具有失效检测的混合电力模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线现场装置组件，所述无线现场装置组件包括过程传感器、壳体、电源模块和处理器。过程传感器被构造成监测过程变量并产生传感器信号。壳体包围所述无线现场装置的内部空间。电源模块包括储能装置和到本地电源的连接装置，并且被构造成容纳在无线现场装置中。处理器位于内部空间内，并且由电源模块供电。处理器产生用于在储能装置失效、本地电源失效、和无失效状态之间进行区分的失效信号值。
【专利说明】具有失效检测的混合电力模块
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体涉及工业过程现场装置，并且更具体地涉及用于给无线工业过程现场装置供电的混合电力模块。
【背景技术】
[0002]术语“现场装置”涵盖大量测量和控制诸如压力、温度和流量的参数的过程管理装置。许多现场装置是变送器，所述变送器是用作在用于感测或致动工业过程变量的变换器和诸如控制室中的计算机的远程控制或监测装置之间的通信中继装置。传感器的输出信号例如通常不足以有效地与远程控制或监测装置通信。变送器通过接收来自传感器的通信、将该信号转换成更有效地用于长距离通信的形式(例如，调制的4-20mA电流回路信号，或无线协议信号)并将该转换的信号传输到远程控制或监测装置来桥接这种通道(gap)。
[0003]现场装置用于监测和控制工业过程的各种参数，包括压力、温度、粘度和流量。其它现场装置致动工业过程的阀、泵和其它硬件。每一个现场装置典型地包括密封外壳，所述密封外壳容纳致动器和/或传感器、用于接收和处理传感器和控制信号的电子设备、和用于传输处理后的传感器信号使得每一个现场装置和工业过程参数可以被远程监测的电子设备。大型工业制造工厂通常采用在宽领域分布的许多现场装置。这些现场装置通常与中央控制或监测装置通信，从而允许工业过程被中央监测和控制。
[0004]现场装置越来越多地使用无线收发器以与中央控制或监测系统通信。无线电设备使控制或过程监测系统的到达延伸超过有线装置到达的位置，该位置对于布线可能难以提供并且布线昂贵。在一些情况下，无线现场装置可以通过到诸如120V交流电站或供电数据的发电站的直接电连接而被供电。然而更通常的是，发电站没有位于仪器和变换器必须操作的危险区域的附近或不能容易地安装在所述危险区域中。因此，现场装置通常通过具有如在长寿命电池的情况下被存储或在太阳能电池板的情况下产生的有限容量的电源被本地供电。电池预计持续多于五年，并且优选地持续产品的寿命之久。因为本地电源具有有限的容量，因此低功率电子设备和RF无线电设备的使用对于许多无线现场装置来说经常是必不可少的。
[0005]许多现场装置设计包括在现场装置的密封外壳的盖下方的附加电池。其它现场装置采用来自诸如太阳能电池板的外部源、诸如振动或热电回收器的能量采集装置或邻近公共电网连接的电力。给无线现场装置供电的每一种方法传统地要求不同的接线端子接口。基于电池供电部分或整体运行的现场装置典型地装有提供到附加电池的接触点的接线盒。相反地，基于电网运行的现场装置包括提供用于电网的有线连接(典型地通过螺栓端子)并调节用于现场装置的电网的接线盒。接线盒通常是可移除的，从而允许通过在一个或另一个源指定接线盒中进行交换而将单个现场装置构造成用于不同的电源。太阳能电池板、振动能回收系统和其它类型的本地供电模块所有都可以使用不同的接线盒。
[0006]无线变送器现场装置广播对应于感测到的参数的周期信号。电池供电变送器典型地被预期在电池更换之间操作五年或更多年。基于该应用，现有的系统可以操作持续该时间段，同时每四秒传输一次。对于许多工业应用来说，期望更快的更新速度，但是需要显著缩小电池寿命的更大的耗电。
[0007]诸如太阳能电池板和振动或热电回收器的能量采集系统产生高度依赖于位置和应用的电力。振动回收器例如在具有高振幅连续振动的区域中可以是高效能源，但是在低振幅或间断振动的区域中可能是不切实际或不充足。此外，当电池和超级电容器通常在放电的同时持续供电时，能量采集系统的电力生产可能会受到不可预测的下降，从而导致电力水平基于环境条件而波动。太阳能电池板例如在晚上不能产生电力，而振动回收器在所附结构(例如，电动机)静止时不能产生电力。
【发明内容】
[0008]本发明涉及一种无线现场装置组件，所述无线现场装置组件包括过程传感器、壳体、电源模块和处理器。过程传感器被构造成监测过程变量并产生传感器信号。壳体包围所述无线现场装置的内部空间。电源模块包括储能装置和与本地电源的连接装置，并且被构造成容纳在无线现场装置中。处理器位于内部空间内，并且由电源模块供电。处理器产生用于在储能装置失效、本地电源失效、和无失效状态之间进行区分的失效信号值。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是包括表征无线现场装置的过程监测和控制系统的代表图；
[0010]图2a是图1的无线现场装置的示意性方框图；
[0011]图2b是根据本发明的可替换无线现场装置的示意性方框图；
[0012]图3是图1的无线现场装置的分解立体图；
[0013]图4a和4b是图1的无线现场装置的电力模块在两个角度的分解立体图；
[0014]图5是由图1的无线现场装置接收到的作为时间函数的电压的示例性曲线图；以及
[0015]图6是用于图1的无线现场装置的失效检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0016]本发明是用于工业无线变送器或致动器的电力模块。该电力模块包括诸如电池或超级电容器的储能装置和用于外部电力采集能源的电力调节电路两者。来自该电力模块的电压读数用于识别电力采集能源和储能装置的失效模式。
