本地電源的第一輸出電壓和第二輸出電壓。
[0028]在上述無線現場設備組件中，電源模塊還可以包括處理器，所述處理器可以被構造成基于第一輸出電壓和第二輸出電壓向變送器提供能量存儲設備和本地電源的診斷報生口 ο

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是包括以無線現場設備為特征的過程監控和控制系統的典型圖。
[0030]圖2a是圖1的無線現場設備的框圖。
[0031]圖2b是根據本實用新型的可替換的無線現場設備的框圖。
[0032]圖3是圖1的無線現場設備的分解透視圖。
[0033]圖4a和4b是從兩個角度觀看圖1的無線現場設備的電源模塊的分解透視圖。
[0034]圖5是圖1的無線現場設備的診斷和故障檢測方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0035]本實用新型是用于工業無線現場設備的電源模塊。根據一種實施例，這種電源模塊同時包括諸如電池或超級電容器之類的能量存儲設備，以及包括用于諸如能量采集源之類的外部電源的功率調節電路。電源模塊分別處理來自能量存儲設備和外部電源的電壓讀數，并向無線現場設備或控制或監控系統提供使用這種電壓信息產生的診斷報告。
[0036]圖1描述過程測量或控制點10，包括無線現場設備12 (帶有天線14)、換能器16、過程連接件18、過程管道20、本地電源22、和電源連接件24。無線現場設備12通過天線14連接到控制或監控系統26。
[0037]過程管道20輸運過程流體流F。無線現場設備12可以是過程變送器，所述過程變送器被構造成接收、處理并發射來自被構造成測量這種過程流體的參數的一個或更多個傳感器的信號。可替換地，現場設備12可以是被構造成響應于來自控制或監控系統26的信號控制諸如閥門或泵之類的過程致動器的無線控制器。換能器16是通過過程連接件18接觸流體流F的這樣一種傳感器或致動器。取決于特定的工業應用和由換能器16測量或驅動的參數，過程連接件18可以是連接流體流F的平行或同軸連接件。盡管圖1中只展示了一種換能器16，但過程測量或控制點10的一些實施例可以包括連接到無線現場設備12的多種傳感器和/或致動器。
[0038]在一些實施例中，換能器16是將用于處理并傳遞到控制或監控系統26的傳感器讀數提供到現場設備12的傳感器。在其他實施例中，換能器16是響應于通過現場設備12從控制或監控系統26接收的信號驅動過程流體上的改變的致動器。盡管以下進一步的解釋將集中于其中傳感器16包含傳感器的實施例，但本領域技術人員將理解到所述實用新型可以同樣地應用到致動器系統。
[0039]換能器16通過過程連接件18被固定到過程管道20，并測量過程流體的一個或更多個參數，如流量、粘度、溫度或壓力。在所描述的實施例中，換能器16被容納在現場設備12的內部，但是可替換的實施例可以具有與現場設備12分開地定位并通過電線連接到現場設備12的換能器。來自換能器16的傳感器信號(例如，作為模擬電壓值或數字信號)被發送到現場設備12中(見圖2a和2b)的處理和傳輸電子設備。換能器16的具體形式可以根據所檢測的參數變化；在某些情況下，過程連接件18可以被構造成使得換能器16延伸到過程管道20內的過程流體F中。現場設備12接收并數字化(如果有必要)來自傳感器16的過程信號，同時將包含過程信息的過程信息通過天線14發送到控制或監控系統26。天線14顯示為單個天線，但是可以包括成陣列的多個不同的天線。現場設備12可以將信號直接發射到控制或監控系統26，或可以通過中間網或中心輻射型網絡發射信號。在一些實施例中，現場設備12可以利用無線(HART) (IEC62591)或Fieldbus (IEC61158)協議。控制或監控系統26可以是集中系統，所述集中系統接收來自無線現場設備網絡中的多個現場設備的傳感器數據，并/或將致動器數據廣播到所述多個現場設備。控制或監控系統26可以和無線現場設備網絡一起位于現場，或可以位于遠程控制室。
[0040]如同以下更詳細地討論，現場設備12包括處理并發射來自換能器16 (在致動器系統的情況下，或者將信號發送到換能器16)的信號的電子設備。信號處理和信號發送都需要能量，這種能量是如以下參照圖2a和2b所描述的電源模塊提供。這種電源模塊同時包括諸如電池或超級電容器之類的內部能量存儲設備，以及通過電源連接件24連接到本地電源22的連接線路(hookup)。例如，本地電源22可以是太陽能電池、諸如振動或熱電俘獲器之類的能量收集器、或公用電網。盡管圖1將本地電源22圖示為位于現場設備12之外的外部電源，但是如下文參照圖2b描述的那樣，本地電源22的一些實施例可以安裝在現場設備12的內部。
