ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОЦЕССА С УЛУЧШЕННОЙ СБОРКОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2012 года по МПК H02H9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к полевому устройству промышленного процесса, в частности к полевому устройству промышленного процесса с улучшенной сборкой батареи.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во многих окружающих средах промышленного производства присутствует горючая атмосфера в окружающем пространстве, которое окружает полевые устройства промышленного процесса (также называемые здесь передатчиками). Мощные искры при подключении или отсоединении батареи представляют потенциал воспламенения горючей атмосферы.

Во многих окружающих средах промышленного производства присутствуют коррозийная пыль, жидкости или взвеси, которые могут повредить электронные схемы. Электронные схемы обычно находятся внутри герметично закрытых электронных отсеков. Однако, когда такие отсеки открывают для замены батареи и затем вновь повторно герметично закрывают, возникает опасность загрязнения контактов батареи или попадания внутрь электронных отсеков коррозийных химических реактивов, что вызывает долговременное ухудшение характеристик электронных компонентов. С другой стороны, батареи, установленные снаружи корпуса передатчика, также подвержены коррозии.

Схемы, расположенные внутри передатчика, обычно имеют достаточно электрической энергии для возникновения искры и воспламенения склонной к воспламенению атмосферы при случайном возникновении короткого замыкания или неисправного состояния. Таким образом, специальные меры предосторожности необходимо предпринять прежде, чем открыть электронный отсек передатчика. Окружающую среду либо очищают от горючих паров, либо отключают подачу энергии в кабель питания передатчика, или выполняют обе эти процедуры. Для повышения безопасности при организации работ требуется "наличие допуска для проведения пожароопасных работ" и, в частности, присутствия обученного персонала прежде, чем передатчик будет открыт в месте, где иногда присутствует горючая атмосфера.

Хотя элементы и батареи могут обеспечивать низкие уровни тока в нормальных рабочих условиях, батареи и элементы обычно дают очень большие токи при коротком замыкании в условиях неисправности. Типичное условие неисправности представляет собой короткое замыкание в цепи, внешней для элемента или батареи. Кроме того, элементы и батареи обладают большой емкостью накопления энергии или эквивалентной электрической емкостью C. Большие токи короткого замыкания в условиях неисправности и большая емкость накопления энергии типично несовместимы со спецификациями, по существу, безопасных цепей. Таким образом, трудно устанавливать элементы или батареи снаружи корпуса передатчика и пропускать кабель батареи через воспламеняющуюся атмосферу между передатчиком и батареей. Такой кабель для батареи обычно приводит к нарушению требований, по существу, безопасных цепей.

С аналогичными трудностями сталкиваются при использовании других типов батарей, обеспечивающих питание других устройств, для области промышленного производства.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для создания полевых устройств промышленного процесса, питающихся от улучшенных батарей, которые имеют широкий диапазон применения в условиях окружающей среды промышленного производства.

Предложено полевое устройство промышленного процесса. Это устройство включает в себя электронные компоненты для беспроводного устройства промышленного процесса, расположенные внутри полевого устройства промышленного процесса и, по меньшей мере, один элемент батареи, расположенный в полевом устройстве промышленного процесса и функционально соединенный с электронными компонентами беспроводного полевого устройства промышленного процесса. Предусмотрена схема, которая воспринимает электрические характеристики по меньшей мере одного элемента и обеспечивает выходной сигнал в переключатель для отсоединения, по меньшей мере, одного элемента от электронных компонентов беспроводного полевого устройства промышленного процесса, в ответ на определенные условия. Такие условия включают в себя слишком большой ток, протекающий, по меньшей мере, от одного элемента; слишком низкое напряжение, по меньшей мере, одного элемента; или возникновение короткого замыкания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает передатчик давления, установленный на производственной герметизированной трубе;

фиг.2 - поперечное сечение передатчика давления;

фиг.3 - поперечное сечение отсека батареи;

фиг.4 - схему ограничения тока в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения;

фиг.5 - другую схему ограничения тока в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;

фиг.6 - схему защиты от короткого замыкания в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;

фиг.7 - схему низковольтной отсечки в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения;

фиг.8 - другую схему низковольтной отсечки в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;

фиг.9 - другую схему в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полевые устройства, такие как передатчики, используемые в промышленном процессе, могут быть установлены в непосредственной близости к трубопроводам, резервуарам и другому оборудованию промышленного процесса. Передатчик измеряет процессы, такие как давление процесса, скорость потока процесса, температура обрабатываемой текучей среды, электропроводность обрабатываемой текучей среды, pH обрабатываемой текучей среды и другие переменные процесса. Другие типы полевых устройств промышленного процесса включают в себя клапаны, приводы, полевые контроллеры, дисплеи данных и оборудование передачи данных, такое как сетевые мосты промышленного процесса.

