包括具有逻辑能力的电源模块的无线现场设备组件的制作方法
【专利摘要】一种无线现场设备组件包括过程传感器、外壳、变送器和电源模块。过程传感器被构造成监控过程变量并产生传感器信号。外壳将无线现场设备的内部空间封闭。变送器被封闭在内部空间中，并被构造成处理传感器信号。电源模块被构造成被容纳在内部空间中，并且包括能量存储设备、至本地电源的连接件、和处理器，所述处理器被构造成为变送器提供能量存储设备和本地电源的诊断报告。
【专利说明】包括具有逻辑能力的电源模块的无线现场设备组件
【技术领域】
[0001]本实用新型一般涉及工业过程现场设备，并且更特别地，涉及用于给无线工业过程现场设备供电的混合电源模块。
【背景技术】
[0002]术语“现场设备”覆盖大范围的过程管理设备，所述过程管理设备测量并控制诸如压力、温度和流量之类的参数。许多现场设备是变送器，所述变送器担当用于检测或驱动工业过程变量的传感器和诸如控制室中的计算机之类的远程控制或监控设备之间的通信中继站。例如，传感器的输出信号一般不足以与远程控制或监控设备有效地通信。变送器通过从传感器接收通信，将这种信号转化成用于较长距离通信的更有效的形式(例如，经过调制的4-20mA电流回路信号，或无线协议信号)，并将转化的信号发射到远程控制或监控设备以弥合这种间隙。
[0003]现场设备用于监控和控制各种各样的工业过程参数，包括压力、温度、粘度、和流量。其他现场设备驱动阀门、泵和其他工业过程的硬件。每种现场设备一般地包括密封外壳，所述密封外壳包括制动器和/或传感器，用于接收和处理传感器和控制信号的电子设备，和用于发射处理的传感器信号以便每种现场设备和工业过程参数可以被远程监控的电子设备。大型工业制造工厂一般地使用分布跨越大范围地区的多种现场设备。这些现场设备通常与公共控制或监控设备通信，允许工业过程被集中地监控或控制。
[0004]现场设备越来越多地使用无线收发器以与集中控制或监控系统通信。无线设备将控制或过程监控系统的范围延伸超过有线设备的范围到达提供接线可能困难并昂贵的位置。在某些情况下无线现场设备可以由至诸如120V交流公共电网的直接电连接或带电数据供电。然而，更多的时候，公共电网并不位于测试设备和传感器必须运转的危险地方附近或不能轻易地安装在测试设备和传感器必须运转的危险地方中。因此，现场设备经常由储存的(如在长寿命电池的情况中一样)或产生的(如在太阳能电池板的情况中一样)能量有限的电源本地地供电。电池预计持续超过五年并且更优地持续像产品寿命一样长。因为本地电源具有有限的能量，功耗较低的电子设备和射频(RF)无线电设备的使用对许多无线现场设备常常是至关重要的。
[0005]许多现场设备设计将电池装入现场设备的密封外壳的附接盖子下面。其他现场设备使用来自外部电源的能量，所述外部电源例如是太阳能电池板、诸如振动或热电俘获器之类的能量采集器、或附近的公用电网连接。每种给无线现场设备供电的方法通常需要不同的接线柱接口。部分或全部根据电池电源运行的现场设备一般地结合有提供至附接的电池的接触点的接线板。相比之下，根据电网电力运行的现场设备包含(一般地通过螺丝接线端)提供针对电网电力的有线连接并使电网电力适合该现场设备使用的接线板。接线板通常是可拆除的，允许单独的现场设备被配置成通过换入一个或另一个专用电源接线板而用于不同的电源。太阳能电池板、振动能量采集系统和其他类型的本地电源模块都可以使用不同的接线板。
[0006]无线变送器现场设备广播与检测到的参数对应的周期信号。靠电池供电的变送器一般地被预期在电池更换之间运行五年或更多年。取决于应用，现有的系统可以在这种时间周期内运行同时每隔四秒进行发射。更快的更新率对于许多工业应用来说是希望的，但是需要较大的能耗，这极大地降低电池寿命。
[0007]诸如太阳能电池板和振动或热电俘获器之类的能量收集系统高度依赖于地点和应用产生能量。例如，振动俘获器可在高振幅连续振动的区域中可能是高效能源，但是在低振幅或间歇振动的区域中可能不实用或足够。此外，虽然电池和超级电容器通常在放电时持续供电，但是能量收集系统可能经历能量生产的意外下降，导致取决于环境条件的能量水平的波动。例如，太阳能电池板在黑暗中不生产能量，并且当所连接的结构(例如，电动机)静止时振动俘获器不生产能量。
实用新型内容
[0008]在本实用新型的一个方面中，提供了一种包括过程传感器、外壳、变送器和电源模块的无线现场设备组件。过程传感器被构造成监控过程变量并产生传感器信号。外壳将无线现场设备的内部空间封闭。变送器被封闭在所述内部空间中，并被构造成处理传感器信号。电源模块被构造成被容纳在所述内部空间中，并且包括能量存储设备、本地电源的连接件、和处理器，所述处理器被构造成向变送器提供能量存储设备和本地电源的诊断报告。
[0009]在上述无线现场设备组件中，电源模块还可以包括第一电压传感器和第二电压传感器，所述第一电压传感器和第二电压传感器被构造成分别检测能量存储设备和本地电源的第一输出电压和第二输出电压。
[0010]在上述无线现场设备组件中，诊断报告可以包括故障报告，所述故障报告可以基于所述第一输出电压和第二输出电压指示能量存储设备或本地电源中的初期故障或当前故障。
[0011]在上述无线现场设备组件中，所述故障报告可以反映来自能量存储设备和/或本地电源的意料之外的电压降落。
[0012]在上述无线现场设备组件中，所述诊断报告可以包括能量存储设备和本地电源中的至少一个的识别。
[0013]在上述无线现场设备组件中，能量存储设备和本地电源中的至少一个的识别可以包括基于所述第一输出电压和第二输出电压对本地电源的识别。
[0014]在上述无线现场设备组件中，电源模块还可以包括机器可读存储器，并且能量存储设备和本地电源中的至少一个的识别可以包括从机器可读存储器中检索到的能量存储设备的识别。
