用于工业过程的无线过程变量变送器的制作方法

1.本实用新型涉及用于感测工业过程中的过程变量的类型的过程变量变送器。更具体地，本实用新型涉及用于工业过程的无线过程变量变送器。


背景技术：

2.在工业环境中，控制系统用于监测和控制工业和化学过程的库存等。通常，控制系统使用分布在工业过程中的关键位置处的多个现场设备来执行这些功能。现场设备可以在各种不同安装中操作。过程安装的实例包括石油、制药、化工、纸浆和其他过程安装。这些现场设备通信地联接至控制室中的控制电路系统。
3.过程控制测量行业出于各种目的使用现场设备。通常，此类装置具有现场硬化壳体，使得其可以安装在室外相对恶劣的环境中，并且能够抵抗气候的极端温度、湿度、振动和机械冲击。现场设备通常也以相对较低的功率操作。例如，一些现场设备目前可以从已知的4ma-20ma回路接收其所有操作功率。
4.传统上，现场设备已经借助于物理导体联接至过程通信系统(例如控制室)。此类有线连接不仅向现场设备提供电力，而且还提供通信路线。有线现场设备的一个限制是，安装有时可能耗费大量人力，因为必须将电线连接至现场设备的每个物理位置。
5.最近，已经出现了采用无线通信与控制室和/或其他合适的设备通信的现场设备。这些无线现场设备通常配备有内部电源，诸如电池，其可以为无线现场设备提供数年的工作电源。
6.无线技术在工业过程行业的使用催生了对本地无线变送器供电方式的需要。电池是提供本地电源的一种方式。然而，电池的一个问题是电池容量有限。在电池容量与较长的变送器寿命和/或由于网络配置导致更高的更新速率或重负载之间通常存在折衷。因此，期望以可使用更大容量电池的方式提供现场设备电力。


