フィールド装置用ワイヤレス通信アダプタ
ワイヤレス・プロセス通信アダプタ（１４、３０）が提供される。アダプタ（１４、３０）は、複数の開口（１５０、１５２）を有するハウジング（１２０）を含む。エンド・キャップ（１２４）は、複数の開口（１５０、１５２）の第１の開口（１５０）に結合される。フィールド装置継手（１２２）は、複数の開口（１５０、１５２）の第２番目（１５２）に配設される。ハウジング（１２０）、エンド・キャップ（１２４）及びフィールド装置継手（１２２）は、その内部にチャンバ（１３０）を画定する。少なくとも１つの回路基板がチャンバ（１３０）内部に配設され、回路基板（１３２、１３４）は、その上に配設されたワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手（１２２）を介してフィールド装置（１２）に結合可能である。１つの態様では、チャンバ内の実質的に全ての残容積が固体材料（１３６）で充填される。別の態様では、フィールド装置継手（１２２）には防爆バリア（１６４）が設けられる。本態様の組み合わせもまた提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
工業的な設定では、制御システムが、工業及び化学プロセス等の在庫を監視して制御するために用いられる。通常、制御システムは、工業用プロセスの主要な地点に分散されて、プロセス制御ループによって制御室内の制御回路に結合されたフィールド装置を用いて、これらの機能を行う。用語「フィールド装置」は、工業用プロセスの測定、制御及び監視で用いられる、分散された制御又はプロセス監視システムで機能を行う、現在既知であるか又はまた既知ではない全ての装置を含む任意の装置を意味する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかのフィールド装置は、トランスデューサを含む。トランスデューサは、物理的な入力にもとづいて出力信号を生成する装置か、あるいは入力信号にもとづいて物理的な出力を生成する装置を意味すると理解される。通常、トランスデューサは、入力を、異なる形式を有する出力に変換する。トランスデューサのタイプは、各種分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、流量トランスミッタ、ディジタル弁コントローラ、流量計、流量計算器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータ照明装置及び他を含む。
【０００３】
通常、各フィールド装置は、プロセス制御ループを経由して、プロセス制御室又は他の回路と通信するために用いられる通信回路をさらに含む。いくつかの設備では、プロセス制御ループをさらに用いて、フィールド装置に電力供給するために、フィールド装置に、調整された電流及び／又は電圧を伝える。また、プロセス制御ループは、データをアナログ形式あるいはディジタル形式で伝送する。
【０００４】
従来、アナログフィールド装置は、２線式プロセス制御電流ループにより制御室に接続されたもので、各装置は単一の２線式制御ループにより制御室に接続されていた。通常、２線間での電圧差は、アナログモード向けの１２〜４５ボルト及びディジタルモード向けの９〜５０の電圧範囲内に維持される。いくつかのアナログフィールド装置は、電流ループを通過する電流を、感知されたプロセス変数に比例する電流に変調することにより、制御室に信号を送信する。他のアナログフィールド装置は、制御室の制御下で、ループを通る電流の大きさを制御することによって動作を行うことができる。加えて、又はこれに代えて、プロセス制御ループは、フィールド装置と通信するために用いられるディジタル信号を伝送することもできる。
【０００５】
いくつかの設備では、フィールド装置と通信するために、ワイヤレス技術が用いられ始めてきた。ワイヤレス動作は、フィールド装置の配線及びセットアップを簡略化する。しかし、大多数のフィールド装置は、プロセス制御室にハードワイヤード接続され、ワイヤレス通信技術を用いない。
【０００６】
工業用プロセスプラントは、多くの場合、数百あるいは数千ものフィールド装置を包含する。これらのフィールド装置の多くが、高度な電子機器を包含し、従来のアナログ４−２０ｍＡ測定よりも多くのデータを提供することが可能である。数多くの理由で、それらの費用から、多くのプラントは、そのようなフィールド装置によって提供されてもよい余分なデータを利用しない。これによって、フィールド装置に取り付けて、ワイヤレスネットワークを介して、制御システム又は他の監視又は診断システム又はアプリケーションにデータを送信し返すことができるようなフィールド装置用ワイヤレスアダプタの必要性が生じている。
【０００７】
工業用プロセスプラントを稼動させるために、フィールド装置は多くの場合、危険場所承認レーティングを保持することが必要とされる。異なるタイプのレーティングがあり、広範に採用されるために、ワイヤレスフィールド装置アダプタは、そのフィールド装置の危険場所承認レーティングを損なうことなく、そのようなフィールド装置のそれぞれに取り付けが可能である必要がある。
【０００８】
これらの承認レーティングの１つは、防爆又は爆発防護レーティングとして知られる。防爆筐体の目的は、可燃性ガスが筐体に入り込んで発火した場合に、爆発を封じ込めることである。筐体が爆発を封じ込めることに失敗した場合、周囲のガスが発火して、壊滅的な結果となる可能性がある。ワイヤレス装置製造者が直面する１つの課題は、爆発圧力に耐えることが可能である筐体を介して、ワイヤレス信号を伝搬する方法である。そのような筐体は、多くの場合大きく、金属、たとえば鋼鉄又はアルミニウム製である。現在使用できるワイヤレス送信技術は、厚いガラスのアンテナレドームか、又はエネルギ制限回路を有し、比較的壊れやすい「ラバーダック」アンテナに装着された防爆性の同軸フィードスルーを含む。プラスチックのレドーム単体では、爆発圧力に耐えることが可能とは考えられず、またそれらが承認機関の耐薬品性、環境抵抗性、及び耐衝撃性要求に適合するとは考えられない。
【０００９】
別のタイプの承認レーティングは、本質的安全（ＩＳ)として知られる。本質的に安全な装置は、電子機器内に存在するエネルギ量を制限し、電子部品が、電気的故障の場合にアークの発生を防止するために十分に遠くに離れて間隔を置かれることを確実にすることによって、可燃性ガスの発火を防止する。電子部品によって発生する熱もまた制御される。装置の電子機器を本質的に安全にすることは、部品数が増えるとともに、回路基板サイズを増大させる傾向にある。このことはまた、装置の形状因子を最小化する必要がある場合に、課題をもたらす。
【００１０】
