模塊化的本質安全的現場設備電源模塊的製作方法

2023-07-08 08:48:31 1

專利名稱：模塊化的本質安全的現場設備電源模塊的製作方法
模塊化的本質安全的現場設備電源模塊
背景技術：
在工業設置中，控制系統用於監視和控制工業庫存和化學過程等等。控制系統一般使用分布在工業過程中關鍵位置處的大量現場設備來執行這些功能。現場設備可以在各種不同的設施中操作。過程設施的示例包括石油、製藥、化學、製漿以及其他處理設施。這些現場設備通信性地耦合到控制室中的控制電路上。過程控制測量工業使用現場設備用於各種目的。一般地，這種設備具有現場硬化的外殼，使得可以在相對惡劣的環境中安裝在戶外，並能夠經受極端氣候條件溫度、溼度、 震動以及機械衝擊。現場設備一般還以相對低的功率進行操作。例如，一些現場設備當前可用於從已知的4-20mA環路中接收其全部操作功率。現場設備工作的環境有時可能是高度揮發性的。一些環境可能是過分揮發性的，以至於電子組件的錯誤火花或足夠高的表面溫度可能引起環境點燃，並產生爆炸。為了確保這種情況不會發生，已開發出了本質安全規範。符合本質安全要求有助於確保即使在故障條件下，電路或設備本身也不能點燃揮發性的環境。在由Factory Mutual Research 在 1988 年 10 月公布的 APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATEDAPPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, DIVISION 1HAZARDE0US(CLASSIFIED)LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610 中闡述了本質安全要求的一個規範。還設計了符合附加工業標準(比如，Canadian Standards Association(CSA)和 European CENELEC 標準)的調整。傳統上，通過物理導線已將現場設備耦合到過程通信系統上(比如控制室)。這種有線連接不僅向現場設備提供了功率，還提供了用於通信的路由。有線現場設備的一個限制是安裝有時可能是花費人力的，因為必須將線連到現場設備的每個物理位置上。最近以來，已出現了使用無線通信與控制室和/或其他合適設備進行通信的現場設備。這些無線現場設備一般具有能夠向無線現場設備提供長達數年的時間段的操作功率的內部電源，比如電池。在工業過程工業中使用無線技術已引起了對向無線變送器本地供電的方式的需求。電池是可以提供本地功率的一種方式。然而，電池的一個問題在於判斷如何將電池放在無線現場設備中 以及將其放在無線現場設備中的何處。需要讓電池更換對於現場技術人員來說是容易的。不僅需要電池本身在物理上容易更換，且在現場設備位於危險區域中的情況下，也需要電池本身在物理上容易更換。具體地，需要能夠讓技術人員在不需要獲得熱處理許可(hot work permit)的情況下更換電池。這意味著在可能存在可燃氣體的區域中， 可以在不產生點燃該氣體的風險的情況下更換電池。與在無線現場設備中使用電池相關的另一個困難是由於以下事實電池的容量一般與電池本身的物理大小相關。因此，位於設備中的電池的大小一般受限於設備本身的外殼。在提供大容量電池以支持更長的變送器壽命和/或由於網絡配置產生的更高的更新速率或更重的負載方面，靈活性通常很小。因此，需要一種本質安全電池組，其可以向現場設備供電，且在現場不需要熱處理許可就可以進行更換。此外，需要以能夠容納更大容量電池和/或更高功率需求的方式來提供現場設備功率
發明內容
本發明提供了一種模塊化的、本質安全的電源模塊裝置。所述裝置包括被配置為安裝到現場設備的導管上的剛性導管適配器。將具有內部的外殼可操作地耦合到所述剛性導管適配器上，並由所述剛性導管適配器來物理支撐所述外殼。將至少一個不可充電電池置於所述外殼中。將本質安全電路耦合到所述至少一個不可充電電池，且將所述本質安全電路耦合到與所述剛性導管適配器中的協作連接器配合的連接器。