[0017]图1示出了过程测量或控制点10，所述过程测量或控制点10包括无线现场装置12 (具有天线14)、变换器16、过程连接装置18、过程管道20、本地电源22和电力连接装置24。无线现场装置12经由天线14连接到控制或监测系统26。
[0018]过程管道20载运过程流体流F。无线现场装置12可以是被构造成接收、处理和传输来自被构造成测量该过程流体的参数的一个或多个传感器的信号的过程变送器。可选地，现场装置12可以是被构造成响应于来自控制或监测系统28的信号命令诸如阀或泵的过程致动器的无线控制器。变换器16是经由过程连接装置18与流体流F接触的这样一种传感器或致动器。过程连接装置18可以与流体流F并联或串联连接，这取决于具体的工业应用和由变换器16测量或致动的参数。虽然图1中仅显示了一个变换器16，但是处理测量或控制点10的一些实施例可以包括连接到无线现场装置12的多个传感器和/或致动器。
[0019]在一些实施例中，变换器16是将用于处理和传输到控制或监测系统26的传感器读数提供给现场装置12的传感器。在其它实施例中，变换器16是响应于通过现场装置12从控制或监测系统26接收到的信号致动过程流体的变化的致动器。虽然在下文中进一步的说明集中在其中变换器16包括传感器的实施例上，但是本领域技术人员将要理解本发明同样可以被应用于致动器系统。
[0020]变换器16经由过程连接装置18固定到过程管道20，并测量过程流体的一个或多个参数，例如流量、粘度、温度或压力。在所述的实施例中，变换器16容纳在现场装置12内部，但是可选的实施例可以具有被定位成与现场装置12分离并通过线连接到现场装置12的变换器。来自变换器16的传感器信号被传输(例如，作为模拟电压值或数字信号)到现场装置12内的处理和传输电子设备(参见图2a和2b)。变换器16的具体形式可以基于所感测的参数而变化；在一些情况下，过程连接装置18可以被构造成使得变换器16延伸到过程管道20内的过程流F中。现场装置12接收并数字化(如有必要)来自变换器16的过程信号，并经由天线14将含有过程信息的过程消息传输到控制或监测系统26。天线14被显示为单个天线，但是可以包括单个阵列的多个不同天线。现场装置12可以将信号直接传输到控制或监测系统26，或者可以经由中间网状网络或轴辐式网络传输信号。在一些实施例中，现场装置12可以采用WirelessHART协议(IEC62591)。控制或监测系统28可以是集中系统，所述集中系统从在无线现场装置网络26中的多个现场装置接收传感器数据和/或将致动器数据广播到在无线现场装置网络26中的多个现场装置。控制或监测系统可以通过无线现场装置网络26位于现场，或可以位于遥控室处。
[0021]现场装置12包括处理并传输来自变换器16 (或在致动器系统的情况下至变换器16)的信号的电子设备，如以下更加详细地讨论。信号处理和信号传输两者都需要能量，所述能量由相对于图2a和2b如下所述的电力模块来提供。该电力模块包括诸如电池或超级电容器的内部储能装置和经由电力连接装置24到本地电源22的联接装置。本地电源22可以例如是太阳能电池、例如振动或热电回收器的能量采集装置、或公共电网。虽然图1示出了本地电源22作为位于现场装置12外部的外部电源，但是本地电源22的一些实施例可以安装在现场装置12的内部，如以下相对于图2b所述。
[0022]图2a和2b示出了现场装置12的其中本地电源22在现场装置12的外部(图2a)和内部(图2b)的实施例。图2a和2b的实施例不同仅在于电力模块120的组成，其中电力模块120在图2a中被表现为电力模块120a，而在图2b中被表现为电力模块120b。命名“电力模块120”在这里用于表示等效的电力模块120a和电力模块120b，其中实施例之间的区别不相关。
[0023]图2a和2b关注现场装置12的接收和传输传感器信号至控制或监测系统28的实施例，而不是关注基于来自控制或监测系统28的信号致动过程机械的实施例。如上所述，电力模块120可以应用于任一种类型的系统以及执行两个功能的现场装置。
[0024]图2a是现场装置12的示意性方框图，示出了天线14、变换器16、外壳或壳体100、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、电源控制装置112、盖116、接线盒118、和电力模块120a的一个实施例。电力模块120a包括储能装置122、连接板124、电力调节器126、接线螺柱128和电缆导管130。图2b是现场装置12的可选实施例的示意性方框图，示出了天线14、变换器16、外壳或壳体100、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、电源控制装置112、盖116、接线盒118和电力模块120b。电力模块120b包括储能装置122、连接板124、电力调节器126和本地电源22b。
[0025]现场装置12可以暴露于极端温度和危险环境。现场装置12因此包括外壳或壳体100以包围并保护在内部区域I中的电子设备。外壳或壳体100是刚性耐用主体，所述主体可以密封环境以保护收发器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、和电源控制装置112免于破坏或损坏。外壳或壳体100与盖116连接以包围容器R，所述容器R保护并容纳诸如电力模块120的可移除部件。外壳或壳体100和盖116可以同样地形成环境密封件，从而保护位于容器R内的部件免于有害的环境影响。在一些实施例中，外壳或壳体100与盖116之间的密封可以足以保护内部区域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和电源控制装置112)，使得外壳或壳体100不必完全包围内部区域I，这是因为外壳或壳体100和盖116的组合将隔离这些部件与环境损害，只要盖116被连接即可。