Некоторые промышленные полевые устройства не имеют соединения по кабелю с электрическим питанием и работают от внутренней батареи, используемой для питания. Беспроводные передатчики передают выходные сигналы, представляющие переменные процесса, по каналу беспроводной передачи данных, в устройство управления или в монитор отображения, которое удалено от беспроводных передатчиков. Оборудование управления или отображения обычно расположено в пункте управления. Беспроводный передатчик обычно включает в себя антенну, используемую для беспроводной передачи данных в пункт управления или другое беспроводное сетевое устройство, такое как межсетевой шлюз. Использование беспроводной передачи данных исключает необходимость подключения кабеля передачи данных или кабеля питания между передатчиком и пунктом управления.

Беспроводные передатчики обычно включают в себя электронные схемы, для работы которых требуется только небольшая мощность. Величина требуемой мощности настолько мала, что малые сменные первичные элементы могут быть предусмотрены для обеспечения питания. Однако существуют трудноразрешимые проблемы, связанные со средой промышленного производства, которые ограничивают обычное, широко распространенное использование внутренних батарей в такой среде.

На фиг.1 показана схема системы 10 управления процессом, которая включает в себя передатчик 12 давления, подключенный к герметизированному трубопроводу 16 процесса. Передатчик 12 давления соединен с двухпроводным контуром 18 управления процессом, который работает в соответствии с требуемым протоколом, таким как стандарт HART®, аналоговый 4-20 миллиамперный стандарт или другой известный стандарт передачи данных для управления процессом. Двухпроводный контур 18 управления процессом работает между передатчиком 12 давления и дистанционно расположенным пунктом 20 управления. В варианте воплощения, в котором контур 18 работает в соответствии с протоколом HART®, по контуру 18 может быть пропущен ток I, который является репрезентативным для давления процесса и который также обеспечивает всю энергию для передатчика 12 давления. В некоторых вариантах воплощения возникают недостатки при использовании двухпроводного контура 18 управления производством, для подачи питания на передатчик 12. В таких приложениях контур 18 управления процессом не используется, и передатчик 12, вместо этого, получает питание от элемента или батареи и использует беспроводную передачу данных, как описано ниже.

На фиг.2 показан вариант воплощения полевого устройства 200 промышленного процесса, которое измеряет давление. Полевое устройство 200 промышленного процесса содержит корпус 202. Корпус 202 содержит стенку 204 между электронным отсеком 206 и отсеком 208 батареи. Стенка 204 включает в себя сквозное отверстие 207. В данном варианте воплощения первая крышка 210 корпуса обычно выполнена круглой и имеет резьбу, которая навинчивается на резьбу на корпусе 202, для размещения в корпусе инструмента промышленного процесса или электронных компонентов 212 полевого устройства внутри электронного отсека 206. Крышка 214 второго корпуса обычно выполнена круглой и имеет резьбу, которая навинчивается на резьбу корпуса 202, для размещения внутри корпуса сборки 216 батареи в отсеке 208 для батареи. Электронные компоненты 212 полевого устройства промышленного процесса обычно содержат электронные схемы, которые имеют ограниченное потребление энергии и которые имеют температуру, надежность и устойчивые характеристики к вибрациям, которые делают их пригодными для использования для мониторинга и управления промышленными процессами на промышленных установках, таких как химические установки, нефтеочистительные заводы и т.п. Электронные компоненты полевого устройства могут включать в себя схему передачи данных в контур управления процессом.

В корпусе 202 предусмотрено резьбу 218, которая навинчивается на резьбу 220 корпуса 222 датчика давления. Корпус 222 датчика давления окружает датчик 224 давления и схему 226 датчика. Электрические выводы 228 схемы 226 датчика подключены к электронным компонентам 212 полевого устройства промышленного процесса. В одном варианте воплощения корпус 202 и крышки 210, 214 корпуса содержат металлические отливки.

В данном варианте воплощения разъем 230 сквозного соединения установлен на стенке 204 сквозного соединения. Разъем 230 сквозного соединения включает в себя герметичные электрические разъемы 232, которые, предпочтительно, проходят через стенку 204 сквозного соединения. Разъем 230 сквозного соединения включает в себя соединители 234 и 236 питания, которые подключают питание к электронным компонентам 212 полевого устройства промышленного процесса. Стенка 204 и разъем 230 сквозного соединения герметизируют сквозное отверстие между отсеком 208 батареи и электронным отсеком 206. Отсек 208 батареи может быть открыт в среде с коррозийными производственными средами, и коррозийная производственная среда блокируется от утечки в электронный отсек с помощью стенки 204 сквозного соединения и разъема 230 сквозного соединения. В одном варианте воплощения разъем 230 сквозного соединения содержит пластиковую деталь, сформированную путем впрыска под давлением, которая включает в себя металлические электрические соединения, сформованные в массе пластика.