圖1是根據本發明的實施例的使用電池組的無線現場設備的正視圖。圖2是根據本發明的實施例的現場設備的電池組的分解圖。圖3是根據本發明的實施例的耦合到電池組的現場設備的橫截面圖。圖4是根據本發明的另一實施例的耦合到電池組的現場設備的橫截面圖。圖5是根據本發明的實施例的與現場設備一起使用的電池組的立體圖。圖6是根據本發明的實施例的與現場設備一起使用的遠程安裝的電池組的立體圖。圖7是根據本發明的實施例的用於將一個或多個電池耦合到現場設備端子塊的電路的電路圖。
具體實施例方式圖1是根據本發明的實施例的耦合到外部電池組12的無線現場設備10的正視圖。現場設備10 —般包括可安裝在過程安裝地點附近的傳感器模塊14。置於傳感器模塊 14中或耦合到傳感器模塊14的一個或多個傳感器提供與過程相關的電子指示。傳感器的示例包括絕對、計量(gage)、和/或壓差傳感器，以及溫度傳感器和其他合適的設備。傳感器模塊14耦合到電子裝置隔層16，電子裝置隔層16包含將從一個或多個傳感器接收的電信號處理或以其他方式變換為可以傳遞給其他設備的可用信息的電子裝置。電子裝置隔層 16 一般包含通信電路，比如經由天線18與其他設備通信的無線通信電路。隔層16中的通信電路可以使用天線18與網關設備或在現場設備10和網關設備之間放置的其它現場設備進行通信，以與網關設備交互。無線現場設備一般是已知的，商業可用的無線現場設備的一
Chanhassen, Minnesota ^ Emerson Process Management 出的胃.TtfH^i^M 號3051S wireless的無線現場設備。現場設備10可以是在可被稱作「網格網絡」的過程設施中放置的多個現場設備之一。一般地，無線現場設備(比如無線現場設備10)使用持續數年的時間段的內部電池組。然而，在電池組的能量耗盡時，技術人員一般必須走到現場設備10的物理位置處，並更換電池組。在現場設備附近的物理環境是揮發性的或甚至是爆炸性的情況下，技術人員一般需要獲得熱處理許可，以更換現場設備中的電池。獲得這種許可是消耗時間的，且為了確保可以在揮發性環境中安全地進行工作而需要額外的努力。
根據本發明的實施例，用於 向現場設備10供電的電池位於在電子裝置隔層16之外的模塊(模塊12)中。如圖1所示，根據一個實施例，模塊本身由其固定件物理地支撐到電子裝置隔層16上的導管入口 20處。該固定件一般通過剛性(優選地是金屬)導管適配器22來實現，將該剛性導管適配器22以螺紋或其他方式固定在導管20中。剛性導管適配器22為模塊12提供了魯棒的物理固定件，因為整個現場設備/電池模塊系統可能經受震動或其他機械衝擊。電池模塊12還包括電池盒24，其將電池以及電池模塊12中的其他合適電路進行密封封裝並保護。最後，電池模塊12被設計為使得在電池模塊12和適配器22 之間的接口處可用的電能符合本質安全要求。這有助於確保即使在管腳或連接器接觸器本身短路時，也不會產生可能點燃危險環境的火花。物理上，電池模塊12優選地使用鎖定機制，該鎖定機制不僅將模塊牢固地固定到剛性導管適配器22，且還容易允許技術人員在需要更換時將電池移除。圖2是根據本發明的實施例的電池模塊12的分解立體圖。如圖2所示，剛性導管適配器22包括耦合到現場設備10的端子板(圖1所示)的多個電導線26。剛性導管適配器22 —般包括六邊形表面28，提供六邊形表面28以有助於使用合適的扳手將導管適配器22安裝到導管20中。剛性導管適配器22還包括多個電連接器(比如多彈簧手指 (multi-spring finger)或管腳，其與置於電路卡30上的協作構件接合)。此外，剛性導管適配器22還優選地是圓柱形的，且包括頸縮部32和密封部34，密封部34優選地包括0形環36，以產生在剛性導管適配器22和電池組12之間的環境密封。可以由任何合適的材料形成0形環36。肩部38將頸縮部32和密封部34相連。肩部38向裝置提供了附加的機械集成，其中，一旦將定位螺絲40通過定位螺絲孔42接合，裝置12完全地接合到剛性導管適配器22上。肩部38提供了附加的支持，以確保不能將裝置12從剛性導管適配器22上拉下來，因為這種運動將引起在定位螺絲40和肩部38之間的阻礙。儘管圖2所示實施例使用了定位螺絲40，可以使用任何合適的機械設備將電池模塊12實質上鎖定或以其他方式附加在剛性導管適配器22上，使得技術人員可以在需要更換時容易地移除模塊。