Результат интеллектуальной деятельности: БЕСПРОВОДНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕДАТЧИК СО СМЕННЫМ МОДУЛЕМ

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к беспроводным измерительным передатчикам и, в частности, к беспроводным измерительным передатчикам, имеющим параметры настройки схемы, которые могут быть заданы дистанционно посредством временного проводного соединения с портативным оборудованием технического обслуживания, таким как переносной коммуникатор. Задание параметров настройки схемы зачастую осуществляется в среде промышленного предприятия, в которой может присутствовать атмосфера, которая является взрывоопасной, коррозионно-активной или же атмосферой обоих перечисленных типов. В момент снятия крышки беспроводного измерительного передатчика для выполнения настройки схемы или других операций технического обслуживания измерительная электроника может быть подвергнута контакту с атмосферой, что приводит к ухудшению качества функционирования электроники, повреждению электроники или к возникновению риска образования электрической искры (искрового разряда) во взрывоопасной атмосфере. К тому же риск образования электрической искры во взрывоопасной атмосфере также может возникнуть в момент снятия крышки беспроводного передатчика для замены основной аккумуляторной батареи.

Для безопасного выполнения операций технического обслуживания применительно к некоторым существующим измерительным передатчикам могут потребоваться дополнительные этапы, такие как отключение устройства от процесса и его перемещение в безопасную зону.

Раскрытие изобретения

Измерительный передатчик для использования в промышленном процессе и функционирующий для измерения параметров процесса включает в себя узел корпуса. Узел корпуса включает в себя основное тело корпуса с первой полостью, закрытой первой крышкой, и второй полостью, закрытой второй крышкой. Узел измерительной схемы, который находится в первой полости, включает в себя проводники питания и передачи служебных данных, которые проходят через основное тело корпуса к контактам, находящимся во второй полости. Датчик соединен с измерительной схемой.

Сменный модуль подключается к контактам, которые находятся во второй полости. Сменный модуль включает в себя основную аккумуляторную батарею и разъем передачи служебных данных. Разъем передачи служебных данных становится доступным для соединения с оборудованием технического обслуживания после снятия второй крышки.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А и 1B изображают покомпонентные представления верхней части (Фиг.1А) и нижней части (Фиг.1B) беспроводного измерительного передатчика.

Фиг.2 изображает представление поперечного разреза части беспроводного измерительного передатчика, показанного на Фиг.1А и 1B.

Фиг.3 изображает схематическое графическое представление беспроводного измерительного передатчика, соединенного с измерительным датчиком и портативным оборудованием технического обслуживания.

Фиг.4А и 4B изображают покомпонентные представления показанного сменного модуля.

Фиг.5 изображает фронтальное представление альтернативного варианта осуществления сменного модуля.

Фиг.6 изображает ограничительную схему.

Осуществление изобретения

В нижеприведенных вариантах осуществления описан беспроводной измерительный передатчик для использования в промышленном процессе, который включает в себя сменный модуль. Сменный модуль включает в себя основную аккумуляторную батарею, которая снабжает питанием беспроводной измерительный передатчик, а также включает в себя разъем передачи служебных данных. В одном варианте основная аккумуляторная батарея является аккумуляторной батареей, которая не имеет возможности перезарядки и подлежит однократному использованию. Сменный модуль вводится в соответствующую полость основного тела корпуса беспроводного измерительного передатчика. Разъем передачи служебных данных выступает из полости для удобства подключения контрольных крючкообразных щупов в процессе операций технического обслуживания. Узел измерительной схемы устанавливается в отдельной герметически изолированной первой полости.

Первая полость может оставаться герметически изолированной от окружающей промышленной атмосферы при выполнении операций технического обслуживания и замене аккумуляторной батареи. Операции технического обслуживания могут быть выполнены посредством снятия первой крышки с первой полости, при котором узел измерительной схемы не подвергается воздействию окружающей промышленной атмосферы, которая может содержать загрязняющие или взрывчатые вещества.

