БЕСПРОВОДНОЕ ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО С АНТЕННОЙ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕСТОПОЛОЖЕНИЙ Российский патент 2011 года по МПК H01Q1/40 H01Q1/42 H01Q1/24 

Уровень техники

В промышленных установках системы управления используются, чтобы контролировать и управлять материальными запасами индустриальных и химических процессов и т.п. Как правило, система управления выполняет эти функции, используя полевые устройства, распределенные в ключевых местоположениях в производственном процессе и связанные со схемами контроля в диспетчерской посредством контура управления процессом. Термин "полевое устройство" относится к любому устройству, которое выполняет функцию в распределенной системе управления или контроля процесса, включая все устройства, используемые в измерении, управлении и контроле производственных процессов.

Полевые устройства используются индустрией управления процессами и измерений для множества целей. Обычно такие устройства имеют рассчитанный на полевые условия прочный корпус, так что они могут устанавливаться на открытом воздухе в относительно жестких условиях эксплуатации и способны противостоять климатическим экстремумам температуры, влажности, вибрации, механического удара и так далее. Эти устройства также могут в типовом случае работать при относительно низкой мощности. Например, в настоящее время доступны полевые устройства, которые получают всю свою рабочую мощность из известного контура на 4-20 мА.

Некоторые полевые устройства включают в себя преобразователь. Под преобразователем понимается устройство, которое генерирует электрический выход, основываясь на физическом входе, или которое генерирует физический выход, основываясь на электрическом входе. В типовом случае, преобразователь преобразует вход в выход, имеющий различную форму. Типы преобразователей включают различное аналитическое оборудование, датчики давления, термисторы, термопары, тензометрические датчики, передатчики потока, механизмы позиционирования, исполнительные элементы, соленоиды, индикаторные лампочки и другие.

Как правило, каждое полевое устройство также включает в себя схемы коммуникации, которые используются для того, чтобы осуществлять связь с диспетчерской управления процессом, или другие схемы, поверх контура управления процессом. В некоторых установках контур управления процессом также используется для доставки отрегулированного тока и/или напряжения на полевое устройство для энергопитания полевого устройства.

Традиционно, аналоговые полевые устройства соединялись с диспетчерской двухпроводными контурами тока управления процессом, причем каждое устройство соединялось с диспетчерской единственным двухпроводным контуром управления. Как правило, дифференциал напряжения поддерживается между двумя проводами в пределах диапазона напряжений 12-45 В для аналогового режима и 9-50 В для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал в диспетчерскую, модулируя ток, текущий через токовый контур, для получения тока, который пропорционален измеряемой переменной процесса. Другие аналоговые полевые устройства могут выполнять действие под управлением диспетчерской, управляя величиной тока в контуре. В дополнение или альтернативно, контур управления процессом может нести цифровые сигналы, используемые для коммуникации с полевыми устройствами. Цифровая коммуникация позволяет намного большую степень коммуникации, чем аналоговая коммуникация. Кроме того, цифровые устройства также не требуют отдельного монтажа для каждого полевого устройства. Полевые устройства, которые осуществляют связь в цифровой форме, могут отвечать и осуществлять селективную связь с диспетчерской и/или другими полевыми устройствами. Кроме того, такие устройства могут обеспечить дополнительную сигнализацию, такую как диагностика и/или предупредительная сигнализация.

В некоторых установках беспроводные технологии начали использоваться для осуществления связи с полевыми устройствами. Беспроводная операция упрощает монтаж и установку полевого устройства. Одна конкретная форма беспроводной связи в промышленных местоположениях известна как создание беспроводной ячеистой сети. Это относительно новая технология связи, которая оказалась полезной для экономичной, с использованием батарейного питания, беспроводной связи в коммерческих приложениях измерений. Организация беспроводной ячеистой сети является, в принципе, системой беспроводной связи малой дальности, которая использует радиочастотные передачи низкой мощности и вообще не предназначена для связи на большой дальности, от завода к заводу, от дома к дому, от станции к станции. В то время как варианты осуществления настоящего изобретения будут вообще описаны по отношению к связи в беспроводной ячеистой сети, варианты осуществления настоящего изобретения вообще применимы к любому полевому устройству, которое использует любую форму радиочастотной связи.

В принципе, беспроводная радиочастотная связь требует использования антенны. В таких суровых условиях промышленных установок антенна является относительно хрупким физическим компонентом. Кроме того, если антенна будет повреждена, связь с самим полевым устройством может быть поставлена под угрозу. Если уплотнение антенны с корпусом будет повреждено или ухудшится (например, под действием ультрафиолетового излучения или гидролитического расщепления), изоляция от внешней среды может быть нарушена, что может привести к повреждению устройства.