技术实现要素：

7.一种用于工业过程的无线过程变量变送器，所述无线过程变量变送器包括被配置成感测所述工业过程的过程变量并且提供过程变量传感器输出的过程变量传感器。联接至所述过程变量传感器的测量电路系统提供与所述过程变量传感器输出有关的输出。联接至所述测量电路系统的无线通信电路系统被配置成将与所述过程变量传感器输出有关的信息无线传送至远程位置。电池电源包括：多个电池电源组，每个电池电源组具有原电池；电连接至所述原电池的低电压截止电路，当所述原电池的电压高于阈值时，所述低电压截止电路提供与所述原电池的电连接；以及理想二极管，所述理想二极管具有通过所述低电压截止电连接至所述原电池的输入并且提供电源组输出。电力共享节点具有连接至所述多个电池电源组中的每一者的所述电池电源组输出的输入，并且具有从所述多个电池电源组中的每个原电池提供电流的共享电力输出。电源电路电连接至所述共享电力输出，所述电源电路被配置成使用在所述多个电源组中的每个原电池之间共享的电力向所述测量电路系
统和无线通信电路系统提供电力。
8.提供本实用新型内容以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式中进一步描述。本实用新型内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
9.图1是示出包括无线过程变量变送器的工业过程的示意图。
10.图2是图1的无线过程变量变送器的简化框图。
11.图3是图2的电池电源中的多个电源组的简化框图。
具体实施方式
12.下文参考附图更充分地描述本公开的实施方案。使用相同或相似附图标记标识的元件是指相同或相似元件。为了简化图示，某些元件可能未在每个图中示出。然而，本公开的各种实施方案可以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的具体实施方案。相反，提供这些实施方案使得本公开将是透彻和完整的，并且这些实施方案将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
13.工业过程控制行业对电池操作的工业现场设备(特别是过程变量变送器)的需求日益增加，以提供附加的功能和更快的更新速率。解决这一需求的代价是电池寿命的缩短和操作员更频繁地更换电池。虽然电池技术不断改进，但该技术并未跟上行业需求。为了提供满足行业需求的现场设备，需要一种全新的电源管理解决方案。
14.如背景技术部分所述，存在以无线方式操作的某些类型的过程变量变送器。对于此类变送器，期望包括内部电源，诸如电池。对于某些安装，原电池(不能充电的电池)比次电池(可充电)更有优势。这些优点包括降低成本和增加电力存储容量。过程变量变送器可用的功率量越大，其可以提供的功能就越多。这包括增加数据计算和诊断、增加输出信号强度和增加更新速率。
15.一个特别有前景的原电池是锂亚硫酰氯原电池，因为其具有高能量存储容量。一些原单元电池难以并联连接以获得更高的容量。然而，当并联连接时，锂亚硫酰氯原单元电池尤其成问题，因为并联连接中较弱的电池将由其他电池充电。这会产生可能导致热失控的不稳定操作条件。
16.本实用新型包括具有电源组配置的工业无线过程变量变送器，所述电源组配置包括被配置成用于并联连接的原电池。在一个特定配置中，电源组包括原电池、低电压截止电路、能量限制器和理想二极管中的至少一者。该电路系统允许安全且高效地使用来自并联连接的多个原电池的能量。
17.图1是工业过程10的简化图，该工业过程包括被布置成使用过程变量传感器16感测过程管道14中的过程流体的过程变量的无线过程变量变送器(现场设备)12。然而，本实用新型适用于感测其他类型的过程变量的过程变量变送器。无线过程变量变送器12使用通信电路系统(图1中未示出)和在天线20与22之间传送的无线射频信号传送至远程位置18。在操作期间，过程变量变送器12使用过程变量传感器16感测管道14中的过程流体的过程变
量。过程变量传感器16可为任何类型的过程变量，并且实例包括感测压力、流速、压差、腐蚀、气体浓度、液位、温度、ph、浊度、位置信息、声学数据或其他的传感器。过程变量变送器12使用内部电路系统(图1中未示出)以获得与感测到的过程变量有关的测量数据。过程变量变送器12接着使用在天线20与22之间的无线连接将与感测到的过程变量有关的数据传送至远程位置18。通信还可以包括其他信息，包括原始数据、诊断信息、其他感测到的过程变量、与环境有关的数据、时间信息、识别特定过程变量变送器12的信息，诸如地址等。此外，远程位置18还可以将信息传送至过程变量变送器12。此类通信可以包括由其他设备、命令、编程指令等感测的过程变量。例如，通信可为直接的或通过诸如网状网络等中间连接。
18.图2是包括连接至过程变量传感器16的测量电路系统40的无线过程变量变送器12的简化框图。测量电路系统40被配置成对来自过程变量传感器16的传感器输出执行初始处理，并且将输出提供给控制器42。控制器 42可以包括例如诸如微处理器的数字控制器，并且测量电路系统40可以包括模数转换器，以提供与感测到的过程变量有关的数字输出。控制器42控制无线通信电路系统44，以使用天线20提供与感测到的过程变量有关的无线射频输出。示例性过程变量传感器16包括：腐蚀传感器，其被布置成测量过程部件的腐蚀速率；压力传感器，其被配置成测量过程流体的压力；温度传感器，其被配置成测量工业过程的温度；声传感器，其测量工业过程中的声音和振动；气体传感器，其测量在工业过程中的气体浓度；液位传感器，其被配置成测量例如包含在储罐中的过程流体的液位；位置跟踪传感器，其被布置成监测过程部件或人员的位置等。
19.图2还示出电池电源46，其包括图3中所示的多个电源组50。电池电源46将电池电力输出提供给电源电路系统48，该电源电路系统又将电力提供给测量电路系统40、控制器42和无线通信电路系统44。在一些配置中，还将电力提供给过程变量传感器16。