[0026]根据一个实施例，收发器102是经由天线14发送和接收无线电信号的信号发送器/接收器。信号处理器104是诸如微处理器的具有逻辑能力的数据处理器。数字信号调节器106包括基于数字化传感器信号操作并且可以响应于来自中央控制或监测系统28的诊断程序或指令由信号处理器104构造而成的数字滤波器。数字信号调节器106可以例如操作以从由模/数转换器108提供的原始数字化信号过滤噪声或提取感兴趣信号。模/数转换器108是能够数字化来自变换器16的模拟传感器的模-数字转换器。在一些实施例中(例如在致动器系统中)，模/数转换器108可以可选地或另外包括能够将来自信号处理器104的数字信号转换成用于传输到变换器16的模拟信号数-模转换器。模拟信号调节器110是传统的模拟信号调节器，所述模拟信号调节器可以例如执行带通过滤以隔离一个或多个感兴趣区与从变换器16接收到的信号。电源控制装置112是作为用于监测电力质量和即将发生的电力失效的装置的传统的电力路由装置，所述电力路由装置被构造成从接线盒118获取电力，并且将从接线盒118接收到的电压报告给信号处理器104(例如，经由模拟信号调节器110)。信号处理器104使用该电压信息标记本地电源22和储能装置122的失效模式，如以下相对于图5和图6进一步详细所述。电源控制装置112通过接线盒118接收来自内部或者外部源的电力，并且按需要供应这个电力到收发器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和现场装置12的任何其它电力部件。
[0027]在操作期间，模拟信号调节器110接收并过滤来自变换器16的过程信号。变换器16可以如图1所示位于现场装置12内部，或者可以位于模拟信号调节器110的外部并通过线连接到模拟信号调节器110。过滤后的过程信号通过模/数转换器108被数字化，并在被信号处理器104处理之前进一步被数字信号调节器106过滤。尤其在来自变换器16的信号被预先调节的情况系，现场装置12的一些实施例可以免除数字信号调节器105和模拟信号调节器110中的一个或两个。类似地，在其中变换器16提供数字信号的实施例不需要模-数转换器108。虽然收发器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已经被描述为不同的部件，但是这些部件中的一些或所有的功能在一些实施例中可以由诸如普通微处理器的共享硬件被执行。现场装置12还可以包括本地操作者接口(未示出)，具有例如屏幕和/或输入键，允许操作者与现场装置12直接相互作用。类似于现场装置12的其它电力部件，这种本地操作者接口将从电源控制装置112获取电力。
[0028]现场装置12的电力部件从电源控制装置112接收电力。电源控制装置112又通过接线盒118从电力模块120获取电力。接线盒118是被构造成与电力模块120配合并从电力模块120获取电力的电力路由部件。基于现场装置12的内部电子设备，接线盒118可以接受交流或直流电力。在一些实施例中，接线盒118可以用于将电力模块锚固在容器R内。接线盒118可以永久固定到现场装置12，或者可以是根据需要可以被更换以提供与可替换电源的接口的模数化部件。
[0029]电力模块120是从储能装置122和从本地电源22两者供电的混合装置。如图2a所示的实施例中所述，电力模块120b包括储能装置122、连接板124、电力调节器126和接线螺柱128。储能装置122可以是电容器、超级电容器、可充电电池、普通(不可充电)电池或任何其它传统的紧凑型储能装置。电力调节器126可以包括电容器、开关电路、过滤部件和电压和/或限流部件。虽然图2a和2b示出了作为单个一体式装置的储能装置122，但是电力模块120的一些实施例可以包括多个不同的同样类型或不同类型的电力电池。连接板124是提供储能装置122、接线螺柱128和电力调节器126之间的电力连接的内部电路板。在现场装置12的许多实施例中，具体地在期望在极端环境中并在极端温度下操作的现场装置12中，可充电电池可能是不切实际的。然而，在适当的环境中，储能装置122的可充电实施例可以通过来自本地电源22的电力被再充电。可以从电力模块120移除储能装置122。
[0030]根据该实施例，电力模块120a包括接线螺柱128。接线螺柱128通过将电力连接装置24的暴露线圈或其它暴露的导电部分连接到电力模块120a而用作用于电力连接装置24的端子接口。端子连接装置24经由电缆导管130优选地进入容器R。电缆导管130可以是允许电力连接装置24穿过外壳或壳体100或盖116进入到容器R中的任何类型的开口。为了更大程度地保护位于容器R内的接线盒118、电力模块120和任何其它部件，电缆管道130可以包括关于端子连接装置24形成密封以隔离容器R与环境危害的电缆密封套。
[0031]电力调节器126是执行专用于本地电源22的传统电力调节的紧凑型装置。电力调节器126可以例如是极限电压和/或电流以保护现场装置12的部件。如果电源22是交流电源，则电力调节器126还可以适当地装入AC/DC转换器。电力调节器126可以被制造为连接板124的一部分，或者可以是连接到连接板124的单独部件。
