專利名稱：無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及工業(yè)過程控制和監(jiān)測系統(tǒng)。更具體地說，本實(shí)用新型涉及用在工業(yè)過程控制和/或監(jiān)測系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場裝置。
背景技術(shù)：
工業(yè)過程用在許多工業(yè)中以處理或輸運(yùn)各種材料。工業(yè)過程例如在煉油廠、食品生產(chǎn)設(shè)施、紙漿生產(chǎn)設(shè)施等等中實(shí)施。工業(yè)過程的操作通常需要監(jiān)測過程變量。示例性的過程變量包括溫度、壓力、流量、液位等。被傳輸?shù)倪^程變量用來測量過程變量，并且將被測量的過程變量的信息傳輸?shù)街行奈恢?。這些信息可以用來監(jiān)測過程，并且可以用于控制過程。例如，可以根據(jù)測量流量使用另一種類型的現(xiàn)場裝置、控制裝置來調(diào)整閥?！鹘y(tǒng)上，過程變量變送器使用有線連接與中心位置通信。有線連接的示例是二線式過程控制回路，通過該回路的電流代表被測量的過程變量。其他通信技術(shù)包括在過程控制回路上傳輸數(shù)字信息。同樣的二線式過程控制回路可以用于為現(xiàn)場裝置提供電力。無線現(xiàn)場裝置被用來測量過程變量和與另一個(gè)位置通信，并且不需要上面所述的有線連接。一種無線通信技術(shù)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置。一種示例性的通信協(xié)議是按照IEC 62591標(biāo)準(zhǔn)的無線HART 通信協(xié)議。無線裝置的一個(gè)好處是不需要將從中心控制位置延伸到現(xiàn)場裝置的電線。如果現(xiàn)場裝置包括諸如電池之類的內(nèi)部電源，可以實(shí)現(xiàn)布線的進(jìn)一步減少。然而，如果現(xiàn)場裝置是電池供電的，如果其電源耗盡，該裝置將停止運(yùn)型。因此，往往是需要采取措施以減少在現(xiàn)場裝置中的功耗，以延長電源的使用壽命。

實(shí)用新型內(nèi)容根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，用于在控制或監(jiān)測工業(yè)過程的過程變量時(shí)使用，該無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置包括過程接口元件、過程裝置電路、電力儲(chǔ)存元件和電源電路。過程接口元件被配置為檢測或控制工業(yè)過程的過程變量。所述過程裝置電路包括過程接口電路，被配置為使用過程接口元件測量或控制工業(yè)過程的過程變量；無線通信電路，被配置為用于無線通信。電源電路被配置為從電力儲(chǔ)存元件以輸出電壓向過程裝置電路提供電力，所述電源電路包括低壓降電壓調(diào)節(jié)器，被配置為降低電力儲(chǔ)存元件的電壓和將降低的電壓提供到過程裝置電路；和升壓轉(zhuǎn)換器，被配置為升高電力儲(chǔ)存元件的電壓和將升高的電壓提供到過程裝置電路。較佳地，上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置還可以包括比較器，該比較器被配置為將低壓降電壓調(diào)節(jié)器和可替換地升壓轉(zhuǎn)換器選擇性地連接到過程裝置電路。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，比較器可以被配置為控制模擬開關(guān)。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，比較器可以對(duì)電力儲(chǔ)存元件的電壓輸出作出響應(yīng)。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，比較器可以將電壓閾值與電力儲(chǔ)存元件的輸出電壓進(jìn)行比較。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，在所述輸出電壓小于所述電壓閾值的情況下，比較器可以將升壓轉(zhuǎn)換器連接到過程裝置電路。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，在所述輸出電壓大于所述電壓閾值的情況下，比較器可以將低壓降轉(zhuǎn)換器連接到過程裝置電路。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，所述電壓閾值可以為3. O伏特。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，比較器的輸出可以連接到升壓轉(zhuǎn)換器。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，在低壓降電壓調(diào)節(jié)器連接過程裝置電路的情況下，比較器可以停止升壓轉(zhuǎn)換器的操作，從而降低功耗。較佳地，上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置還可以包括連接到過程裝置電路的大容量電 容器，該大容量電容器被配置為儲(chǔ)存電力。較佳地，在上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置中，電力儲(chǔ)存元件可以是從包括電池或電容器的電力儲(chǔ)存元件的組中選擇的。較佳地，上述無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置還可以包括二極管，該二極管被配置為將低壓降電壓調(diào)節(jié)器連接到過程裝置電路。