ワイヤレス通信アダプタが防爆設備で用いられるためには、それ自体が防爆性である必要があり、２つの装置間の接続に防爆バリアが設けられる必要がある。本質的に安全な設備のためには、ワイヤレス通信回路も同様に本質的に安全である必要がある。そのようなアダプタを任意の装置に取り付けるための能力はまた、形状要素を大きくする。工業用装置、たとえばフィールド装置は、多くの構成で設置されることができ、多くの場合余裕のない空間に配設される。このことは、小規模で邪魔にならない設計を必要とする。これを達成するために、アンテナをワイヤレス通信アダプタと一体型にすることと、回路基板サイズを最小化することが有益である。このことは、防爆認定あるいは本質的安全認定を必要とする設備のための設計を複雑にする。
【００１１】
比較的小規模で突出せず、しかもなおかつ防爆認定及び本質的安全の要求への遵守を容易にすることができるフィールド装置用のワイヤレス通信アダプタを提供することは、ワイヤレスプロセス通信技術を前進させる。
【発明の概要】
【００１２】
ワイヤレスプロセス通信アダプタが提供される。アダプタは、複数の開口を有するハウジングを含む。エンドキャップは、複数の開口の第１の開口に結合される。フィールド装置継手は、複数の開口の第２番目に配設される。ハウジング、エンドキャップ及びフィールド装置継手は、その内部にチャンバを画定する。少なくとも１つの回路基板がチャンバ内部に配設され、回路基板は、その上に配設されたワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手を介してフィールド装置に結合可能である。１つの態様では、チャンバ内の実質的に全ての残容積が固体材料で充填される。別の態様では、フィールド装置継手には防爆バリアが設けられる。各態様の組み合わせもまた提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態のワイヤレス通信アダプタに動作可能に結合された、プロセス・ワイヤード・フィールド装置の線図である。
【図２】本発明の一実施形態の、フィールド装置及びワイヤレス・プロセス通信アダプタの簡略化された断面図である。
【図３】本発明の一実施形態のワイヤレス・プロセス通信アダプタの断面線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態では、全体として、防爆性かあるいは本質的に安全なワイヤード・フィールド装置に、そのようなフィールド装置の承認レーティングを損なうことなく取り付けられ得るワイヤレス・トランスミッタを提供する。ワイヤレス通信アダプタは、爆発防護を提供し、しかも好ましくは本質的に安全な電子機器を包含するように構成される。好ましくは、アダプタは、ワイヤード装置への接続点に防爆バリアを含み、完全に密閉された電子機器を含む。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態の、ワイヤレス通信アダプタ１４に動作可能に結合されたプロセス・ワイヤード・フィールド装置１２の線図である。フィールド装置１２は、プロセス流体圧力トランスミッタとして図１に図示され、たとえばChanhassen, MinnesotaのEmerson Process Managementより入手可能な、商品名Model 3051Sで販売されているものであるが、任意の好適なフィールド装置を用いてもよい。通常、フィールド装置は、センサ・モジュール、たとえばセンサ・モジュール１６と、電子機器モジュール、たとえば電子機器モジュール１８とを含む。さらに、上述のように、フィールド装置１２は、多くの場合、防爆規則を遵守するように設計される。さらに、フィールド装置１２内部の電子機器の設計は、本質的安全要求、たとえば１９９８年１０月にFactory Mutual Researchによって、APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II, AND III, DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610と題して公布された規格の１以上の部分に従うことができる。通常、フィールド装置１２は、センサ・モジュール１６内に、センサ、たとえば圧力センサを含み、プロセス流体特性、たとえば圧力を変換し、電子機器モジュール１８にそのプロセス流体変数の電気表示を提供する。そして、電子機器モジュール１８は、通常は入力部２０を介して結合するプロセス通信ループを経由して、プロセス変数情報を通信する。
【００１６】
上記のように、プロセス・ワイヤード・フィールド装置に、さらなる通信能力、たとえばワイヤレス通信能力を提供することが有利になってきている。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ、たとえばプロセス通信アダプタ１４を設けることによって、プロセス・ワイヤード接続を介して送信することができるよりも、さらなるディジタル情報を伝達することができる。そのような情報は、別個の監視、又は診断システム又は分析用のアプリケーションに通信されてもよい。また、さらなる通信資源、たとえばアダプタ１４を単に設けることによっても、二重化通信が可能になる。プロセス通信アダプタ１４は、防爆及び／又は本質的安全要求に適合し続けるためのアセンブリの能力に悪影響を及ぼすことなく、フィールド装置に結合可能であることが重要である。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態の、フィールド装置１２及びワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０の簡略化された断面図を示す。フィールド装置１２は、入力部２０及び導管１１を介してプロセス通信ループ２２に結合される。プロセス通信ループの例は、ハイウェイ・アドレサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコル及びＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス・プロトコルを含む。しかし、他のワイヤード・プロセス通信プロトコルが既知である。プロセス変数トランスミッタの例では、フィールド装置１２は、プロセス変数を測定するための測定回路５２に接続しているプロセス変数センサ５０を含む。トランスミッタ回路５４は、プロセス変数を受信して、既知の技術を用いて２線式プロセス制御ループ２２上にプロセス変数を通信するように構成される。フィールド装置１２は、接続ブロック１０６を介して２線式プロセス制御ループ２２に結合する。ワイヤレス通信アダプタ３０は、接続ブロック１０６を介して２線式プロセス制御ループ２２に結合し、たとえば、ねじ山／溝接続１２３及び１０９を介して、フィールド装置１２のハウジングに装着される。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０のシャーシは、ワイヤ１０８を介して、フィールド装置１２の電気的接地コネクタ１１０に結合する。フィールド装置１２は、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０からの接続線１１２に結合する２線式プロセス接続ブロック１０２を含む。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０のハウジング１２０は、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０のワイヤレス通信回路に結合するアンテナ１２６を保持する。無線周波数（ＲＦ）を透過させるエンド・キャップ１２４は、ハウジング１２０にシール可能に結合するように用いられ、それを介してＲＦ信号を送信することが可能である。図２に示された構成では、無線周波数アダプタに５つの電気接続が設けられ、それには電気的な接地の接続とともに４つのループ接続が含まれる。