[0015]在上述无线现场设备组件中，所述诊断报告可以包括基于所述第一输出电压和第二输出电压预计的能量存储设备的预计剩余寿命。
[0016]在上述无线现场设备组件中，本地电源还可以包括被构造成产生环境温度读数的温度传感器，并且其中能量存储设备的预计剩余寿命可以是基于环境温度读数的。
[0017]在上述无线现场设备组件中，电源模块可以被构造成优先地从本地电源连接件吸取功率，并且当来自本地电源中的功率不可用或不足以满足功率需求时可以补充地从能量存储设备中吸取功率。
[0018]在上述无线现场设备组件中，电源模块可以容纳本地电源。
[0019]在上述无线现场设备组件中，本地电源可以位于电源模块的外部，并且可以通过电源模块的外部电源端子连接到电源模块。
[0020]上述无线现场设备组件还可以包括盖子，该盖子可以在外壳和该盖子之间限定一容器，并且其中电源模块可以被构造成被容纳于所述容器中。
[0021]在上述无线现场设备组件中，电源模块可以被构造成可拆除地容纳于所述容器中。
[0022]在上述无线现场设备组件中，能量存储设备可以是电池或超级电容器。
[0023]在上述无线现场设备组件中，本地电源可以是能量收集设备。
[0024]在上述无线现场设备组件中，电源模块还可以包括功率调节器，所述功率调节器可以调节来自能量存储设备和本地电源中的至少一个的功率。
[0025]在上述无线现场设备组件中，功率调节器可以被构造成整流或反相来自能量存储设备和本地电源中的至少一个的功率。
[0026]在上述无线现场设备组件中，变送器可以被构造成将传感器信号和诊断报告发送到控制或监控系统。
[0027]在本实用新型的另一个方面中，提供了一种无线现场设备组件，包括:过程传感器，所述过程传感器被构造成监控过程变量并产生传感器信号；外壳，所述外壳对无线现场设备的内部空间进行封闭；变送器，所述变送器被封闭于所述内部空间中，并且被构造成处理传感器信号；和电源模块，所述电源模块被构造成被容纳于所述内部空间中。电源模块包括:至本地电源的连接件，电源模块优先地从所述本地电源吸取功率；能量存储设备，当来自本地电源的功率不可用或不足以满足功率需求时，电源模块补充地从所述能量存储设备吸取功率；和第一电压传感器和第二电压传感器，所述第一电压传感器和第二电压传感器被构造成分别地检测能量存储设备和本地电源的第一输出电压和第二输出电压。
[0028]在上述无线现场设备组件中，电源模块还可以包括处理器，所述处理器可以被构造成基于第一输出电压和第二输出电压向变送器提供能量存储设备和本地电源的诊断报生口 ο
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是包括以无线现场设备为特征的过程监控和控制系统的典型图。
[0030]图2a是图1的无线现场设备的框图。
[0031]图2b是根据本实用新型的可替换的无线现场设备的框图。
[0032]图3是图1的无线现场设备的分解透视图。
[0033]图4a和4b是从两个角度观看图1的无线现场设备的电源模块的分解透视图。
[0034]图5是图1的无线现场设备的诊断和故障检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0035]本实用新型是用于工业无线现场设备的电源模块。根据一种实施例，这种电源模块同时包括诸如电池或超级电容器之类的能量存储设备，以及包括用于诸如能量采集源之类的外部电源的功率调节电路。电源模块分别处理来自能量存储设备和外部电源的电压读数，并向无线现场设备或控制或监控系统提供使用这种电压信息产生的诊断报告。
[0036]图1描述过程测量或控制点10，包括无线现场设备12 (带有天线14)、换能器16、过程连接件18、过程管道20、本地电源22、和电源连接件24。无线现场设备12通过天线14连接到控制或监控系统26。
[0037]过程管道20输运过程流体流F。无线现场设备12可以是过程变送器，所述过程变送器被构造成接收、处理并发射来自被构造成测量这种过程流体的参数的一个或更多个传感器的信号。可替换地，现场设备12可以是被构造成响应于来自控制或监控系统26的信号控制诸如阀门或泵之类的过程致动器的无线控制器。换能器16是通过过程连接件18接触流体流F的这样一种传感器或致动器。取决于特定的工业应用和由换能器16测量或驱动的参数，过程连接件18可以是连接流体流F的平行或同轴连接件。尽管图1中只展示了一种换能器16，但过程测量或控制点10的一些实施例可以包括连接到无线现场设备12的多种传感器和/或致动器。
[0038]在一些实施例中，换能器16是将用于处理并传递到控制或监控系统26的传感器读数提供到现场设备12的传感器。在其他实施例中，换能器16是响应于通过现场设备12从控制或监控系统26接收的信号驱动过程流体上的改变的致动器。尽管以下进一步的解释将集中于其中传感器16包含传感器的实施例，但本领域技术人员将理解到所述实用新型可以同样地应用到致动器系统。
[0039]换能器16通过过程连接件18被固定到过程管道20，并测量过程流体的一个或更多个参数，如流量、粘度、温度或压力。在所描述的实施例中，换能器16被容纳在现场设备12的内部，但是可替换的实施例可以具有与现场设备12分开地定位并通过电线连接到现场设备12的换能器。来自换能器16的传感器信号(例如，作为模拟电压值或数字信号)被发送到现场设备12中(见图2a和2b)的处理和传输电子设备。换能器16的具体形式可以根据所检测的参数变化；在某些情况下，过程连接件18可以被构造成使得换能器16延伸到过程管道20内的过程流体F中。现场设备12接收并数字化(如果有必要)来自传感器16的过程信号，同时将包含过程信息的过程信息通过天线14发送到控制或监控系统26。天线14显示为单个天线，但是可以包括成阵列的多个不同的天线。现场设备12可以将信号直接发射到控制或监控系统26，或可以通过中间网或中心辐射型网络发射信号。在一些实施例中，现场设备12可以利用无线(HART) (IEC62591)或Fieldbus (IEC61158)协议。控制或监控系统26可以是集中系统，所述集中系统接收来自无线现场设备网络中的多个现场设备的传感器数据，并/或将致动器数据广播到所述多个现场设备。控制或监控系统26可以和无线现场设备网络一起位于现场，或可以位于远程控制室。
