改良されたバッテリアセンブリを有する工業的プロセスフィールドデバイス
工業的プロセスフィールドデバイス（２００）が提供される。デバイス（２００）は、工業的プロセスフィールドデバイス（２００）内部に配置される無線プロセスフィールドデバイス電子機器（４１２；５１２；６１２；７１２；８１２）及び工業的プロセスフィールドデバイス（２００）の内部に配置され、無線プロセスフィールドデバイス電子機器（４１２；５１２；６１２；７１２；８１２）に動作的に接続される少なくとも一つのバッテリ電池（３２６；４４２；５２２；６５２；７４２；８４２）を含む。少なくとも一つのバッテリ電池（３２６；４４２；５２２；６５２；７４２；８４２）に関連した電気特性を検知し、ある条件に反応して無線プロセスフィールドデバイス電子機器（４１２；５１２；６１２；７１２；８１２）から少なくとも一つのバッテリ電池（３２６；４４２；５２２；６５２；７４２；８４２）を切り離す出力をスイッチ（４１８；５１８；６１０；７１８；８１８）に与える回路（４００；５００；６００；７００；８００；９００）が提供される。そのような条件は、少なくとも一つのバッテリ電池（３２６；４４２；５２２；６５２；７４２；８４２）から流れ出る多すぎる電流、低すぎる少なくとも一つのバッテリ電池（３２６；４４２；５２２；６５２；７４２；８４２）の電圧、又は生成される若しくは観測される短絡回路を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
多くの工業的プロセス環境では、工業的プロセスフィールドデバイス（本明細書ではまたトランスミッタとして参照される）を取り囲む環境空間に可燃性空気が存在する。バッテリの結合または非結合による高電圧スパークは、可燃性空気を引火する可能性を有している。
【０００２】
多くの工業的プロセス環境では、腐食性塵、液体、又はミストが存在し、電気回路を損傷し得る。電気回路は典型的には、シールされた電気コンパートメント中に密封される。しかしながら、そのようなコンパートメントを、バッテリを交換しそして再びシールするために開けるときに、バッテリ接点を汚す、又は電気コンパートメントの内部の腐食性化学物質を閉じ込め、電子機器の長期的劣化を引き起こす可能性を有している。一方、トランスミッタハウジングの外部に設置されたバッテリはまた、腐食を受ける。
【０００３】
トランスミッタ内部の回路は典型的には、偶発的な短絡回路又は故障条件下で可燃性空気をスパーク及び引火する十分な電気的エネルギーを流す。よってトランスミッタ電気コンパートメントを開ける前に特別な予防策が取られる。可燃性蒸気の周囲の環境を取り除く、トランスミッタに電力を供給するケーブルの電源を切る、又はその両方がなされる。安全性を向上させるために、組織は可燃性空気がときとして存在する領域でトランスミッタを開ける前に、「高熱作業許可」及び特に訓練された作業員を要求する。
【０００４】
通常の動作条件の下では電池及びバッテリは低電流レベルを供給し得るが、典型的には、故障条件の下では大変高い短絡回路電流を生成する。典型的な故障条件は、電池又はバッテリに外付けの回路内での短絡回路である。加えて、電池及びバッテリは、大きなエネルギー貯蔵容量又は等価な電気容量Ｃを有する。故障条件下での高い短絡回路電流及び大きなエネルギー貯蔵容量は典型的には、本質的に安全な回路規格とは両立しない。よって、トランスミッタハウジングの外部に電池又はバッテリを装着し、可燃性空気を通ってトランスミッタとバッテリの間にバッテリケーブルを走らせることは困難である。そのようなバッテリケーブルは、典型的には本質的に安全な回路要件に違反するだろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
類似の困難は他のタイプのバッテリ駆動工業プロセスフィールドデバイスでも遭遇する。工業的プロセス環境で広い領域の適用性を持つ改善されたバッテリ駆動工業プロセスフィールドデバイスを提供する方法及び装置が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
工業的プロセスフィールドデバイスが提供される。デバイスは、工業的プロセスフィールドデバイス内部に配置される無線プロセスフィールドデバイス電子機器及びデバイス電子機器内部に配置され無線プロセスフィールドデバイス電子機器に動作的に結合される少なくとも一つのバッテリを含んでいる。少なくとも一つの電池に関連した電気特性を検知し、ある条件に反応して無線プロセスフィールドデバイス電子機器を少なくとも一つの電池から切り離すためにスイッチに出力を与える回路が提供される。そのような条件には、少なくとも一つの電池から流れ出る多すぎる電流、少なくとも一つの電池の低すぎる電圧、又は生成された若しくはさもなければ観測された短絡回路が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】圧力が掛けられたプロセス管に設置された圧力トランスミッタを示す図である。
【図２】圧力トランスミッタの断面を示す図である。
【図３】バッテリコンパートメントの断面を示す図である。
【図４】本発明のある実施形態に従うある電流制限回路の図である。
【図５】本発明の別の実施形態に従う別の電流制限回路の図である。
【図６】本発明の別の実施形態に従う短絡回路保護回路の図である。
【図７】本発明のある実施形態に従うある低電圧カットオフ回路の図である。
【図８】本発明の別の実施形態に従う別の低電圧カットオフ回路の図である。
【図９】本発明のある実施形態に従う別の回路の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
工業的プロセスで用いられるトランスミッタのようなフィールドデバイスは、フィールド中のパイプライン、タンク及び他の工業的プロセス装置に設置され得る。トランスミッタは、プロセス圧力、プロセス流、プロセス流体温度、プロセス流体伝導度、プロセス流体ｐＨ、及び他のプロセス変量などのプロセス辺量を検知する。他のタイプの工業的プロセスフィールドデバイスは、バルブ、アクチュエータ、フィールド制御器、データディスプレイ、及び工業的フィールドネットワークブリッジのような通信装置を含む。
【０００９】
ある工業的プロセスフィールドデバイスは、電力及び電力のための内部バッテリ上のリレーへのケーブルでの接続を有していない。無線トランスミッタは、無線トランスミッタから離れている装置の制御又は監視のため無線通信チャンネルにプロセス変量を示す出力を送出する。制御又は監視装置は、典型的には制御室に配置される。無線トランスミッタは典型的には、制御室アンテナ又はゲートウェイのような他の無線ネットワークデバイスに無線送信するために用いられるアンテナを含んでいる。無線通信の使用は、トランスミッタと制御室の間に通信又は電力ケーブルの接続を回避させる。
【００１０】
無線トランスミッタは典型的には、動作のための小さな量の電力のみを必要とする電気回路を含む。必要とされる電力量は小さな交換可能な一次電池が電力を提供するために選考されるほどに小さい。しかしながら、その環境で内部バッテリの一般的な、広い使用を制限する、工業的プロセス環境に付随する難問が存在する。