圖I是包括無線現(xiàn)場裝置的工業(yè)過程控制或監(jiān)控系統(tǒng)的簡化示意圖。圖2是圖I的無線現(xiàn)場裝置的簡化框圖。圖3是顯示圖I的按照本實(shí)用新型的一個(gè)示例性實(shí)施例的無線現(xiàn)場裝置的電源的簡化示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供用于諸如過程變量變送器或過程控制器之類的無線現(xiàn)場裝置的電源電路。該電源電路包括升壓轉(zhuǎn)換器和低壓降(LDO)電壓調(diào)節(jié)器，升壓轉(zhuǎn)換器和低壓降(LDO)電壓調(diào)節(jié)器可以被選擇性地連接至現(xiàn)場裝置的電源電路。LDO和升壓轉(zhuǎn)換器的組合用來提高電池的使用壽命。比較器用來在升壓轉(zhuǎn)換器和LDO之間切換。圖I是工業(yè)過程控制或監(jiān)控系統(tǒng)100的簡化示意圖，其中諸如過程現(xiàn)場裝置102之類的現(xiàn)場裝置通過過程接口元件104與過程流體108接合。過程流體108例如包含在過程管道106中。現(xiàn)場裝置102可以被配置作為過程變量變送器，其中的過程接口元件104可以包括用于檢測過程流體108的過程變量的傳感器。示例包括溫度、流量、液位等。過程現(xiàn)場裝置102通過無線通信鏈路112與諸如位置110的其他位置通信。位置110包括連接到天線116的通信電路114，天線用于建立通信鏈路112。位置110例如可以是其中監(jiān)測或控制過程的操作的中心控制室等。無線通信鏈路112可以與任何通信協(xié)議技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)一致。一種示例是按照IEC62591標(biāo)準(zhǔn)的無線HART 通信協(xié)議。圖2是過程現(xiàn)場裝置102的簡化框圖。正如圖2所示，微處理器200通過過程電路202連接到過程接口元件104。過程電路202例如可以包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。在這樣的配置中，表示檢測到的過程變量的數(shù)字被提供到微處理器200。微處理器200按照存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器204中的指示操作，并且連接到無線通信電路206。無線通信電路206連接到天線208，天線208鏈接到顯示在圖I中的通信鏈路112。使用這種配置，變送器102可以在通信鏈接112上接收或傳輸信息。顯示了任選的本地輸入/輸出(I/O)電路210。例如，可以由操作員使用I/O電路210在本地控制變送器102。圖2還圖示了連接到電力儲(chǔ)存元件222的電源220。如下文中詳細(xì)討論，電源220用來從電源儲(chǔ)存元件222提供電力到過程變量102的電路。電力儲(chǔ)存元件222可以包括任何合適的裝置，其能夠根據(jù)需要儲(chǔ)存足夠的電力。示例包括電池、可充電電池、包括大容量或“超級(jí)”電容器的電子電容器。過程現(xiàn)場裝置102的各種電路元件被配置以基于穩(wěn)定電源而運(yùn)行。例如，可能需要3. O伏的穩(wěn)定電源。然而，由電力儲(chǔ)存元件222所提供的電壓在其充電或放電循環(huán)過程中可能從2. O到3. 7伏之間變化。在這樣的配置中，通常使用“降壓-升壓”轉(zhuǎn)換器，其中單個(gè)轉(zhuǎn)換器不僅用來升高直流電壓以獲得所需的輸出電壓而且用來降低直流電壓以獲得所需的輸出電壓。然而，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器消耗來自電力儲(chǔ)存元件的額外電力，從而縮短電池壽命。在運(yùn)行期間，過程現(xiàn)場裝置102使用諸如過程接口元件104之類的過程變量傳感 器檢測過程變量。微處理器200用來控制過程現(xiàn)場裝置102的操作和利用無線通信電路206在通信鏈路112上傳輸與檢測到的過程變量相關(guān)的信息。為了增加電力儲(chǔ)存元件222元的壽命，過程現(xiàn)場裝置102的電路可以進(jìn)入“休眠”或降低功耗模式。通常情況下，過程現(xiàn)場裝置102可以在低功耗模式中運(yùn)行超過90%的時(shí)間。在這樣的配置中，所述電路僅需要幾十微瓦的功率用于運(yùn)行。例如，無線通信電路206可以關(guān)閉或閑置、微處理器200的速度可以降低、過程電路202可以被禁用等。在活動(dòng)時(shí)間期間，這個(gè)電路被通電并且電力需求可能會(huì)高達(dá)幾十毫瓦。當(dāng)電力儲(chǔ)存元件220的電壓為3. O伏以上時(shí)，電源電路220必須將該電壓降低到3. O伏，用于向現(xiàn)場裝置102的電路供電。同樣地，在電力儲(chǔ)存元件220的電壓跌落低于3. O伏時(shí)，電源220電路必須將該電壓升高到3. O伏，以適當(dāng)?shù)叵颥F(xiàn)場裝置102電路供電?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)使用“降壓-升壓”轉(zhuǎn)換器。然而，這樣的“降壓-升壓”電路的靜態(tài)功耗可能是數(shù)十微瓦，這將大大減少電力儲(chǔ)存元件222的壽命。圖3是按照本實(shí)用新型的一個(gè)示例實(shí)施例的電源電路220的簡化框圖。電源電路220包括升壓轉(zhuǎn)換器240和LDO (低壓降)或“LD0”轉(zhuǎn)換器242。升壓轉(zhuǎn)換器240和LDO轉(zhuǎn)換器242可以按照標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)運(yùn)行。例如，升壓轉(zhuǎn)換器可以包括開關(guān)式或其它升壓電源。升壓轉(zhuǎn)換器240被配置為接收來自電力儲(chǔ)存元件222的小于3伏特的電壓，并提供被調(diào)節(jié)為
3.O伏特的輸出電壓。同樣地，LDO轉(zhuǎn)換器242被配置為接收來自電力儲(chǔ)存元件222的大于3伏的電壓，并且提供為3. O伏的調(diào)節(jié)輸出。模擬開關(guān)244被配置為將來自轉(zhuǎn)換器240的輸出或來自轉(zhuǎn)換器242的輸出選擇性地連接到大容量電容器246。此輸出被用來提供電力到過程現(xiàn)場裝置102的電路。模擬開關(guān)244的操作由比較器248控制，比較器248具有被設(shè)定到電力儲(chǔ)存元件222的輸出電壓中的所需的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的閾值，即3. O伏電壓。比較器250也可用于控制升壓轉(zhuǎn)換器240的操作，據(jù)此如果電池電壓大于所需的閾值，升壓轉(zhuǎn)換器240斷開。因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器240僅在需要其功能時(shí)操作，這樣可以節(jié)省電力。