[0040]如同以下更详细地讨论，现场设备12包括处理并发射来自换能器16 (在致动器系统的情况下，或者将信号发送到换能器16)的信号的电子设备。信号处理和信号发送都需要能量，这种能量是如以下参照图2a和2b所描述的电源模块提供。这种电源模块同时包括诸如电池或超级电容器之类的内部能量存储设备，以及通过电源连接件24连接到本地电源22的连接线路(hookup)。例如，本地电源22可以是太阳能电池、诸如振动或热电俘获器之类的能量收集器、或公用电网。尽管图1将本地电源22图示为位于现场设备12之外的外部电源，但是如下文参照图2b描述的那样，本地电源22的一些实施例可以安装在现场设备12的内部。
[0041]图2a和2b描述现场设备12的实施例，在所述现场设备12中本地电源22分别在现场设备12的外部(图2a)和内部(图2b)。图2a和2b的实施例仅仅在电源模块120的构成上不同，在图2a中体现为电源模块120A，并在图2b中体现为电源模块120B。名称“电源模块120”于此用来相等地指示电源模块120A和电源模块120B，在这里实施例之间的区别是不相关的。
[0042]图2a和2b集中于接收传感器信号并将传感器信号发送到控制或监控系统26的现场设备12的实施例，而不是基于来自控制或监控系统26的信号驱动过程机械设备的实施例。如上所述，电源模块120可以应用于任一类型的系统，和执行两者功能的现场设备。
[0043]图2a是现场设备12的框图，图示天线14、换能器16、壳体或外壳100、收发器102、信号处理器104、HART调制解调器105、数字信号调节器106、模数转换器108、模拟信号调节器110、电源控制器112、盖子116、接线板118和电源模块120A的一种实施例。电源模块120A包含能量存储设备122、外部电源终端子124 (具有端子螺钉126)、功率调节器128、电压传感器130、功率处理器132、HART调制解调器133、存储器134和温度传感器136。电源连接件24穿过电源导管138以将本地电源22连接到外部电源端子124的端子螺钉126。图2b是现场设备12的可替换实施例的框图，在所述实施例中电源模块120A由电源模块120B替代。电源模块120B内部包括本地电源22，因此排除对于外部电源端子124、端子螺钉126、电源连接件24和电源导管138的需求。否则图2a和2b中所描述的实施例是完全相同的。在所描述的实施例中，电源模块120位于由外壳100和盖子116所限定的容器R中。
[0044]现场设备12可以暴露于极限温度和危险环境。因此现场设备12包括用于封装并保护内部区域I中的电子设备的壳体或外壳100。壳体或外壳100是坚硬、耐用的主体，所述主体可以被封住防护环境以保护收发器102、信号处理器104、数字信号调节器106、模数转换器108、模拟信号调节器110和电源控制器112免受退化或破坏。壳体或外壳100与盖子116连接以封闭容器R，所述容器R保护并容纳诸如电源模块120之类的可拆除部件。壳体或外壳100和盖子116可以同样地形成环境密封，从而保护位于容器R中的部件免受有害的环境影响。在一些实施例中，壳体或外壳100和盖子116之间的密封可以充分地保护内部区域I中的部件(即，收发器102、信号处理器104、数字信号调节器106、模数转换器108、模拟信号调节器110和电源控制器112)，以便壳体或外壳100不需要充分地封闭内部区域I，因为只要连接盖子116，则壳体或外壳100和盖子116的组合将保护这些组件免受环境的破坏。
[0045]根据一种实施例，收发器102是通过天线14发送并接收无线信号的信号变送器/接收机。信号处理器104是诸如微处理器之类的具有逻辑能力的数据处理器。在所描述的实施例中，HART调制解调器105是调制器-解调器，所述调制器-解调器被构造成从由HART调制解调器133(见下文)提供的已调幅电流信号提取诊断或状态信号，反之亦然。例如，接线板118可以设置有用于连接手持式诊断设备的HART连接件。在其他实施例中，HART调制解调器105和133可以被任何其他合适的数据通信信道替换，例如通过12C或串行外围接口(SPI)总线。数字信号调节器106包含数字滤波器，所述数字滤波器对数字化传感器信号起作用，并能够由信号处理器104响应于来自中央控制或监控系统26的诊断程序或指令进行配置。例如，数字信号调节器106可以操作以过滤噪声或从由模数转换器108提供的原始数字化信号提取兴趣信号。模数转换器108是能够数字化来自传感器16的对应于主检测变量的模拟传感器信号的模数转换器。在一些实施例中(诸如在致动器系统中)，可替换地或附加地，模数转换器108可以包含数模转换器，所述数模转换器能够将来自信号处理器104的数字信号转换成用于传送到换能器16的模拟信号。模拟信号调节器110是常规的模拟信号调节器，例如所述模拟信号调节器可以执行带通滤波以将一种或更多种感兴趣的频率范围与从换能器16接收的信号隔离。电源控制器112是被构造成从接线板118吸引功率的常规功率路由选择设备。在一些实施例中，电源控制器112可以接收来自接线板118的模拟诊断报告信号作为监控电能质量和即将发生的电源故障的一种手段。在其他实施例中，电源模块120可以专门通过HART调制解调器105和133或通过相似的数据总线与信号处理器104通信。信号处理器104可以处理这种诊断报告，至少部分基于诊断信号控制传感器16，或通过收发器102和天线14将诊断报告简单地发送到控制或监控系统26用于归档和/或进一步地处理。电源控制器112通过接线板118接收来自本地电源22和/或能量存储设备的电功率，并将这种电功率根据需要提供给收发器102、信号处理器104、数字信号调节器106、模数转换器108、模拟信号调节器110、和现场设备12的任何其他被供电组件。