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態のワイヤレス・プロセス通信アダプタの断面線図である。図３に図示されるように、ワイヤレス・プロセス通信アダプタは、好ましくは、一端に無線周波数を透過するレドーム又はエンド・キャップ１２４を収容するための大きな開口１５０を有し、他端にフィールド装置継手１２２を収容するための比較的小さな開口１５２を有する、円筒形の金属筐体１２０を含む。電子機器１５４は、好ましくは一対のプリント回路基板１３２、１３４上のキャビティ１３０内部に存在する。電子機器は、好ましくは、ワイヤレス通信回路を含み、ワイヤレス・プロセス通信アダプタが１以上のワイヤレス通信プロトコルに従って通信することを可能にする。好適なワイヤレス・プロセス通信プロトコルの例は、ワイヤレス・ネットワーキング技術（たとえば、Irvine, CaliforniaのLinksysによって構築されたＩＥＥＥ ８０２．１１ｂワイヤレス・アクセス・ポイント及びワイヤレス・ネットワーキング装置）、セルラ式又はディジタル・ネットワーキング技術（たとえば、San Jose, CaliforniaのAeris Communications Inc.によるMicroburst（登録商標））、超広域帯（ウルトラ・ワイド・バンド）、自由空間光通信（フリー・スペース・オプティックス）、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ（ＧＳＭ）、汎用パケット無線システム（ＧＰＲＳ）、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、スペクトル拡散技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（ショート・メッセージ・サービス／テキスト・メッセージ）、既知のBluetooth仕様、たとえばBluetooth SIG (www.bluetooth.com)より入手可能なBluetooth Core Specification Version 1.1(２００１年２月２２日）、及びHart Communication Foundationによって発表されたワイヤレスHART（登録商標）仕様を例として含む。ワイヤレスHART（登録商標）仕様の関連部分は、たとえばHCF_Spec 13, revision 7.0, HART Specification 65 − ワイヤレス物理層仕様、HART Specification 75 − TDMAデータリンク層仕様 (TDMAは時分割多重アクセスを指す)、HART Specification 85 - ネットワーク管理仕様、HART Specification 155 −ワイヤレス・コマンド仕様、及びHART Specification 290 − ワイヤレス装置仕様を含む。
【００１９】
各回路基板１３２、１３４上の電子機器は、好ましくはその周囲及び各回路基板間に間隔を有して搭載されて、ポッティング剤の流れを容易にする。筐体を密閉した状態で、ポッティング１３６は、筐体が一杯になるまで、通路１５６を介してチャンバ１３０内に注入される。任意の好適なポッティング剤を用いることができるが、ポッティング材料自体が、好適な耐薬品性、高温又は低温の動作温度での耐熱性、及び他の関連するパラメータを含んで、承認機関の要求に適合することが重要である。レドーム１２４、筐体１２０及びフィールド装置継手１２２は、ポッティング１３６のための耐候性シェルを提供する。
【００２０】
フィールド装置継手１２２は、フィールド装置１２に直接取り付けるための方法を提供する。フィードスルー・アセンブリ１４０は、好ましくは接続点での防爆バリアとしても機能する。可燃性ガスがフィールド装置の筐体に入り込んで発火した場合、フィードスルー・アセンブリ１４０は、爆発を抑止する。ワイヤ・リード線１５８、１６０は、フィードスルー・アセンブリ１４０を通過する。継手の内側は、爆発圧力に耐えることが可能であるポッティングで充填される。継手の内側は、継手内のポッティングの保持を助けるショルダ１６６を含む。また、フィールド装置継手１２２は、調節能力を提供するための組合せ部（ユニオン）及び／又は屈曲部（エルボ）を、所望されるように含むことができる。１つの実施形態では、防爆バリアは、ワイヤ１５８、１６０を、フィードスルー・アセンブリ１４０内のセメンテッド式ジョイント１６４を通過させることによって提供される。このセメンテッド式ジョイント１６４は、爆発圧力に耐えることが可能であるポッティングでフィードスルー・アセンブリ１４０を充填することによって作り出される。
【００２１】
別の実施形態では、フィードスルー・アセンブリ１４０は、熱硬化性エポキシ樹脂性の中空のシリンダ１６２から構成されることができる。ワイヤ１５８、１６０は、シリンダ１６２を通って延伸され、そしてシリンダはポッティング１６４で充填される。フィードスルー・アセンブリ１４０は、フィールド装置継手１２２のショルダ１６６がフィードスルー・アセンブリ１４０の面１６８に対して当接するように、フィールド装置継手１２２内をスライドさせて挿入される。円筒形のフィードスルー・アセンブリ１４０の外径、フィールド装置継手１２２の内径、及び両者の長さは、あらゆる燃焼するガスの抜けようとする可能性を失わせるために十分に長く狭い空隙１７０を維持するように厳密に制御される。また、フィードスルー１４０の外径は、好ましくは環境シーリングのためのＯリング１７２を含む。
【００２２】
このように、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０は、好ましくはフィードスルー・アセンブリの密閉及び適合を用いて、爆発すること及び環境的なことへの防護を提供し、本質的安全保護のために電子部品間で必要とされる間隔を少なくする。本質的に安全な間隔要件は、電子部品間の空間がポッティングで充填されている場合はあまり厳しくない。これによって、装置全体がより効果的に最小化されることが可能になる。密閉によって、可燃性ガスを全体的に排除することにより、爆発防護が達成される。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０の電子機器は、ポッティングによって完全に取り囲まれるため、環境から保護される。