[0032]电力模块120从两个源将能量提供给接线盒118:储能装置122和本地电源22。如在本发明的【背景技术】中所述，诸如能量回收系统和太阳能电池板的外部电源通常受限于所述能量回收系统和太阳能电池板可以供应的电力。本地电源22的一些实施例可以提供不足以始终给信号处理器104、模拟和数字信号调节器110和106、模-数转换器108并且尤其收发器102供电的有限但基本上恒定的电力。本地电源22的其它实施例可以提供更多但不可靠的电力。在任一情况下，电力模块120通过来自储能装置122的储存电力补充来自本地电源22的电力以满足现场装置12的电力部件的电力需求。基于现场装置12的环境和应用，由现场装置12消耗的或多或少的总电力可以来自储能装置122或本地电源22。在来自本地电源22的电力相对不足或不可靠的情况下，将主要从储能装置122给现场装置12供电，并且来自本地电源22的补充电力将延长储能装置122的使用期限。在来自本地电源22的电力相对充裕并可靠的情况下，可以主要从本地电源22给现场装置12供电，并且来自储能装置122的补充电力将暂时代替来自本地电源22的停工期或下降。
[0033]如以上相对于图1所述，本地电源22可以具有各种形式。以示例的方式，当电动机作用(例如，一半时间，且50%的占空比)时，用作本地电源22的振动回收器可以基本上满足现场装置12的所有电力需求。当电动机不作用时，电力模块120将作为替代提供来自储能装置122的电力。在另一个实施例中，用作本地电源22的热电能量回收器可以提供足以给信号处理器104、数字和模拟信号调节器105和110以及模-数转换器108供电但是不足以在信号传送期间为收发器102供电的恒定但微弱的电力。在这种情况下，储能装置122可以在传输期间提供补充电力。如果本地电源22仅提供甚至更弱的电力，则可以要求储能装置122始终给所有部件供电。在这种情况下，本地电源22的包括可以延长储能装置122的预期使用期限，从而增加更换之间的时间。在第三实施例中，直接电网连接可以构成本地电源22。在这种情况下，外部电源将在正常条件下完全给现场装置12的所有部件供电。如果电网受到停电、或电网连接失效，则储能装置122将用作备用电源，从而允许现场装置12继续操作而不会中断。
[0034]图2b示出了配备有电力模块120b的现场装置12的一个实施例。不同于电力模块120a，电力模块120b不包括接线螺柱128或用于连接到外部电源的任何其它装置。代替地，电力模块120b包括本地电源22b，所述本地电源22b是尺寸被形成为装配在容器R内的本地电源22(参见图1)的变形体。本地电源例如可以是从现场装置12的振动采集能量的振动回收器。该实施例尤其适合于其中现场装置12可以靠近泵、电动机或其它可靠振动源的应用。本地电源22b可以永久安装在电力模块120b内，或可以经由用作功能等效的接线螺柱128(参见图2a)的导电接口可拆卸地连接到电力模块120b。储能装置122、连接板124和电力调节器126在功能上基本上与电力模块120a和120b相同，但是在电力模块120b中根据需要可以具有稍微不同的形式(例如，不同的尺寸或形状)以适应本地电源22。
[0035]电力模块120的两个实施例从储能装置122和本地电源22 (包括22b)提供混合电力。为了从本地电源22获得电力，优先使用本地电源22。当来自本地电源22的电力不可用或不充足时，代替或另外使用来自储能装置122的电力。电源控制112监测来自电力模块120的电压(经由接线盒118)，并从而检测本地电源22和储能装置122中的失效。
[0036]虽然接线盒118和电力模块120在图2中被描述为单独的部件，但是一些实施例可以将接线盒118和电力模块120的功能组合到连接到容器R内的现场装置12并被选择以匹配现场装置12的两个具体模式和本地电源22的具体类型的单个可移除部件中。
[0037]图3是现场装置12的分解立体图，所述现场装置12包括天线14、外壳或壳体100、盖116、接线盒118、电力模块120、储能装置122、电缆导管130、接线盒连接螺钉132、接线盒连接螺钉孔134、电源连接件136和电源连接器138。
[0038]如以上相对于图2所述，电源控制装置112将电力提供给现场装置12的所有电力部件。电源控制装置112经由电源连接器138和当接线盒118固定在适当的位置时与接线盒118连接的电接触件从接线盒118接收电力。电源连接器138可以例如包括与接线盒118中的相应凹部或插孔连接的多个导电销。如图3中所述，接线盒118通过接线盒连接螺钉132被固定以与电源连接器138接触。接线盒连接螺钉132是紧固到外壳或壳体100上的接线盒连接孔134中从而可移除地锚定接线盒118的螺纹螺钉。虽然接线盒118如上所述通过接线盒连接螺钉132固定，但是可选实施例可以使用其它装置来固定接线盒118，例如通过卡口或螺钉或通过搭扣或摩擦配合。在可选的实施例中，接线盒118可以是永久固定到或安装在被容器R和内部空间I共用的外壳或壳体100的壁中的不可移除部件。接线盒118被配备成经由一个或多个端子接收AC或DC。这些端子可以具有邻接电力模块120的扁平导电接触件的形式。
[0039]根据本实施例，电力模块120通过电源连接件136固定到接线盒118。电源连接件136被描述为被接线盒118上形成与内部电力模块120卡扣或摩擦配合和电接触的突出套筒包围的电接触件。在其它实施例中，电源连接件136可能包括钩、螺钉、闩锁、或用于将内部电力模块120固定到接线盒118的任何其它传统的方法以及任何传统的电连接件。电源连接件136在没有盖116的情况下(例如，当盖116被移除以安装或移除容器R内的部件时)支撑内部电力模块120。然而，盖116可以有助于将内部电力模块保持在接线盒118上，如以下相对于图4a和图4b所述。接线盒118可以适当地供电调节以调节电压或电流，并且转换或从电力模块120接收到的电力进行整流。电力模块120从本地电源22和/或储能装置122供电。来自电力模块120的电力可以唯一来自本地电源22或储能装置122，或者可以来自本地电源22或储能装置122的组合。在一些实施例中，本地电源22可以是例如电容器或可充电电池的可充电电源，并且可以从本地电源22被充电。