[0046]运行期间，模拟信号调节器110接收并过滤来自传感器16的过程信号。传感器16可以如图1所图示的那样位于现场设备12的内部，或者可以位于外部并通过电线连接到模拟信号调节器110。被过滤的过程信号通过模数转换器108被数字化，并在通过信号处理器104处理之前由数字信号调节器106进一步地过滤。现场设备12的一些实施例可以免除数字信号调节器106和模拟信号调节器110中的一个或两个，特别是如果来自传感器16的信号被事先处理过。类似地，模数转换器108在换能器16提供数字信号的实施例中是不必要的。尽管收发器102、信号处理器104、数字信号调节器106、模数转换器108和模拟信号调节器110被描述为不同的部件，但在一些实施例中，一些或所有这些部件的功能可以被诸如共用微处理器之类的共用硬件执行。例如，现场设备12也可以包括带有允许操作员与现场设备12直接交互的屏幕和/或输入键盘的本地操作员界面(没有显示)。如同现场设备12的其他被供电部件一样，这种本地操作员界面可以从电源控制器112中吸取功率。
[0047]现场设备12的被供电部件接收来自电源控制器112的功率。电源控制器112又通过接线板118从电源模块120中吸取功率。接线板118是被构造成与电源模块120匹配并从电源模块120中吸取功率的功率路由选择部件。取决于现场设备12的内部电子设备，接线板118可以接受交流(AC)或直流(DC)功率。在一些实施例中，接线板118可以用来将电源模块固定在容器R中。接线板118可以永久地固定至现场设备12，或可以是模块化组件，所述模块化组件可以根据需要被换出以提供具有可替换电源的接口。
[0048]电源模块120是混合设备，所述混合设备提供既来自能量存储设备122，又来自本地电源22的功率。如图2a中所示的实施例中所述，电源模块120A包括能量存储设备122、外部电源端子124(具有端子螺钉126)、功率调节器128、电压传感器130、功率处理器132、HART调制解调器133、存储器134和温度传感器136。相比之下，图2b包括替代外部电源端子124的在电源模块120B中的本地电源22，并因此缺乏外部电源端子124和端子螺钉126 二者。能量存储设备122可以是电容器、超级电容器、可充电电池、一次(不可再充电的)电池，或任何其他常规的紧凑的能量存储设备。功率调节器128可以包括电容器、开关电路、滤波部件、和电压和/或电流限制组件。根据图2a中所描述的实施例，外部电源端子124是诸如导电板或接头之类的接收端子，电源连接件24通过端子螺钉126导电地固定到所述接收端子。在一些可替换的实施例中，电源连接件24可以通过其他手段接通或连接外部电源端子124。
[0049]尽管图2a和2b将能量存储设备122描述为单个整体设备，但电源模块120的一些实施例可以包括多种同一类型或不同类型的不同电池。功率调节器128接收来自能量存储设备122和外部电源端子124(图2a)或本地电源22 (图2b)的功率。功率调节器128可以同时地(例如，用来自能量存储设备122的存储功率补充来自本地电源22的功率)或分别地(例如，当可用时单独地从本地电源22给现场设备12供电，并且当外部电源不可用时从能量存储设备122给现场设备12供电)从电源吸取功率。电压传感器130为功率处理器132提供来自能量存储设备122和外部电源端子124(图2a)或本地电源22(图2b)的输出功率的电压读数。电压传感器130是产生反映由每个电源提供至功率调节器128的直通电压(through voltage)的幅值并且因此反映来自每个电源的功率的可用度的大小的数字或模拟信号的电压传感器。功率处理器132使用这些检测到的电压来在通过接线板118和HART调制解调器133和105被发送到信号处理器104的诊断报告表示本地电源22和能量存储设备122的特性，并诊断电流或初期故障或电源的变化。在一些实施例中，这种诊断报告可以识别本地电源22和能量存储设备122 二者(例如使用序列号或类型分类)，标记来自每个电源的电压的意外下降，并在当前或预计的条件下估计能量存储设备122的剩余功率和/或寿命。
[0050]在一些实施例中，电源处理器132可以基于特征电压信号(例如对应特定的电源或电源类型的频谱)识别外部电源端子124。能量存储设备122基于所述能量存储设备122的电压输出可以被类似地识别或分类，特别是对于其中能量存储设备122是可拆除部件(例如商用电池)的电源模块120的实施例。在能量存储设备122永久地结合在电源模块120中的情况中，电源处理器132通过从存储器134 (—种机器可读存储体)检索电源标识符(ID)识别能量存储设备122。存储器134也可以存储数据库，所述数据库将电压特征映射到具体的电源标识符(ID)或电源类型，和/或将具体的电压条件映射到故障或报警条件，该故障或报警条件将在诊断信息中被报告给接线板118并因此报告给信号处理器104和/或控制或监控系统26。