【００２３】
プラスチック及びポッティングは、それぞれ長所及び短所を有し、これらをともに用いて互いの短所を補償する。プラスチックを用いることで、ほとんどのポッティング剤からは得られない堅固なシェル及び耐紫外線性ならびに耐燃性を提供することができる。ポッティングは、内部からプラスチックを支持し、これによってその耐衝撃性が改善される。ポッティングは、機関承認のために必要とされる耐薬品性を提供し、解決すべき防水及び防塵レーティングを果たすが、これは水及び塵埃が電子機器に到達することが事実上不可能になるためである。また、ポッティングは、電子機器が事実上振動に影響されないようにし、本質的安全のより狭い間隔によってより小さな回路基板が可能になる。この設計により、結果として、プロセス通信アダプタ３０からリード線を出す防爆ジョイント１つのみを備えるコンパクトなパッケージになる。アンテナ１２６は、装置内部に維持され、必然的に要する爆発防護を備える外部アンテナの必要性が除外される。
【００２４】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。
【技術分野】
【０００１】
背景技術
工業的な設定では、制御システムが、工業及び化学プロセス等の在庫を監視して制御するために用いられる。通常、制御システムは、工業用プロセスの主要な地点に分散されて、プロセス制御ループによって制御室内の制御回路に結合されたフィールド装置を用いて、これらの機能を行う。用語「フィールド装置」は、工業用プロセスの測定、制御及び監視で用いられる、分散された制御又はプロセス監視システムで機能を行う、現在既知であるか又はまた既知ではない全ての装置を含む任意の装置を意味する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかのフィールド装置は、トランスデューサを含む。トランスデューサは、物理的な入力にもとづいて出力信号を生成する装置か、あるいは入力信号にもとづいて物理的な出力を生成する装置を意味すると理解される。通常、トランスデューサは、入力を、異なる形式を有する出力に変換する。トランスデューサのタイプは、各種分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、流量トランスミッタ、ディジタル弁コントローラ、流量計、流量計算器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータ照明装置及び他を含む。
【０００３】
通常、各フィールド装置は、プロセス制御ループを経由して、プロセス制御室又は他の回路と通信するために用いられる通信回路をさらに含む。いくつかの設備では、プロセス制御ループをさらに用いて、フィールド装置に電力供給するために、フィールド装置に、調整された電流及び／又は電圧を伝える。また、プロセス制御ループは、データをアナログ形式あるいはディジタル形式で伝送する。
【０００４】
従来、アナログフィールド装置は、２線式プロセス制御電流ループにより制御室に接続されたもので、各装置は単一の２線式制御ループにより制御室に接続されていた。通常、２線間での電圧差は、アナログモード向けの１２〜４５ボルト及びディジタルモード向けの９〜５０の電圧範囲内に維持される。いくつかのアナログフィールド装置は、電流ループを通過する電流を、感知されたプロセス変数に比例する電流に変調することにより、制御室に信号を送信する。他のアナログフィールド装置は、制御室の制御下で、ループを通る電流の大きさを制御することによって動作を行うことができる。加えて、又はこれに代えて、プロセス制御ループは、フィールド装置と通信するために用いられるディジタル信号を伝送することもできる。
【０００５】
いくつかの設備では、フィールド装置と通信するために、ワイヤレス技術が用いられ始めてきた。ワイヤレス動作は、フィールド装置の配線及びセットアップを簡略化する。しかし、大多数のフィールド装置は、プロセス制御室にハードワイヤード接続され、ワイヤレス通信技術を用いない。
【０００６】
工業用プロセスプラントは、多くの場合、数百あるいは数千ものフィールド装置を包含する。これらのフィールド装置の多くが、高度な電子機器を包含し、従来のアナログ４−２０ｍＡ測定よりも多くのデータを提供することが可能である。数多くの理由で、それらの費用から、多くのプラントは、そのようなフィールド装置によって提供されてもよい余分なデータを利用しない。これによって、フィールド装置に取り付けて、ワイヤレスネットワークを介して、制御システム又は他の監視又は診断システム又はアプリケーションにデータを送信し返すことができるようなフィールド装置用ワイヤレスアダプタの必要性が生じている。
【０００７】
工業用プロセスプラントを稼動させるために、フィールド装置は多くの場合、危険場所承認レーティングを保持することが必要とされる。異なるタイプのレーティングがあり、広範に採用されるために、ワイヤレスフィールド装置アダプタは、そのフィールド装置の危険場所承認レーティングを損なうことなく、そのようなフィールド装置のそれぞれに取り付けが可能である必要がある。
【０００８】
これらの承認レーティングの１つは、防爆又は爆発防護レーティングとして知られる。防爆筐体の目的は、可燃性ガスが筐体に入り込んで発火した場合に、爆発を封じ込めることである。筐体が爆発を封じ込めることに失敗した場合、周囲のガスが発火して、壊滅的な結果となる可能性がある。ワイヤレス装置製造者が直面する１つの課題は、爆発圧力に耐えることが可能である筐体を介して、ワイヤレス信号を伝搬する方法である。そのような筐体は、多くの場合大きく、金属、たとえば鋼鉄又はアルミニウム製である。現在使用できるワイヤレス送信技術は、厚いガラスのアンテナレドームか、又はエネルギ制限回路を有し、比較的壊れやすい「ラバーダック」アンテナに装着された防爆性の同軸フィードスルーを含む。プラスチックのレドーム単体では、爆発圧力に耐えることが可能とは考えられず、またそれらが承認機関の耐薬品性、環境抵抗性、及び耐衝撃性要求に適合するとは考えられない。
【０００９】
別のタイプの承認レーティングは、本質的安全（ＩＳ)として知られる。本質的に安全な装置は、電子機器内に存在するエネルギ量を制限し、電子部品が、電気的故障の場合にアークの発生を防止するために十分に遠くに離れて間隔を置かれることを確実にすることによって、可燃性ガスの発火を防止する。電子部品によって発生する熱もまた制御される。装置の電子機器を本質的に安全にすることは、部品数が増えるとともに、回路基板サイズを増大させる傾向にある。このことはまた、装置の形状因子を最小化する必要がある場合に、課題をもたらす。