二極管252連接在模擬開關(guān)244和大容量電容器246之間并且操作以在切換轉(zhuǎn)換期間提供電源電壓到過程現(xiàn)場裝置102的電路，并且改善升壓轉(zhuǎn)換器240的穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng)現(xiàn)場裝置的電路所需的功率低時(shí)，在與其他電路比較時(shí)，通過LDO轉(zhuǎn)換器242的損失會(huì)較大。這可以從等式I中看出。[0030]LDO損失=(電池電壓-3) X I負(fù)載+靜態(tài)功耗等式(I)公式顯示，對(duì)于低負(fù)載電流，與傳統(tǒng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相比，功耗較小。作為比較的基礎(chǔ)，按照?qǐng)D3的電源被測試并且與傳統(tǒng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較。表I是用于應(yīng)用到傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器圖3中示出的并行LDO/升壓轉(zhuǎn)換器配置的不同負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的制表表I
權(quán)利要求1.一種無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，用于在控制或監(jiān)測工業(yè)過程的過程變量時(shí)使用，其特征在于，該無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置包括 過程接口元件，被配置為檢測或控制工業(yè)過程的過程變量； 過程裝置電路，所述過程裝置電路包括 過程接口電路，被配置為使用過程接口元件測量或控制工業(yè)過程的過程變量； 無線通信電路，被配置為用于無線通信； 電力儲(chǔ)存兀件； 電源電路，被配置為從電力儲(chǔ)存元件以輸出電壓向過程裝置電路提供電力，所述電源電路包括 低壓降電壓調(diào)節(jié)器，被配置為降低電力儲(chǔ)存元件的電壓和將降低的電壓提供到過程裝置電路；和 升壓轉(zhuǎn)換器，被配置為升高電力儲(chǔ)存元件的電壓和將升高的電壓提供到過程裝置電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其特征在于，該無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置還包括比較器，該比較器被配置為將低壓降電壓調(diào)節(jié)器和可替換地升壓轉(zhuǎn)換器選擇性地連接到過程裝置電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中比較器被配置為控制模擬開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中比較器對(duì)電力儲(chǔ)存元件的電壓輸出作出響應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中比較器將電壓閾值與電力儲(chǔ)存元件的輸出電壓進(jìn)行比較。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中在所述輸出電壓小于所述電壓閾值的情況下，比較器將升壓轉(zhuǎn)換器連接到過程裝置電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中在所述輸出電壓大于所述電壓閾值的情況下，比較器將低壓降轉(zhuǎn)換器連接到過程裝置電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中所述電壓閾值為3.O伏特。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中比較器的輸出連接到升壓轉(zhuǎn)換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中在低壓降電壓調(diào)節(jié)器連接過程裝置電路的情況下，比較器停止升壓轉(zhuǎn)換器的操作，從而降低功耗。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其特征在于，該無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置還包括連接到過程裝置電路的大容量電容器，該大容量電容器被配置為儲(chǔ)存電力。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其中電力儲(chǔ)存元件是從包括電池或電容器的電力儲(chǔ)存元件的組中選擇的。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，其特征在于，該無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置還包括二極管，該二極管被配置為將低壓降電壓調(diào)節(jié)器連接到過程裝置電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置，用于在控制或監(jiān)測工業(yè)過程的過程變量時(shí)使用，該無線工業(yè)過程現(xiàn)場裝置包括過程接口元件，該過程接口元件被配置為檢測或控制工業(yè)過程的過程變量。過程裝置電路包括過程接口電路，該過程接口電路被配置為使用過程接口元件測量或控制工業(yè)過程的過程變量。無線通信電路被配置為用于無線通信。電源電路被配置為從電力儲(chǔ)存元件以輸出電壓向過程裝置電路提供電力。低壓降(LDO)電壓調(diào)節(jié)器被配置為降低輸出電壓。升壓轉(zhuǎn)換器被配置為升高輸出電壓。
文檔編號(hào)G05F1/46GK202694194SQ20122006349
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者加瓦哈·阿魯那卡拉姆, 尤達(dá)亞尚卡爾·班加羅爾·卡斯圖里 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司