[0051]根据一种实施例，基于能量存储设备122的如由电压传感器130检测到的输出电压，和基于由处理器132做出的或从存储器134检索到的对能量存储设备122的识别，处理器132估计从能量存储设备122中可获得的剩余功率。这种剩余功率估计可以被包括在给信号处理器104和/或控制或监控系统26的诊断报告中，和/或者用来使用现在的、历史的和/或预计的条件产生剩余寿命估计，该剩余寿命估计反映直到能量存储设备122被耗尽时的预计时间。在一些实施例中，这种剩余寿命估计通过包含温度传感器136得到改善，所述温度传感器136是被设置成将温度读数提供给电源处理器132的温度传感器，所述温度读数反映能量存储设备122附近的环境温度。特别是，化学电池的消耗速度具有强烈的温度依赖性；包含温度传感器13允许处理器132产生对消耗速度和因此剩余电池寿命的相当地更准确的估计。在一些实施例中，存储器134可以存储由电压传感器130检测到的先前电压的档案，从而使处理器132能够识别故障或变化状态并基于历史趋势预计能量存储设备122的剩余寿命。例如，处理器132能够从存档的电压数据确定本地电源22有一半的时间(例如，如果本机电源22是位于50%占空比的电动机上的振动能量采集器)充分地给现场设备12供电，并考虑本地电源的预测可用度，基于消耗速度估计能量存储设备122的剩余寿命，不管来自本地电源22的电源的当前可用度。
[0052]尽管外部电源端子124、功率调节器128、电压传感器130、功率处理器132、HART调制解调器133、存储器134、和温度传感器136被描述为不同的逻辑部件，在不同的实施例中，这些部件的任何组合可以结合在共用印刷线路板或相似的整体部件中。
[0053]功率调节器128是针对本地电源22执行常规的功率调节的紧凑装置。例如，功率调节器128可以限制电压和/或电流以便保护现场设备12的部件。如果电源22是交流(AC)电源，在适当的情况下，功率调节器128也可以包含交流/直流(AC/DC)转换器。功率调节器128可以被制造为印刷线路板216的一部分，或可以是连接至印刷线路板216的单独组件。
[0054]电源模块120将来自能量存储设备122和本地电源22这两个源的能量提供给接线板118。如同在这里的【背景技术】中所论述，诸如能量采集系统和太阳能电池板之类的外部电源通常受限于所述外部电源可以供应的功率。本地电源22的一些实施例可以提供有限的但是实质上恒定的功率，这种恒定的功率不足以一直给信号处理器104、模拟和数字信号调节器110和106、模数转换器108以及特别地是收发器102供电。本地电源22的其他实施例可以提供较大的但不可靠的功率。不论发生那种情况，电源模块120用来自能量存储器122的存储功率补充来自本地电源22的功率以满足现场设备12的被供电部件的功率需求。取决于现场设备12的环境和应用，由现场设备12消耗的更多的或更少的总功率可以来自能量存储设备122或本地电源22。在来自本地电源22的功率相对不足或不可靠的情况下，现场设备12将主要由能量存储设备122供电，并且来自本地电源22的补充功率将延长能量存储设备122的寿命。在来自本地电源22的功率相对富足和可靠的情况下，现场设备12可以主要由本地电源22供电，并且来自能量存储设备122的补充功率将代替来自本地电源22的功率的任何停工期或下跌。
[0055]如上文关于图1说明的那样，本地电源22可以采取多种形式。例如，当电动机活动时(例如一半时间，具有50%的占空比)，充当本地电源22的振动俘获器可以充分地满足现场设备12的所有功率需求。当电动机不活动时，电源模块120将代替地提供来自能量存储设备122的功率。在另一个实施例中，充当本地电源22的热电能量俘获器可以提供恒定但微弱的功率，所述功率足够给信号处理器104、数字和模拟信号调节器106和110、和模数转换器108供电，但是不足以给信号传输期间的收发器102供电。在这种情况下，能量存储设备122在传输中可以提供补充功率。如果本地电源22可以只提供甚至较微弱的功率，能量存储设备122可以被要求一直给所有的部件供电。在这种情况下，包含本地电源22可以延长能量存储设备122的预期寿命，增加替换之间的时间。在第三个实施例中，直接的电网连接可以构成本地电源22。在这种情况下，外部电源将在通常的情况下完全地给现场设备12的所有部件供电。如果电网经历断电，或电网连接出现故障，能量存储设备122将充当后备电源，允许现场设备12继续不间断地运行。
[0056]尽管接线板118和电源模块120在图2中被描述为单独的部件，但一些实施例可以将接线板118和电源模块120的功能结合到单个可拆除部件中，所述单个可拆除部件连接到容器R中的现场设备12并被选择以匹配现场设备12的具体模型和本地电源22的具体类型。
[0057]图3是现场设备12的一个实施例的分解透视图，该现场设备12包括天线14、壳体或外壳100、盖子116、接线板118、电源模块120、能量存储设备122、电缆管道138、接线板连接螺钉140、接线板连接螺钉孔142、电源连接件144，和电源连接器146。