【００１０】
ワイヤレス通信アダプタが防爆設備で用いられるためには、それ自体が防爆性である必要があり、２つの装置間の接続に防爆バリアが設けられる必要がある。本質的に安全な設備のためには、ワイヤレス通信回路も同様に本質的に安全である必要がある。そのようなアダプタを任意の装置に取り付けるための能力はまた、形状要素を大きくする。工業用装置、たとえばフィールド装置は、多くの構成で設置されることができ、多くの場合余裕のない空間に配設される。このことは、小規模で邪魔にならない設計を必要とする。これを達成するために、アンテナをワイヤレス通信アダプタと一体型にすることと、回路基板サイズを最小化することが有益である。このことは、防爆認定あるいは本質的安全認定を必要とする設備のための設計を複雑にする。
【００１１】
比較的小規模で突出せず、しかもなおかつ防爆認定及び本質的安全の要求への遵守を容易にすることができるフィールド装置用のワイヤレス通信アダプタを提供することは、ワイヤレスプロセス通信技術を前進させる。
【発明の概要】
【００１２】
ワイヤレスプロセス通信アダプタが提供される。アダプタは、複数の開口を有するハウジングを含む。エンドキャップは、複数の開口の第１の開口に結合される。フィールド装置継手は、複数の開口の第２番目に配設される。ハウジング、エンドキャップ及びフィールド装置継手は、その内部にチャンバを画定する。少なくとも１つの回路基板がチャンバ内部に配設され、回路基板は、その上に配設されたワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手を介してフィールド装置に結合可能である。１つの態様では、チャンバ内の実質的に全ての残容積が固体材料で充填される。別の態様では、フィールド装置継手には防爆バリアが設けられる。各態様の組み合わせもまた提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態のワイヤレス通信アダプタに動作可能に結合された、プロセス・ワイヤード・フィールド装置の線図である。
【図２】本発明の一実施形態の、フィールド装置及びワイヤレス・プロセス通信アダプタの簡略化された断面図である。
【図３】本発明の一実施形態のワイヤレス・プロセス通信アダプタの断面線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態では、全体として、防爆性かあるいは本質的に安全なワイヤード・フィールド装置に、そのようなフィールド装置の承認レーティングを損なうことなく取り付けられ得るワイヤレス・トランスミッタを提供する。ワイヤレス通信アダプタは、爆発防護を提供し、しかも好ましくは本質的に安全な電子機器を包含するように構成される。好ましくは、アダプタは、ワイヤード装置への接続点に防爆バリアを含み、完全に密閉された電子機器を含む。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態の、ワイヤレス通信アダプタ１４に動作可能に結合されたプロセス・ワイヤード・フィールド装置１２の線図である。フィールド装置１２は、プロセス流体圧力トランスミッタとして図１に図示され、たとえばChanhassen, MinnesotaのEmerson Process Managementより入手可能な、商品名Model 3051Sで販売されているものであるが、任意の好適なフィールド装置を用いてもよい。通常、フィールド装置は、センサ・モジュール、たとえばセンサ・モジュール１６と、電子機器モジュール、たとえば電子機器モジュール１８とを含む。さらに、上述のように、フィールド装置１２は、多くの場合、防爆規則を遵守するように設計される。さらに、フィールド装置１２内部の電子機器の設計は、本質的安全要求、たとえば１９９８年１０月にFactory Mutual Researchによって、APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II, AND III, DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610と題して公布された規格の１以上の部分に従うことができる。通常、フィールド装置１２は、センサ・モジュール１６内に、センサ、たとえば圧力センサを含み、プロセス流体特性、たとえば圧力を変換し、電子機器モジュール１８にそのプロセス流体変数の電気表示を提供する。そして、電子機器モジュール１８は、通常は入力部２０を介して結合するプロセス通信ループを経由して、プロセス変数情報を通信する。
【００１６】
上記のように、プロセス・ワイヤード・フィールド装置に、さらなる通信能力、たとえばワイヤレス通信能力を提供することが有利になってきている。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ、たとえばプロセス通信アダプタ１４を設けることによって、プロセス・ワイヤード接続を介して送信することができるよりも、さらなるディジタル情報を伝達することができる。そのような情報は、別個の監視、又は診断システム又は分析用のアプリケーションに通信されてもよい。また、さらなる通信資源、たとえばアダプタ１４を単に設けることによっても、二重化通信が可能になる。プロセス通信アダプタ１４は、防爆及び／又は本質的安全要求に適合し続けるためのアセンブリの能力に悪影響を及ぼすことなく、フィールド装置に結合可能であることが重要である。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態の、フィールド装置１２及びワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０の簡略化された断面図を示す。フィールド装置１２は、入力部２０及び導管１１を介してプロセス通信ループ２２に結合される。プロセス通信ループの例は、ハイウェイ・アドレサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコル及びＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス・プロトコルを含む。しかし、他のワイヤード・プロセス通信プロトコルが既知である。プロセス変数トランスミッタの例では、フィールド装置１２は、プロセス変数を測定するための測定回路５２に接続しているプロセス変数センサ５０を含む。トランスミッタ回路５４は、プロセス変数を受信して、既知の技術を用いて２線式プロセス制御ループ２２上にプロセス変数を通信するように構成される。フィールド装置１２は、接続ブロック１０６を介して２線式プロセス制御ループ２２に結合する。ワイヤレス通信アダプタ３０は、接続ブロック１０６を介して２線式プロセス制御ループ２２に結合し、たとえば、ねじ山／溝接続１２３及び１０９を介して、フィールド装置１２のハウジングに装着される。