В некоторых вариантах осуществления узел измерительной схемы включает в себя антенну беспроводной связи, которая излучает сигнал беспроводной связи через первую крышку и корпус, изготовленные из материала, такого как пластичный полимер, прозрачный для сигнала беспроводной связи. В других вариантах осуществления сигнал беспроводной связи включает в себя промышленный протокол связи, такой как WirelessHART.

Фиг.1А и 1B изображают покомпонентные представления верхней части (Фиг.1А) и нижней части (Фиг.1B) беспроводного измерительного передатчика 100. Беспроводной измерительный передатчик 100 включает в себя узел 102 корпуса, который включает в себя части 102A, 102B и 102C. Узел 102 корпуса имеет основное тело 102B корпуса (изображенный на Фиг.1А и 1B), первую крышку 102А и вторую крышку 102B. Основное тело 102B корпуса включает в себя первую полость 104, которая закрывается первой крышкой 102А. Основное тело 102B корпуса включает в себя вторую полость 106, которая закрывается второй крышкой 102С. На крышках 102А и 102C имеется резьба, которая входит в зацепление с соответствующей резьбой на основном теле 102B корпуса. Использование двух крышек 102А и 102С обеспечивает возможность выполнения операций технического обслуживания (к примеру, замены основной аккумуляторной батареи, задания параметров настройки) посредством снятия второй крышки 102С, при котором электронные компоненты, расположенные в первой полости 104, не подвергаются загрязнению из окружающей промышленной среды, причем первая полость также не подвергается воздействию атмосферы или окружающей промышленной среды.

В соответствии с одним вариантом осуществления, первая крышка 102А изготовлена из материала, такого как пластичный полимер, который является электроизоляционным и по существу прозрачным для сигнала беспроводной связи.

Беспроводной измерительный передатчик 100 включает в себя узел 108 измерительной схемы. Узел 108 измерительной схемы расположен в первой полости 104. Блок измерительной схемы крепится к основному телу 102B корпуса винтами, такими как винт 110. Узел 108 измерительной схемы включает в себя проводники 112 питания и передачи служебных данных, которые проходят через внутренний канал 114 основного тела 102B корпуса к контактам 116, находящимся во второй полости 106. В соответствии с одним вариантом осуществления, контакты 116 (Фиг.1А) крепятся в фиксированной позиции во второй полости 106 винтами 118 (Фиг.1B). В соответствии с другим вариантом осуществления контакты 116 (Фиг.1А) крепятся в фиксированной позиции во второй полости 106 посредством штырей (не изображены), которые изготавливаются в виде неотъемлемого элемента основного тела 102B корпуса, при этом в данном варианте осуществления винты 118 не требуются. Штыри отливаются с деформацией для защиты контактов 116. В соответствии с одним вариантом осуществления, внутренний канал 114 герметически изолируется для обеспечения барьера со средой в момент открытия аккумуляторного отсека.

Беспроводной измерительный передатчик 100 имеет сменный модуль 120. Сменный модуль 120 подключается к контактам 116, которые находятся во второй полости 106. Сменный модуль 120 включает в себя основную аккумуляторную батарею 150 (изображенную на Фиг.2). Сменный модуль 120 также включает в себя разъем 122 передачи служебных данных, который выступает из второй полости 106. Разъем 122 передачи служебных данных становится доступным для соединения с внешним оборудованием технического обслуживания (которое не показано на Фиг.1А и 1B, но показано на Фиг.3) после снятия второй крышки 102С. В соответствии с одним вариантом осуществления, сменный модуль 120 включает в себя ограничительную схему 152. Ограничительная схема 152 будет более подробно описана ниже на примере, который будет описан со ссылкой на Фиг.6.