【００１１】
図１は、圧力が掛かったプロセスパイプ１６に接続された圧力トランスミッタ１２を含むプロセス制御システム１０の図である。圧力トランスミッタ１２は、ＨＡＲＴ（登録商標）基準、４−２０ミリアンペアアナログ基準、又は他の既知のプロセス制御通信基準などの所望のプロトコルに従って動作する二線プロセス制御ループ１８に接続されている。二線プロセス制御ループ１８は圧力トランスミッタ１２と隔てて配置される制御室２０の間を走る。ロープ１８がＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルに従って操作する実施形態では、ループ１８は検知されたプロセス圧力を表し、また圧力トランスミッタ１２に対する全ての通電を与える電流Ｉを運び得る。応用によっては、トランスミッタ１２に通電するために二線プロセス制御ループ１８を用いる不利点が存在する。そのような応用では、配線プロセス制御ループ１８は用いられず、トランスミッタ１２はその代わりに電池又はバッテリによって通電され、以下で記述されるような無線通信を用いる。
【００１２】
図２は、圧力を検知する工業的プロセスフィールドデバイス２００の実施形態を示している。工業的プロセスフィールドデバイス２００は、ハウジング２０２を含んでいる。ハウジング２０２は、電子機器コンパートメント２０６とバッテリコンパートメント２０８の間に壁２０４を含んでいる。壁２０４は、貫通開口２０７を含んでいる。この実施形態では、第一ハウジングカバー２１０は全般的に円形で、工業的プロセス装置又はフィールドデバイス電子機器２１２を電子機器コンパートメント２０６に密封するためにハウジング２０２のネジ山にはめ込まれるネジ山を有している。第二ハウジングカバー２１４は全般的に円形で、バッテリアセンブリ２１６をバッテリコンパートメント２０８に密封するためにハウジング２０２のネジ山にはめ込まれるネジ山を有している。工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２は一般に、電力に限界があり、それらを化学プラント、石油精製などのようなプロセスプラント中で工業プロセスの監視及び制御での使用に適するようにする温度、信頼性、及び振動耐性特性を有する。フィールドデバイス電子機器は、プロセス制御ループと無線で通信するための通信回路を含み得る。
【００１３】
ハウジング２０２は、圧力センサハウジング２２２のネジ山２２０にはめ込まれるねじ山２１８を有している。圧力センサハウジング２２２は、圧力センサ２２４及びセンサ回路２２６を密封する。センサ回路２２６からの電気線２２８は、工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２に繋がる。ある実施形態では、ハウジング２０２及びハウジングカバー２１０、２１４は、金属ダイカストを含んでいる。
【００１４】
この実施形態では、貫通コネクタ２３０は貫通壁２０４に配設されている。貫通コネクタ２３０は、好ましくは貫通壁２０４を介して広がるシールされた電気接続２３２を含む。貫通コネクタ２３０は、電力を工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２に接続する電力コネクタ２３４及び２３６を含む。壁２０４及び貫通コネクタ２３０は、バッテリコンパートメント２０８と電子機器コンパートメント２０６の間の貫通開口２０６をシールする。バッテリコンパートメント２０８は、腐食性プロセス環境で開けられることが可能であり、腐食性プロセス環境は、貫通壁２０４及び貫通コネクタ２３０によって電子機器コンパートメントに漏れるのを妨げられる。ある実施形態では、貫通コネクタ２３０はプラスチックに鋳込まれた金属電気接続を含む噴出成型プラスチック部分を含む。
【００１５】
バッテリアセンブリ２１６は、電力コネクタ２３４及び２３６に電気的に接続されている。バッテリアセンブリ２１６は、エネルギー制限器２４０及び少なくとも一つの電池２４２を含んでいる。電力制限器は、電力を制限するピコフューズ、フューズ又は電気回路を含み得る。ある実施形態では、直列電流制限器２４０が、バッテリアセンブリ２１６と電力コネクタ２３４及び２３６の間の電気接続２４４において電力を本質的に安全なレベルに制限する。接続２４４は、本質的な安全回路を含む。本質的な安全回路は、（通常の動作及び特定の故障条件を含む）試験条件下で生成される火花又は熱的効果が接続２４４を取り囲む与えられた爆発性空気の点火を引き起こす可能性がない。直列電流制限器２４０の電流限界は、既知の方法を用いて（メタンのような）特定の可燃性気体及び（回路容量及びインダクタンスのような）特定の回路特性に対して計算可能である。ある実施形態では、余剰な本質的安全保護が、単一の電力制限器２４０の代わりに二つの電力制限器を用いることによって与えられる。
【００１６】
シール２５０は、バッテリアセンブリ２１６と電力コネクタ２３４及び２３６の間の電気接続２４４を取り囲む。シール２５０は、好ましくはバッテリ亜鉛ぶり２１６に配設され、バッテリアセンブリ２１６が取り外される又は設置されるときに貫通コネクタ２３０にしライド可能に噛み合うＯリングを含む。カバー２１４は、好ましくは回路接続リング２５２に沿ってバッテリアセンブリ２１６に噛み合い、高い振動環境では非常に便利である機械的支持を与える。
【００１７】
図３は、本発明のある実施形態に従う工業的プロセスフィールドデバイスのバッテリコンパートメント３０２の断面を示している。フィールドデバイスハウジング３０４の貫通壁部はバッテリコンパートメント３０２を電子機器コンパートメントから分離する。貫通コネクタ３０６は、装置ハウジング３０４の貫通壁部にシールされている。別の選択肢として、貫通コネクタはハウジングの部分と一体に形成される。貫通コネクタ３０６は、好ましくはプラスチック樹脂ガードを含み、シールされた電力コネクタ３０８を含む。電力コネクタの接触はガード３０７中の窪みに配置され、ＩＥＣ５２９基準に準拠するＩＰ２０に合致する。電力コネクタ３０８は電子機器コンパートメント中の回路カードアセンブリ３１０に配設される。回路カードアセンブリ３１０は、電力コネクタ３０８の周りの貫通コネクタ３０６にシールされる。ある実施形態では、貫通コネクタは、適当な物質に埋め込まれる。
【００１８】
この実施形態では、バッテリアセンブリ３２０はバッテリコンパートメント中に配置される。バッテリアセンブリ３２０は、ハウジングベース３２２及び電池３２６（又は複数の電池３２６）及び直列電流制限器３２８（又は複数の直列電流制限器３２８）を取り囲むハウジングキャップ３２４を含む。ハウジングベースは成型されたコネクタボディ３２３を含む。
【００１９】
ある実施形態では、成型されたコネクタボディ３２３は、バッテリハウジングベースから突出する突出プラグを含む。電気的バッテリ接続３３２は成型されたコネクタボディ３２３中の窪みに配置され、扱い中に機械的損傷から保護される。ガード３０７は、貫通コネクタ３０６から突出する突出ソケットを含む。電力コネクタ３０８はガード３０７中の窪みに配置され、機械的損傷から保護される２つのピンを含む。接続の噛み合わせは、カバー３４０を取り外した後フィールドで容易に一体化され又は分離されるスライド接続である。