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０のシャーシは、ワイヤ１０８を介して、フィールド装置１２の電気的接地コネクタ１１０に結合する。フィールド装置１２は、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０からの接続線１１２に結合する２線式プロセス接続ブロック１０２を含む。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０のハウジング１２０は、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０のワイヤレス通信回路に結合するアンテナ１２６を保持する。無線周波数（ＲＦ）を透過させるエンド・キャップ１２４は、ハウジング１２０にシール可能に結合するように用いられ、それを介してＲＦ信号を送信することが可能である。図２に示された構成では、無線周波数アダプタに５つの電気接続が設けられ、それには電気的な接地の接続とともに４つのループ接続が含まれる。
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態のワイヤレス・プロセス通信アダプタの断面線図である。図３に図示されるように、ワイヤレス・プロセス通信アダプタは、好ましくは、一端に無線周波数を透過するレドーム又はエンド・キャップ１２４を収容するための大きな開口１５０を有し、他端にフィールド装置継手１２２を収容するための比較的小さな開口１５２を有する、円筒形の金属筐体１２０を含む。電子機器１５４は、好ましくは一対のプリント回路基板１３２、１３４上のキャビティ１３０内部に存在する。電子機器は、好ましくは、ワイヤレス通信回路を含み、ワイヤレス・プロセス通信アダプタが１以上のワイヤレス通信プロトコルに従って通信することを可能にする。好適なワイヤレス・プロセス通信プロトコルの例は、ワイヤレス・ネットワーキング技術（たとえば、Irvine, CaliforniaのLinksysによって構築されたＩＥＥＥ ８０２．１１ｂワイヤレス・アクセス・ポイント及びワイヤレス・ネットワーキング装置）、セルラ式又はディジタル・ネットワーキング技術（たとえば、San Jose, CaliforniaのAeris Communications Inc.によるMicroburst（登録商標））、超広域帯（ウルトラ・ワイド・バンド）、自由空間光通信（フリー・スペース・オプティックス）、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ（ＧＳＭ）、汎用パケット無線システム（ＧＰＲＳ）、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、スペクトル拡散技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（ショート・メッセージ・サービス／テキスト・メッセージ）、既知のBluetooth仕様、たとえばBluetooth SIG (www.bluetooth.com)より入手可能なBluetooth Core Specification Version 1.1(２００１年２月２２日）、及びHart Communication Foundationによって発表されたワイヤレスHART（登録商標）仕様を例として含む。ワイヤレスHART（登録商標）仕様の関連部分は、たとえばHCF_Spec 13, revision 7.0, HART Specification 65 − ワイヤレス物理層仕様、HART Specification 75 − TDMAデータリンク層仕様 (TDMAは時分割多重アクセスを指す)、HART Specification 85 - ネットワーク管理仕様、HART Specification 155 −ワイヤレス・コマンド仕様、及びHART Specification 290 − ワイヤレス装置仕様を含む。
【００１９】
各回路基板１３２、１３４上の電子機器は、好ましくはその周囲及び各回路基板間に間隔を有して搭載されて、ポッティング剤の流れを容易にする。筐体を密閉した状態で、ポッティング１３６は、筐体が一杯になるまで、通路１５６を介してチャンバ１３０内に注入される。任意の好適なポッティング剤を用いることができるが、ポッティング材料自体が、好適な耐薬品性、高温又は低温の動作温度での耐熱性、及び他の関連するパラメータを含んで、承認機関の要求に適合することが重要である。レドーム１２４、筐体１２０及びフィールド装置継手１２２は、ポッティング１３６のための耐候性シェルを提供する。
【００２０】
フィールド装置継手１２２は、フィールド装置１２に直接取り付けるための方法を提供する。フィードスルー・アセンブリ１４０は、好ましくは接続点での防爆バリアとしても機能する。可燃性ガスがフィールド装置の筐体に入り込んで発火した場合、フィードスルー・アセンブリ１４０は、爆発を抑止する。ワイヤ・リード線１５８、１６０は、フィードスルー・アセンブリ１４０を通過する。継手の内側は、爆発圧力に耐えることが可能であるポッティングで充填される。継手の内側は、継手内のポッティングの保持を助けるショルダ１６６を含む。また、フィールド装置継手１２２は、調節能力を提供するための組合せ部（ユニオン）及び／又は屈曲部（エルボ）を、所望されるように含むことができる。１つの実施形態では、防爆バリアは、ワイヤ１５８、１６０を、フィードスルー・アセンブリ１４０内のセメンテッド式ジョイント１６４を通過させることによって提供される。このセメンテッド式ジョイント１６４は、爆発圧力に耐えることが可能であるポッティングでフィードスルー・アセンブリ１４０を充填することによって作り出される。
【００２１】
別の実施形態では、フィードスルー・アセンブリ１４０は、熱硬化性エポキシ樹脂性の中空のシリンダ１６２から構成されることができる。ワイヤ１５８、１６０は、シリンダ１６２を通って延伸され、そしてシリンダはポッティング１６４で充填される。フィードスルー・アセンブリ１４０は、フィールド装置継手１２２のショルダ１６６がフィードスルー・アセンブリ１４０の面１６８に対して当接するように、フィールド装置継手１２２内をスライドさせて挿入される。円筒形のフィードスルー・アセンブリ１４０の外径、フィールド装置継手１２２の内径、及び両者の長さは、あらゆる燃焼するガスの抜けようとする可能性を失わせるために十分に長く狭い空隙１７０を維持するように厳密に制御される。また、フィードスルー１４０の外径は、好ましくは環境シーリングのためのＯリング１７２を含む。
【００２２】