[0041]圖2a和2b描述現場設備12的實施例，在所述現場設備12中本地電源22分別在現場設備12的外部(圖2a)和內部(圖2b)。圖2a和2b的實施例僅僅在電源模塊120的構成上不同，在圖2a中體現為電源模塊120A，并在圖2b中體現為電源模塊120B。名稱“電源模塊120”于此用來相等地指示電源模塊120A和電源模塊120B，在這里實施例之間的區別是不相關的。
[0042]圖2a和2b集中于接收傳感器信號并將傳感器信號發送到控制或監控系統26的現場設備12的實施例，而不是基于來自控制或監控系統26的信號驅動過程機械設備的實施例。如上所述，電源模塊120可以應用于任一類型的系統，和執行兩者功能的現場設備。
[0043]圖2a是現場設備12的框圖，圖示天線14、換能器16、殼體或外殼100、收發器102、信號處理器104、HART調制解調器105、數字信號調節器106、模數轉換器108、模擬信號調節器110、電源控制器112、蓋子116、接線板118和電源模塊120A的一種實施例。電源模塊120A包含能量存儲設備122、外部電源終端子124 (具有端子螺釘126)、功率調節器128、電壓傳感器130、功率處理器132、HART調制解調器133、存儲器134和溫度傳感器136。電源連接件24穿過電源導管138以將本地電源22連接到外部電源端子124的端子螺釘126。圖2b是現場設備12的可替換實施例的框圖，在所述實施例中電源模塊120A由電源模塊120B替代。電源模塊120B內部包括本地電源22，因此排除對于外部電源端子124、端子螺釘126、電源連接件24和電源導管138的需求。否則圖2a和2b中所描述的實施例是完全相同的。在所描述的實施例中，電源模塊120位于由外殼100和蓋子116所限定的容器R中。
[0044]現場設備12可以暴露于極限溫度和危險環境。因此現場設備12包括用于封裝并保護內部區域I中的電子設備的殼體或外殼100。殼體或外殼100是堅硬、耐用的主體，所述主體可以被封住防護環境以保護收發器102、信號處理器104、數字信號調節器106、模數轉換器108、模擬信號調節器110和電源控制器112免受退化或破壞。殼體或外殼100與蓋子116連接以封閉容器R，所述容器R保護并容納諸如電源模塊120之類的可拆除部件。殼體或外殼100和蓋子116可以同樣地形成環境密封，從而保護位于容器R中的部件免受有害的環境影響。在一些實施例中，殼體或外殼100和蓋子116之間的密封可以充分地保護內部區域I中的部件(即，收發器102、信號處理器104、數字信號調節器106、模數轉換器108、模擬信號調節器110和電源控制器112)，以便殼體或外殼100不需要充分地封閉內部區域I，因為只要連接蓋子116，則殼體或外殼100和蓋子116的組合將保護這些組件免受環境的破壞。
[0045]根據一種實施例，收發器102是通過天線14發送并接收無線信號的信號變送器/接收機。信號處理器104是諸如微處理器之類的具有邏輯能力的數據處理器。在所描述的實施例中，HART調制解調器105是調制器-解調器，所述調制器-解調器被構造成從由HART調制解調器133(見下文)提供的已調幅電流信號提取診斷或狀態信號，反之亦然。例如，接線板118可以設置有用于連接手持式診斷設備的HART連接件。在其他實施例中，HART調制解調器105和133可以被任何其他合適的數據通信信道替換，例如通過12C或串行外圍接口(SPI)總線。數字信號調節器106包含數字濾波器，所述數字濾波器對數字化傳感器信號起作用，并能夠由信號處理器104響應于來自中央控制或監控系統26的診斷程序或指令進行配置。例如，數字信號調節器106可以操作以過濾噪聲或從由模數轉換器108提供的原始數字化信號提取興趣信號。模數轉換器108是能夠數字化來自傳感器16的對應于主檢測變量的模擬傳感器信號的模數轉換器。在一些實施例中(諸如在致動器系統中)，可替換地或附加地，模數轉換器108可以包含數模轉換器，所述數模轉換器能夠將來自信號處理器104的數字信號轉換成用于傳送到換能器16的模擬信號。模擬信號調節器110是常規的模擬信號調節器，例如所述模擬信號調節器可以執行帶通濾波以將一種或更多種感興趣的頻率范圍與從換能器16接收的信號隔離。電源控制器112是被構造成從接線板118吸引功率的常規功率路由選擇設備。在一些實施例中，電源控制器112可以接收來自接線板118的模擬診斷報告信號作為監控電能質量和即將發生的電源故障的一種手段。在其他實施例中，電源模塊120可以專門通過HART調制解調器105和133或通過相似的數據總線與信號處理器104通信。信號處理器104可以處理這種診斷報告，至少部分基于診斷信號控制傳感器16，或通過收發器102和天線14將診斷報告簡單地發送到控制或監控系統26用于歸檔和/或進一步地處理。電源控制器112通過接線板118接收來自本地電源22和/或能量存儲設備的電功率，并將這種電功率根據需要提供給收發器102、信號處理器104、數字信號調節器106、模數轉換器108、模擬信號調節器110、和現場設備12的任何其他被供電組件。