【００２０】
電圧制限ダイオードのような別の本質的安全保護デバイスはまた、バッテリアセンブリ３２０にふくまれ得る。電池３２６及び直列電流制限器３２８は好ましくは、プリント配線ボード３３９に配設される。バッテリアセンブリは、電気的接続３３４において電力コネクタ３０８に電気的に接続する電気接続３３２を含む。直列電流制限器３２８は、電気接続３３４において電力を本質的安全レベルに制限する。シール３３６は、電気接続３３４を取り巻く。
【００２１】
ある実施形態では、成型されたコネクタボディ３２３は外部先細り部を有し、ガード３０７上のコネクタは内部先細り部を有し、成型されたコネクタボディ３２３とガード３０７上のコネクタの間で先細り嵌合が存在する。先細り嵌合は、振動はガード３０７とコネクタボディ３２３の間の相対運動を引き起こさないほどに強い嵌合である。先細り嵌合は、成型されたコネクタボディ３２３をガード３０７にスライドする間、バッテリ接続３３２が電力コネクタ３０８と前位置合わせされることを許容する。この前位置合わせは、電力コネクタ３０８の湾曲又は他の損傷を防ぐ。
【００２２】
カバー３４０は、好ましくはカバー３４０を装置ハウジング３０４にネジ止めするためのネジ山３４４を含んでいる。シール３４２は、カバー３４０をハウジング３４０にシールする。カバー３４０の内部では、スラスト軸受アセンブリは好ましくはスラスト軸受プレート３４６及びレサイレント圧縮リング３４８を含む。スラスト軸受プレート３４６はバッテリアセンブリハウジング３２０の頂上表面３５０を押圧する。スラスト軸受プレート３４６は、カバー３４０がねじ込まれるときに、頂上表面３５０に対して回転する。圧縮リング３４８は、カバー３４０がねじ込まれるときに、圧縮される。カバー３４０は、取り外し可能にハウジング３４０に装着可能で、バッテリアセンブリ３２０を電力コネクタ３０８の方向に押圧する。締め付けカバー３４０はバッテリアセンブリ３２０を押し下げ、激しい振動の間バッテリアセンブリ接続を保持する。ある実施形態では、スラスト軸受プレート３４６はハウジングキャップ３２４上のリング３２５に対して先細り嵌合を有する突出リング３４７を含む。先細り嵌合は、振動中にスラスト軸受プレート３４６とハウジングキャップ３２４の間の相対運動を消去する。
【００２３】
本発明の実施形態は全般的に、フィールドデバイスのバッテリパックに関連する一つ以上の電気的条件を検知し、それらが故障及び／又は危険を生成する前に迅速にそのような条件を改善する回路を含んでいる。
【００２４】
図４は、本発明のある実施形態に従う電流制限回路の図である。回路４００は、フューズに接続された一つ以上のバッテリ電池４４２を含んでいる。バッテリ電池４４２は、接続４０２を介して電圧基準４０４と共通の接地を共有する。加えて、バッテリ電池４４２及び電圧接地４０４は、工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２と共通の接地を共有する。上述のように、一つ以上のバッテリ電池４４２は、領域を非分割にする又は高熱作業許可を得る必要なしに、危険な場所にフィールドに交換可能なバッテリパックを含み得る。電池４４２はフィールドデバイスの末端ブロック側に配置され、よって電池４４２の交換は電子機器４１２を取り囲んでいる環境に晒さない。フューズ４４０は、電池４４２からの電力放電を制限する。しかしながら、電子機器４１２への潜在的に高い突入電流によって、本当の故障がないとき、フューズ４４０は時として飛び得る。本当の故障がないとき、このタイプの故障は、一般に、全製品の貧弱な顧客満足度を引き起こすだろう。従って、図４に示された実施形態は、危険が存在しない遷移電流スパイクによる飛びからフューズ４４０を保護する追加回路を含む。回路４００は、検出抵抗４１０に結合されたその反転入力４０８を有するオペアンプ４０６を含む。オペアンプ４０８の非反転入力４１２は、電圧基準４０４の出力４１４に結合されている。検出抵抗４１０の両端の電圧降下は、電池４４２から無線電子機器４１２への電流放電に比例する。この検出抵抗４１０の両端の電圧降下は、次に電圧基準４０４の出力４１４によって与えられる固定電圧と比較される。オペアンプ４０６は、無線電子機器４１２が消費し得る電流をフューズ４４０の定格フューズ電流より小さい値に制限するために金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）４１８に接続された出力４１６を与える。図４に示された実施形態は、特有の電圧基準４０４を含んでいるが、当業者は、電圧基準４０４をフューズの出力４４０と共通接地の間に直列に接続された抵抗のペアを含む簡単な電圧分配器で置き換えることが可能であることを認識するだろう。抵抗の間の接続は、次にまたオペアンプ４０６の非反転入力４１２に結合される。
【００２５】
図５は、本発明の別の実施形態に従う別の電流制限回路の図である。回路５００は、（図４に関して記述された）回路４００と多くの類似性を示し、類似の要素は同様の番号付けがされている。回路５００は回路４００と、検出抵抗４１０がなくなっている点で異なっている。本質的には、回路５００は低抵抗検出抵抗としてフューズ５４０を用いる。フューズ５４０は検出抵抗４１０に関して上で記述されたことと同様の方法で比較回路中の検出抵抗として特徴付けられることが出来るし、用いることが出来る。検出抵抗をなくす一つの恩恵は、電流制限回路保護フューズ５４０だけになることのみならず、電池５５２及び無線電子機器５１２の間の抵抗の大きさを、ただフューズ５４０だけの抵抗に減らすことが出来ることである。無線デバイスに依存して、電池５５２から出るピーク電流は、短い時間に対して数百ミリアンペアになり得る。追加の電圧降下（及びそれゆえのシステム非能率）を避けるために、（フューズ又は検出抵抗の）抵抗の最小値が最適である。
【００２６】
図４及び５に関して上で記述された電流制限実施形態は、追加の短絡回路保護を補うことが出来る。図６は、そのような短絡回路保護を与える回路６００の図である。回路６００は、フューズ６４０の第一サイドに結合された第一足６０４、フューズ６４０の反対サイドに結合された第二足６０６、及びＭＯＳＦＥＴ６１０の入力に結合された第三足６０８を含んでいる。回路６００では、顧客が偶発的にバッテリパックの出力を短絡する出来事において、トランジスタ６０２及び検出抵抗またはフューズ６４０のような高速動作アナログ回路はフューズ及びバッテリを保護する動作をする。
【００２７】
これまでに記載された本願発明の実施形態は、実際の故障が存在しないときに、フューズを飛ばす、及びフューズを飛ばすという望ましくない経験を生成する過剰電流の可能性の問題を取り扱う。加えて、短絡回路保護もまた記述されてきた。工業的プロセスフィールドデバイスを作動するバッテリに対する一つの追加的な関心は、バッテリ電圧レベルが低過ぎになるとき、バッテリ自体がオーバーヒートし得る、及び／又はさもなくば故障になり得る又はそれ自体を故障させ得ることである。
【００２８】