Сборка 216 батареи электрически соединена с разъемами 234 и 236 питания. Сборка 216 батареи содержит ограничитель 240 энергии и, по меньшей мере, один элемент 242. Ограничитель энергии может содержать миниатюрный предохранитель, плавкий предохранитель или электронную схему, которая ограничивает энергию. В одном варианте воплощения последовательный ограничитель 240 энергии ограничивает энергию до уровня собственной безопасности в электрическом соединении 244 между сборкой 216 батареи и разъемами 234 и 236 питания. Соединение 244 содержит схему собственной безопасности. Схема собственной безопасности представляет собой схему, в которой при испытаниях (которые включают в себя нормальную работу, и определенные условия неисправности) не генерируется искра или тепловой эффект, которые могли бы привести к воспламенению в данной взрывоопасной атмосфере, окружающей соединение 244. Ограничение тока последовательного ограничителя 240 тока можно рассчитать для определенного горючего газа (такого как метан) и определенных характеристик цепи (таких как емкость и индуктивность цепи), используя известные способы. В одном варианте воплощения предусмотрена избыточная защита собственной безопасности путем использования двух ограничителей энергии, вместо одного ограничителя 240 энергии.

Герметичный уплотнитель 250 окружает электрическое соединение 244 между сборкой 216 батареи и разъемами 234 и 236 питания. Герметичный уплотнитель 250, предпочтительно, содержит кольцевой уплотнитель, который установлен на сборке 216 батареи и который охватывает со скольжением разъем 230 сквозного соединения, когда сборка 216 батареи удаляется или устанавливается. Крышка 214, предпочтительно, соединяется со сборкой 216 батареи вдоль круглого контактного кольца 252, для обеспечения механической поддержки, которая особенно полезна в среде с высоким уровнем вибрации.

На фиг.3 показан вид в поперечном сечении отсека 302 батареи полевого устройства промышленного процесса в соответствии с одним вариантом воплощения изобретения. Участок стенки сквозного соединения корпуса 304 полевого устройства отделяет отсек 302 батареи от электронного отсека. Разъем 306 сквозного соединения герметично установлен на участке стенки сквозного соединения корпуса 304 инструмента. В качестве альтернативы, разъем сквозного соединения может быть интегрирован в часть корпуса. Разъем 306 сквозного соединения, предпочтительно, содержит защитную оболочку из пластиковой полимерной смолы и включает в себя герметично закрытый электрический разъем 308 питания. Контакты электрического разъема питания углублены внутрь оболочки 307 для обеспечения соответствия требованиям стандарта IP20 в соответствии с IEC 529. Электрический разъем 308 подачи питания установлен в сборке 310 монтажной схемы электронного отсека. Сборка 310 монтажной схемы герметично закрыта относительно сквозного разъема 306 вокруг электрического разъема 308 питания. В одном варианте воплощения сквозной разъем покрыт соответствующим материалом.

В данном варианте воплощения сборка 320 батареи размещена в отсеке 302 батареи. Сборка 320 батареи содержит основание 322 корпуса и крышку 324 корпуса, которые закрывают элемент 326 (или элементы 326) и последовательный ограничитель 328 тока (или множество последовательных ограничителей 328 тока). Основание корпуса включает в себя формованную деталь 323 разъема.

В одном варианте воплощения формованная деталь 323 разъема содержит выступающий вперед штепсель для разъема, который выступает из основания 322 корпуса батареи. Электрические контакты 332 батареи установлены в выемках формованного корпуса 323 разъема и защищены от механического повреждения во время работы с ними. Защитная оболочка 307 содержит выступающее вперед гнездо, которое выступает вперед от сквозного разъема 306. Разъем 308 питания содержит два вывода, которые установлены внутри выемок в защитной оболочке 307 и которые защищены от механического повреждения. Во время соединения выполняется скользящее соединение, которое может быть легко установлено или которое может быть легко удалено в условиях производственной среды после съема крышки 340.

Другие устройства защиты внутренней безопасности, такие как диоды ограничения напряжения, также могут быть включены в сборку 320 батареи. Элемент 326 и последовательный ограничитель 328 тока, предпочтительно, установлены на печатной плате 330. Сборка батареи включает в себя электрические контакты 332, которые электрически соединяют разъем 308 питания в электрическом соединении 334. Последовательный ограничитель 328 тока ограничивает энергию до уровня внутренней безопасности в электрическом соединении 334. Уплотнитель 336 окружает электрическое соединение 334.

