专利名称：模块化的本质安全的现场设备电源模块的制作方法
模块化的本质安全的现场设备电源模块
背景技术：
在工业设置中，控制系统用于监视和控制工业库存和化学过程等等。控制系统一般使用分布在工业过程中关键位置处的大量现场设备来执行这些功能。现场设备可以在各种不同的设施中操作。过程设施的示例包括石油、制药、化学、制浆以及其他处理设施。这些现场设备通信性地耦合到控制室中的控制电路上。过程控制测量工业使用现场设备用于各种目的。一般地，这种设备具有现场硬化的外壳，使得可以在相对恶劣的环境中安装在户外，并能够经受极端气候条件温度、湿度、 震动以及机械冲击。现场设备一般还以相对低的功率进行操作。例如，一些现场设备当前可用于从已知的4-20mA环路中接收其全部操作功率。现场设备工作的环境有时可能是高度挥发性的。一些环境可能是过分挥发性的，以至于电子组件的错误火花或足够高的表面温度可能引起环境点燃，并产生爆炸。为了确保这种情况不会发生，已开发出了本质安全规范。符合本质安全要求有助于确保即使在故障条件下，电路或设备本身也不能点燃挥发性的环境。在由Factory Mutual Research 在 1988 年 10 月公布的 APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATEDAPPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, DIVISION 1HAZARDE0US(CLASSIFIED)LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610 中阐述了本质安全要求的一个规范。还设计了符合附加工业标准(比如，Canadian Standards Association(CSA)和 European CENELEC 标准)的调整。传统上，通过物理导线已将现场设备耦合到过程通信系统上(比如控制室)。这种有线连接不仅向现场设备提供了功率，还提供了用于通信的路由。有线现场设备的一个限制是安装有时可能是花费人力的，因为必须将线连到现场设备的每个物理位置上。最近以来，已出现了使用无线通信与控制室和/或其他合适设备进行通信的现场设备。这些无线现场设备一般具有能够向无线现场设备提供长达数年的时间段的操作功率的内部电源，比如电池。在工业过程工业中使用无线技术已引起了对向无线变送器本地供电的方式的需求。电池是可以提供本地功率的一种方式。然而，电池的一个问题在于判断如何将电池放在无线现场设备中 以及将其放在无线现场设备中的何处。需要让电池更换对于现场技术人员来说是容易的。不仅需要电池本身在物理上容易更换，且在现场设备位于危险区域中的情况下，也需要电池本身在物理上容易更换。具体地，需要能够让技术人员在不需要获得热处理许可(hot work permit)的情况下更换电池。这意味着在可能存在可燃气体的区域中， 可以在不产生点燃该气体的风险的情况下更换电池。与在无线现场设备中使用电池相关的另一个困难是由于以下事实电池的容量一般与电池本身的物理大小相关。因此，位于设备中的电池的大小一般受限于设备本身的外壳。在提供大容量电池以支持更长的变送器寿命和/或由于网络配置产生的更高的更新速率或更重的负载方面，灵活性通常很小。因此，需要一种本质安全电池组，其可以向现场设备供电，且在现场不需要热处理许可就可以进行更换。此外，需要以能够容纳更大容量电池和/或更高功率需求的方式来提供现场设备功率
发明内容
本发明提供了一种模块化的、本质安全的电源模块装置。所述装置包括被配置为安装到现场设备的导管上的刚性导管适配器。将具有内部的外壳可操作地耦合到所述刚性导管适配器上，并由所述刚性导管适配器来物理支撑所述外壳。将至少一个不可充电电池置于所述外壳中。将本质安全电路耦合到所述至少一个不可充电电池，且将所述本质安全电路耦合到与所述刚性导管适配器中的协作连接器配合的连接器。