[0040]如以上相对于图2所述，储能装置122可以是传统的电池或超级电容器。储能装置122被示出为可以经由卡扣配合或其它传统的锁定机构可移除地连接到电力模块120。在其它实施例中，电源122可以完全包围在电力模块120内，并且可以或不可以移除。
[0041]电力模块120为电力连接装置24提供接触点，其中电力模块120从本地电源22由所述电力连接件24接收电力。该接触点可以包括接线螺柱128 (参见图2a和图4a)，或用于电接触或连接的任何等效连接装置。连接板124是在接线螺柱128的位置处具有导电接触件的电路板。接线螺柱128是用于将电力连接装置24的一个或多个线连接到连接板124的导电紧固件。在电力连接装置24包括钩或线圈的情况下，接线螺柱128和连接板124将与这些钩或线圈连接以将电力连接装置24锚固到电力模块122。基于电力连接装置24的形式(所述电力连接件又可以取决于电源24)，接线螺柱128可以被插头、夹子或其它连接装置代替。虽然图3示出了用于将电力模块120连接到本地电源22的外部实施例的接线螺柱128，但是电力模块120可以代替地包括内部本地电源22b(参见图2b)。这种本地电源22b可以位于电力模块120内，或以与配合在盖116下方的方式连接到电力模块120的外部。
[0042]如以上相对于图2所不的实施例所不,盖116以密封的方式与外壳或壳体100接合，从而保护容器R内的部件(例如，接线盒118和电力模块120)。电力模块120隐藏地装配在容器R内部，位于盖116下方并与接线盒118接触。本地电源22经由电力连接装置24连接到电力模块120 (参见图2)，所述电力连接装置通过电缆导管130延伸到容器R中，并固定到接线螺柱128 (或类似紧固件)。如上所述，电力模块120包括电力调节器126，所述电力调节器126调节来自本地电源22和储能装置122并用于现场装置12的被供电部件的电力。由电力模块120提供的电力的电压作为本地电源22和储能装置122的状态的函数而变化，如以下相对于图5和图6所述。电压的这种变化用于检测和标记两个电源的失效。
[0043]图4a和4b是电力模块120的一个实施例的来自两个不同角度的分解立体图。电力模块120包括储能装置122、连接板124、接线螺柱128、外壳前部202、外壳后部204、接线柱206、储能装置连接件208、摩擦配合连接装置210、支撑件212和锚固环214。
[0044]在该实施例中，电力模块外壳200是刚性保护罩，所述刚性保护罩包围并保护连接板124，并且将接线螺柱128和储能装置122隐藏地支撑在现场装置12的容器R内。如上所述，连接板124是将电连接提供给储能装置122和接线螺柱128并且可以容纳或安装电力调节器126 (参见图2a和2b)的电路板。接线柱206是从连接板124延伸通过外壳前部202的摩擦配合连接装置210以形成与接线盒118的电源连接件136的电连接(参见图3)的导电柱。摩擦配合连接件210是外壳前部202的连接部分，所述连接部分延伸到电源连接136中并机械连接到所述电源连接件136，从而将电力模块120固定到接线盒118。摩擦配合连接装置210可以包括一个或多个卡环或形成与电源连接件136的隐藏连接的类似部件。
[0045]根据本实施例，储能装置连接件208是传统的嵌入式(snap-1n)电池壳体，或用于固定储能装置122的等效装置。储能装置连接件208锚固到外壳后部204，并为提供储能装置122提供机械保持和电连接。如上所述，储能装置122可以是专用能量电池、现有的电池、超级电容器或任何类似储能装置。储能装置连接件208的尺寸和形状可以基于所选择的储能装置122的类型而变化。储能装置连接件208提供储能装置122与连接板124之间的点接触件。
[0046]外壳后部204包括支撑件212、远离连接板124延伸以与盖116接合的大致刚性部分(参见图3)，从而提供容器R内的适贴配合。这种配合有助于将摩擦配合连接装置210保持在电源连接件136处的适当位置。在所述的实施例中，支撑件212包括锚固环214，所述锚定环214是在外壳后部204的最外层表面上的抬高环状脊部。锚固环214的尺寸被形成为与盖116的内部上的互补环或波状弹簧连接，从而克服振动将电力模块120固定在接线盒118与盖116之间。接线螺柱128通过后部外壳204延伸到连接板124中，从而供电连接装置24与本地电源22的电连接。对于现场装置12的其中本地电源22装入在容器R内的实施例(参见本地电源22b，如以上相对于图2b所述)，接线螺柱128可以被省略以有利于连接板124与本地电源22之间的直接连接(在本地电源22容纳在电力模块120内的情况下)，或者在概念上类似于储能装置连接件208用于本地电源22的可分离连接(在本地电源22可拆卸地固定到电力模块120的情况下)。可选地，接线螺柱128或类似连接装置可以用于将连接板124连接到容纳在外壳后部204与盖116之间的整体单独的本地电源22。在最后的实施例中，支撑件212可以被减小以为本地电源22提供空间。
[0047]不管本地电源22是否容纳在容器R内，电力模块120提供优先从电源22获取电力的电连接，并且当来自本地电源22的电力不可用或不足以满足无线电装置12的电力需要时从储能装置122补充地获取电力。虽然具体的应用或安装位置可能会使得电源22或储能装置122中任一个提供现场装置12所需的大部分电力，但是现场装置12优选地在用尽储能装置122之前当来自本地电源22的电力可用时从本地电源22获取电力。来自每一个源的电力根据需要由电力调节器126调节，从而根据需要转换并整流来自本地电源22和储能装置122的电力。这样，电力模块122能够为现场装置12提供持续电力，而不管来自外部电源22的电力的可用性，同时延长储能装置122的使用期限。