В одном варианте воплощения формованный корпус 323 разъема имеет внешнюю конусность, а разъем на защитной оболочке 307 имеет внутреннюю конусность, и обеспечивается конусная установка между формованным корпусом 323 разъема и разъемом на защитной оболочке 307. Коническое соединение представляет собой плотное соединение, для которого вибрация не создает относительное движение между защитной оболочкой 307 и корпусом 323 разъема. Коническое соединение обеспечивает возможность предварительного выравнивания контактов 332 батареи с разъемом 308 питания, во время входа путем скольжения формованного корпуса 323 разъема в защитную оболочку 307. Такое предварительное выравнивание исключает изгиб или другое повреждение разъема 308 питания.

Крышка 340, предпочтительно, включает в себя резьбу 344 для навинчивания крышки 340 на корпус 304 инструмента. Уплотнитель 342 обеспечивает герметичное уплотнение крышки 340 с корпусом 340. Внутри крышки 340 упор, несущий сборку, предпочтительно, включает в себя упор, несущий пластину 346, и упругое сжимающееся кольцо 348. Упор, несущий пластину 346, прижимает к верхней поверхности 350 корпуса 320 сборки батареи. Упор, несущий пластину 346, вращается относительно верхней поверхности 350 по мере завинчивания крышки 340. Сжимающееся кольцо 348 сжимается по мере навинчивания крышки 340. Крышка 340 может быть дистанционно закреплена на корпусе 340 и прижимает сборку 320 батареи к разъему 308 питания. Навинчиваемая крышка 340 прижимает сборку 320 батареи для поддержания соединения сборки батареи в условиях сильных вибраций. В одном варианте воплощения упор, несущий пластину 346, включает в себя выступающее вперед кольцо 347, которое выполнено с возможностью конической установки на кольцо 325 крышки 324 корпуса. Коническая установка устраняет относительное движение между упором, несущим пластину 346, и крышкой 324 корпуса во время вибрации.

Варианты воплощения настоящего изобретения, в общем, включают в себя схему, которая определяет одно или больше электрических состояний пакета батареи полевого устройства промышленного процесса и которая быстро улучшает такие состояния прежде, чем они приведут к неисправности и/или потенциальной опасности.

На фиг.4 показана схема ограничения тока в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Схема 400 включает в себя один или более элементов 442 батареи, соединенных с плавким предохранителем 440. Элемент/элементы 442 батареи имеют общую землю с источником 404 опорного напряжения через соединение 402. Кроме того, элемент/элементы 442 батареи и источник 404 опорного напряжения имеют общую землю с беспроводными электронными компонентами 412 полевого устройства промышленного процесса. Как описано выше, один или более элементов 442 батареи могут содержать блок батарей, который является заменяемым в поле в опасном местоположении, без необходимости улучшения рабочих условий в этой области или получения разрешения на работу. Элемент/элементы 442 размещены на стороне терминального блока полевого устройства, и, таким образом, замена элемента/элементов 442 не приводит к тому, что электронные компоненты 412 открываются для воздействию окружающей среды. Плавкий предохранитель 440 ограничивает разряд энергии из элемента/элементов 442. Однако, из-за потенциально высоких пусковых токов в электронных компонентах 412, плавкий предохранитель 440 непременно сгорает, в случае отсутствия реальной неисправности. Такого типа неисправность, т.е. когда реальная неисправность отсутствует, обычно приводит к тому, что потребитель не удовлетворен общим продуктом. В соответствии с этим, вариант воплощения, представленный на фиг.4, включает в себя дополнительную схему, защищающую предохранитель 440 от сгорания, из-за пиков переходных токов, которые не представляют опасности. Схема 400 включает в себя операционный усилитель 406, инвертирующий вход 408 которого соединен с измерительным резистором 410. Неинвертирующий вход 412 операционного усилителя 406 соединен с выходом 414 опорного напряжения 404. Падение напряжения на измерительном резисторе 410 пропорционально разряду тока из элемента/элементов 442 в беспроводные электронные компоненты 412. Такое падение напряжения на измерительном резисторе 410 затем сравнивают с фиксированным напряжением, подаваемым на выход 414 источника 404 опорного напряжения. Операционный усилитель 406 имеет выход 416, который соединен с полевым транзистором 418 со структурой металл - оксид - полупроводник (MOSFET) для ограничения тока, который может использоваться для установки до значения ниже номинального тока плавкого предохранителя 440. Хотя вариант воплощения, показанный на фиг.4, включает в себя определенный источник 404 опорного напряжения, для специалистов в данной области техники будет понятно, что источник 404 опорного напряжения может быть заменен простым делителем напряжения, содержащим пару резисторов, соединенных последовательно между выходом плавкого предохранителя 440 и общим заземлением. Соединение между резисторами затем также соединено с неинвертирующим входом 412 операционного усилителя 406.