無線プロセスフィールドトランスミッタに対してバッテリパック中で利用され得る一つのバッテリ技術は、塩化チオニルリチウム（Ｌｉ−ＳＯ−Ｃｌ２）一次電池である。この一次電池の特別な化学は、広い動作温度領域及び非常に低い自己放電に渡って非常に高い電力密度を提供する。これらの特性は、無線デバイスを標準―４０℃から８５℃動作領域で数年にわたって動作させることが可能である。
【００２９】
無線工業プロセストランスミッタのバッテリ寿命をさらに広げるために、複数の一次電池が、直列、並列または組み合わせ直列／並列構成で用いられる。そうするとき、電池が不安定状態では決して動作しないことを保障するために追加の予防策をとる必要がある。完全充電一次電池電圧は通常は３．６ボルト近くである。ほとんど放電された一次電池は、製造者推奨によれば２ボルトより低くは放電されないであろう。２つの直列一次電池の場合、電池の一つは別のものより早く空になり、このことは高い電圧電池が空になった電池中に電流を流し、空になった電池電圧を電池最低限界による製造者推奨（２ボルト）より低くまで落とすという不安定条件に繋がる可能性がある。これは電池破裂に繋がる可能性がある。
【００３０】
本発明の実施形態に従うと、工業プロセストランスミッタは、領域を非分割にする又は高熱作業許可を得る必要なしに、危険な場所にフィールドに交換可能なバッテリパックを含み、バッテリパックは低電圧カットオフ容量を含んでいる。好ましくは、ある状況では、バッテリパックと工業的プロセストランスミッタ電子機器の間の電圧をカットオフするために低電圧電子機器が用いられる。
【００３１】
図７は、ある状況で、一つ以上のバッテリ電池を工業プロセスフィールドデバイス電子機器からカットオフする、又はさもなければ切り離す回路の図である。回路７００は回路４００及び５００と多くの類似性を示し、類似の要素は同様の番号付けがされている。図７に示されているように、一つ以上のバッテリ電池７４２がＭＯＳＦＥＴ７１８を介して無線電子機器７１２に動作的に結合されている。オペアンプ７０６は、抵抗７３２及び７３４を含む分配ネットワークのノード７３０に結合される反転入力を含んでいる。抵抗７３２及び７３４で形成される抵抗分配ネットワークはバッテリ電池７４２からの電圧をスケールダウンし、このスケールされた電圧は、次に低電力オペアンプ７０６、又は適切な適当な比較器を用いて固定電圧（参照電圧７０４）と比較される。オペアンプ７０６の出力は、電圧が低すぎになると、電子機器７１２からバッテリ電池７４２を切り離す、ＭＯＳＦＥＴ７１８のようなスイッチに接続されている。
【００３２】
図８は、バッテリ電圧レベルが低すぎになると工業的プロセスフィールド電子機器から低電圧バッテリ電池をカットオフする回路の図である。回路８００は、バッテリ電池８４２の正及び負分極線に接続されている電圧検出器８０２を含む。電圧検出器８０２の出力８０４は、無線電子機器８１２をバッテリ電池８４２に選択的に結合する、ＭＯＳＦＥＴ８１８のようなスイッチに接続され制御をする。検出器８０２のような電圧検出器は、典型的にはマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラアプリケーションで用いられる集積回路である。それらは電圧レールが推奨動作条件を下回る（又は“電圧低下“として知られる）状況で用いられる。次に再起動がマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラに適用され、次に再起動線が、バッテリ電圧が上昇するまで保持される。この「電圧低下」概念の本発明の実施形態への応用は、バッテリ電圧が低すぎるとき電池８４２を切り離すような方法で用いられる。電圧検出器は、所定の（固定された）検出電圧、又は調節可能な検出電圧を実装し得る。図８は、どのように電圧検出器がバッテリパックと一緒に用いられるのかを示している。バッテリ電圧は電圧検出器ＩＣに印加される。バッテリ電圧がＩＣ検出電圧より小さくなると、出力はスイッチ８１８を介してバッテリパックから無線電子機器回路を切り離す。
【００３３】
図９は、本発明の実施形態に従う一例の回路の図である。回路９００は、上述の本発明の類似の実施形態に従う電流制限回路に加えて、低電圧及び短絡回路保護を含んでいる。従って、当業者は本発明の様々な側面及び実施形態は希望によって様々な組み合わせに組み合わせ得ることを理解するであろう。回路９００は、前実施形態に関して上述した一つ以上の電池のようなバッテリに結合可能な末端のペア９０２、９０４を含んでいる。回路９００の出力は、工業的プロセスフィールドデバイスの終端ブロックに結合された末端のペア９０６、９０８である。図９に示したように、回路９００の全て又は部分は本質的安全要請に従って設計され得る。例えば、破線９１０の領域９１２内のコンポーネントは、例えば、０．０２０インチの回路線の間の最小安全間隔を有する、及び適当なコーティング又はポッティングの下で配置されるという本質的安全要請に準拠し得る。
【００３４】
図９は、抵抗Ｒ４を介して末端９０２に動作的に結合される入力を有する電圧検出器Ｕ２を示している。電圧検出器Ｕ２の接地末端は接地末端９０４に接続されている。検出器Ｕ２の出力ピン（１）は、抵抗Ｒ９を介してスイッチＱ３に接続される。抵抗Ｒ９は、好ましくは０オームの抵抗又は極端に小さい抵抗を有し、電圧検出器Ｕ２からの出力は基本的に直接Ｑ３に結合される。Ｒ５は好ましくは１０メガオームの値を有する。検出器Ｕ２は、末端９０２及び９０４の間のバッテリ電圧を検出する機能を果たす。もしバッテリ電圧が電圧検出器によって画定される閾値以下であれば、電圧検出器Ｕ２はＱ３を開くことによって全回路の電源を遮断する。
【００３５】
回路９００はまた、オペアンプＵ１及びスイッチＱ２の利用に基づく電流制限回路を含んでいる。図９に示されているように、Ｕ１の非反転入力はＲ７及びＲ６を含む抵抗／分配器ネットワークに結合される。Ｕ１の出力はＲ３を介して、スイッチＱ２に動作的に結合される。この点に関しては、Ｕ１の反転入力は、Ｒ８を介して末端９０２に結合される。Ｕ１は、反転及び非反転入力に存在する入力を比較し、Ｑ２に出力を生成し、軽微な非故障遷移からフューズＦ１を保護するようにＱ２の電源を遮断することができるようにする。
【００３６】
図９はまた、フューズＦ１の反対サイドに結合され、及びまたスイッチＱ２に結合されたトランジスタＱ１を用いる短絡回路保護を有する回路９００を示している。この方法では、もしバッテリ末端９０２及び９０４が短絡すると、トランジスタＱ１のような高速動作アナログ回路が、ＭＯＳＦＥＴＱ２を開き、それによって損傷または他の望まない条件を防止する。
【００３７】
図９に示した特定の回路は、本発明の実施形態の単なる一例として提供される。本発明の実施形態は、図９で説明されている特徴の特定の組み合わせ、またはその厳密な構成に限定されない。例えば、回路９００の様々な素子で用いられる実際のコンポーネント値は次のようである：
Ｒ１−１０ｋ
Ｒ２−１０ｋ
Ｒ３−１００ｋ
Ｒ５−１０メガオーム
Ｒ６−１０メガオーム
Ｒ７−６０４ｋ
Ｒ９−０
Ｒ１０−１０メガオーム
Ｃ１−１００ｐＦ
Ｃ２−１０００ｐＦ
Ｃ３−０．０１０μファラッド
Ｃ４−４．７μファラッド
Ｃ５−０．０１０μファラッド
Ｃ６−１．０μファラッド
Ｆ１−１／１６アンペアフューズ