图1是根据本发明的实施例的使用电池组的无线现场设备的正视图。图2是根据本发明的实施例的现场设备的电池组的分解图。图3是根据本发明的实施例的耦合到电池组的现场设备的横截面图。图4是根据本发明的另一实施例的耦合到电池组的现场设备的横截面图。图5是根据本发明的实施例的与现场设备一起使用的电池组的立体图。图6是根据本发明的实施例的与现场设备一起使用的远程安装的电池组的立体图。图7是根据本发明的实施例的用于将一个或多个电池耦合到现场设备端子块的电路的电路图。
具体实施例方式图1是根据本发明的实施例的耦合到外部电池组12的无线现场设备10的正视图。现场设备10 —般包括可安装在过程安装地点附近的传感器模块14。置于传感器模块 14中或耦合到传感器模块14的一个或多个传感器提供与过程相关的电子指示。传感器的示例包括绝对、计量(gage)、和/或压差传感器，以及温度传感器和其他合适的设备。传感器模块14耦合到电子装置隔层16，电子装置隔层16包含将从一个或多个传感器接收的电信号处理或以其他方式变换为可以传递给其他设备的可用信息的电子装置。电子装置隔层 16 一般包含通信电路，比如经由天线18与其他设备通信的无线通信电路。隔层16中的通信电路可以使用天线18与网关设备或在现场设备10和网关设备之间放置的其它现场设备进行通信，以与网关设备交互。无线现场设备一般是已知的，商业可用的无线现场设备的一
Chanhassen, Minnesota ^ Emerson Process Management 出的胃.TtfH^i^M 号3051S wireless的无线现场设备。现场设备10可以是在可被称作“网格网络”的过程设施中放置的多个现场设备之一。一般地，无线现场设备(比如无线现场设备10)使用持续数年的时间段的内部电池组。然而，在电池组的能量耗尽时，技术人员一般必须走到现场设备10的物理位置处，并更换电池组。在现场设备附近的物理环境是挥发性的或甚至是爆炸性的情况下，技术人员一般需要获得热处理许可，以更换现场设备中的电池。获得这种许可是消耗时间的，且为了确保可以在挥发性环境中安全地进行工作而需要额外的努力。
根据本发明的实施例，用于 向现场设备10供电的电池位于在电子装置隔层16之外的模块(模块12)中。如图1所示，根据一个实施例，模块本身由其固定件物理地支撑到电子装置隔层16上的导管入口 20处。该固定件一般通过刚性(优选地是金属)导管适配器22来实现，将该刚性导管适配器22以螺纹或其他方式固定在导管20中。刚性导管适配器22为模块12提供了鲁棒的物理固定件，因为整个现场设备/电池模块系统可能经受震动或其他机械冲击。电池模块12还包括电池盒24，其将电池以及电池模块12中的其他合适电路进行密封封装并保护。最后，电池模块12被设计为使得在电池模块12和适配器22 之间的接口处可用的电能符合本质安全要求。这有助于确保即使在管脚或连接器接触器本身短路时，也不会产生可能点燃危险环境的火花。物理上，电池模块12优选地使用锁定机制，该锁定机制不仅将模块牢固地固定到刚性导管适配器22，且还容易允许技术人员在需要更换时将电池移除。图2是根据本发明的实施例的电池模块12的分解立体图。如图2所示，刚性导管适配器22包括耦合到现场设备10的端子板(图1所示)的多个电导线26。刚性导管适配器22 —般包括六边形表面28，提供六边形表面28以有助于使用合适的扳手将导管适配器22安装到导管20中。刚性导管适配器22还包括多个电连接器(比如多弹簧手指 (multi-spring finger)或管脚，其与置于电路卡30上的协作构件接合)。此外，刚性导管适配器22还优选地是圆柱形的，且包括颈缩部32和密封部34，密封部34优选地包括0形环36，以产生在刚性导管适配器22和电池组12之间的环境密封。可以由任何合适的材料形成0形环36。肩部38将颈缩部32和密封部34相连。肩部38向装置提供了附加的机械集成，其中，一旦将定位螺丝40通过定位螺丝孔42接合，装置12完全地接合到刚性导管适配器22上。肩部38提供了附加的支持，以确保不能将装置12从刚性导管适配器22上拉下来，因为这种运动将引起在定位螺丝40和肩部38之间的阻碍。尽管图2所示实施例使用了定位螺丝40，可以使用任何合适的机械设备将电池模块12实质上锁定或以其他方式附加在刚性导管适配器22上，使得技术人员可以在需要更换时容易地移除模块。