[0046]運行期間，模擬信號調節器110接收并過濾來自傳感器16的過程信號。傳感器16可以如圖1所圖示的那樣位于現場設備12的內部，或者可以位于外部并通過電線連接到模擬信號調節器110。被過濾的過程信號通過模數轉換器108被數字化，并在通過信號處理器104處理之前由數字信號調節器106進一步地過濾。現場設備12的一些實施例可以免除數字信號調節器106和模擬信號調節器110中的一個或兩個，特別是如果來自傳感器16的信號被事先處理過。類似地，模數轉換器108在換能器16提供數字信號的實施例中是不必要的。盡管收發器102、信號處理器104、數字信號調節器106、模數轉換器108和模擬信號調節器110被描述為不同的部件，但在一些實施例中，一些或所有這些部件的功能可以被諸如共用微處理器之類的共用硬件執行。例如，現場設備12也可以包括帶有允許操作員與現場設備12直接交互的屏幕和/或輸入鍵盤的本地操作員界面(沒有顯示)。如同現場設備12的其他被供電部件一樣，這種本地操作員界面可以從電源控制器112中吸取功率。
[0047]現場設備12的被供電部件接收來自電源控制器112的功率。電源控制器112又通過接線板118從電源模塊120中吸取功率。接線板118是被構造成與電源模塊120匹配并從電源模塊120中吸取功率的功率路由選擇部件。取決于現場設備12的內部電子設備，接線板118可以接受交流(AC)或直流(DC)功率。在一些實施例中，接線板118可以用來將電源模塊固定在容器R中。接線板118可以永久地固定至現場設備12，或可以是模塊化組件，所述模塊化組件可以根據需要被換出以提供具有可替換電源的接口。
[0048]電源模塊120是混合設備，所述混合設備提供既來自能量存儲設備122，又來自本地電源22的功率。如圖2a中所示的實施例中所述，電源模塊120A包括能量存儲設備122、外部電源端子124(具有端子螺釘126)、功率調節器128、電壓傳感器130、功率處理器132、HART調制解調器133、存儲器134和溫度傳感器136。相比之下，圖2b包括替代外部電源端子124的在電源模塊120B中的本地電源22，并因此缺乏外部電源端子124和端子螺釘126 二者。能量存儲設備122可以是電容器、超級電容器、可充電電池、一次(不可再充電的)電池，或任何其他常規的緊湊的能量存儲設備。功率調節器128可以包括電容器、開關電路、濾波部件、和電壓和/或電流限制組件。根據圖2a中所描述的實施例，外部電源端子124是諸如導電板或接頭之類的接收端子，電源連接件24通過端子螺釘126導電地固定到所述接收端子。在一些可替換的實施例中，電源連接件24可以通過其他手段接通或連接外部電源端子124。
[0049]盡管圖2a和2b將能量存儲設備122描述為單個整體設備，但電源模塊120的一些實施例可以包括多種同一類型或不同類型的不同電池。功率調節器128接收來自能量存儲設備122和外部電源端子124(圖2a)或本地電源22 (圖2b)的功率。功率調節器128可以同時地(例如，用來自能量存儲設備122的存儲功率補充來自本地電源22的功率)或分別地(例如，當可用時單獨地從本地電源22給現場設備12供電，并且當外部電源不可用時從能量存儲設備122給現場設備12供電)從電源吸取功率。電壓傳感器130為功率處理器132提供來自能量存儲設備122和外部電源端子124(圖2a)或本地電源22(圖2b)的輸出功率的電壓讀數。電壓傳感器130是產生反映由每個電源提供至功率調節器128的直通電壓(through voltage)的幅值并且因此反映來自每個電源的功率的可用度的大小的數字或模擬信號的電壓傳感器。功率處理器132使用這些檢測到的電壓來在通過接線板118和HART調制解調器133和105被發送到信號處理器104的診斷報告表示本地電源22和能量存儲設備122的特性，并診斷電流或初期故障或電源的變化。在一些實施例中，這種診斷報告可以識別本地電源22和能量存儲設備122 二者(例如使用序列號或類型分類)，標記來自每個電源的電壓的意外下降，并在當前或預計的條件下估計能量存儲設備122的剩余功率和/或壽命。