В соответствии с одним вариантом осуществления, сменный модуль 120 имеет зажимное кольцо 124, которое выступает из второй полости 106 таким образом, чтобы зажимное кольцо 124 становилось доступным для сжатия и извлечения для отсоединения сменного модуля 120 от контактов 116, после снятия второй крышки 102С. В соответствии с одним вариантом осуществления, зажимное кольцо 124 выполнено с возможностью сжатия посредством пальцев руки человека. В соответствии с другим вариантом осуществления, вторая крышка 102С имеет полость 123 (изображенную на Фиг.2), в которую выступает разъем 122 передачи служебных данных и зажимное кольцо 124 после установки второй крышки 102С на основное тело 102B корпуса. Зажимное кольцо 124 может иметь любую форму и не ограничивается формой, которая изображается на чертежах. В соответствии с еще одним вариантом осуществления, сменный модуль 120 включает в себя кольцеобразную упорную поверхность 125, которая входит в зацепление с одной или более пружинами 127 (также изображенными на Фиг.2 в сжатом состоянии). Пружины 127 сжимаются между упорной поверхностью 125 и второй крышкой 102С в процессе ввинчивания второй крышки 102С в основное тело 102B корпуса изображенным на Фиг.2 способом. В соответствии с одним вариантом осуществления, пружины 127 являются волнистыми пластинчатыми пружинами. В соответствии с другим вариантом осуществления, пружины 127 являются пружинными шайбами Бельвиля. Зажимное кольцо 124 выступает для защиты разъема 122 передачи служебных данных от механических повреждений. Зажимное кольцо 124 регулирует пружину 127 для установки. Пружина 127 передает силу модулю для защиты контактов и разъемов межкомпонентного соединения от смещения относительно друг друга. Пружина 127 изготавливается такого размера, чтобы она предоставляла силу, превышающую силу, которая может быть сгенерирована посредством массы силового модуля питания при наибольшей ожидаемой силе тяжести, возникающей вследствие вибрации.

В соответствии с одним вариантом осуществления, сменный модуль 120 имеет один или более выступов 126 для совмещения, а вторая полость 106 имеет один или более пазов 128 для совмещения, которые совмещаются с выступами 126 для совмещения, контролируя совмещение при подключении сменного модуля к контактам 116 во второй полости 106.

В соответствии с одним вариантом осуществления, беспроводной измерительный передатчик 100 имеет измерительный датчик 130. Измерительный датчик 130 крепится к основному телу 102B корпуса посредством гайки 134 и уплотнительного кольца 132. В соответствии с другим вариантом осуществления, измерительный датчик 130 жестко монтируется к технологической камере (аппарату) (такой как труба, клапан или резервуар), при этом измерительный датчик 130 поддерживает вес беспроводного измерительного передатчика 100 и служит в качестве средства монтажа для беспроводного измерительного передатчика 100. Разъем 122 передачи служебных данных выполнен с возможностью соединения с контрольными крючкообразными щупами, которые соединяются посредством проводников с внешним устройством технического обслуживания (не изображенным на Фиг.1А и 1B), которое может быть использовано для выполнения функций технического обслуживания, таких как тестирование и программирование беспроводного измерительного передатчика 100. Измерительный датчик 130 включает в себя электрические контакты 136, которые электрически соединяются с узлом 108 измерительной схемы. В соответствии с одним вариантом осуществления, электрические контакты 136 обеспечиваются непосредственно на узле 108 измерительной схемы. В соответствии с другим вариантом осуществления, электрические контакты 136 электрически соединяются с узлом 108 измерительной схемы посредством соединительных проводников. В одном варианте осуществления измерительный датчик 130 является акустическим датчиком. В другом варианте осуществления измерительный датчик 130 является датчиком давления.

В соответствии с одним вариантом осуществления, беспроводной измерительный передатчик 100 воспринимает параметр промышленного процесса с измерительного датчика 130, при этом измерительный датчик 130 передает электрический сигнал, представляющий параметр промышленного процесса, через электрические контакты 136 на узел 108 измерительной схемы. Узел 108 измерительной схемы включает в себя электронную измерительную схему 140, которая снабжается питанием посредством гальванического элемента или аккумуляторной батареи, которая находится в сменном модуле 120. Узел 108 измерительной схемы включает в себя антенну 142, которая обеспечивает беспроводную передачу управляющей информации на систему управления (не показанную на Фиг.1А и 1B), которая находится в удаленном местоположении. Антенна 142 осуществляет испускание через первую крышку 102А и корпус 102B, которые являются прозрачными для сигналов беспроводной связи.