このように、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０は、好ましくはフィードスルー・アセンブリの密閉及び適合を用いて、爆発すること及び環境的なことへの防護を提供し、本質的安全保護のために電子部品間で必要とされる間隔を少なくする。本質的に安全な間隔要件は、電子部品間の空間がポッティングで充填されている場合はあまり厳しくない。これによって、装置全体がより効果的に最小化されることが可能になる。密閉によって、可燃性ガスを全体的に排除することにより、爆発防護が達成される。ワイヤレス・プロセス通信アダプタ３０の電子機器は、ポッティングによって完全に取り囲まれるため、環境から保護される。
【００２３】
プラスチック及びポッティングは、それぞれ長所及び短所を有し、これらをともに用いて互いの短所を補償する。プラスチックを用いることで、ほとんどのポッティング剤からは得られない堅固なシェル及び耐紫外線性ならびに耐燃性を提供することができる。ポッティングは、内部からプラスチックを支持し、これによってその耐衝撃性が改善される。ポッティングは、機関承認のために必要とされる耐薬品性を提供し、解決すべき防水及び防塵レーティングを果たすが、これは水及び塵埃が電子機器に到達することが事実上不可能になるためである。また、ポッティングは、電子機器が事実上振動に影響されないようにし、本質的安全のより狭い間隔によってより小さな回路基板が可能になる。この設計により、結果として、プロセス通信アダプタ３０からリード線を出す防爆ジョイント１つのみを備えるコンパクトなパッケージになる。アンテナ１２６は、装置内部に維持され、必然的に要する爆発防護を備える外部アンテナの必要性が除外される。
【００２４】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口を有するハウジングと、
複数の開口の第１の開口に結合されたエンド・キャップと、
複数の開口の第２番目に配設されたフィールド装置継手とを含み、
ハウジング、エンド・キャップ及びフィールド装置継手が、内部にチャンバを画定し、
チャンバ内部に配設され、ワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手を介してフィールド装置に結合可能である、少なくとも１つの回路基板をさらに含み、
チャンバ内の実質的に全ての残容積が固体材料で充填される、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項２】
ワイヤレス通信回路が、本質的に安全である、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項３】
固体材料がエポキシ樹脂である、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項４】
ハウジングが円筒形に成形される、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項５】
ハウジングが、少なくとも部分的に、金属から構成される、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項６】
ワイヤレス・プロセス通信アダプタのシャーシが、フィールド装置の電気的接地に結合可能である、請求項５記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項７】
フィールド装置継手が、防爆バリアを含む、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項８】
防爆バリアが、圧力遮蔽フィードスルーを含む、請求項７記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項９】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手のショルダに当接する面を含む、請求項８記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１０】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手の内径と一致して、燃焼するガスを失わせるようなサイズにされた空隙を形成する外径を有する、請求項８記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１１】
フィールド装置継手の周囲に配設されたＯリングをさらに含む、請求項８記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１２】
防爆バリアが、導線を通すセメンテッド式ジョイントを含む、請求項７記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの回路基板は、互いに対して実質的に平行に配設され、固体材料で充填された空隙によって分離された複数の回路基板を含む、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１４】
複数の開口を有するハウジングと、
複数の開口の第１の開口に結合されたエンド・キャップと、
複数の開口の第２番目に配設されたフィールド装置継手とを含み、
ハウジング、エンド・キャップ及びフィールド装置継手が、内部にチャンバを画定し、
チャンバ内部に配設され、ワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手を介してフィールド装置に結合可能である、少なくとも１つの回路基板とを含み、
フィールド装置継手が、防爆バリアを含むように構成される、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１５】
防爆バリアが、圧力遮蔽フィードスルーを含む、請求項１４記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１６】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手のショルダに当接する面を含む、請求項１５記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１７】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手の内径と一致して、燃焼するガスを失わせるようなサイズにされた空隙を形成する外径を有する、請求項１５記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１８】
フィールド装置継手の周囲に配設されたＯリングをさらに含む、請求項１４記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１９】
防爆バリアが、導線を通すセメンテッド式ジョイントを含む、請求項１４記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１】