20.通过电路系统44的无线通信可以根据任何适当的通信技术发生。使用了若干标准，这些标准包括(iec 62591)或isa 100.11a (iec 62734)，或另一无线通信协议，诸如wifi、lora、sigfox、ble，或包括定制或专有通信协议的任何其他合适协议。
21.图3是包括多个电池电源组50a、50b和50c的电池电源46的简化示意图。图3所示的配置提供自主管理配电电路，其提供通过使用多个电池延长现场设备12的工作寿命的方法。实施方案示出三个电池组50a、50b 和50c的使用。然而，可以采用任何数量的组。
22.锂亚硫酰氯原电池的使用是合乎需要的，因为其具有高能量容量。然而，与典型的电池技术不同，锂亚硫酰氯原电池不能作为增加容量的方法而直接并联放置。如果并联连接锂亚硫酰氯原电池，该组中较弱的电池将由其他电池充电。这可以产生不稳定的操作条件，并且导致热失控条件。图3中所示的配置允许使用来自多个电池的能量的安全且有效的方法。
23.根据该实施方案，电池电源46包括三个单独的电池电源组50a、50b 和50c。在该配置中，每个电源组彼此相同。每个电源组包括分别连接至低电压截止电路54a、54b和54c的原电池52a、52b和52c。来自低电压截止的输出分别联接至保护元件56a、56b和56c，保护元件又连接至一系列理想二极管。每个电池电源组50a、50b和50c优选地包括三个理想二极管，分别如图3所示的58a1、58a2、58a3；58b1、58b2、58b3和 58c1、58c2、58c3。三个二极管的使用使装置能够满足冗余的本质安全要求。理想二极管可以根据任何理想二极管技术操
作。在一个具体实施方案中，理想二极管包括有源电路系统。
24.来自电源组50a、50b和50c的输出联接至电力共享电阻器62，该电力共享电阻器充当电力共享节点，并且向被配置为开关调节器的电源电路 48提供电力。大容量电容器64用来过滤和平滑电力共享节点62中的任何电压变化。
25.电池回读输出通过电阻器60a、60b和60c提供，该电阻器分别联接至来自保护元件56a、56b和56c的输出。通过电阻器60a、60b和60c 的连接联接至控制器42，并且分别可以用于监测每个电池52a、52b和 52c的电压。电阻器60a、60b、60c和62提供本质安全边界，其防止来自电池52a、52b、52c的过量电力进入设备电子器件。
26.一般来讲，每个组50a至50c与另一个相同。每个组50a至50c的输出在电力共享电阻器62处共用，以将电力输送至设备12。低电压截止电路54a至54c用于在电池52a至52c接近耗尽时将其与电路断开。这确保电池52a至52c永远不会完全耗尽，并且可以在回收过程中安全地运输。
27.保护元件56a至56c将进入电路系统中的总能量限制为下游部件的能量额定值。元件56a至56c与电力共享电阻器62结合使电路在危险位置使用时在本质上是安全的。三重冗余理想二极管电路58的使用是设计中的特征。二极管58提供四个主要功能。其允许电池放电电流流入负载中。此外，其阻止任何反向电流对电池52充电。其还提供了本质安全，并且限制了每个组50a至50c中的电压损失。当每个组的电压损失保持较小时，电池与负载之间会发生最大的能量转移。与使用传统肖特基二极管时的一伏压降相比，使用理想二极管可以将电压损失限制在50mv以下。这可能导致电池使用寿命提高超过60％。
28.在正常操作期间，所有三个电池组50a、50b和50c彼此协作以将电流i
l
供应给负载。最初，负载将仅由具有最高电压的电池组50a至50c供电。随着该组上的电压衰减，具有下一最接近电压的组将开始分担负载。最终，所有三个组50a至50c将电流提供给负载。控制器42使用电池回读连接a至c定期读取每个电池组的电压。这允许设备12将每个电池52a 至52c的健康状况报告至远程位置18。可以向操作员发出低电池电量警告，以便更换已消耗的电池。例如，控制器42可以使用传输至远程位置18的无线通信电路系统44发出警报，该警报指示电池52a至52c中的一个或多个具有低电压并且应当更换。i/o 70也可以提供本地警告。
29.这种自主管理配电电路46与一旦电池耗尽就一次切换一个电池的那些配电电路相比提供几个优点。例如，电池在长时间没有负载的情况下往往会形成钝化层。该层充当串联电阻元件，并且在首次投入使用时抑制电池输送负载电流并长时间降低电池电压。作为负载共享概念的一部分，这种自主管理技术通过持续对每个电池进行负载循环来防止钝化。该概念可通过允许添加任意数量的电池组50来实现期望容量来扩展。即使在多组系统中，如果需要，也可以安装更少的电池来操作设备。此概念还允许在其他一个或两个电池继续为负载供电而不中断时热交换电池。这个概念的另一个优点是，它消除了必须确定旧电池何时应该换出和新电池何时换入的复杂性。本实用新型提供的电池组50之间的自主管理切换以及连续健康监测消除了这些问题。
30.在一个实施方案中，变送器12包括可以提供附加功能的附加输入/输出电路系统70。例如，i/o电路系统70可以提供本地指示器，诸如led、 lcd或其他此类接口装置，其向用户告知每个电池52的当前状态。传送该信息的另一方式是通过至远程位置18的数字或模拟
通信连接。i/o 70也可以用于向控制器42提供信息，诸如电池52中的一者电池已被替换的指示。 i/o电路系统70可为手动本地输入和/或可以提供诸如经由蓝牙或wifi等的本地通信。
31.虽然已经参考优选的实施方案描述了本实用新型，但是本领域的技术人员将认识到，可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下在形式和细节上进行修改。