根据一个实施例，电池模块12包括由板44形成的外壳，板44 一般是平坦的，与盒 66协作。外壳43具有内部，在一些实施例中，内部可以具有比现场设备10的电子装置隔层 16的内部更大的容积。板44包括大小足以允许金属凸缘(flange)48通过的孔径46。附加地，板44还包括环形环50，环形环50由材料相对更厚的部分以及多个肋52构成。环形环50和肋52提供了机械集成，以耦合到金属凸缘48的表面54。因此，将金属凸缘48的力量的大部分施加到板44上。可以用提供充足强度的任何合适的金属材料来构造金属凸缘48。示例包括不锈钢、铝等等。凸缘48包括内孔56，内孔56的大小允许通过刚性导管适配器22的密封部34。孔56具有比密封部34稍大的内径，以提供结构支撑，以及帮助对电池模块12和刚性导管适配器22之间的连接进行密封。塑料罩(shrOUd)58耦合到金属凸缘48，且塑料罩58包括通过孔56的电子连接器 60。罩58提供了对电路卡30上的电子互连插槽62的支撑，该插槽与刚性导管适配器22 中放置的管脚配合，以将电池模块12电耦合到无线现场设备10。优选地，装有插槽62的连接器60包括楔紧(keying)特征，以确保在连接器60和刚性导管适配器22中的配合设备之间的连接仅可以发生在单一旋转定向上。这确保了仅可以用正确的极性来进行连接，且还有助于在将模块12耦合到刚性导管适配器22时保护电子互连(一个实施例中的管脚和插槽)。可以用任何合适的电路板材料来构造电路卡30，且电路卡30支撑一对电子互连 (优选地，多弹簧手指插槽连接(比如Oyster Bay, New York的Mill-Max，Manufacturing Corporation销售的那些连接))。附加地，电路卡30包括电子电路以确保模块12符合本质安全规范，比如上述规范。电路(下面将通过图7更详细地描述)提供了以下特征保险丝(对于一些电池的本质安全所需的)、保护保险丝的限流电路、以及避免一个电池单元在没电时被另一个电池单元进行反向充电的低压断电电路。电池模块12还包括一个或多个不可充电电池64，这些不可充电电池64电耦合到电路卡30上的电路。可以使用任何合适的电池化学物质，包括湿电池和干电池。然而，由于电池的容量一般与电池的重量相关，提供较高能量密度的电池化学物质对于本发明的实施例的有利之处在于，这种电池将对于系统震动和机械冲击以较小的惯性进行响应。最后，模块12还包括盒66，其将金属凸缘48、塑料罩58、电路卡30以及电池64封装于其中。盒66安装或以其他方式附加到板44，以密封其中的组件。根据一个实施例的模块12可以包括机械方法，比如在盒66和板44之间的螺丝或螺纹封盖，以允许在模块12 中更换一个或多个电池64。此外，这种容易拆卸还有助于修理或更换模块12中的其他组件。然而，根据本发明的另一实施例，可以用灌封材料来填充模块12中的整个空隙空间 ，从而将模块呈现为一次性使用模块，使得当电池64耗尽时，简单地更换整个模块。附加地，盒 66和板44可以由导电塑料制成，以消耗静电积累，从而消除可能的电击危险。根据一个实施例的模块12可直接安装在现场设备的导管上，比如导管20。这样， 一般现场设备10所经受的任何震动或机械扰动将转移到电池模块12上。这些震动和/或移动可能在现场设备10和电池模块12之间的物理互连处产生应力。这对于让电池模块12 能够经受得住现场设备(比如现场设备10)所经受的震动要求是个重大的设计挑战。现场安装的设备的典型规范是IEC60770高管道震动(pipe-line vibration)。这是3G级别的震动输入。模块12必须在该测试期间不能受到损害，且电子互连必须在管脚相对于插槽方面不能移动。如果管脚相对于插槽移动，磨损将发生，且互连可靠性将受到破坏。通过图1 和图2所示的实施例的原型已经通过了 IEC 3G高管道震动测试，同时互连管脚或插槽没有可见的磨损。图3是根据本发明的另一实施例的安装到无线现场设备10的导管20上的电池模块112的俯视横截面图。在图3中，将一个或多个电池164电耦合到电路卡130，电路卡130 经由导线132也耦合到刚性导管适配器122。模块112与模块12(图2所示)的不同之处在于将盒166以螺纹方式固定到内部凸缘168上，内部凸缘168具有容纳刚性导管适配器 22的内径170。