根據一個實施例，電池模塊12包括由板44形成的外殼，板44 一般是平坦的，與盒 66協作。外殼43具有內部，在一些實施例中，內部可以具有比現場設備10的電子裝置隔層 16的內部更大的容積。板44包括大小足以允許金屬凸緣(flange)48通過的孔徑46。附加地，板44還包括環形環50，環形環50由材料相對更厚的部分以及多個肋52構成。環形環50和肋52提供了機械集成，以耦合到金屬凸緣48的表面54。因此，將金屬凸緣48的力量的大部分施加到板44上。可以用提供充足強度的任何合適的金屬材料來構造金屬凸緣48。示例包括不鏽鋼、鋁等等。凸緣48包括內孔56，內孔56的大小允許通過剛性導管適配器22的密封部34。孔56具有比密封部34稍大的內徑，以提供結構支撐，以及幫助對電池模塊12和剛性導管適配器22之間的連接進行密封。塑料罩(shrOUd)58耦合到金屬凸緣48，且塑料罩58包括通過孔56的電子連接器 60。罩58提供了對電路卡30上的電子互連插槽62的支撐，該插槽與剛性導管適配器22 中放置的管腳配合，以將電池模塊12電耦合到無線現場設備10。優選地，裝有插槽62的連接器60包括楔緊(keying)特徵，以確保在連接器60和剛性導管適配器22中的配合設備之間的連接僅可以發生在單一旋轉定向上。這確保了僅可以用正確的極性來進行連接，且還有助於在將模塊12耦合到剛性導管適配器22時保護電子互連(一個實施例中的管腳和插槽)。可以用任何合適的電路板材料來構造電路卡30，且電路卡30支撐一對電子互連 (優選地，多彈簧手指插槽連接(比如Oyster Bay, New York的Mill-Max，Manufacturing Corporation銷售的那些連接))。附加地，電路卡30包括電子電路以確保模塊12符合本質安全規範，比如上述規範。電路(下面將通過圖7更詳細地描述)提供了以下特徵保險絲(對於一些電池的本質安全所需的)、保護保險絲的限流電路、以及避免一個電池單元在沒電時被另一個電池單元進行反向充電的低壓斷電電路。電池模塊12還包括一個或多個不可充電電池64，這些不可充電電池64電耦合到電路卡30上的電路。可以使用任何合適的電池化學物質，包括溼電池和乾電池。然而，由於電池的容量一般與電池的重量相關，提供較高能量密度的電池化學物質對於本發明的實施例的有利之處在於，這種電池將對於系統震動和機械衝擊以較小的慣性進行響應。最後，模塊12還包括盒66，其將金屬凸緣48、塑料罩58、電路卡30以及電池64封裝於其中。盒66安裝或以其他方式附加到板44，以密封其中的組件。根據一個實施例的模塊12可以包括機械方法，比如在盒66和板44之間的螺絲或螺紋封蓋，以允許在模塊12 中更換一個或多個電池64。此外，這種容易拆卸還有助於修理或更換模塊12中的其他組件。然而，根據本發明的另一實施例，可以用灌封材料來填充模塊12中的整個空隙空間 ，從而將模塊呈現為一次性使用模塊，使得當電池64耗盡時，簡單地更換整個模塊。附加地，盒 66和板44可以由導電塑料製成，以消耗靜電積累，從而消除可能的電擊危險。根據一個實施例的模塊12可直接安裝在現場設備的導管上，比如導管20。這樣， 一般現場設備10所經受的任何震動或機械擾動將轉移到電池模塊12上。這些震動和/或移動可能在現場設備10和電池模塊12之間的物理互連處產生應力。這對於讓電池模塊12 能夠經受得住現場設備(比如現場設備10)所經受的震動要求是個重大的設計挑戰。現場安裝的設備的典型規範是IEC60770高管道震動(pipe-line vibration)。這是3G級別的震動輸入。模塊12必須在該測試期間不能受到損害，且電子互連必須在管腳相對於插槽方面不能移動。如果管腳相對於插槽移動，磨損將發生，且互連可靠性將受到破壞。通過圖1 和圖2所示的實施例的原型已經通過了 IEC 3G高管道震動測試，同時互連管腳或插槽沒有可見的磨損。圖3是根據本發明的另一實施例的安裝到無線現場設備10的導管20上的電池模塊112的俯視橫截面圖。在圖3中，將一個或多個電池164電耦合到電路卡130，電路卡130 經由導線132也耦合到剛性導管適配器122。模塊112與模塊12(圖2所示)的不同之處在於將盒166以螺紋方式固定到內部凸緣168上，內部凸緣168具有容納剛性導管適配器 22的內徑170。