Фиг.2 изображает представление поперечного разреза части беспроводного измерительного передатчика 100, показанного на Фиг.1А и 1B. Сменный модуль 120 устанавливается во вторую полость 106. Вторая полость 106 закрывается второй крышкой 102С. Пружина 127 сжимается между второй крышкой 102С и упорной поверхностью 125 на внешней оболочке 158 сменного модуля 120.

Сменный модуль 120 имеет контакты 154 модуля, которые подключаются к контактам 116, находящимся во второй полости. Сменный модуль 120 включает в себя основную аккумуляторную батарею 150 и разъем 122 передачи служебных данных, который выступает из оправы 160 второй полости 106 в момент снятия второй крышки 102С для выполнения операции технического обслуживания. В момент снятия второй крышки 102С разъем 122 передачи служебных данных становится доступным для соединения со средством технического обслуживания посредством использования контрольных крючкообразных щупов. К разъему 122 передачи служебных данных можно получить доступ для электрического соединения без отключения сменного модуля 120 от контактов 116. Таким образом, беспроводной измерительный передатчик 100 снабжается питанием посредством основной аккумуляторной батареи 150 в процессе выполнения операций технического обслуживания.

Фиг.3 изображает схематическое графическое представление беспроводного измерительного передатчика 100, соединенного с измерительным датчиком 130 и портативным средством 160 технического обслуживания. Беспроводной измерительный передатчик 100 включает в себя электронную измерительную схему 140 и антенну 142 беспроводной связи.

Электронная измерительная схема 140 включает в себя схему 162 преобразователя. Схема 162 преобразователя принимает от измерительного датчика 130 электрический выходной сигнал, представляющий параметр процесса, который воспринимается из промышленного процесса 164. В соответствии с одним вариантом осуществления, измерительный датчик 130 воспринимает температуру (в дополнение к параметру процесса), а схема 162 преобразователя оценивает состояние процесса в качестве функции параметра процесса и температуры. Схема 162 преобразователя передает выходной сигнал, представляющий состояние процесса, на схему 172 передачи служебных данных. Схема 172 передачи служебных данных сообщает состояние процесса на антенну 142 беспроводной связи. Антенна 142 беспроводной связи передает данные процесса с помощью технологий беспроводной связи на систему 166 управления промышленным процессом, которая управляет или контролирует промышленный процесс 164. В соответствии с одним аспектом, измерительный датчик 130 является акустическим датчиком, а состояние процесса включает в себя рабочее состояние паровой камеры, к примеру, нормальная работа паровой камеры, закрытое (закупоренное) состояние в паровой камере или негерметичное состояние в паровой камере, в зависимости от комбинации акустического уровня и температуры.

Электронная измерительная схема 140 включает в себя сохраненные параметры 168 настройки. К примеру, сохраненные параметры 168 настройки могут являться параметрами настройки диапазона значений параметров процесса, параметрами настройки калибровочных данных, параметрами настройки радиочастоты или другими параметрами настройки, которые управляют работой электронной измерительной схемы 140. В соответствии с одним вариантом осуществления, сохраненные параметры 168 настройки могут быть заданы дистанционно посредством команд, принимаемых от системы 166 управления промышленным процессом через антенну 142 беспроводной связи. В соответствии с другим вариантом осуществления, сохраненные параметры 168 настройки могут быть заданы дистанционно посредством команд, принимаемых от портативного оборудования 160 технического обслуживания через сменный модуль 120. Оборудование 160 технического обслуживания соединяется с разъемом 122 передачи служебных данных при помощи контрольных крючкообразных щупов 174 и 176, а разъем 122 передачи служебных данных соединяется посредством проводного соединения 170, находящегося в сменном модуле 120, со схемой 172 передачи служебных данных, находящейся в электронной измерительной схеме 140. В соответствии с одним вариантом осуществления, передача служебных данных осуществляется с использованием протокола связи HART. Основная аккумуляторная батарея 150, которая находится в сменном модуле 120, соединяется посредством проводного соединения 178 с целью подачи электропитания на электронную измерительную схему 140.