На фиг.5 показана другая схема ограничения тока в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения. Схема 500 во многом похожа на схему 400 (описанную со ссылкой на фиг.4), и одинаковые компоненты имеют одинаковые номера ссылочных позиций. Схема 500 отличается от схемы 400 тем, что измерительный резистор 410 устранен. По существу, в схеме 500 используется плавкий предохранитель 540 в качестве измерительного резистора с низким сопротивлением. Плавкий предохранитель 540 может быть охарактеризован и его можно использовать как измерительный элемент в схеме компаратора так же, как описано выше в отношении измерительного резистора 410. Одно из преимуществ исключения измерительного резистора из схемы 500 состоит в том, что она не только представляет собой схему ограничения тока для защиты плавкого предохранителя 540, но также в ней уменьшено сопротивление между элементом/элементами 552 и беспроводными электронными компонентами 512, только до сопротивления плавкого предохранителя 540. В зависимости от беспроводного устройства, пиковые токи элемента (элементов) 552 могут составлять сотни миллиампер в течение короткой длительности времени. Для исключения дополнительного падения напряжения (и поэтому неэффективности системы) чем меньше сопротивление (либо плавкого предохранителя, или измерительного резистора), тем лучше.

Описанные выше, со ссылкой на фиг.4 и 5, варианты с ограничением тока могут быть улучшены в результате добавления к ним дополнительной защиты от короткого замыкания. На фиг.6 показана схема 600, обеспечивающая такую защиту от короткого замыкания. Схема 600 включает в себя транзистор 602, первая ножка 604 которого соединена с первой стороной плавкого предохранителя 640, вторая ножка 606 соединена с противоположной стороной плавкого предохранителя 640, и третья ножка 608 соединена со входом MOSFET 610. В схеме 600, в случае, когда потребитель случайно замкнет выход батареи, быстродействующая аналоговая схема, такая как транзистор 602 и измерительный резистор или плавкий предохранитель 640, защищают плавкий предохранитель и батарею (батареи).

Варианты воплощения настоящего изобретения, описанные выше, позволяют решить потенциальные проблемы чрезмерного тока, сжигающего плавкий предохранитель, и формирования нежелательного случая перегорания плавкого предохранителя, когда реальная неисправность отсутствует.

Кроме того, также была описана защита от короткого замыкания. Одна дополнительная проблема, связанная с использованием батарей для питания полевых устройств промышленного процесса, состоит в том, что, когда уровень напряжения батареи становится слишком низким, сама батарея может перегреваться, и/или может произойти другое повреждение или она сама приводит к повреждениям.

Одна из технологий производства батарей, которую можно использовать в блоках батарей для беспроводных передатчиков, для области производства, представляет собой литий-тионил хлоридные (Li-SO-Cl₂) первичные элементы. Такой конкретный химический состав первичных элементов обеспечивает чрезвычайно высокую энергетическую плотность в широком диапазоне рабочих температур и очень низкий саморазряд. Эти характеристики обеспечивают возможность работы беспроводных устройств в стандартном рабочем диапазоне от 40° до 85°С в течение нескольких лет.

Для дополнительного увеличения срока службы батареи беспроводных передатчиков промышленных процессов используют множество первичных элементов, соединенных последовательно, параллельно или в комбинации последовательной/параллельной конфигураций. В результате требуется предпринимать дополнительные меры для обеспечения того, чтобы элементы никогда не работали в нестабильном состоянии. Напряжение полностью заряженного первичного элемента обычно составляет около 3,6 В. В наибольшей степени разряженный первичный элемент не должен быть разряжен ниже 2 В, в соответствии с рекомендациями производителя. В случае двух последовательно включенных первичных элементов, один из элементов может разрядиться быстрее, чем другой, и это может потенциально привести к нестабильному состоянию, когда элемент с более высоким напряжением заставляет протекать ток через разряженный элемент, в результате чего напряжение разряженного элемента падает ниже рекомендации производителя (2 В) для нижнего предела элемента. Это потенциально может привести к разрыву оболочки элемента.

В соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, передатчик промышленного процесса включает в себя пакет батарей, который может быть заменяемым в опасных условиях, без необходимости улучшения условий в этой области или получения разрешения на работу в этих опасных условиях, в котором пакет батареи выполнен с возможностью отключения при низком напряжении. Предпочтительно, в определенных ситуациях используют маломощные электронные компоненты для отключения напряжения между пакетом батареи и электронными компонентами передатчика промышленного процесса в определенных ситуациях.