Ｑ１−ナンバーＭＭＢＴ３９０６ＬＴ１準拠
Ｑ２−ＳＩ９４０７ＡＥＹ
Ｑ３−ＳＩ４８５０ＥＹ
Ｕ１−ＴＬＶ２４０１Ｉ
Ｕ２−ＮＣＭ３０２ＬＳＮ４０
【００３８】
上述の実施形態において、バッテリアセンブリ構成は、プロセス制御ネットワークブリッジ、データディスプレイ、フィールド制御バルブ、機械的アクチュエータ、フィールド制御器及びトランスミッタを含む多様な工業的プロセスフィールドデバイスで有用である。ある実施形態では、電気的電池は一次電池を含む。実施形態によっては、バッテリアセンブリは、フューズに直列に接続された２つの電池を含む。ある実施形態では、バッテリアセンブリは、少なくとも３ボルトの開回路電圧を有するように設計される。別の実施形態、特に単一電池実施形態では、３ボルトより低い開回路電圧が用いられる。
【００３９】
ある実施形態では、バッテリの取り外しは、バッテリアセンブリを取り外すとき、電力接続が通電されないように電池を切り離すバッテリアセンブリ中の直列スイッチの動作と連動する。スイッチが“オン”のとき、バッテリアセンブリは非接続にすることは出来ない。スイッチはまた出荷の間バッテリアセンブリをスイッチオフするためにも用いられる。
【００４０】
本発明を好適な実施形態を参照しつつ記述してきたが、当業者は本発明の意図及び目的を逸脱することなく形態及び詳細を変更され得ることを理解するであろう。
【技術分野】
【０００１】
多くの工業的プロセス環境では、工業的プロセスフィールドデバイス（本明細書ではまたトランスミッタとして参照される）を取り囲む環境空間に可燃性空気が存在する。バッテリの結合または非結合による高電圧スパークは、可燃性空気を引火する可能性を有している。
【０００２】
多くの工業的プロセス環境では、腐食性塵、液体、又はミストが存在し、電気回路を損傷し得る。電気回路は典型的には、シールされた電気コンパートメント中に密封される。しかしながら、そのようなコンパートメントを、バッテリを交換しそして再びシールするために開けるときに、バッテリ接点を汚す、又は電気コンパートメントの内部の腐食性化学物質を閉じ込め、電子機器の長期的劣化を引き起こす可能性を有している。一方、トランスミッタハウジングの外部に設置されたバッテリはまた、腐食を受ける。
【０００３】
トランスミッタ内部の回路は典型的には、偶発的な短絡回路又は故障条件下で可燃性空気をスパーク及び引火する十分な電気的エネルギーを流す。よってトランスミッタ電気コンパートメントを開ける前に特別な予防策が取られる。可燃性蒸気の周囲の環境を取り除く、トランスミッタに電力を供給するケーブルの電源を切る、又はその両方がなされる。安全性を向上させるために、組織は可燃性空気がときとして存在する領域でトランスミッタを開ける前に、「高熱作業許可」及び特に訓練された作業員を要求する。
【０００４】
通常の動作条件の下では電池及びバッテリは低電流レベルを供給し得るが、典型的には、故障条件の下では大変高い短絡回路電流を生成する。典型的な故障条件は、電池又はバッテリに外付けの回路内での短絡回路である。加えて、電池及びバッテリは、大きなエネルギー貯蔵容量又は等価な電気容量Ｃを有する。故障条件下での高い短絡回路電流及び大きなエネルギー貯蔵容量は典型的には、本質的に安全な回路規格とは両立しない。よって、トランスミッタハウジングの外部に電池又はバッテリを装着し、可燃性空気を通ってトランスミッタとバッテリの間にバッテリケーブルを走らせることは困難である。そのようなバッテリケーブルは、典型的には本質的に安全な回路要件に違反するだろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
類似の困難は他のタイプのバッテリ駆動工業プロセスフィールドデバイスでも遭遇する。工業的プロセス環境で広い領域の適用性を持つ改善されたバッテリ駆動工業プロセスフィールドデバイスを提供する方法及び装置が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
工業的プロセスフィールドデバイスが提供される。デバイスは、工業的プロセスフィールドデバイス内部に配置される無線プロセスフィールドデバイス電子機器及びデバイス電子機器内部に配置され無線プロセスフィールドデバイス電子機器に動作的に結合される少なくとも一つのバッテリを含んでいる。少なくとも一つの電池に関連した電気特性を検知し、ある条件に反応して無線プロセスフィールドデバイス電子機器を少なくとも一つの電池から切り離すためにスイッチに出力を与える回路が提供される。そのような条件には、少なくとも一つの電池から流れ出る多すぎる電流、少なくとも一つの電池の低すぎる電圧、又は生成された若しくはさもなければ観測された短絡回路が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】圧力が掛けられたプロセス管に設置された圧力トランスミッタを示す図である。
【図２】圧力トランスミッタの断面を示す図である。
【図３】バッテリコンパートメントの断面を示す図である。
【図４】本発明のある実施形態に従うある電流制限回路の図である。
【図５】本発明の別の実施形態に従う別の電流制限回路の図である。
【図６】本発明の別の実施形態に従う短絡回路保護回路の図である。
【図７】本発明のある実施形態に従うある低電圧カットオフ回路の図である。
【図８】本発明の別の実施形態に従う別の低電圧カットオフ回路の図である。
【図９】本発明のある実施形態に従う別の回路の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
工業的プロセスで用いられるトランスミッタのようなフィールドデバイスは、フィールド中のパイプライン、タンク及び他の工業的プロセス装置に設置され得る。トランスミッタは、プロセス圧力、プロセス流、プロセス流体温度、プロセス流体伝導度、プロセス流体ｐＨ、及び他のプロセス変量などのプロセス辺量を検知する。他のタイプの工業的プロセスフィールドデバイスは、バルブ、アクチュエータ、フィールド制御器、データディスプレイ、及び工業的フィールドネットワークブリッジのような通信装置を含む。
【０００９】
ある工業的プロセスフィールドデバイスは、電力及び電力のための内部バッテリ上のリレーへのケーブルでの接続を有していない。無線トランスミッタは、無線トランスミッタから離れている装置の制御又は監視のため無線通信チャンネルにプロセス変量を示す出力を送出する。制御又は監視装置は、典型的には制御室に配置される。無線トランスミッタは典型的には、制御室アンテナ又はゲートウェイのような他の無線ネットワークデバイスに無線送信するために用いられるアンテナを含んでいる。無線通信の使用は、トランスミッタと制御室の間に通信又は電力ケーブルの接続を回避させる。
【００１０】
無線トランスミッタは典型的には、動作のための小さな量の電力のみを必要とする電気回路を含む。必要とされる電力量は小さな交換可能な一次電池が電力を提供するために選考されるほどに小さい。しかしながら、その環境で内部バッテリの一般的な、広い使用を制限する、工業的プロセス環境に付随する難問が存在する。
【００１１】