如圖3所示，還使用彈性(elastemeridO形環36。在一些實施例中，導線 132實際上可以直接通過剛性導管適配器122和模塊112之間的物理連接器，並在直接耦合到現場設備端子板的連接器170上終止。根據本發明的另一實施例，可以將電池模塊安裝在與現場設備隔開的位置處，並經由電纜裝置耦合到現場設備。圖4是依靠電纜裝置214耦合到無線現場設備10的遠程安裝的電池模塊212的概略圖。可以將遠程安裝的電池模塊212安裝到柱子或牆等等上， 並經由電纜裝置214將其連接到現場設備10的導管入口 20。本實施例允許現場設備位於高溫區域，且電池模塊212位於其它更涼爽的空間中以保持電池壽命，因為熱顯著地減少電池壽命。本實施例在向無線接入點供電方面也是有用的。這種無線接入點將是現場安裝的設備，其將無線數據從現場網格網絡設備傳輸至設備網關。這些設備將一般要求比標準現場設備更多的功率，且可以受益於更大的電池選擇。圖4所示的遠程安裝的電池組實施例的另一好處是對於安裝在難以到達位置上的現場設備來說，更換電池是更容易的。遠程電池模塊212中的電路和組件可以與通過圖2所述的那些電路和組件以及下面通過圖7所描述的電路圖是相似或相同的。圖5是根據本發明的另一實施例的現場設備可安裝電池模塊312的立體圖。電池模塊312的形狀一般是圓形的，並包括金屬凸緣314和連接器316，金屬凸緣314和連接器 316與剛性導管適配器22的合適結構相配合。模塊312還包括置於定位 螺絲孔中的定位螺絲，以與剛性導管適配器22上的頸縮區域32物理接合。圖6是根據本發明的另一實施例的遠程安裝電池模塊412的立體圖。遠程模塊 412 一般包括矩形區域414，其中有電池和相關電路。附加地，電纜裝置416將模塊412耦合到合適的設備。如圖6所示，模塊412包括凸緣418，凸緣418具有多個孔徑以容納u形螺栓420，以將模塊安裝到管道或其他合適的結構上。附加地，遠程模塊412還可以具有可拆卸式封蓋，使得可以在遠程模塊中更換電池。圖7是根據本發明的實施例的可駐留在電路卡30上電路的電路圖。電路500在端子502、504處耦合到一個或多個電池。優選地，電路卡30上的電路500的組件之間的間隔符合本質安全面向要求(facing requirements)。如圖7所示，電路500包括兩個主要部分。從端子502、504到線506的部分實質上提供了低壓斷電功能。來自監管電路508的輸出驅動了場效應電晶體510在大約4伏特時斷開。(注意，兩單元電池組初始提供大約7. 2 伏特)。因此，當電池組的電壓到達特定閾值時，將把電池組與現場設備完全地斷開電連接。 電路500在線506和線512之間的部分提供了限流功能，其有助於保護通過保險絲514的電流。限流電路在電流高於保險絲極限但低於本質安全的安全極限時防止保險絲514熔斷。 這在電池模塊是一次性使用的實施例中是特別有用的，因為燒斷的保險絲將要求更換整個電池模塊。儘管已結合優選實施例描述了本發明，本領域技術人員將認識到可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下對形式和細節做出改變。
權利要求
1.一種模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，包括剛性導管適配器，被配置為安裝到現場設備的導管上；外殼，可操作地耦合到所述剛性導管適配器上，並由所述剛性導管適配器來物理支撐所述外殼，所述外殼具有內部；至少一個不可充電電池，置於所述外殼中；以及本質安全電路，耦合到所述至少一個不可充電電池，所述本質安全電路耦合到連接器， 所述連接器與所述剛性導管適配器中的協作連接器配合。
2.根據權利要求1所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述外殼由連接在一起的板和盒構成。
3.根據權利要求2所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述板和所述盒是能夠拆卸地連接在一起的。
4.根據權利要求2所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，用灌封成分來填充所述外殼的內部。