[0058]如上文关于图2a和2b讨论的那样，电源控制器112将功率提供给现场设备12的所有被供电部件。电源控制器112通过电源连接器146接收来自接线板118的电功率，电源连接器146是在接线板118固定在合适的地方时连接接线板118的电接触件。例如，电源连接器146可以包含多个连接接线板118中对应的凹口或插孔的导电针。此外，电源连接器146将来自电源模块120的诊断报告(关于图2a和2b如上所述)传递给电源控制器112。这种诊断报告可以是数字或模拟信号。如图3中所述，接线板118通过接线板连接螺钉140被固定成接触电源连接器146。接线板连接螺钉140是带螺纹螺钉，所述带螺纹螺钉紧固在壳体或外壳100上的接线板连接件孔142中，因此可拆除地固定接线板118。尽管接线板118被描述成由接线板连接螺钉140固定，备选的实施例可以使用其他方法固定接线板118，诸如通过卡销或螺钉，或通过搭扣或摩擦配合。在可替换的实施例中，接线板118可以是被永久地固定至或安装在由容器R和内部空间I共享的壳体或外壳100的壁中的不可拆除的部件。接线板118被安装成经由一个或更多个接线端子接收交流电流(AC)或直流电流(DC)。这些接线端子可以采取邻接电源模块120的平坦导电触点的形式。在所描述的实施例中，接线板118也被安装成在HART调制解调器105和133之间载送HART信号，反之亦然。
[0059]依据这种实施例，电源模块120依靠电源连接件144被固定到接线板118。电源连接件144被描述为被在接线板118上的突出套筒围绕的电接触件，所述电接触件形成与内部电源模块120的搭扣或摩擦配合和电接触。在其他实施例中，电源连接件144可以包括钩子、螺丝钉、锁定装置，或将内部电源模块120固定到接线板118上的任何其他常规装置，以及任何常规的电连接件。缺乏盖子116时电源连接件144支撑内部电源模块120(例如当盖子116被移除以安装或移除容器R中的部件时)。然而，如下文关于图4a和4b描述的那样，盖子116可以帮助保持内部电源模块120靠着接线板118。在适当的情况下，接线板118可以提供功率调节以调整电压或电流，并反相或整流从电源模块120接收的功率。电源模块120提供来自本地电源22和/或能量存储设备122的功率。来自电源模块120的功率可能单独来源于本地电源22或能量存储设备122，或可能来自本地电源22和能量存储设备122的组合。在一些实施例中，能量存储设备122可以是诸如电容器或可充电电池之类的可充电电源，并可以从本地电源22充电。
[0060]如上文关于图2a和2b讨论的那样，能量存储设备122可以是常规电池或超级电容器。能量存储设备122被描述为通过搭扣配合或其他常规的锁闭机构可移除地连接到电源模块120。在其他实施例中，电源122可以被充分地封装在电源模块120中，并可以或不可以被移除。
[0061]电源模块120为电源连接件24提供接触点，电源模块120从所述电源连接件24接收来自本地电源22的功率。这种接触点可以包括端子螺钉126 (见图2a和4a)，或用于到外部电源端子124的电接触件或连接件的任何等效的连接装置。端子螺钉126是导电的紧固件，所述紧固件用于将电源连接件24的一根或更多根电线连接到印刷线路板216。在电源连接件24包括钩子或环的情况下，端子螺钉126和印刷线路板216将与这些钩子或环连接以将电源连接件24固定到电源模块122。取决于电源连接件24的形式(所述电源连接件24的形式又可以取决于电源)，端子螺钉126可以被插头、夹子、或其他连接装置替代。尽管图3图示了用于将电源模块120连接到本地电源22的外部实施例的端部螺钉126，但是电源模块120可以代替地包含内部本地电源22b (见图2b)。这种本地电源22b可以位于电源模块120内，或以安装在盖子16下面的方式连接到电源模块120的外部。
[0062]如上文关于图2中所不的实施例描述的那样，盖子116密封地接合壳体或外壳100，因而保护容器R中的部件(例如接线板118和电源模块120)。电源模块120贴合地安装在容器R的内部，在盖子116下面并接触接线板118。本地电源22通过电源连接件24(见图2a和2b)被连接到电源模块120，所述电源连接件24通过电缆管道138延伸进入容器R，并固定至端子螺钉126 (或相似的紧固件)。如上所述，电源模块120包含功率调节器128，所述功率调节器128调节来自本地电源22和能量存储器122的用于由现场设备12的部件使用的功率。电源终端120通过电源连接器146将诊断报告提供给信号处理器104和/或控制或监控系统26。
[0063]图4a和4b是从两个不同角度观看电源模块120的一个实施例的分解透视图。电源模块120包括能量存储设备122、端子螺钉126、壳体正面202、壳体背面204、接线柱206、能量存储设备连接件208、摩擦配合连接件210、支撑件212、固定环214、和印刷线路板216。
[0064]在这种实施例中，电源模块壳体200是刚性保护外壳，所述外壳围绕印刷线路板216，并将端子螺钉126和能量存储设备122贴合地支撑在现场设备12的容器R中。在所描述的实施例中，印刷线路板216是电路板或微型计算机底板，外部电源端子124、功率调节器128、电压传感器130、处理器132、存储器134、和温度传感器136都位于所述电路板或微型计算机底板上。在可替换的实施例中，这些部件的一些或全部可以是被容纳在电源模块壳体200内的分离的部件。
[0065]接线柱206是导电柱，所述导电柱从印刷线路板216上的功率调节器128延伸穿过壳体正面202的摩擦配合连接件210以与接线板118 (见图3)的电源连接件144形成电连接。摩擦配合连接件210是壳体正面202的连接部分，所述连接部分延伸到电源连接件144中并机械地连接到电源连接件144，因而将电源模块120固定到接线板118。摩擦配合连接件210可以包含用于形成至电源连接件144的贴合连接(snug connect1n)的一个或更多个扣环或类似的部件。
[0066]根据本实施例，能量存储设备连接件208是常规的卡扣式电池外壳，或用于固定能量存储设备122的等同装置。能量存储设备连接件208被固定到壳体背面204，并为能量存储设备122提供机械保持和电连接。如上所述，能量存储设备122可以是专用能量电池、现成的电池、超级电容器、或任何相似的能量存储设备。能量存储设备连接件208的大小和形状可以根据所选择的能量存储设备122的类型而改变。能量存储设备连接件208在能量存储设备122和印刷线路板216上的功率调节器128之间提供电接触。