図１は、圧力が掛かったプロセスパイプ１６に接続された圧力トランスミッタ１２を含むプロセス制御システム１０の図である。圧力トランスミッタ１２は、ＨＡＲＴ（登録商標）基準、４−２０ミリアンペアアナログ基準、又は他の既知のプロセス制御通信基準などの所望のプロトコルに従って動作する二線プロセス制御ループ１８に接続されている。二線プロセス制御ループ１８は圧力トランスミッタ１２と隔てて配置される制御室２０の間を走る。ロープ１８がＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルに従って操作する実施形態では、ループ１８は検知されたプロセス圧力を表し、また圧力トランスミッタ１２に対する全ての通電を与える電流Ｉを運び得る。応用によっては、トランスミッタ１２に通電するために二線プロセス制御ループ１８を用いる不利点が存在する。そのような応用では、配線プロセス制御ループ１８は用いられず、トランスミッタ１２はその代わりに電池又はバッテリによって通電され、以下で記述されるような無線通信を用いる。
【００１２】
図２は、圧力を検知する工業的プロセスフィールドデバイス２００の実施形態を示している。工業的プロセスフィールドデバイス２００は、ハウジング２０２を含んでいる。ハウジング２０２は、電子機器コンパートメント２０６とバッテリコンパートメント２０８の間に壁２０４を含んでいる。壁２０４は、貫通開口２０７を含んでいる。この実施形態では、第一ハウジングカバー２１０は全般的に円形で、工業的プロセス装置又はフィールドデバイス電子機器２１２を電子機器コンパートメント２０６に密封するためにハウジング２０２のネジ山にはめ込まれるネジ山を有している。第二ハウジングカバー２１４は全般的に円形で、バッテリアセンブリ２１６をバッテリコンパートメント２０８に密封するためにハウジング２０２のネジ山にはめ込まれるネジ山を有している。工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２は一般に、電力に限界があり、それらを化学プラント、石油精製などのようなプロセスプラント中で工業プロセスの監視及び制御での使用に適するようにする温度、信頼性、及び振動耐性特性を有する。フィールドデバイス電子機器は、プロセス制御ループと無線で通信するための通信回路を含み得る。
【００１３】
ハウジング２０２は、圧力センサハウジング２２２のネジ山２２０にはめ込まれるねじ山２１８を有している。圧力センサハウジング２２２は、圧力センサ２２４及びセンサ回路２２６を密封する。センサ回路２２６からの電気線２２８は、工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２に繋がる。ある実施形態では、ハウジング２０２及びハウジングカバー２１０、２１４は、金属ダイカストを含んでいる。
【００１４】
この実施形態では、貫通コネクタ２３０は貫通壁２０４に配設されている。貫通コネクタ２３０は、好ましくは貫通壁２０４を介して広がるシールされた電気接続２３２を含む。貫通コネクタ２３０は、電力を工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２に接続する電力コネクタ２３４及び２３６を含む。壁２０４及び貫通コネクタ２３０は、バッテリコンパートメント２０８と電子機器コンパートメント２０６の間の貫通開口２０６をシールする。バッテリコンパートメント２０８は、腐食性プロセス環境で開けられることが可能であり、腐食性プロセス環境は、貫通壁２０４及び貫通コネクタ２３０によって電子機器コンパートメントに漏れるのを妨げられる。ある実施形態では、貫通コネクタ２３０はプラスチックに鋳込まれた金属電気接続を含む噴出成型プラスチック部分を含む。
【００１５】
バッテリアセンブリ２１６は、電力コネクタ２３４及び２３６に電気的に接続されている。バッテリアセンブリ２１６は、エネルギー制限器２４０及び少なくとも一つの電池２４２を含んでいる。電力制限器は、電力を制限するピコフューズ、フューズ又は電気回路を含み得る。ある実施形態では、直列電流制限器２４０が、バッテリアセンブリ２１６と電力コネクタ２３４及び２３６の間の電気接続２４４において電力を本質的に安全なレベルに制限する。接続２４４は、本質的な安全回路を含む。本質的な安全回路は、（通常の動作及び特定の故障条件を含む）試験条件下で生成される火花又は熱的効果が接続２４４を取り囲む与えられた爆発性空気の点火を引き起こす可能性がない。直列電流制限器２４０の電流限界は、既知の方法を用いて（メタンのような）特定の可燃性気体及び（回路容量及びインダクタンスのような）特定の回路特性に対して計算可能である。ある実施形態では、余剰な本質的安全保護が、単一の電力制限器２４０の代わりに二つの電力制限器を用いることによって与えられる。
【００１６】
シール２５０は、バッテリアセンブリ２１６と電力コネクタ２３４及び２３６の間の電気接続２４４を取り囲む。シール２５０は、好ましくはバッテリ亜鉛ぶり２１６に配設され、バッテリアセンブリ２１６が取り外される又は設置されるときに貫通コネクタ２３０にしライド可能に噛み合うＯリングを含む。カバー２１４は、好ましくは回路接続リング２５２に沿ってバッテリアセンブリ２１６に噛み合い、高い振動環境では非常に便利である機械的支持を与える。
【００１７】
図３は、本発明のある実施形態に従う工業的プロセスフィールドデバイスのバッテリコンパートメント３０２の断面を示している。フィールドデバイスハウジング３０４の貫通壁部はバッテリコンパートメント３０２を電子機器コンパートメントから分離する。貫通コネクタ３０６は、装置ハウジング３０４の貫通壁部にシールされている。別の選択肢として、貫通コネクタはハウジングの部分と一体に形成される。貫通コネクタ３０６は、好ましくはプラスチック樹脂ガードを含み、シールされた電力コネクタ３０８を含む。電力コネクタの接触はガード３０７中の窪みに配置され、ＩＥＣ５２９基準に準拠するＩＰ２０に合致する。電力コネクタ３０８は電子機器コンパートメント中の回路カードアセンブリ３１０に配設される。回路カードアセンブリ３１０は、電力コネクタ３０８の周りの貫通コネクタ３０６にシールされる。ある実施形態では、貫通コネクタは、適当な物質に埋め込まれる。
【００１８】
この実施形態では、バッテリアセンブリ３２０はバッテリコンパートメント中に配置される。バッテリアセンブリ３２０は、ハウジングベース３２２及び電池３２６（又は複数の電池３２６）及び直列電流制限器３２８（又は複数の直列電流制限器３２８）を取り囲むハウジングキャップ３２４を含む。ハウジングベースは成型されたコネクタボディ３２３を含む。
【００１９】
ある実施形態では、成型されたコネクタボディ３２３は、バッテリハウジングベースから突出する突出プラグを含む。電気的バッテリ接続３３２は成型されたコネクタボディ３２３中の窪みに配置され、扱い中に機械的損傷から保護される。ガード３０７は、貫通コネクタ３０６から突出する突出ソケットを含む。電力コネクタ３０８はガード３０７中の窪みに配置され、機械的損傷から保護される２つのピンを含む。接続の噛み合わせは、カバー３４０を取り外した後フィールドで容易に一体化され又は分離されるスライド接続である。
【００２０】