[0050]在一些實施例中，電源處理器132可以基于特征電壓信號(例如對應特定的電源或電源類型的頻譜)識別外部電源端子124。能量存儲設備122基于所述能量存儲設備122的電壓輸出可以被類似地識別或分類，特別是對于其中能量存儲設備122是可拆除部件(例如商用電池)的電源模塊120的實施例。在能量存儲設備122永久地結合在電源模塊120中的情況中，電源處理器132通過從存儲器134 (—種機器可讀存儲體)檢索電源標識符(ID)識別能量存儲設備122。存儲器134也可以存儲數據庫，所述數據庫將電壓特征映射到具體的電源標識符(ID)或電源類型，和/或將具體的電壓條件映射到故障或報警條件，該故障或報警條件將在診斷信息中被報告給接線板118并因此報告給信號處理器104和/或控制或監控系統26。
[0051]根據一種實施例，基于能量存儲設備122的如由電壓傳感器130檢測到的輸出電壓，和基于由處理器132做出的或從存儲器134檢索到的對能量存儲設備122的識別，處理器132估計從能量存儲設備122中可獲得的剩余功率。這種剩余功率估計可以被包括在給信號處理器104和/或控制或監控系統26的診斷報告中，和/或者用來使用現在的、歷史的和/或預計的條件產生剩余壽命估計，該剩余壽命估計反映直到能量存儲設備122被耗盡時的預計時間。在一些實施例中，這種剩余壽命估計通過包含溫度傳感器136得到改善，所述溫度傳感器136是被設置成將溫度讀數提供給電源處理器132的溫度傳感器，所述溫度讀數反映能量存儲設備122附近的環境溫度。特別是，化學電池的消耗速度具有強烈的溫度依賴性；包含溫度傳感器13允許處理器132產生對消耗速度和因此剩余電池壽命的相當地更準確的估計。在一些實施例中，存儲器134可以存儲由電壓傳感器130檢測到的先前電壓的檔案，從而使處理器132能夠識別故障或變化狀態并基于歷史趨勢預計能量存儲設備122的剩余壽命。例如，處理器132能夠從存檔的電壓數據確定本地電源22有一半的時間(例如，如果本機電源22是位于50%占空比的電動機上的振動能量采集器)充分地給現場設備12供電，并考慮本地電源的預測可用度，基于消耗速度估計能量存儲設備122的剩余壽命，不管來自本地電源22的電源的當前可用度。
[0052]盡管外部電源端子124、功率調節器128、電壓傳感器130、功率處理器132、HART調制解調器133、存儲器134、和溫度傳感器136被描述為不同的邏輯部件，在不同的實施例中，這些部件的任何組合可以結合在共用印刷線路板或相似的整體部件中。
[0053]功率調節器128是針對本地電源22執行常規的功率調節的緊湊裝置。例如，功率調節器128可以限制電壓和/或電流以便保護現場設備12的部件。如果電源22是交流(AC)電源，在適當的情況下，功率調節器128也可以包含交流/直流(AC/DC)轉換器。功率調節器128可以被制造為印刷線路板216的一部分，或可以是連接至印刷線路板216的單獨組件。
[0054]電源模塊120將來自能量存儲設備122和本地電源22這兩個源的能量提供給接線板118。如同在這里的【背景技術】中所論述，諸如能量采集系統和太陽能電池板之類的外部電源通常受限于所述外部電源可以供應的功率。本地電源22的一些實施例可以提供有限的但是實質上恒定的功率，這種恒定的功率不足以一直給信號處理器104、模擬和數字信號調節器110和106、模數轉換器108以及特別地是收發器102供電。本地電源22的其他實施例可以提供較大的但不可靠的功率。不論發生那種情況，電源模塊120用來自能量存儲器122的存儲功率補充來自本地電源22的功率以滿足現場設備12的被供電部件的功率需求。取決于現場設備12的環境和應用，由現場設備12消耗的更多的或更少的總功率可以來自能量存儲設備122或本地電源22。在來自本地電源22的功率相對不足或不可靠的情況下，現場設備12將主要由能量存儲設備122供電，并且來自本地電源22的補充功率將延長能量存儲設備122的壽命。在來自本地電源22的功率相對富足和可靠的情況下，現場設備12可以主要由本地電源22供電，并且來自能量存儲設備122的補充功率將代替來自本地電源22的功率的任何停工期或下跌。
[0055]如上文關于圖1說明的那樣，本地電源22可以采取多種形式。例如，當電動機活動時(例如一半時間，具有50%的占空比)，充當本地電源22的振動俘獲器可以充分地滿足現場設備12的所有功率需求。當電動機不活動時，電源模塊120將代替地提供來自能量存儲設備122的功率。在另一個實施例中，充當本地電源22的熱電能量俘獲器可以提供恒定但微弱的功率，所述功率足夠給信號處理器104、數字和模擬信號調節器106和110、和模數轉換器108供電，但是不足以給信號傳輸期間的收發器102供電。在這種情況下，能量存儲設備122在傳輸中可以提供補充功率。如果本地電源22可以只提供甚至較微弱的功率，能量存儲設備122可以被要求一直給所有的部件供電。在這種情況下，包含本地電源22可以延長能量存儲設備122的預期壽命，增加替換之間的時間。在第三個實施例中，直接的電網連接可以構成本地電源22。在這種情況下，外部電源將在通常的情況下完全地給現場設備12的所有部件供電。如果電網經歷斷電，或電網連接出現故障，能量存儲設備122將充當后備電源，允許現場設備12繼續不間斷地運行。