[0067]壳体背面204包括支撑件212，该支撑件212是延伸远离印刷线路板216以接合盖子116(见图3)的大致刚性部分，以在容器R中进行滑合配合。这种配合帮助在电源连接件144处将摩擦配合连接件210保持在合适的位置。在所述的实施例中，支撑件212包括固定环214，该固定环是在壳体背面204的最外层表面上的圆形凸脊。固定环214的大小合适连接在盖子116的内部(没有显示)的互补环或波形弹簧，因而将电源模块120免受振动地固定在接线板118和盖子116之间。端子螺钉126延伸通过壳体背面204进入印刷线路板216，因而为本地电源22提供到电连接件24的电接口。对于现场设备12的其中本地电源22被封闭在容器R中(见本地电源22b，关于图2b上面所述)的实施例，端子螺钉126可以被去除，有利于印刷线路板216和本地电源22 (如果本地电源22被包含在电源模块120的内部)之间的直接连接，或用于与能量存储设备连接件208 (如果本地电源22可可拆除地连接到电源模块120)概念上相似的本地电源22的可拆除连接。可替换地，端子螺钉126或类似的连接装置可以被用于将印刷线路板216连接到被容纳在在壳体背面204和盖子116之间的完全独立的本地电源22。在这种最后的实施例中，支撑件212可以被减小以为本地电源22提供空间。
[0068]不管本地电源22是否被容纳在容器R中，电源模块120都提供电连接，所述电连接优先地从电源22中吸取功率，并且当来自本地电源22的功率不可获得或不足以满足无线设备12的功率需求时补充地从能量存储设备122中吸取功率。尽管具体的应用或安装位置可能导致电源22或能量存储设备122中的一个提供由现场设备12需求的大部分功率，但在本地电源22可用时，现场设备12更优地在消耗能量存储设备122之前在从本地电源22吸取功率。来自每个源的功率被功率调节器128按照需求调制，根据需要反相或整流来自本地电源22和能量存储设备122的功率。这样，在延长能量存储设备122寿命的同时，尽管来自外部电源22的功率的可用度变化，电源模块122也能够为现场设备12提供连续的功率。
[0069]图5是监控本地电源22和能量存储设备122的电源状态的方法300的流程图。更特别地，方法300描述一种方法的一个实施例，凭借所述方法诊断报告由电源模块120组合并发送到信号处理器104和/或控制或监控系统26。
[0070]关于图2a和2b如上所述，功率处理器132监控能量存储设备122和外部源终端124或本地电源22的输出电压，并更优地报告每个电源的标识符、能量存储设备122的估计的剩余能量或寿命、和/或标识本地电源22或能量存储设备122中的故障或变化状态的故障标记或警报。在所描述的实施例中，功率处理器132首先从存储器134中检索电源模块120的电源模块标识符(ID)。(步骤SI)。这种电源模块标识符(ID)包括能量存储设备的标识符，诸如序列号、容量、或类型。然后功率处理器132通过将本地电源22的输出电压信号(例如通过振幅或傅里叶变换的频率特征)与装入存储器134中的特征数据库中的存储档案匹配类似地识别本地电源22。在电源模块120中的其中能量存储设备122是可移除的部件而不是一体部分的实施例中，同样可以基于能量存储设备122的被检测到而不是直接从存储器134检索到的电压特征识别能量存储设备122。通过将检测到的瞬时输出电压和/或随着时间过去的输出电压变化与存储器134中与在步骤SI中所做的标识符相关联的预计值进行比较，功率处理器132确定能量存储设备输出电压是否异常。(步骤S3)。如果能量存储设备显示异常电压，如指示超过阈值电平的耗尽或逼近的完全耗尽的低电压，功率处理器132将能量存储设备标记为故障。(步骤S4)。在一些实施例中，功率处理器132能够标记对应不同的设备状态(例如短路、50%电池耗尽、90%电池耗尽、阈值之上的意外快速耗尽，等等)的多个不同的能量存储设备警报。基于所检测到的本地外部电源端子124(在图2a的实施例中)或本地电源22(在图2b的实施例中)的输出电压，功率处理器132类似地确定本地电源电压或随着时间过去的电压变化是否异常。(步骤S5)。例如，异常电压可以反映本地电源22的故障，或来自本地电源22的功率的不充足。如同能量存储设备122 —样，功率处理器132标记本地电源124中的任何故障或变化。(步骤S6)。被标记的能量存储设备和本地电源故障或警报存储于存储器134中。这些故障仅仅可以被暂时地存储，或可以被存档于存储器134中用于以后的详细诊断。
[0071]优选地，通过基于来自电压传感器130的当前和历史电压读数，根据在步骤SI和S2中对本地电源22和能量存储设备122的识别，并基于来自温度传感器136的读数(步骤S7)，估计能量存储设备122的剩余电量和预期的耗尽速度，功率处理器132还计算能量存储设备122的估计的剩余寿命。然后功率处理器132通过接线板118将包含这种估计的剩余寿命和任何标记的故障或警报的诊断报告发送到信号处理器104和/或控制或监控系统26。(步骤S8)。在一些实施例中，诊断报告也可以包含步骤SI和S2中所做的识别，和步骤S7中所做的剩余电量和预期耗尽速度的估计。例如，诊断报告可以包含由功率处理器132提供给接线板118的已调制电压输出。