[0048]图5是从电力模块120接收到的作为时间函数的电压的曲线图。图5目的仅用作在现场装置12的操作期间可能的电压波动的示例性示例，并且从而显示以下相对于图6进一步详细论述的失效检测系统的操作。图5没有按照比例绘制，并且图5的电压曲线的形状的具体细节对于现场装置12的电力模块120的功能本质上是不重要的。
[0049]如以上相对于图2a、2b、3、4a和4b所述，来自电力模块120的电力可以由本地电源22、储能装置122或本地电源22和储能装置122的组合来提供。一般而言，现场装置12可以在三种电力模式下操作:其中所有电力都由本地电源22供应的第一模式、其中现场装置12基于由本地电源22产生的电力和来自储能装置122的储存能量操作的第二模式和其中现场装置12仅基于来自储能装置122的储存能量操作的第三模式。电力模块120的电压输出通常在第一模式中最高(在由电力调节器126施加的限制范围内)，在第三模式中最低，而在第二模式处于中间水平。更具体地，第三模式中的电压典型地与储能装置122的电池电压匹配，同时第一模式和第二模式中电压超过该电池或电容器电压基于来自本地电源22的电力的电压下降程度的量。
[0050]然而，随着时间的过去，来自本地电源22的电压可能会基于本地电源22的电力获取和状态而波动。来自本地电源22的电压的下降可以指示本地电源22已经下降到离线(例如，在本地电源22构成黑暗地区的太阳能电池板的情况下)，或者可以指示本地电源22单独不能满足现场装置12的瞬时电力要求，从而需要来自储能装置122的补充电力。另外，即使当现场装置整体由本地电源22供电时也可能会发生微小电压波动。
[0051]图5显示了对应于所有三种模式的范围的电压，如沿着曲线图的y轴线(电压)所示。这些模式对应于其中本地电源22和储能装置122能够供应变化量的电力的时域。
[0052]在时间h时，现场装`置12仅由储能装置122提供的电力，从而保持大致稳定(但同样稍微减小)的电压~V2。在时间^时，本地电源22启动，并且整体上接管领域装置12的供电，从而提供超过电压V3的电压。电压V3对应于储能装置122对现场装置12供电的贡献以下的阈值。
[0053]在时间h与&之间，来自本地电源22的电压从V3以上下降到V3以下。这种类型的电压下降可以是由于从本地电源22获取的电力的增加，或由于由本地电源22产生的电力的下降(例如，入射在太阳能电池板上的光的减少，或者在振动采集装置处振幅的减小)。
[0054]在时间t4时，本地电源22停用。本地电源22的一些实施例可以经常在工业过程的操作期间频繁启动和停用。当电动机关闭和打开时，固定到50%占空比的电动机的振动回收器例如将有规律地停用(即，不产生电力)和重新启动。本地电源22的其它实施例通常可以被预期提供恒定电力，而不会存在指示失效条件的任何停用。
[0055]图5显示了在时间t5时开始失效从而导致接线盒118处接收到的电压进一步下降的储能装置122。下降到电压V2以下的电压可以例如对应于电池的耗尽或超级电容器的放电，这取决于储能装置122的具体实施例。虽然图5显示了电压在开始时间快速下降，但是电池或超级电容器失效不该是急剧的。在正常情况下，当现场装置12仅由储能装置122供电时，储能装置122的逐渐耗尽将导致接线盒118处接收到的电压的逐渐下降。当储能装置122放电时，接线盒118处的电压最终下降到电压V1以下，指示储能装置122的耗尽的阈值。
[0056]图6是用于基于从电力模块120接收到的电压检测电源失效的方法300的流程图。更具体地，方法300允许控制或监测系统28 (参见图1)基于由信号处理器104设定的失效信号值在本地电源22的失效与储能装置122的失效之间进行区分。方法300允许控制或监测系统28在图5的模式1、2和3之间进行区分，并相应地将警报提供给使用者和维修人员。
[0057]如以上相对于图2a和2b所述，电源控制装置112报告来自信号处理器104的的电压，指示从接线盒118(并由此从电力模块120)接收到的电力的电压。在一些情况下，该电压报告可以被模拟信号调节器110、模-数转换器108、和/或数字信号调节器106接收至IJ。信号处理器104被设置有对应于在正常操作和失效操作期间可以由电力模块120提供的不同可能的电压值的一系列电压阈值。(步骤SI)。这些电压阈值可以在制造期间被编程或硬线到信号处理器104中，或者可以响应于经由收发器102从控制或监测系统28或另一个用户终端接收到的信号被设定。信号处理器104使用电源控制装置112监测从电力模块120接收到的电压(步骤S2)。如以上相对于图1所述，信号处理器104将过程信号有规律地发送到控制或监测系统28。这些处理消息包括反映来自变换器16的传感器读数的过程变量信号。另外，每一个处理消息都包括失效信号值，其中可以从所述失效信号值标记和识别储能装置122和本地电源22的失效状态。虽然以下论述集中在其中每一个处理消息包括过程变量信号和失效信号值两者的实施例上，但是可选的实施例可以例如通过仅偶尔地发送失效信号值或通过单独地发送失效信息来分离这两种成分。在一些实施例中，不同的信号处理器可以用于检验变量信号和能量失效信号值。
[0058]基于监测电压与电压阈值的比较，信号处理器104在每一个处理消息中设定反映由电力模块120提供的当前电压的失效信号值。(步骤S3)。为了当前说明的目的，高电压假设对应于高失效信号值，而低电压对应于低失效信号值，尽管在所有实施例中这不需要是这种情况。现场装置12通过收发器102无线发送含有该失效信号的处理消息。