複数の開口を有するハウジングと、
複数の開口の第１の開口に結合されたエンド・キャップと、
複数の開口の第２番目に配設されたフィールド装置継手とを含み、
ハウジング、エンド・キャップ及びフィールド装置継手が、内部にチャンバを画定し、
チャンバ内部に配設され、ワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手を介してフィールド装置に結合可能である、少なくとも１つの回路基板をさらに含み、
チャンバ内の実質的に全ての残容積が固体材料で充填される、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項２】
ワイヤレス通信回路が、本質的に安全である、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項３】
固体材料がエポキシ樹脂である、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項４】
ハウジングが円筒形に成形される、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項５】
ハウジングが、少なくとも部分的に、金属から構成される、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項６】
ワイヤレス・プロセス通信アダプタのシャーシが、フィールド装置の電気的接地に結合可能である、請求項５記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項７】
フィールド装置継手が、防爆バリアを含む、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項８】
防爆バリアが、圧力遮蔽フィードスルーを含む、請求項７記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項９】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手のショルダに当接する面を含む、請求項８記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１０】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手の内径と一致して、燃焼するガスを失わせるようなサイズにされた空隙を形成する外径を有する、請求項８記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１１】
フィールド装置継手の周囲に配設されたＯリングをさらに含む、請求項８記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１２】
防爆バリアが、導線を通すセメンテッド式ジョイントを含む、請求項７記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの回路基板は、互いに対して実質的に平行に配設され、固体材料で充填された空隙によって分離された複数の回路基板を含む、請求項１記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１４】
複数の開口を有するハウジングと、
複数の開口の第１の開口に結合されたエンド・キャップと、
複数の開口の第２番目に配設されたフィールド装置継手とを含み、
ハウジング、エンド・キャップ及びフィールド装置継手が、内部にチャンバを画定し、
チャンバ内部に配設され、ワイヤレス通信回路を有し、フィールド装置継手を介してフィールド装置に結合可能である、少なくとも１つの回路基板とを含み、
フィールド装置継手が、防爆バリアを含むように構成される、ワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１５】
防爆バリアが、圧力遮蔽フィードスルーを含む、請求項１４記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１６】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手のショルダに当接する面を含む、請求項１５記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１７】
圧力遮蔽フィードスルーが、フィールド装置継手の内径と一致して、燃焼するガスを失わせるようなサイズにされた空隙を形成する外径を有する、請求項１５記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１８】
フィールド装置継手の周囲に配設されたＯリングをさらに含む、請求項１４記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【請求項１９】
防爆バリアが、導線を通すセメンテッド式ジョイントを含む、請求項１４記載のワイヤレス・プロセス通信アダプタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１１−５２５０２６（Ｐ２０１１−５２５０２６Ａ）
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１４６０６（Ｐ２０１１−５１４６０６）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／００３６２１
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１５４７５０
【国際公開日】平成２１年１２月２３日（２００９．１２．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
２．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（５９７１１５７２７）ローズマウント インコーポレイテッド (240)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／００３６２１
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１５４７５０
【国際公開日】平成２１年１２月２３日（２００９．１２．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
２．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（５９７１１５７２７）ローズマウント インコーポレイテッド (240)
【Ｆターム（参考）】
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