На фиг.7 показана схема для отключения или отсоединения в определенных ситуациях одного или больше элементов батареи от электронных компонентов полевого устройства промышленного процесса в определенных ситуациях. Схема 700 во многом похожа на схемы 400 и 500, и одинаковые компоненты обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций. Как показано на фиг.7, один или больше элементов 742 батареи функционально соединены с беспроводными электронными компонентами 712 через MOSFET 718. Операционный усилитель 706 имеет инвертирующий вход, соединенный с узлом 730 в цепи делителя, содержащей резисторы 732 и 734. Цепь резисторного делителя, сформированная резисторами 732 и 734, пропорционально уменьшает напряжение от элемента/элементов 742 батареи, и это пропорционально уменьшенное напряжение затем сравнивают с фиксированным напряжением (источника 704 опорного напряжения) с использованием маломощного операционного усилителя 706, или соответствующего компаратора. Выход операционного усилителя 706 подключен к переключателю, такому как MOSFET 718, который отключает элемент/элементы 742 батареи от электронных компонентов 712, когда напряжение становится слишком низким.

На фиг.8 показана схема для отключения низковольтного элемента/элементов батареи от полевых электронных устройств, когда уровень напряжения батареи слишком низкий. Схема 800 включает в себя детектор 802 напряжения, соединенный с линиями положительной и отрицательной полярностями элемента/элементов 842 батареи. Выход 804 детектора 802 напряжения соединен с и управляет переключателем, таким как MOSFET 818, который избирательно подключает беспроводные электронные компоненты 812 к элементу/элементам 842 батареи. Детекторы напряжения, такие как детектор 802, представляют собой интегральные схемы, которые обычно используют в микропроцессоре, или приложениях микроконтроллера. Их используют в ситуациях падения напряжения (также известных как "гашение") ниже рекомендованных рабочих условий. Затем осуществляют переустановку микропроцессора или микроконтроллера, и линию сброса удерживают до тех пор, пока не повысится напряжение батареи. При применении такой концепции "гашения" к вариантам воплощения настоящего изобретения, детектор 802 напряжения используется, таким образом, для разъединения элемента/элементов 842, когда напряжение батареи становится слишком низким. Детекторы напряжения могут поступать либо с заданным (фиксированным) напряжением детектирования, или с регулируемым напряжением детектирования. На фиг.8 показано, как детектор напряжения используют совместно с пакетом батареи. Напряжение батареи подают на микросхему детектора напряжения. Когда напряжение батареи падает ниже напряжения детектирования микросхемы, ее выход отсоединяет беспроводные электронные компоненты от пакета батареи, через переключатель 818.

На фиг.9 показана примерная схема в соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения. Схема 900 включает в себя схему ограничения тока в соответствии с аналогичными вариантами воплощения настоящего изобретения, представленными выше, а также схему защиты от низкого напряжения и от короткого замыкания. В соответствии с этим, для специалиста в данной области техники будет понятно, что различные аспекты и варианты воплощения настоящего изобретения могут быть скомбинированы в разных комбинациях в соответствии с потребностями. Схема 900 включает в себя пару выводов 902, 904, которые могут быть соединены с батареей, такой как один или больше элементов, описанных для предыдущих вариантов воплощения. Выход схемы 900 имеет пару выводов 906, 908, которые подключены к блоку выводов полевого устройства промышленного процесса. Как показано на фиг.9, вся схема или часть схемы 900 могут быть спроектированы в соответствии с требованиями собственной безопасности. В соответствии с требованиями собственной безопасности, например компоненты, находящиеся в пределах области 912, обозначенные пунктирной линией 910, могут соответствовать, например, требованиями собственной безопасности, иметь минимальные безопасные интервалы 0,020 дюймов между дорожками схемы и на них наносят соответствующее покрытие или герметизирующую заливку.

На фиг.9 показан детектор U2 напряжения, имеющий вход, соединенный с выводом 902 через резистор R4. Вывод заземления детектора U2 напряжения соединен с выводом 904 заземления. Выходная ножка (1) детектора U2 соединена с переключателем Q3 через резистор R9. Резистор R9, предпочтительно, имеет сопротивление 0 Ом, или очень низкое сопротивление, так чтобы выход детектора U2 напряжения, в основном, был подведен непосредственно к Q3. R5 предпочтительно имеет значение 10 МОм. Детектор U2 выполняет функцию детектирования напряжения батареи через выводы 902 и 904. Если напряжение батареи находится на уровне или ниже порогового значения, определенного детектором напряжения, детектор U2 напряжения отсоединит всю схему, переведя Q3 в открытое состояние.