[0059]控制或监测系统28在无线现场装置网络26内从各个现场装置(包括现场装置12)有规律地接收处理消息。在从现场装置12接收具有失效信号值的过程消息时，控制或监测系统28确定该失效信号值的值是否小于储能装置失效条件阈值。(步骤S5)。该失效条件阈值是至少近似对应于图5的电压V1的预设数字，小于通常由储能装置122提供的电压V2的电压。图5没有按比例绘制；在一些实施例中，电压V1可能仅稍微低于电压V2。如果由监测或控制系统28接收到的失效信号小于该储能装置失效条件阈值，则监测或控制系统28报告储能装置失效(例如，电池耗尽)，并发送通知使用者或维修人员的相应警报，使得储能装置122可以被更换或修理。储能装置失效条件阈值可以被设定到基于具体环境和应用的适当值，以通知使用者和维修人员储能装置在完全失效之前即将失效。
[0060]如果失效信号值大于储能装置失效条件阈值，则监测或控制系统28确定失效信号值是否小于与在V2与V3之间的电压值近似相对应的本地电源失效条件阈值(参见图5)。(步骤S7)，如果失效信号值小于本地电源失效条件阈值，则监测或控制系统28报告无失效。(步骤S8)。如果失效信号值不小于本地电源失效条件阈值，则监测或控制系统28报告本地电源失效。(步骤S9)。失效信号值低于本地电源失效条件阈值但是大于储能装置失效条件阈值，这表示本地电源22不能供应现场装置12所使用的所有电力。基于现场装置12的应用和环境，可以选择本地电源失效条件阈值以与电压V3—致(使得每当本地电源22不能完全给现场装置12供电时报告失效)，与电压V2 —致(使得只有当本地电源不能向现场装置12供应任何电力时报告失效)，或与任何中间电压一致。
[0061]失效条件可以存档用于保养目的；不是说有报告的失效条件必须伴随有失效警报。具体地，如上所述，过程测量或控制点10的一些实施例有时在正常操作期间可能会失去本地电源22。在报告本地电源失效时，控制或监测系统28确定对于现场装置12来说是否期望临时丧失本地电源22 (步骤S10)。这种确定可以基于由现场装置12接收到的电压历史、由用户提供的结构信息或任何其它适当的因素。如果期望本地电源22的临时或周期性丧失，则控制或监测系统28可以不必发送指示本地电源22的失效的任何警报。然而，如果不期望本地电源22的临时或周期性丧失，则控制或监测系统28将优选地发送通知用户和维修人员的本地电源失效警报，使得本地电源22可以被更换或修理。在一些情况下，报告本地电源失效可能会触发定时器或增量支数器，使得甚至对于其中期望本地电源22的断续丧失的系统来说充分数量的失效报告和低压时耗费的充分时间将触发本地电源失效警报。
[0062]前面的描述集中在作为失效报告和警报源的监测或控制系统28。然而，在可选的实施例中，现场装置12的信号处理器104可以能够执行方法300的方法步骤S5-S11，并且可以仅将失效警报或失效报告发送给监测或控制系统28。不管现场装置12或控制或监测系统28是否产生这些失效报告和失效警报，方法100都允许使用电源控制装置112处接收到的电压检测和确定来自电源模块120的电力失效。与仅具有电池或超级电容器的常规系统相比较，电源模块120使储能装置的寿命增加，并且与仅使用诸如能量采集系统的本地能源相比较，提供更大的可靠性。所有这些功能由被构造成配合到容器R中的电源模块来实现，且不需要额外的外部部件、或用于使这种部件免于恶劣环境的保护装置。
[0063]虽然已经参照一个或多个示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员要理解的是在不背离本发明的保护范围的情况下可以对本发明的元件进行各种改变并且可以用等效形式代替本发明的元件。另外，可以在不背离本发明的实质保护范围的情况下进行许多修改以使具体状况或材料适应本发明的教导。因此，目的是本发明不限于公开的一个或多个具体的实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的保护范围内的所有实施例。
【权利要求】
1.一种无线现场装置组件，包括: 过程传感器，所述过程传感器被构造成监测过程变量并产生传感器信号； 壳体，所述壳体包围所述无线现场装置的内部空间； 电源模块，所述电源模块包括储能装置和到本地电源的连接装置，并且被构造成容纳在所述无线现场装置中； 处理器，所述处理器由所述电源模块供电，位于所述内部空间内，并被构造成产生用于在储能装置失效、本地电源失效和无失效状态之间进行区分的失效信号值。
2.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，还包括盖，所述盖限定在所述壳体与所述盖之间的容器，并且其中所述电源模块被构造成容纳在所述容器中。
3.根据权利要求2所述的无线现场装置组件，其中，所述电源模块被构造成可移除地容纳在所述容器中。
4.根据权利要求1所述的无线现场装置，还包括由所述电源模块供电的处理器，其中所述处理器被构造成产生反映所述传感器信号和所述失效信号的控制/监测信号。
5.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，所述失效信号值指示所述电源模块处的电压，所述失效信号值的第一范围值指示储能装置失效，所述失效信号值的第二范围值指示本地电源失效，而所述失效信号值的第三范围值指示无失效状态。
6.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，所述电源模块被构造成优先从本地电源连接装置供电，并且当不能从所述本地电源获得电力或来自所述本地电源的电力不足以满足电力需求时从所述储能装置补充地供电。
7.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，所述储能装置是电池或超级电容器。