如图3所示，还使用弹性(elastemeridO形环36。在一些实施例中，导线 132实际上可以直接通过刚性导管适配器122和模块112之间的物理连接器，并在直接耦合到现场设备端子板的连接器170上终止。根据本发明的另一实施例，可以将电池模块安装在与现场设备隔开的位置处，并经由电缆装置耦合到现场设备。图4是依靠电缆装置214耦合到无线现场设备10的远程安装的电池模块212的概略图。可以将远程安装的电池模块212安装到柱子或墙等等上， 并经由电缆装置214将其连接到现场设备10的导管入口 20。本实施例允许现场设备位于高温区域，且电池模块212位于其它更凉爽的空间中以保持电池寿命，因为热显著地减少电池寿命。本实施例在向无线接入点供电方面也是有用的。这种无线接入点将是现场安装的设备，其将无线数据从现场网格网络设备传输至设备网关。这些设备将一般要求比标准现场设备更多的功率，且可以受益于更大的电池选择。图4所示的远程安装的电池组实施例的另一好处是对于安装在难以到达位置上的现场设备来说，更换电池是更容易的。远程电池模块212中的电路和组件可以与通过图2所述的那些电路和组件以及下面通过图7所描述的电路图是相似或相同的。图5是根据本发明的另一实施例的现场设备可安装电池模块312的立体图。电池模块312的形状一般是圆形的，并包括金属凸缘314和连接器316，金属凸缘314和连接器 316与刚性导管适配器22的合适结构相配合。模块312还包括置于定位 螺丝孔中的定位螺丝，以与刚性导管适配器22上的颈缩区域32物理接合。图6是根据本发明的另一实施例的远程安装电池模块412的立体图。远程模块 412 一般包括矩形区域414，其中有电池和相关电路。附加地，电缆装置416将模块412耦合到合适的设备。如图6所示，模块412包括凸缘418，凸缘418具有多个孔径以容纳u形螺栓420，以将模块安装到管道或其他合适的结构上。附加地，远程模块412还可以具有可拆卸式封盖，使得可以在远程模块中更换电池。图7是根据本发明的实施例的可驻留在电路卡30上电路的电路图。电路500在端子502、504处耦合到一个或多个电池。优选地，电路卡30上的电路500的组件之间的间隔符合本质安全面向要求(facing requirements)。如图7所示，电路500包括两个主要部分。从端子502、504到线506的部分实质上提供了低压断电功能。来自监管电路508的输出驱动了场效应晶体管510在大约4伏特时断开。(注意，两单元电池组初始提供大约7. 2 伏特)。因此，当电池组的电压到达特定阈值时，将把电池组与现场设备完全地断开电连接。 电路500在线506和线512之间的部分提供了限流功能，其有助于保护通过保险丝514的电流。限流电路在电流高于保险丝极限但低于本质安全的安全极限时防止保险丝514熔断。 这在电池模块是一次性使用的实施例中是特别有用的，因为烧断的保险丝将要求更换整个电池模块。尽管已结合优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节做出改变。
权利要求
1.一种模块化的、本质安全的电源模块装置，包括刚性导管适配器，被配置为安装到现场设备的导管上；外壳，可操作地耦合到所述刚性导管适配器上，并由所述刚性导管适配器来物理支撑所述外壳，所述外壳具有内部；至少一个不可充电电池，置于所述外壳中；以及本质安全电路，耦合到所述至少一个不可充电电池，所述本质安全电路耦合到连接器， 所述连接器与所述刚性导管适配器中的协作连接器配合。
2.根据权利要求1所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述外壳由连接在一起的板和盒构成。
3.根据权利要求2所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述板和所述盒是能够拆卸地连接在一起的。
4.根据权利要求2所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，用灌封成分来填充所述外壳的内部。