Схема 900 также включает в себя схему ограничения тока, которая основана на использовании операционного усилителя U1 и переключателя Q2. Как показано на фиг.9, неинвертирующий вход U1 соединен со схемой резистора/делителя, содержащей R7 и R6. Выход U1 соединен через R3 с переключателем Q2. Инвертирующий вход U1 соединен с выводом 902 через R8. U1 сравнивает входные сигналы, представленные в результате на инвертирующем и неинвертирующем входах, и формирует выходной сигнал в Q2, который может разъединить Q2 таким образом, чтобы защитить плавкий предохранитель F1 от переходных условий, не связанных с неисправностью.

На фиг.9 также показана схема 900, имеющая защиту от короткого замыкания с транзистором Q1, соединенным с противоположными сторонами плавкого предохранителя F1 и также соединенным с переключателем Q2. Таким образом, если выводы 902 и 904 батареи будут закорочены, быстродействующая аналоговая схема, такая как транзистор Q1, приведет к открыванию MOSFET Q2, предотвращая, таким образом, повреждение или другие нежелательные состояния.

Конкретная схема, показанная на фиг.9, представляет всего лишь один пример воплощения настоящего изобретения. Варианты воплощения настоящего изобретения не должны быть ограничены конкретной комбинацией свойств, представленных на фиг.9, или ее точными компоновками. То есть фактические значения компонентов, используемые для различных элементов схемы 900, представляют собой следующие:

R1-10 к

R2-10 к

R3-100 к

R5-10 МОм

R6-10 МОм

R7-604 к

R8-604 к

R9-0

R10-10 МОм

C1-100 пФ

C2-1000 пФ

C3-0,010 мкФ

C4-4,7 мкФ

C5-0,010 мкФ

C6-1,0 мкФ

F1 - плавкий предохранитель 1/16 А

Q1 - деталь номер MMBT3906 LT1

Q2 - SI9407AEY

Q3 - SI 4850 EY

U1 - TLV2401I

U2 - NCM 302 LSN 40

В вариантах воплощения, описанных выше, компоновка сборки батареи является полезной для широкого диапазона полевых устройств промышленного процесса, включающих в себя сетевые мосты управления процессом, дисплеи данных, полевые клапаны управления, механические приводы, полевые контроллеры области и передатчики. В одном варианте воплощения электрические элементы содержат первичные элементы. В некоторых вариантах воплощения сборка батареи содержит два элемента, соединенных последовательно с плавким предохранителем. В одном варианте воплощения сборка батареи разработана так, что она имеет напряжение разомкнутой цепи, по меньшей мере, 3 В. В других вариантах воплощения, в частности в вариантах воплощения с одним элементом, используют напряжения разомкнутой цепи ниже чем 3 В.

В одном варианте воплощения снятие батареи блокируется, благодаря активации последовательных переключателей в сборке батареи, которые отсоединяют элементы таким образом, что соединения питания не запитаны, когда снимают сборку батареи. Когда переключатель "включен", узел батареи нельзя отсоединить. Переключатель также можно использовать для отключения сборки батареи во время ее транспортирования. Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты воплощения, для специалиста в данной области техники будет понятно, что изменения могут быть выполнены в форме и деталях, без выхода за пределы сущности и объема изобретения.

Использование: в области управления промышленными процессами. Технический результат - повышение надежности и безопасности. Устройство включает в себя электронные компоненты беспроводного полевого устройства промышленного процесса, расположенные в полевом устройстве промышленного процесса, и, по меньшей мере, один элемент батареи, расположенный внутри полевого устройства промышленного процесса и функционально соединенный с электронными компонентами беспроводного полевого устройства промышленного процесса. Предусмотрена схема, которая измеряет электрические характеристики, относящиеся, по меньшей мере, к одному элементу, и обеспечивает выходной сигнал в переключатель для отсоединения, по меньшей мере, одного элемента от электронных компонентов полевого устройства промышленного процесса в соответствии с определенными условиями. Такие условия включают в себя слишком большой ток, протекающий от, по меньшей мере, одного элемента, слишком низкое напряжение, по меньшей мере, одного элемента или генерируемое короткое замыкание и др. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Полевое устройство для промышленного процесса, содержащее: электронные компоненты беспроводного полевого устройства для промышленного процесса, расположенные внутри полевого устройства промышленного процесса; заменяемую сборку батареи, включающую в себя, по меньшей мере, один элемент батареи, расположенный в полевом устройстве промышленного процесса и оперативно связанный с электронными компонентами беспроводного полевого устройства для промышленного процесса; плавкий предохранитель, имеющий номинальное значение тока плавкого предохранителя, электрически подключенный между электронными компонентами беспроводного полевого устройства для промышленного процесса и, по меньшей мере, одним элементом батареи; схему, сконфигурированную с возможностью измерять ток через предохранитель и обеспечивать выходной сигнал, если ток превышает пороговое значение, которое ниже номинального значения тока плавкого предохранителя, и переключатель, соединенный с выходом этой схемы, для отсоединения, по меньшей мере, одного элемента батареи от полевого устройства промышленного процесса, когда ток превышает пороговое значение.