Обеспечение прочной радиочастотной антенны для использования с полевыми устройствами в индустриальных местоположениях обеспечило бы более надежную беспроводную связь полевого устройства и пользу для отрасли техники измерений и управления промышленными процессами.

Сущность изобретения

Раскрыто беспроводное полевое устройство. Беспроводное полевое устройство включает в себя корпус, имеющий процессор, расположенный в корпусе. Модуль питания может также быть расположен в корпусе и связан с процессором. Модуль беспроводной связи оперативно связан с процессором и конфигурирован для осуществления связи с использованием радиочастотных сигналов. Антенна связана с модулем беспроводной связи. Обтекатель смонтирован на корпусе и образован из полимерного материала. Обтекатель антенны имеет камеру внутри, которая содержит антенну.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - блок-схема беспроводного полевого устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - схематичное представление беспроводного полевого устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - изометрическое представление с разнесением элементов узла антенны и обтекателя в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - изометрическое представление с разнесением элементов узла антенны и обтекателя в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Детальное описание

На фиг.1 показана блок-схема беспроводного полевого устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Беспроводное полевое устройство 100 включает в себя корпус 102, проиллюстрированный схематично как прямоугольный блок. Однако прямоугольный блок не предназначен для показа действительной формы корпуса 102. Модуль 104 беспроводной связи расположен в корпусе 102 и электрически соединен с антенной 106 через соединение 108. Модуль 104 беспроводной связи также соединен с контроллером 110 и модулем 112 питания. Модуль 104 беспроводной связи содержит любую подходящую схему, полезную для генерации радиочастотных сигналов.

В зависимости от применения, модуль 104 может быть приспособлен для осуществления связи в соответствии с любым подходящим протоколом беспроводной связи, включая, без ограничения указанным, технологии беспроводных сетей (такие как IEEE 802.11 (b) беспроводные пункты доступа и беспроводные сетевые устройства, созданные Linksys, Ирвин, Калифорния), сотовые или цифровые сетевые технологии (такие как Microburst®, от Aeris Communications Inc., Сан-Хосе, Калифорния), сверхширокополосную глобальную систему для мобильных коммуникаций (GSM), общие услуги пакетной беспроводной связи (GPRS), множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), технологию расширенного спектра, службу коротких сообщений/передачу текстовых сообщений (SMS) или любую другую подходящую радиочастотную беспроводную технологию. Кроме того, известная технология коллизий данных может использоваться таким образом, чтобы множество полевых устройств, использующих модули, подобные модулю 104 беспроводной связи, могли сосуществовать и работать в пределах беспроводного рабочего диапазона друг друга. Такое предотвращение коллизий может включать ряд различных радиочастотных каналов и/или методы расширения спектра. Дополнительно, модуль 104 связи может быть коммерчески доступным модулем связи Bluetooth. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, модуль 104 беспроводной связи является компонентом, расположенным в корпусе 102, который связан с антенной 106.

Контроллер 110 соединен с модулем 104 беспроводной связи и осуществляет двунаправленную связь с модулем 104 беспроводной связи. Контроллер 110 является любой схемой или устройством, которое может выполнять одну или более инструкций для получения желательного результата. Предпочтительно, контроллер 110 включает в себя микропроцессор, но может также включать в себя подходящую схему поддержки, такую как бортовая память, шины коммуникации и так далее.

Каждый модуль 104 беспроводной связи и контроллер 110 соединен с модулем 112 питания. Модуль 112 питания может предпочтительно подавать всю необходимую для работы полевого устройства 100 электроэнергию на модуль 104 беспроводной связи и контроллер 110. Модуль 112 питания включает в себя любое устройство, которое может подавать накопленное или выработанное электричество на модуль 104 беспроводной связи и контроллер 110. Примерами устройств, которые может содержать модуль 112 питания, являются батареи (с подзарядом и без подзаряда), конденсаторы, батареи солнечных элементов, термоэлектрические генераторы, основанные на вибрации генераторы, основанные на ветре генераторы, топливные элементы и так далее. Альтернативно, модуль питания может быть связан с двухпроводным контуром управления производственным процессом и может получать и запасать мощность для использования модулем беспроводной связи.

Преобразователь 114 связан с контроллером 110 и обеспечивает сопряжение полевого устройства 100 с физическим процессом. Примерами преобразователей являются датчики, исполнительные элементы, соленоиды, индикаторные лампочки и так далее. По существу, преобразователь 114 является любым устройством, которое в состоянии преобразовать сигнал от контроллера 110 в физическое проявление, такое как движение клапана, или любым устройством, которое генерирует электрический сигнал для контроллера 110, основываясь на условии реального мира, таком как давление флюида процесса.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения антенна 106 заключена в жесткий полимерный обтекатель 116, который физически связан с корпусом 102. Как используется здесь, термин "обтекатель" предназначен для обозначения кожуха для радиоантенны, прозрачного для радиоволн. Также, в целях настоящего патентного документа, обтекатель не должен быть "куполообразным". На фиг.2 показано схематичное представление полевого устройства 100, включающего в себя корпус 102 с обтекателем 116, смонтированным на нем. Хотя фиг.2 иллюстрирует тип полевого устройства, известного как передатчик давления флюида процесса, может использоваться любое полевое устройство. Дополнительно, хотя фиг.2 иллюстрирует обтекатель 116, ориентированный вертикально над корпусом 102, обтекатель 116 может продолжаться в любом подходящем направлении.