5.根據權利要求2所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述外殼還包括金屬凸緣，所述金屬凸緣的大小足以讓所述剛性導管適配器的外表面通過。
6.根據權利要求5所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，還包括被配置為將所述金屬凸緣鎖定到所述剛性導管適配器上的鎖定構件。
7.根據權利要求6所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述鎖定構件是定位螺絲。
8.根據權利要求6所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述板包括環形環，所述環形環具有能安裝到所述金屬凸緣的大小。
9.根據權利要求1所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述本質安全電路包括保險絲。
10.根據權利要求9所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述本質安全電路包括限流電路，以限制通過所述保險絲的電流。
11.根據權利要求1所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，還包括現場設備，所述現場設備具有用於連接到所述剛性導管適配器的所述導管。
12.根據權利要求11所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述外殼的內部的容積大於所述現場設備的電子裝置隔層的內部的容積。
13.根據權利要求12所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述至少一個不可充電電池包括置於所述外殼中的多個不可充電電池。
14.根據權利要求13所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述多個電池是能更換的。
15.根據權利要求1所述的模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，其中，所述剛性導管適配器是由金屬形成的。
16.一種現場設備與遠程安裝的本質安全的電池模塊相結合的系統，所述系統包括現場設備，可操作地耦合到過程，所述現場設備具有電子裝置隔層，所述電子裝置隔層具有導管；以及電池模塊，位於遠離所述現場設備，所述電池模塊中具有本質安全電路和電纜裝置，所述電纜裝置將所述模塊耦合到所述現場設備的導管以向所述現場設備供電。
17.根據權利要求16所述的系統，其中，至少一個電池置於電池模塊中，並被配置為能更換的。
18.一種模塊化的、本質安全的電源模塊裝置，包括 剛性導管適配器，被配置為安裝到現場設備的導管上；外殼，可操作地耦合到所述剛性導管適配器上，並由所述剛性導管適配器來物理支撐所述外殼，所述外殼具有內部；至少一個不可充電電池，置於所述外殼中；以及本質安全電路，耦合到所述至少一個不可充電電池，所述本質安全電路耦合到連接器， 所述連接器通過所述剛性導管適配器與現場設備的協作連接器配合。
全文摘要
本發明提供了一種模塊化的本質安全的電源模塊裝置(12)。所述裝置包括被配置為安裝到現場設備(10)的導管(20)上的剛性導管適配器(22)。將具有內部的外殼(66)可操作地耦合到所述剛性導管適配器(22)上，並由所述剛性導管適配器(22)來物理支撐所述外殼(66)。將至少一個不可充電電池(64、164)置於所述外殼(66)中。將本質安全電路(500)耦合到所述至少一個不可充電電池(64、164)，且所述本質安全電路(500)耦合到與所述剛性導管適配器(22)中的協作連接器(62)配合的連接器。
文檔編號H01M2/04GK102362370SQ201080013411
公開日2012年2月22日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年1月13日
發明者查德·M·麥圭爾 申請人:羅斯蒙德公司