[0072]尽管已经参照示例性实施例描述了本实用新型，但本领域技术人员将会明白，在不背离本实用新型的范围的情况下，可以做出不同的改变并且其元件可以被等同物替代。另外，在不背离本实用新型的本质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本实用新型的教导。因此，意图是本实用新型不限制于所公开的特定实施例，但是本实用新型将包括落入随附的权利要求的范围之内的所有实施例。
【权利要求】
1.一种无线现场设备组件，其特征在于，该无线现场设备组件包括: 过程传感器，所述过程传感器被构造成监控过程变量并产生传感器信号； 外壳，所述外壳将无线现场设备的内部空间封闭； 变送器，所述变送器被封闭在所述内部空间中，并被构造成处理传感器信号；和 电源模块，所述电源模块被构造成被容纳在内部空间中，电源模块包括: 能量存储设备； 至本地电源的连接件；和 处理器，所述处理器被构造成为变送器提供能量存储设备和本地电源的诊断报告。
2.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块进一步地包括第一电压传感器和第二电压传感器，所述第一电压传感器和第二电压传感器被构造成分别检测能量存储设备和本地电源的第一输出电压和第二输出电压。
3.根据权利要求2所述的无线现场设备组件，其特征在于，诊断报告包括故障报告，所述故障报告基于所述第一输出电压和第二输出电压指示能量存储设备或本地电源中的初期故障或当前故障。
4.根据权利要求3所述的无线现场设备组件，其中所述故障报告反映来自能量存储设备和/或本地电源的意料之外的电压降落。
5.根据权利要求2所述的无线现场设备组件，其特征在于，所述诊断报告包括能量存储设备和本地电源中的至少一个的识别。
6.根据权利要求5所述的无线现场设备组件，其中能量存储设备和本地电源中的至少一个的识别包括基于所述第一输出电压和第二输出电压对本地电源的识别。
7.根据权利要求6所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块进一步地包括机器可读存储器，并且能量存储设备和本地电源中的至少一个的识别包括从机器可读存储器中检索到的能量存储设备的识别。
8.根据权利要求2所述的无线现场设备组件，其特征在于，所述诊断报告包括基于所述第一输出电压和第二输出电压预计的能量存储设备的预计剩余寿命。
9.根据权利要求8所述的无线现场设备组件，其特征在于，本地电源进一步地包括被构造成产生环境温度读数的温度传感器，并且其中能量存储设备的预计剩余寿命进一步地是基于环境温度读数的。
10.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块被构造成优先地从本地电源连接件吸取功率，并且当来自本地电源中的功率不可用或不足以满足功率需求时补充地从能量存储设备中吸取功率。
11.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块容纳本地电源。
12.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，本地电源位于电源模块的外部，并且通过电源模块的外部电源端子连接到电源模块。
13.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，该无线现场设备组件进一步地包括盖子，该盖子在外壳和该盖子之间限定一容器，并且其中电源模块被构造成被容纳于所述容器中。
14.根据权利要求13所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块被构造成可拆除地容纳于所述容器中。
15.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，能量存储设备是电池或超级电容器。
16.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，本地电源是能量收集设备。
17.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块进一步地包括功率调节器，所述功率调节器调节来自能量存储设备和本地电源中的至少一个的功率。
18.根据权利要求17所述的无线现场设备组件，其特征在于，功率调节器被构造成整流或反相来自能量存储设备和本地电源中的至少一个的功率。
19.根据权利要求1所述的无线现场设备组件，其特征在于，变送器被构造成将传感器信号和诊断报告发送到控制或监控系统。
20.一种无线现场设备组件，其特征在于，该无线现场设备组件包括: 过程传感器，所述过程传感器被构造成监控过程变量并产生传感器信号； 外壳，所述外壳对无线现场设备的内部空间进行封闭； 变送器，所述变送器被封闭于所述内部空间中，并且被构造成处理传感器信号；和 电源模块，所述电源模块被构造成被容纳于所述内部空间中，电源模块包括: 至本地电源的连接件，电源模块优先地从所述本地电源吸取功率； 能量存储设备，当来自本地电源的功率不可用或不足以满足功率需求时，电源模块补充地从所述能量存储设备吸取功率；和 第一电压传感器和第二电压传感器，所述第一电压传感器和第二电压传感器被构造成分别地检测能量存储设备和本地电源的第一输出电压和第二输出电压。
21.根据权利要求20所述的无线现场设备组件，其特征在于，电源模块进一步地包括处理器，所述处理器被构造成基于第一输出电压和第二输出电压向变送器提供能量存储设备和本地电源的诊断报告。
【文档编号】G05B19/418GK203941427SQ201420220343
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】查德·迈克尔·麦克盖尔, 凯利·迈克尔·奥什, 荻奥多·亨利·施奈尔 申请人:罗斯蒙特公司