電圧制限ダイオードのような別の本質的安全保護デバイスはまた、バッテリアセンブリ３２０にふくまれ得る。電池３２６及び直列電流制限器３２８は好ましくは、プリント配線ボード３３９に配設される。バッテリアセンブリは、電気的接続３３４において電力コネクタ３０８に電気的に接続する電気接続３３２を含む。直列電流制限器３２８は、電気接続３３４において電力を本質的安全レベルに制限する。シール３３６は、電気接続３３４を取り巻く。
【００２１】
ある実施形態では、成型されたコネクタボディ３２３は外部先細り部を有し、ガード３０７上のコネクタは内部先細り部を有し、成型されたコネクタボディ３２３とガード３０７上のコネクタの間で先細り嵌合が存在する。先細り嵌合は、振動はガード３０７とコネクタボディ３２３の間の相対運動を引き起こさないほどに強い嵌合である。先細り嵌合は、成型されたコネクタボディ３２３をガード３０７にスライドする間、バッテリ接続３３２が電力コネクタ３０８と前位置合わせされることを許容する。この前位置合わせは、電力コネクタ３０８の湾曲又は他の損傷を防ぐ。
【００２２】
カバー３４０は、好ましくはカバー３４０を装置ハウジング３０４にネジ止めするためのネジ山３４４を含んでいる。シール３４２は、カバー３４０をハウジング３４０にシールする。カバー３４０の内部では、スラスト軸受アセンブリは好ましくはスラスト軸受プレート３４６及びレサイレント圧縮リング３４８を含む。スラスト軸受プレート３４６はバッテリアセンブリハウジング３２０の頂上表面３５０を押圧する。スラスト軸受プレート３４６は、カバー３４０がねじ込まれるときに、頂上表面３５０に対して回転する。圧縮リング３４８は、カバー３４０がねじ込まれるときに、圧縮される。カバー３４０は、取り外し可能にハウジング３４０に装着可能で、バッテリアセンブリ３２０を電力コネクタ３０８の方向に押圧する。締め付けカバー３４０はバッテリアセンブリ３２０を押し下げ、激しい振動の間バッテリアセンブリ接続を保持する。ある実施形態では、スラスト軸受プレート３４６はハウジングキャップ３２４上のリング３２５に対して先細り嵌合を有する突出リング３４７を含む。先細り嵌合は、振動中にスラスト軸受プレート３４６とハウジングキャップ３２４の間の相対運動を消去する。
【００２３】
本発明の実施形態は全般的に、フィールドデバイスのバッテリパックに関連する一つ以上の電気的条件を検知し、それらが故障及び／又は危険を生成する前に迅速にそのような条件を改善する回路を含んでいる。
【００２４】
図４は、本発明のある実施形態に従う電流制限回路の図である。回路４００は、フューズに接続された一つ以上のバッテリ電池４４２を含んでいる。バッテリ電池４４２は、接続４０２を介して電圧基準４０４と共通の接地を共有する。加えて、バッテリ電池４４２及び電圧接地４０４は、工業的プロセスフィールドデバイス電子機器２１２と共通の接地を共有する。上述のように、一つ以上のバッテリ電池４４２は、領域を非分割にする又は高熱作業許可を得る必要なしに、危険な場所にフィールドに交換可能なバッテリパックを含み得る。電池４４２はフィールドデバイスの末端ブロック側に配置され、よって電池４４２の交換は電子機器４１２を取り囲んでいる環境に晒さない。フューズ４４０は、電池４４２からの電力放電を制限する。しかしながら、電子機器４１２への潜在的に高い突入電流によって、本当の故障がないとき、フューズ４４０は時として飛び得る。本当の故障がないとき、このタイプの故障は、一般に、全製品の貧弱な顧客満足度を引き起こすだろう。従って、図４に示された実施形態は、危険が存在しない遷移電流スパイクによる飛びからフューズ４４０を保護する追加回路を含む。回路４００は、検出抵抗４１０に結合されたその反転入力４０８を有するオペアンプ４０６を含む。オペアンプ４０８の非反転入力４１２は、電圧基準４０４の出力４１４に結合されている。検出抵抗４１０の両端の電圧降下は、電池４４２から無線電子機器４１２への電流放電に比例する。この検出抵抗４１０の両端の電圧降下は、次に電圧基準４０４の出力４１４によって与えられる固定電圧と比較される。オペアンプ４０６は、無線電子機器４１２が消費し得る電流をフューズ４４０の定格フューズ電流より小さい値に制限するために金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）４１８に接続された出力４１６を与える。図４に示された実施形態は、特有の電圧基準４０４を含んでいるが、当業者は、電圧基準４０４をフューズの出力４４０と共通接地の間に直列に接続された抵抗のペアを含む簡単な電圧分配器で置き換えることが可能であることを認識するだろう。抵抗の間の接続は、次にまたオペアンプ４０６の非反転入力４１２に結合される。
【００２５】
図５は、本発明の別の実施形態に従う別の電流制限回路の図である。回路５００は、（図４に関して記述された）回路４００と多くの類似性を示し、類似の要素は同様の番号付けがされている。回路５００は回路４００と、検出抵抗４１０がなくなっている点で異なっている。本質的には、回路５００は低抵抗検出抵抗としてフューズ５４０を用いる。フューズ５４０は検出抵抗４１０に関して上で記述されたことと同様の方法で比較回路中の検出抵抗として特徴付けられることが出来るし、用いることが出来る。検出抵抗をなくす一つの恩恵は、電流制限回路保護フューズ５４０だけになることのみならず、電池５５２及び無線電子機器５１２の間の抵抗の大きさを、ただフューズ５４０だけの抵抗に減らすことが出来ることである。無線デバイスに依存して、電池５５２から出るピーク電流は、短い時間に対して数百ミリアンペアになり得る。追加の電圧降下（及びそれゆえのシステム非能率）を避けるために、（フューズ又は検出抵抗の）抵抗の最小値が最適である。
【００２６】
図４及び５に関して上で記述された電流制限実施形態は、追加の短絡回路保護を補うことが出来る。図６は、そのような短絡回路保護を与える回路６００の図である。回路６００は、フューズ６４０の第一サイドに結合された第一足６０４、フューズ６４０の反対サイドに結合された第二足６０６、及びＭＯＳＦＥＴ６１０の入力に結合された第三足６０８を含んでいる。回路６００では、顧客が偶発的にバッテリパックの出力を短絡する出来事において、トランジスタ６０２及び検出抵抗またはフューズ６４０のような高速動作アナログ回路はフューズ及びバッテリを保護する動作をする。
【００２７】
これまでに記載された本願発明の実施形態は、実際の故障が存在しないときに、フューズを飛ばす、及びフューズを飛ばすという望ましくない経験を生成する過剰電流の可能性の問題を取り扱う。加えて、短絡回路保護もまた記述されてきた。工業的プロセスフィールドデバイスを作動するバッテリに対する一つの追加的な関心は、バッテリ電圧レベルが低過ぎになるとき、バッテリ自体がオーバーヒートし得る、及び／又はさもなくば故障になり得る又はそれ自体を故障させ得ることである。
【００２８】
無線プロセスフィールドトランスミッタに対してバッテリパック中で利用され得る一つのバッテリ技術は、塩化チオニルリチウム（Ｌｉ−ＳＯ−Ｃｌ２）一次電池である。この一次電池の特別な化学は、広い動作温度領域及び非常に低い自己放電に渡って非常に高い電力密度を提供する。これらの特性は、無線デバイスを標準―４０℃から８５℃動作領域で数年にわたって動作させることが可能である。