Фиг.4А и 4B изображают покомпонентные представления показанного сменного модуля 200. Сменный модуль 200 включает в себя контакты 254 модуля, которые подключаются к контактам 116 (Фиг.1А), находящимся во второй полости 106 (Фиг.1A и 1B), для создания электрических соединений с узлом 108 измерительной схемы (Фиг.1А). Контакты 254 модуля окружаются уплотнителем 257. Контакты 254 модуля монтируются на печатной плате 255. Печатная плата 255 соединяется с основной аккумуляторной батареей 250 при помощи соединительных проводников 251. Печатная плата 255 соединяется с разъемом 252 передачи служебных данных при помощи соединительных проводников 253. Сменный модуль 200 включает в себя основную аккумуляторную батарею 250, которая снабжает питанием узел 108 измерительной схемы. В соответствии с одним вариантом осуществления, основная аккумуляторная батарея 250 имеет один или более гальванических элементов. Сменный модуль 200 включает в себя разъем 252 передачи служебных данных, который может быть соединен с оборудованием технического обслуживания (не показанным на Фиг.4А и 4B) при помощи контрольных крючкообразных щупов (не показанных на Фиг.4А и 4B).

Сменный модуль 200 включает в себя внешнюю оболочку 258 модуля. Внешняя оболочка 258 модуля включает в себя выступы 256 для совмещения, которые совмещаются с пазами 128 для совмещения (Фиг.1А и 1B), контролируя совмещение при подключении контактов 254 к контактам 116 (Фиг.1А). Внешняя оболочка 258 модуля включает в себя зажимное кольцо 254, которое становится доступным (после снятия второй крышки 102С на Фиг.1B) для сжатия и извлечения для отсоединения сменного модуля 200 от контактов 116 (Фиг.1А).

Сменный модуль 200 имеет крышку 260 модуля, которая крепится к внешней оболочке 258 модуля. В соответствии с одним вариантом осуществления, пустые пространства во внешней оболочке 258 модуля заполняются заливочной массой и т.п., а после заполнения заливочной массой крышка 260 модуля накрывается уплотнительным кольцом 262. К внешней оболочке 258 модуля крепится наклейка 264 для идентификации и указания срока годности основной аккумуляторной батареи 250. В одном варианте осуществления в крышку 260 вставляется уплотнитель кольцеобразной формы. Это создает уплотнение в основании полости 106, изображенной на Фиг.1B. Это уплотнение обеспечивает защиту проводников от воды или загрязнений, которые могут попасть в полость 106.

Фиг.5 изображает альтернативный вариант осуществления сменного модуля 500. В сменном модуле 500 основная аккумуляторная батарея 502 может быть извлечена и заменена в качестве компонента, который является отделимым от остальной части сменного модуля 500. Основная аккумуляторная батарея 502 включает в себя разъем 504 основной аккумуляторной батареи 504. Разъем 504 основной аккумуляторной батареи соответствует разъему 506 модуля. Разъем модуля 506 включает в себя фиксатор 508 и соединяется с кабелем 510, который соединяет основную аккумуляторную батарею 502 с проводкой, находящейся в сменном модуле 500. Сменный модуль 500 имеет разъем 512 передачи служебных данных. Как показано на Фиг.5, разъем 512 передачи служебных данных выполнен с возможностью соединения с контрольными крючкообразными щупами 514 и 516, которые соединяются с переносным портативным оборудованием технического обслуживания (не изображенным на Фиг.5).

В вышеописанных вариантах осуществления сменные модули 120, 200 и 500 по существу являются защищенными и могут быть заменены в загрязненной среде без извлечения целого измерительного передатчика из взрывоопасной среды. Основная аккумуляторная батарея заключается в защитную оболочку 158, которая защищает основную аккумуляторную батарею 150 от повреждений при падении, а также обеспечивает искробезопасность. Сменный модуль является пригодным для использования в областях Категории 1 и Зоны 0. Сменный модуль может быть помещен в области Класса 1 или Зоны 0 без разрешения на проведение пожароопасных работ.