[0056]盡管接線板118和電源模塊120在圖2中被描述為單獨的部件，但一些實施例可以將接線板118和電源模塊120的功能結合到單個可拆除部件中，所述單個可拆除部件連接到容器R中的現場設備12并被選擇以匹配現場設備12的具體模型和本地電源22的具體類型。
[0057]圖3是現場設備12的一個實施例的分解透視圖，該現場設備12包括天線14、殼體或外殼100、蓋子116、接線板118、電源模塊120、能量存儲設備122、電纜管道138、接線板連接螺釘140、接線板連接螺釘孔142、電源連接件144，和電源連接器146。
[0058]如上文關于圖2a和2b討論的那樣，電源控制器112將功率提供給現場設備12的所有被供電部件。電源控制器112通過電源連接器146接收來自接線板118的電功率，電源連接器146是在接線板118固定在合適的地方時連接接線板118的電接觸件。例如，電源連接器146可以包含多個連接接線板118中對應的凹口或插孔的導電針。此外，電源連接器146將來自電源模塊120的診斷報告(關于圖2a和2b如上所述)傳遞給電源控制器112。這種診斷報告可以是數字或模擬信號。如圖3中所述，接線板118通過接線板連接螺釘140被固定成接觸電源連接器146。接線板連接螺釘140是帶螺紋螺釘，所述帶螺紋螺釘緊固在殼體或外殼100上的接線板連接件孔142中，因此可拆除地固定接線板118。盡管接線板118被描述成由接線板連接螺釘140固定，備選的實施例可以使用其他方法固定接線板118，諸如通過卡銷或螺釘，或通過搭扣或摩擦配合。在可替換的實施例中，接線板118可以是被永久地固定至或安裝在由容器R和內部空間I共享的殼體或外殼100的壁中的不可拆除的部件。接線板118被安裝成經由一個或更多個接線端子接收交流電流(AC)或直流電流(DC)。這些接線端子可以采取鄰接電源模塊120的平坦導電觸點的形式。在所描述的實施例中，接線板118也被安裝成在HART調制解調器105和133之間載送HART信號，反之亦然。
[0059]依據這種實施例，電源模塊120依靠電源連接件144被固定到接線板118。電源連接件144被描述為被在接線板118上的突出套筒圍繞的電接觸件，所述電接觸件形成與內部電源模塊120的搭扣或摩擦配合和電接觸。在其他實施例中，電源連接件144可以包括鉤子、螺絲釘、鎖定裝置，或將內部電源模塊120固定到接線板118上的任何其他常規裝置，以及任何常規的電連接件。缺乏蓋子116時電源連接件144支撐內部電源模塊120(例如當蓋子116被移除以安裝或移除容器R中的部件時)。然而，如下文關于圖4a和4b描述的那樣，蓋子116可以幫助保持內部電源模塊120靠著接線板118。在適當的情況下，接線板118可以提供功率調節以調整電壓或電流，并反相或整流從電源模塊120接收的功率。電源模塊120提供來自本地電源22和/或能量存儲設備122的功率。來自電源模塊120的功率可能單獨來源于本地電源22或能量存儲設備122，或可能來自本地電源22和能量存儲設備122的組合。在一些實施例中，能量存儲設備122可以是諸如電容器或可充電電池之類的可充電電源，并可以從本地電源22充電。
[0060]如上文關于圖2a和2b討論的那樣，能量存儲設備122可以是常規電池或超級電容器。能量存儲設備122被描述為通過搭扣配合或其他常規的鎖閉機構可移除地連接到電源模塊120。在其他實施例中，電源122可以被充分地封裝在電源模塊120中，并可以或不可以被移除。
[0061]電源模塊120為電源連接件24提供接觸點，電源模塊120從所述電源連接件24接收來自本地電源22的功率。這種接觸點可以包括端子螺釘126 (見圖2a和4a)，或用于到外部電源端子124的電接觸件或連接件的任何等效的連接裝置。端子螺釘126是導電的緊固件，所述緊固件用于將電源連接件24的一根或更多根電線連接到印刷線路板216。在電源連接件24包括鉤子或環的情況下，端子螺釘126和印刷線路板216將與這些鉤子或環連接以將電源連接件24固定到電源模塊122。取決于電源連接件24的形式(所述電源連接件24的形式又可以取決于電源)，端子螺釘126可以被插頭、夾子、或其他連接裝置替代。盡管圖3圖示了用于將電源模塊120連接到本地電源22的外部實施例的端部螺釘126，但是電源模塊120可以代替地包含內部本地電源22b (見圖2b)。這種本地電源22b可以位于電源模塊120內，或以安裝在蓋子16下面的方式連接到電源模塊120的外部。