На фиг.3 показано изометрическое представление с разнесением элементов антенны для использования в промышленных местоположениях в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Антенный узел 118 включает в себя коаксиальную антенну 106, связанную с кабелем 120, причем кабель 120 может связываться с модулем 104 беспроводной связи на схемной плате (не показана на фиг.3) внутри корпуса 102. Кабельная проводка 120 может быть в форме коаксиального кабеля или иметь любую другую подходящую конфигурацию. Антенна 106 имеет внешний диаметр 122, который выбран так, чтобы соответствовать скользящей посадке внутри камеры 124 обтекателя 116. Для того чтобы зафиксировать положение антенны 106 в пределах обтекателя 116 надежным образом, предпочтительно используется держатель 124. Держатель 124 имеет внутренний диаметр 126, который выбран для обеспечения скольжения по внешнему диаметру кабеля 120 и поджатия к области 128 в пределах обтекателя 116, чтобы обеспечить уменьшение деформации для кабеля 120, а также кабельно-паяного соединения. Дополнительно, чтобы обеспечить дальнейшее уменьшение деформации, может использоваться адгезив. Кольцевое уплотнение 130 также предпочтительно используется для герметизации соединения обтекателя с адаптером от окружающей среды. Кольцевое уплотнение 130 предпочтительно представляет собой резиновое кольцо круглого сечения, но может принимать любую подходящую форму и может быть выполнено из любого другого подходящего материала.

Обтекатель 116 сформирован из относительно твердого полимера, который может пропускать радиочастотные сигналы. Предпочтительно, обтекатель 116 сформирован из пластмассы, имеющей твердость по Шору приблизительно 77 D, сопротивление изоляции, которое равно или меньше, чем 1 ГОм, и способной выдерживать воздействие 7 джоулей после 4-часового выдерживания при -45 градусах по Фаренгейту. Один подходящий пример пластмассы, которая пригодна для выполнения обтекателя 116, коммерчески доступен под торговым обозначением Valox 3706 PBT от SABIC Innovative Plastics, Питсфилд, Массачусетс. Однако другие подходящие термопластичные смолы могут также использоваться. Термопласт особенно выгоден, потому что он легко формуется. Другие подходящие примеры материалов, которые могут использоваться, чтобы сформировать обтекатель 116, включают в себя Valox Resin V3900WX и Valox 357U, которые доступны от SABIC Innovative Plastics.

Обтекатель 116 предпочтительно включает в себя внешнюю снабженную резьбой область 132, которая взаимодействует с внутренней снабженной резьбой областью на корпусе 102, чтобы обеспечить механическую связь для узла 118 антенны. Дополнительно, нижняя поверхность 134 обтекателя 116 предпочтительно включает в себя ряд запорных элементов 136, которые взаимодействуют с соответствующими элементами на корпусе 102, чтобы предотвратить непреднамеренное разъединение соединения обтекателя с корпусом. В то время как на фиг.3 показаны запорные элементы 136, также могут использоваться другие физические меры, которые могут предотвратить непреднамеренный поворот обтекателя 116.

На фиг.4 показано схематичное представление промышленного антенного узла в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Узел 200 включает многие из тех же самых компонентов, изображенных в варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.3, и подобные компоненты обозначены теми же ссылочными позициями. Основное различие между вариантами осуществления, проиллюстрированными на фиг.3 и 4, состоит в форме самой антенны. Более конкретно, фиг.3 представляет антенну коаксиальной формы, в то время как вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг.4, иллюстрирует антенну 202 печатной платы. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4, обтекатель 116 предпочтительно включает в себя щель, размеры которой обеспечивают возможность позиционирования печатной платы 202. Далее, как проиллюстрировано на фиг.4, щель сужается таким образом, что удаленный конец 204 щели имеет ширину, которая меньше, чем ширина вблизи отверстия 206. Эта клиновидная щель помогает создать посадку с натягом около конца 204 с концом 208 антенны 202 печатной платы. Эта посадка с натягом помогает предотвратить относительное движение антенны 202 печатной платы по отношению к обтекателю 116 во время вибрации.