5.根据权利要求2所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述外壳还包括金属凸缘，所述金属凸缘的大小足以让所述刚性导管适配器的外表面通过。
6.根据权利要求5所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，还包括被配置为将所述金属凸缘锁定到所述刚性导管适配器上的锁定构件。
7.根据权利要求6所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述锁定构件是定位螺丝。
8.根据权利要求6所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述板包括环形环，所述环形环具有能安装到所述金属凸缘的大小。
9.根据权利要求1所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述本质安全电路包括保险丝。
10.根据权利要求9所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述本质安全电路包括限流电路，以限制通过所述保险丝的电流。
11.根据权利要求1所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，还包括现场设备，所述现场设备具有用于连接到所述刚性导管适配器的所述导管。
12.根据权利要求11所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述外壳的内部的容积大于所述现场设备的电子装置隔层的内部的容积。
13.根据权利要求12所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述至少一个不可充电电池包括置于所述外壳中的多个不可充电电池。
14.根据权利要求13所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述多个电池是能更换的。
15.根据权利要求1所述的模块化的、本质安全的电源模块装置，其中，所述刚性导管适配器是由金属形成的。
16.一种现场设备与远程安装的本质安全的电池模块相结合的系统，所述系统包括现场设备，可操作地耦合到过程，所述现场设备具有电子装置隔层，所述电子装置隔层具有导管；以及电池模块，位于远离所述现场设备，所述电池模块中具有本质安全电路和电缆装置，所述电缆装置将所述模块耦合到所述现场设备的导管以向所述现场设备供电。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，至少一个电池置于电池模块中，并被配置为能更换的。
18.一种模块化的、本质安全的电源模块装置，包括 刚性导管适配器，被配置为安装到现场设备的导管上；外壳，可操作地耦合到所述刚性导管适配器上，并由所述刚性导管适配器来物理支撑所述外壳，所述外壳具有内部；至少一个不可充电电池，置于所述外壳中；以及本质安全电路，耦合到所述至少一个不可充电电池，所述本质安全电路耦合到连接器， 所述连接器通过所述刚性导管适配器与现场设备的协作连接器配合。
全文摘要
本发明提供了一种模块化的本质安全的电源模块装置(12)。所述装置包括被配置为安装到现场设备(10)的导管(20)上的刚性导管适配器(22)。将具有内部的外壳(66)可操作地耦合到所述刚性导管适配器(22)上，并由所述刚性导管适配器(22)来物理支撑所述外壳(66)。将至少一个不可充电电池(64、164)置于所述外壳(66)中。将本质安全电路(500)耦合到所述至少一个不可充电电池(64、164)，且所述本质安全电路(500)耦合到与所述刚性导管适配器(22)中的协作连接器(62)配合的连接器。
文档编号H01M2/04GK102362370SQ201080013411
公开日2012年2月22日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年1月13日
发明者乍得·M·麦圭尔 申请人:罗斯蒙德公司