[0062]如上文關于圖2中所不的實施例描述的那樣，蓋子116密封地接合殼體或外殼100，因而保護容器R中的部件(例如接線板118和電源模塊120)。電源模塊120貼合地安裝在容器R的內部，在蓋子116下面并接觸接線板118。本地電源22通過電源連接件24(見圖2a和2b)被連接到電源模塊120，所述電源連接件24通過電纜管道138延伸進入容器R，并固定至端子螺釘126 (或相似的緊固件)。如上所述，電源模塊120包含功率調節器128，所述功率調節器128調節來自本地電源22和能量存儲器122的用于由現場設備12的部件使用的功率。電源終端120通過電源連接器146將診斷報告提供給信號處理器104和/或控制或監控系統26。
[0063]圖4a和4b是從兩個不同角度觀看電源模塊120的一個實施例的分解透視圖。電源模塊120包括能量存儲設備122、端子螺釘126、殼體正面202、殼體背面204、接線柱206、能量存儲設備連接件208、摩擦配合連接件210、支撐件212、固定環214、和印刷線路板216。
[0064]在這種實施例中，電源模塊殼體200是剛性保護外殼，所述外殼圍繞印刷線路板216，并將端子螺釘126和能量存儲設備122貼合地支撐在現場設備12的容器R中。在所描述的實施例中，印刷線路板216是電路板或微型計算機底板，外部電源端子124、功率調節器128、電壓傳感器130、處理器132、存儲器134、和溫度傳感器136都位于所述電路板或微型計算機底板上。在可替換的實施例中，這些部件的一些或全部可以是被容納在電源模塊殼體200內的分離的部件。
[0065]接線柱206是導電柱，所述導電柱從印刷線路板216上的功率調節器128延伸穿過殼體正面202的摩擦配合連接件210以與接線板118 (見圖3)的電源連接件144形成電連接。摩擦配合連接件210是殼體正面202的連接部分，所述連接部分延伸到電源連接件144中并機械地連接到電源連接件144，因而將電源模塊120固定到接線板118。摩擦配合連接件210可以包含用于形成至電源連接件144的貼合連接(snug connect1n)的一個或更多個扣環或類似的部件。
[0066]根據本實施例，能量存儲設備連接件208是常規的卡扣式電池外殼，或用于固定能量存儲設備122的等同裝置。能量存儲設備連接件208被固定到殼體背面204，并為能量存儲設備122提供機械保持和電連接。如上所述，能量存儲設備122可以是專用能量電池、現成的電池、超級電容器、或任何相似的能量存儲設備。能量存儲設備連接件208的大小和形狀可以根據所選擇的能量存儲設備122的類型而改變。能量存儲設備連接件208在能量存儲設備122和印刷線路板216上的功率調節器128之間提供電接觸。
[0067]殼體背面204包括支撐件212，該支撐件212是延伸遠離印刷線路板216以接合蓋子116(見圖3)的大致剛性部分，以在容器R中進行滑合配合。這種配合幫助在電源連接件144處將摩擦配合連接件210保持在合適的位置。在所述的實施例中，支撐件212包括固定環214，該固定環是在殼體背面204的最外層表面上的圓形凸脊。固定環214的大小合適連接在蓋子116的內部(沒有顯示)的互補環或波形彈簧，因而將電源模塊120免受振動地固定在接線板118和蓋子116之間。端子螺釘126延伸通過殼體背面204進入印刷線路板216，因而為本地電源22提供到電連接件24的電接口。對于現場設備12的其中本地電源22被封閉在容器R中(見本地電源22b，關于圖2b上面所述)的實施例，端子螺釘126可以被去除，有利于印刷線路板216和本地電源22 (如果本地電源22被包含在電源模塊120的內部)之間的直接連接，或用于與能量存儲設備連接件208 (如果本地電源22可可拆除地連接到電源模塊120)概念上相似的本地電源22的可拆除連接。可替換地，端子螺釘126或類似的連接裝置可以被用于將印刷線路板216連接到被容納在在殼體背面204和蓋子116之間的完全獨立的本地電源22。在這種最后的實施例中，支撐件212可以被減小以為本地電源22提供空間。
[0068]不管本地電源22是否被容納在容器R中，電源模塊120都提供電連接，所述電連接優先地從電源22中吸取功率，并且當來自本地電源22的功率不可獲得或不足以滿足無線設備12的功率需求時補充地從能量存儲設備122中吸取功率。盡管具體的應用或安裝位置可能導致電源22或能量存儲設備122中的一個提供由現場設備12需求的大部分功率，但在本地電源22可用時，現場設備12更優地在消耗能量存儲設備122之前在從本地電源22吸取功率。來自每個源的功率被功率調節器128按照需求調制，根據需要反相或整流來自本地電源22和能量存儲設備122的功率。這樣，在延長能量存儲設備122壽命的同時，盡管來自外部電源22的功率的可用度變化，電源模塊122也能夠為現場設備12提供連續的功率。