Варианты осуществления настоящего изобретения в принципе обеспечивают антенный узел, который является подходящим для суровых условий окружающей среды, в которой работают полевые устройства. Обтекатель антенны выполнен из полимера, который может пропускать радиочастоты. Далее, обтекатель образует часть корпуса электроники и предпочтительно соответствует различным критериям проектирования и техническим условиям для полевых устройств. Примеры желательных оценок, которым может соответствовать узел, включают в себя, без ограничения указанным, следующее: оценка F1 по UL 746 C (устойчивость к метеоусловиям); строгие требования воспламеняемости, такие как оценка V2 по UL 94 (UL 94, Стандарт по воспламеняемости пластмассовых материалов для деталей в устройствах и приборах, который теперь согласован с IEC 60707, 60695-11-10 и 60695-11-20 и ISO (Международная Организация по Стандартизации) 9772 и 9773); ударная прочность; стойкость к химическому воздействию; стойкость к тепловой нагрузке; NEMA 4x; и IP 65.

Хотя настоящее изобретение было описано в отношении предпочтительных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что могут быть выполнены изменения по форме и в деталях, без отклонения от сущности и объема изобретения.

Использование: в области управления технологическими процессами. Технический результат заключается в повышении надежности. Беспроводное полевое устройство (100) содержит корпус (102), имеющий процессор (110), расположенный в корпусе. Модуль (112) питания может быть также расположен в корпусе (102) и может быть связан с процессором (110). Модуль (104) беспроводной связи оперативно связан с процессором и выполнен с возможностью осуществления связи с использованием радиочастотных сигналов. Антенна (106, 202) связана с модулем (104) беспроводной связи. Обтекатель (116), смонтированный на корпусе (102), образован из полимерного материала. Обтекатель (116) имеет внутри камеру (124), в которой находится антенна (106, 202), и имеет поверхность, которая взаимодействует с корпусом для предотвращения самопроизвольного поворота обтекателя по отношению к корпусу. 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Беспроводное полевое устройство, содержащее корпус; процессор, расположенный в корпусе; модуль питания, соединенный с процессором; модуль беспроводной связи, при функционировании связанный с процессором, причем модуль беспроводной связи выполнен с возможностью осуществления связи с использованием радиочастотных сигналов; антенну, соединенную с модулем беспроводной связи; обтекатель, смонтированный на корпусе, причем обтекатель имеет поверхность, которая взаимодействует с корпусом для предотвращения самопроизвольного поворота обтекателя по отношению к корпусу, при этом обтекатель сформирован из полимерного материала и имеет внутри камеру и причем антенна размещена внутри камеры обтекателя.

2. Беспроводное полевое устройство по п.1, в котором модуль питания включает в себя батарею.

3. Беспроводное полевое устройство по п.1, в котором модуль беспроводной связи размещен в корпусе.

4. Беспроводное полевое устройство по п.1, в котором антенна представляет собой коаксиальную антенну.

5. Беспроводное полевое устройство по п.4, дополнительно содержащее держатель, размещенный поверх внешнего диаметра кабельной проводки антенны, причем держатель неподвижно запрессован в область внутри обтекателя, чтобы обеспечить опору для уменьшения деформации и вибрации.

6. Беспроводное полевое устройство по п.1, в котором антенна представляет собой антенну печатной платы.

7. Беспроводное полевое устройство по п.6, в котором обтекатель содержит клиновидную щель для создания посадки с натягом для антенны печатной платы.

8. Беспроводное полевое устройство по п.6, дополнительно содержащее держатель, размещенный поверх внешнего диаметра кабельной проводки антенны, причем держатель неподвижно запрессован в область внутри обтекателя, чтобы обеспечить механическое удержание антенны и уменьшение деформации для кабельно-паяного соединения.

9. Беспроводное полевое устройство по п.1, в котором обтекатель содержит ряд элементов на его поверхности, которые взаимодействуют с корпусом для предотвращения непреднамеренного поворота обтекателя относительно корпуса.

10. Беспроводное полевое устройство по п.1, дополнительно содержащее кольцевое уплотнение, размещенное между корпусом и обтекателем, чтобы герметизировать соединение относительно окружающей среды.

11. Беспроводное полевое устройство по п.1, в котором обтекатель выполнен из термопластичной смолы.

12. Беспроводное полевое устройство по п.11, в котором термопластичная смола имеет по меньшей мере параметр V2 согласно UL 94.

13. Беспроводное полевое устройство по п.11, в котором термопластичная смола имеет параметр F1 по UL 746 С.

14. Беспроводное полевое устройство по п.1, дополнительно содержащее преобразователь, оперативно связанный с контроллером.

15. Беспроводное полевое устройство по п.14, в котором преобразователь представляет собой датчик.

16. Беспроводное полевое устройство по п.14, в котором преобразователь представляет собой исполнительный элемент.