Могут быть использованы аккумуляторы со сроком службы 10 и более лет, при этом в течение этого длительного периода времени контакты основной аккумуляторной батареи могут быть подвержены коррозийному истиранию в случае, если контакты основной аккумуляторной батареи не защищены от вибрации. Использование пружины 127 сокращает амплитуду вибрационного движения между сменным модулем 120 и основным телом 102B корпуса для сокращения коррозийного истирания, что предоставляет возможность использования батареи в течение 10 и более лет. Сменный модуль может быть заменен во взрывоопасной промышленной атмосфере без нарушений требований техники искробезопасности. Пружина 127 передает силу модулю для защиты контактов и разъемов межкомпонентного соединения от смещения относительно друг друга. Пружина 127 изготавливается такого размера, чтобы она предоставляла силу, превышающую силу, которая может быть сгенерирована посредством массы силового модуля питания при наибольшей ожидаемой силе тяжести, возникающей вследствие вибрации.

Фиг.6 изображает пример ограничительной схемы 520. В соответствии с одним вариантом осуществления, ограничительная схема 520 располагается на схемной плате в сменном модуле (к примеру, как ограничительная схема 152 в сменном модуле 120 на Фиг.2). Ограничительная схема 520 соединяется с множеством гальванических элементов 540 и 542, которые имеют последовательное электрическое соединение, как изображено на Фиг.6. Ограничительная схема 520 содержит контакты 522 и 524, которые соединяются с гальваническими элементами 540 и 542. Предпочтительно, чтобы интервал между компонентами и дорожками схемной платы на ограничительной схеме 520 удовлетворяли требования интервалов искробезопасности. Как показано на Фиг.6, ограничительная схема 520 включает в себя две основные части.

Первая часть, находящаяся между контактами 522 и 524 и разграничительной линией 526, по существу обеспечивает функцию отсечки низкого напряжения. Выход с контрольной схемы 528 управляет полевым транзистором 530 (FET) для размыкания цепи в момент падения напряжения аккумуляторной батареи ниже порога, приблизительно равного 4 вольтам. Два гальванических элемента 540 и 542 аккумуляторной батареи первоначально выдают напряжение, приблизительно равное 7.2 вольтам. Следовательно, при падении напряжения гальванических элементов 540 и 542 аккумуляторной батареи ниже порога гальванические элементы 540 и 542 аккумуляторной батареи по существу отсоединяются от контактов 544 и 546 периферийного устройства вследствие размыкания цепи, обеспечиваемого посредством транзистора 530 FET.

Вторая часть схемы 520, находящаяся между разграничительными линиями 526 и 532, обеспечивает схему ограничения тока, которая помогает защитить плавкий предохранитель 534 от чрезмерных токов. Схема ограничения тока защищает плавкий предохранитель 534 от перегорания при токах, которые превышают предельный ток плавкого предохранителя (к примеру, 0.25 ампер), но являются ниже допустимого уровня тока, для удовлетворения требований техники искробезопасности. Схема ограничения тока является особенно полезной в случае, когда сменный модуль является модулем однократного использования (необслуживаемым, непригодным к повторному использованию), поскольку перегорание предохранителя потребует замены целого сменного модуля до окончания эксплуатационного срока службы аккумуляторной батареи. Ограничительная схема 520 является особенно полезной в случае наличия повышенного напряжения аккумуляторной батареи вследствие использования множества последовательно соединенных гальванических элементов.

Сменный модуль обеспечивает надежный жесткий ударопрочный компонент, пригодный для использования в промышленной среде. Сменный модуль вставляется в закрытую водонепроницаемую полость для защиты от повреждений. В соответствии с одним вариантом осуществления, внешняя оболочка модуля может включать в себя внутренние ребра и т.п. для защиты основной аккумуляторной батареи без использования заливочной массы. В соответствии с другим вариантом осуществления, для предоставления возможности термального расширения и обеспечения изоляции может быть использован уплотнитель кольцеобразной формы. В соответствии с другим вариантом осуществления, средство защиты можно обеспечить резьбой, которая является трапецеидальной резьбой, для обеспечения крипоустойчивости.

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должна быть понятна возможность внесения изменений по форме и деталям, не выходящим за рамки сущности и объема изобретения.