[0069]圖5是監控本地電源22和能量存儲設備122的電源狀態的方法300的流程圖。更特別地，方法300描述一種方法的一個實施例，憑借所述方法診斷報告由電源模塊120組合并發送到信號處理器104和/或控制或監控系統26。
[0070]關于圖2a和2b如上所述，功率處理器132監控能量存儲設備122和外部源終端124或本地電源22的輸出電壓，并更優地報告每個電源的標識符、能量存儲設備122的估計的剩余能量或壽命、和/或標識本地電源22或能量存儲設備122中的故障或變化狀態的故障標記或警報。在所描述的實施例中，功率處理器132首先從存儲器134中檢索電源模塊120的電源模塊標識符(ID)。(步驟SI)。這種電源模塊標識符(ID)包括能量存儲設備的標識符，諸如序列號、容量、或類型。然后功率處理器132通過將本地電源22的輸出電壓信號(例如通過振幅或傅里葉變換的頻率特征)與裝入存儲器134中的特征數據庫中的存儲檔案匹配類似地識別本地電源22。在電源模塊120中的其中能量存儲設備122是可移除的部件而不是一體部分的實施例中，同樣可以基于能量存儲設備122的被檢測到而不是直接從存儲器134檢索到的電壓特征識別能量存儲設備122。通過將檢測到的瞬時輸出電壓和/或隨著時間過去的輸出電壓變化與存儲器134中與在步驟SI中所做的標識符相關聯的預計值進行比較，功率處理器132確定能量存儲設備輸出電壓是否異常。(步驟S3)。如果能量存儲設備顯示異常電壓，如指示超過閾值電平的耗盡或逼近的完全耗盡的低電壓，功率處理器132將能量存儲設備標記為故障。(步驟S4)。在一些實施例中，功率處理器132能夠標記對應不同的設備狀態(例如短路、50%電池耗盡、90%電池耗盡、閾值之上的意外快速耗盡，等等)的多個不同的能量存儲設備警報。基于所檢測到的本地外部電源端子124(在圖2a的實施例中)或本地電源22(在圖2b的實施例中)的輸出電壓，功率處理器132類似地確定本地電源電壓或隨著時間過去的電壓變化是否異常。(步驟S5)。例如，異常電壓可以反映本地電源22的故障，或來自本地電源22的功率的不充足。如同能量存儲設備122 —樣，功率處理器132標記本地電源124中的任何故障或變化。(步驟S6)。被標記的能量存儲設備和本地電源故障或警報存儲于存儲器134中。這些故障僅僅可以被暫時地存儲，或可以被存檔于存儲器134中用于以后的詳細診斷。
[0071]優選地，通過基于來自電壓傳感器130的當前和歷史電壓讀數，根據在步驟SI和S2中對本地電源22和能量存儲設備122的識別，并基于來自溫度傳感器136的讀數(步驟S7)，估計能量存儲設備122的剩余電量和預期的耗盡速度，功率處理器132還計算能量存儲設備122的估計的剩余壽命。然后功率處理器132通過接線板118將包含這種估計的剩余壽命和任何標記的故障或警報的診斷報告發送到信號處理器104和/或控制或監控系統26。(步驟S8)。在一些實施例中，診斷報告也可以包含步驟SI和S2中所做的識別，和步驟S7中所做的剩余電量和預期耗盡速度的估計。例如，診斷報告可以包含由功率處理器132提供給接線板118的已調制電壓輸出。
[0072]盡管已經參照示例性實施例描述了本實用新型，但本領域技術人員將會明白，在不背離本實用新型的范圍的情況下，可以做出不同的改變并且其元件可以被等同物替代。另外，在不背離本實用新型的本質范圍的情況下，可以做出許多修改以使特定情況或材料適應本實用新型的教導。因此，意圖是本實用新型不限制于所公開的特定實施例，但是本實用新型將包括落入隨附的權利要求的范圍之內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種無線現場設備組件，其特征在于，該無線現場設備組件包括: 過程傳感器，所述過程傳感器被構造成監控過程變量并產生傳感器信號； 外殼，所述外殼將無線現場設備的內部空間封閉； 變送器，所述變送器被封閉在所述內部空間中，并被構造成處理傳感器信號；和 電源模塊，所述電源模塊被構造成被容納在內部空間中，電源模塊包括: 能量存儲設備； 至本地電源的連接件；和 處理器，所述處理器被構造成為變送器提供能量存儲設備和本地電源的診斷報告。
2.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊進一步地包括第一電壓傳感器和第二電壓傳感器，所述第一電壓傳感器和第二電壓傳感器被構造成分別檢測能量存儲設備和本地電源的第一輸出電壓和第二輸出電壓。