2. Полевое устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, часть схемы предназначена для удовлетворения требований собственной безопасности.

3. Полевое устройство по п.2, в котором схема обеспечивает измерение падения напряжения на плавком предохранителе.

4. Полевое устройство по п.2, дополнительно содержащее измерительный резистор, включенный последовательно между плавким предохранителем и схемой, при этом схема конфигурирована для измерения напряжения на измерительном резисторе, которое пропорционально току.

5. Полевое устройство по п.1, в котором схема дополнительно включает в себя операционный усилитель, оперативно связанный с плавким предохранителем, источник опорного напряжения, соединенный с операционным усилителем, и переключатель, соединенный с выходом операционного усилителя.

6. Полевое устройство по п.5, в котором источник опорного напряжения имеет выход, который обеспечивает опорное напряжение для операционного усилителя.

7. Полевое устройство по п.5, в котором источник опорного напряжения содержит цепь резисторного делителя.

8. Полевое устройство по п.1, дополнительно содержащее схему низковольтной отсечки для отключения, по меньшей мере, одного элемента батареи от электронных компонентов беспроводного полевого устройства промышленного процесса, когда напряжение батареи становится ниже порогового значения.

9. Полевое устройство по п.8, дополнительно содержащее транзистор, первая ножка которого соединена с первой стороной плавкого предохранителя, вторая ножка соединена с противоположной стороной плавкого предохранителя, и третья ножка соединена с переключателем, расположенным между, по меньшей мере, одним элементом и электронными компонентами беспроводного полевого устройства промышленного процесса.

10. Полевое устройство по п.1, дополнительно содержащее транзистор, первая ножка которого соединена с первой стороной плавкого предохранителя, вторая ножка соединена с противоположной стороной плавкого предохранителя, и третья ножка соединена с переключателем, который расположен, по меньшей мере, между одним элементом и электронными компонентами беспроводного полевого устройства промышленного процесса.

11. Полевое устройство для промышленного процесса, содержащее: корпус, имеющий первый отсек и второй отсек, отделенные друг от друга и имеющие сквозное отверстие, проходящее между ними; электронные компоненты беспроводного полевого устройства промышленного процесса, расположенные внутри первого отсека полевого устройства промышленного процесса; заменяемую сборку батареи, включающую в себя, по меньшей мере, один элемент батареи, расположенный внутри второго отсека полевого устройства промышленного процесса и оперативно соединенный с электронными компонентами беспроводного полевого устройства промышленного процесса через сквозное отверстие, причем сквозное отверстие является герметичным сквозным отверстием; схему, сконфигурированную для измерения напряжения, по меньшей мере, одного элемента и обеспечивающую выходной сигнал, если это напряжение падает ниже порогового значения; и переключатель, соединенный с выходом схемы, для отсоединения, по меньшей мере, одного элемента батареи от электронных компонентов беспроводного полевого устройства промышленного процесса, когда напряжение падает ниже порогового значения.

12. Полевое устройство по п.11, в котором, по меньшей мере, часть схемы предназначена для удовлетворения требований собственной безопасности.

13. Полевое устройство по п.11, в котором схема включает в себя операционный усилитель, предназначенный для сравнения множества входных сигналов и формирования выходного сигнала на основе сравнения, при этом первый вход соединен с напряжением, по меньшей мере, одного элемента батареи, второй вход соединен с опорным напряжением, и выход соединен с переключателем.

14. Полевое устройство по п.11, в котором схема включает в себя детектор напряжения, вход которого соединен для измерения напряжения, по меньшей мере, одного элемента батареи, и выход соединен с переключателем для отсоединения, по меньшей мере, одного элемента от электронных компонентов беспроводного полевого устройства промышленного процесса, когда напряжение становится ниже порогового значения.

15. Полевое устройство по п.11, дополнительно содержащее плавкий предохранитель, электрически подключенный, по меньшей мере, между одним элементом батареи и электронными компонентами беспроводного полевого устройства промышленного процесса, и транзистор, первая ножка которого соединена с первой стороной плавкого предохранителя, вторая ножка соединена с противоположной стороной плавкого предохранителя, и третья ножка соединена с переключателем.