8.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，所述储能装置可移除地连接到所述电源模块。
9.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，到本地电源的连接装置被构造成从能量采集装置接收能量。
10.根据权利要求9所述的无线现场装置组件，其中，所述容器被构造成配合所述能量采集装置。
11.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，到本地电源的所述连接装置包括通过所述壳体或盖内的导管与位于所述内部空间和所述容器外部的外部装置的有线连接。
12.根据权利要求1所述的无线现场装置组件，其中，所述电源模块包括电力调节器，所述电力调节器调节来自所述储能装置和所述本地电源中的至少一个的电力。
13.根据权利要求12所述的无线现场装置组件，其中，所述电力调节器被构造成整流或转化来自所述储能装置和所述本地电源中的至少一个的电力。
14.一种用于提供并监测用于无线现场装置的电力的方法，所述方法包括: 连接电源模块以将电力提供给所述无线现场装置，所述电源模块包括储能装置和本地电源连接； 主要使用来自本地电源连接的电力给所述无线现场装置供电； 当不能从所述本地电源获得电力或来自所述本地电源的电力不足以给所述无线现场装置供电时，使用来自储能装置的电力补充地给所述无线现场装置供电；基于由所述电源模块供应的电压设定过程信号的失效信号值； 在所述失效信号值落入第一范围内的情况下，报告所述本地电源失效；以及 在所述失效信号值落入第二范围内的情况下，报告所述储能装置失效。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电源模块是可移除模块，所述可移除模块被构造成装配在所述无线现场装置的封闭容器内。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤: 将所述失效信号值发送给控制或监测系统，并且其中与所述本地电源和储能装置相关的失效通过所述控制或监测系统被报告。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤: 在所述失效信号值落入所述第二范围内的情况下，发送储能装置失效警报。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤: 在所述信号值落入所述第一范围内的情况下，发送本地电源失效警报。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤: 确定是否期望所述本地电源的断续丧失，并在所述失效信号值落入第一范围并且不期望本地电源的断续丧失的情况下，发送本地电源失效警报。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电源模块还包括电力调节器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述电力调节器被构造成整流或转化来自所述储能装置和所述本地电源连接中的至少一个的电力。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，设定所述失效信号值的步骤包括: 将所述失效信号值设定成通过比较所述电源模块处的电压与一连串阈值确定的值，使得较高失效信号值与较高电压相对应。
23.一种无线现场装置组件，包括: 被构造成监测过程变量的过程传感器； 包围内部空间的壳体； 限定所述壳体与所述盖之间的容器的盖； 电源模块，所述电源模块被构造成可移除地配合在所述容器内部并给所述无线现场装置组件中的至少一个子设备供电； 储能装置，所述储能装置在所述电源模块内部或固定到所述电源模块，并位于所述容器内； 电连接到所述电源模块的本地电源； 处理器，所述处理器位于所述内部空间内并被构造成产生: 过程变量信号，所述过程变量信号反映由所述工业过程传感器监测的过程变量；和失效信号值，所述失效信号值用于根据所述电源模块处的电压在储能装置失效、本地电源失效和无失效状态之间进行区分。
24.根据权利要求23所述的无线现场装置组件，其中，所述储能装置是电池。
25.根据权利要求23所述的无线现场装置组件，其中，所述储能装置是超级电容器。
26.根据权利要求23所述的无线现场装置组件，其中，所述本地电源是公共电网连接。
27.根据权利要求23所述的无线现场装置组件，其中，所述本地电源是能量采集装置。
28.根据权利要求27所述的无线现场装置组件，其中，所述能量采集装置被构造成在所述容器内部与所述电源模块配合。
29.根据权利要求27所述的无线现场装置组件，其中，所述能量采集装置是热电回收器。
30.根据权利要求27所述的无线现场装置组件，其中，所述能量采集装置是振动回收器。
31.根据权利要求27所述的无线现场装置组件，其中，所述能量采集装置是太阳能电池板。
32.根据权利要求23所述的无线现场装置组件，其中，所述本地电源经由穿过所述壳体或所述盖内的导管的有 线连接电连接到所述电源模块。
33.根据权利要求23所述的无线现场装置组件，其中，所述失效信号值指示所述电源模块处的电压，所述失效信号值的第一范围值指示储能装置失效，所述失效信号值的第二范围值指示本地电源失效，并且所述失效信号值的第三范围值指示无失效状态。
【文档编号】H02J9/00GK103698622SQ201310403715
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2012年9月27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:罗斯蒙德公司