3.根據權利要求2所述的無線現場設備組件，其特征在于，診斷報告包括故障報告，所述故障報告基于所述第一輸出電壓和第二輸出電壓指示能量存儲設備或本地電源中的初期故障或當前故障。
4.根據權利要求3所述的無線現場設備組件，其中所述故障報告反映來自能量存儲設備和/或本地電源的意料之外的電壓降落。
5.根據權利要求2所述的無線現場設備組件，其特征在于，所述診斷報告包括能量存儲設備和本地電源中的至少一個的識別。
6.根據權利要求5所述的無線現場設備組件，其中能量存儲設備和本地電源中的至少一個的識別包括基于所述第一輸出電壓和第二輸出電壓對本地電源的識別。
7.根據權利要求6所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊進一步地包括機器可讀存儲器，并且能量存儲設備和本地電源中的至少一個的識別包括從機器可讀存儲器中檢索到的能量存儲設備的識別。
8.根據權利要求2所述的無線現場設備組件，其特征在于，所述診斷報告包括基于所述第一輸出電壓和第二輸出電壓預計的能量存儲設備的預計剩余壽命。
9.根據權利要求8所述的無線現場設備組件，其特征在于，本地電源進一步地包括被構造成產生環境溫度讀數的溫度傳感器，并且其中能量存儲設備的預計剩余壽命進一步地是基于環境溫度讀數的。
10.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊被構造成優先地從本地電源連接件吸取功率，并且當來自本地電源中的功率不可用或不足以滿足功率需求時補充地從能量存儲設備中吸取功率。
11.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊容納本地電源。
12.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，本地電源位于電源模塊的外部，并且通過電源模塊的外部電源端子連接到電源模塊。
13.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，該無線現場設備組件進一步地包括蓋子，該蓋子在外殼和該蓋子之間限定一容器，并且其中電源模塊被構造成被容納于所述容器中。
14.根據權利要求13所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊被構造成可拆除地容納于所述容器中。
15.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，能量存儲設備是電池或超級電容器。
16.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，本地電源是能量收集設備。
17.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊進一步地包括功率調節器，所述功率調節器調節來自能量存儲設備和本地電源中的至少一個的功率。
18.根據權利要求17所述的無線現場設備組件，其特征在于，功率調節器被構造成整流或反相來自能量存儲設備和本地電源中的至少一個的功率。
19.根據權利要求1所述的無線現場設備組件，其特征在于，變送器被構造成將傳感器信號和診斷報告發送到控制或監控系統。
20.一種無線現場設備組件，其特征在于，該無線現場設備組件包括: 過程傳感器，所述過程傳感器被構造成監控過程變量并產生傳感器信號； 外殼，所述外殼對無線現場設備的內部空間進行封閉； 變送器，所述變送器被封閉于所述內部空間中，并且被構造成處理傳感器信號；和 電源模塊，所述電源模塊被構造成被容納于所述內部空間中，電源模塊包括: 至本地電源的連接件，電源模塊優先地從所述本地電源吸取功率； 能量存儲設備，當來自本地電源的功率不可用或不足以滿足功率需求時，電源模塊補充地從所述能量存儲設備吸取功率；和 第一電壓傳感器和第二電壓傳感器，所述第一電壓傳感器和第二電壓傳感器被構造成分別地檢測能量存儲設備和本地電源的第一輸出電壓和第二輸出電壓。
21.根據權利要求20所述的無線現場設備組件，其特征在于，電源模塊進一步地包括處理器，所述處理器被構造成基于第一輸出電壓和第二輸出電壓向變送器提供能量存儲設備和本地電源的診斷報告。
【文檔編號】G05B19/418GK203941427SQ201420220343
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2013年6月28日
【發明者】查德·邁克爾·麥克蓋爾, 凱利·邁克爾·奧什, 荻奧多·亨利·施奈爾 申請人:羅斯蒙特公司