【００２９】
無線工業プロセストランスミッタのバッテリ寿命をさらに広げるために、複数の一次電池が、直列、並列または組み合わせ直列／並列構成で用いられる。そうするとき、電池が不安定状態では決して動作しないことを保障するために追加の予防策をとる必要がある。完全充電一次電池電圧は通常は３．６ボルト近くである。ほとんど放電された一次電池は、製造者推奨によれば２ボルトより低くは放電されないであろう。２つの直列一次電池の場合、電池の一つは別のものより早く空になり、このことは高い電圧電池が空になった電池中に電流を流し、空になった電池電圧を電池最低限界による製造者推奨（２ボルト）より低くまで落とすという不安定条件に繋がる可能性がある。これは電池破裂に繋がる可能性がある。
【００３０】
本発明の実施形態に従うと、工業プロセストランスミッタは、領域を非分割にする又は高熱作業許可を得る必要なしに、危険な場所にフィールドに交換可能なバッテリパックを含み、バッテリパックは低電圧カットオフ容量を含んでいる。好ましくは、ある状況では、バッテリパックと工業的プロセストランスミッタ電子機器の間の電圧をカットオフするために低電圧電子機器が用いられる。
【００３１】
図７は、ある状況で、一つ以上のバッテリ電池を工業プロセスフィールドデバイス電子機器からカットオフする、又はさもなければ切り離す回路の図である。回路７００は回路４００及び５００と多くの類似性を示し、類似の要素は同様の番号付けがされている。図７に示されているように、一つ以上のバッテリ電池７４２がＭＯＳＦＥＴ７１８を介して無線電子機器７１２に動作的に結合されている。オペアンプ７０６は、抵抗７３２及び７３４を含む分配ネットワークのノード７３０に結合される反転入力を含んでいる。抵抗７３２及び７３４で形成される抵抗分配ネットワークはバッテリ電池７４２からの電圧をスケールダウンし、このスケールされた電圧は、次に低電力オペアンプ７０６、又は適切な適当な比較器を用いて固定電圧（参照電圧７０４）と比較される。オペアンプ７０６の出力は、電圧が低すぎになると、電子機器７１２からバッテリ電池７４２を切り離す、ＭＯＳＦＥＴ７１８のようなスイッチに接続されている。
【００３２】
図８は、バッテリ電圧レベルが低すぎになると工業的プロセスフィールド電子機器から低電圧バッテリ電池をカットオフする回路の図である。回路８００は、バッテリ電池８４２の正及び負分極線に接続されている電圧検出器８０２を含む。電圧検出器８０２の出力８０４は、無線電子機器８１２をバッテリ電池８４２に選択的に結合する、ＭＯＳＦＥＴ８１８のようなスイッチに接続され制御をする。検出器８０２のような電圧検出器は、典型的にはマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラアプリケーションで用いられる集積回路である。それらは電圧レールが推奨動作条件を下回る（又は“電圧低下“として知られる）状況で用いられる。次に再起動がマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラに適用され、次に再起動線が、バッテリ電圧が上昇するまで保持される。この「電圧低下」概念の本発明の実施形態への応用は、バッテリ電圧が低すぎるとき電池８４２を切り離すような方法で用いられる。電圧検出器は、所定の（固定された）検出電圧、又は調節可能な検出電圧を実装し得る。図８は、どのように電圧検出器がバッテリパックと一緒に用いられるのかを示している。バッテリ電圧は電圧検出器ＩＣに印加される。バッテリ電圧がＩＣ検出電圧より小さくなると、出力はスイッチ８１８を介してバッテリパックから無線電子機器回路を切り離す。
【００３３】
図９は、本発明の実施形態に従う一例の回路の図である。回路９００は、上述の本発明の類似の実施形態に従う電流制限回路に加えて、低電圧及び短絡回路保護を含んでいる。従って、当業者は本発明の様々な側面及び実施形態は希望によって様々な組み合わせに組み合わせ得ることを理解するであろう。回路９００は、前実施形態に関して上述した一つ以上の電池のようなバッテリに結合可能な末端のペア９０２、９０４を含んでいる。回路９００の出力は、工業的プロセスフィールドデバイスの終端ブロックに結合された末端のペア９０６、９０８である。図９に示したように、回路９００の全て又は部分は本質的安全要請に従って設計され得る。例えば、破線９１０の領域９１２内のコンポーネントは、例えば、０．０２０インチの回路線の間の最小安全間隔を有する、及び適当なコーティング又はポッティングの下で配置されるという本質的安全要請に準拠し得る。
【００３４】
図９は、抵抗Ｒ４を介して末端９０２に動作的に結合される入力を有する電圧検出器Ｕ２を示している。電圧検出器Ｕ２の接地末端は接地末端９０４に接続されている。検出器Ｕ２の出力ピン（１）は、抵抗Ｒ９を介してスイッチＱ３に接続される。抵抗Ｒ９は、好ましくは０オームの抵抗又は極端に小さい抵抗を有し、電圧検出器Ｕ２からの出力は基本的に直接Ｑ３に結合される。Ｒ５は好ましくは１０メガオームの値を有する。検出器Ｕ２は、末端９０２及び９０４の間のバッテリ電圧を検出する機能を果たす。もしバッテリ電圧が電圧検出器によって画定される閾値以下であれば、電圧検出器Ｕ２はＱ３を開くことによって全回路の電源を遮断する。
【００３５】
回路９００はまた、オペアンプＵ１及びスイッチＱ２の利用に基づく電流制限回路を含んでいる。図９に示されているように、Ｕ１の非反転入力はＲ７及びＲ６を含む抵抗／分配器ネットワークに結合される。Ｕ１の出力はＲ３を介して、スイッチＱ２に動作的に結合される。この点に関しては、Ｕ１の反転入力は、Ｒ８を介して末端９０２に結合される。Ｕ１は、反転及び非反転入力に存在する入力を比較し、Ｑ２に出力を生成し、軽微な非故障遷移からフューズＦ１を保護するようにＱ２の電源を遮断することができるようにする。
【００３６】
図９はまた、フューズＦ１の反対サイドに結合され、及びまたスイッチＱ２に結合されたトランジスタＱ１を用いる短絡回路保護を有する回路９００を示している。この方法では、もしバッテリ末端９０２及び９０４が短絡すると、トランジスタＱ１のような高速動作アナログ回路が、ＭＯＳＦＥＴＱ２を開き、それによって損傷または他の望まない条件を防止する。
【００３７】
図９に示した特定の回路は、本発明の実施形態の単なる一例として提供される。本発明の実施形態は、図９で説明されている特徴の特定の組み合わせ、またはその厳密な構成に限定されない。例えば、回路９００の様々な素子で用いられる実際のコンポーネント値は次のようである：
Ｒ１−１０ｋ
Ｒ２−１０ｋ
Ｒ３−１００ｋ
Ｒ５−１０メガオーム
Ｒ６−１０メガオーム
Ｒ７−６０４ｋ
Ｒ９−０
Ｒ１０−１０メガオーム
Ｃ１−１００ｐＦ
Ｃ２−１０００ｐＦ
Ｃ３−０．０１０μファラッド
Ｃ４−４．７μファラッド
Ｃ５−０．０１０μファラッド
Ｃ６−１．０μファラッド
Ｆ１−１／１６アンペアフューズ
Ｑ１−ナンバーＭＭＢＴ３９０６ＬＴ１準拠
Ｑ２−ＳＩ９４０７ＡＥＹ
Ｑ３−ＳＩ４８５０ＥＹ
Ｕ１−ＴＬＶ２４０１Ｉ
Ｕ２−ＮＣＭ３０２ＬＳＮ４０
【００３８】
上述の実施形態において、バッテリアセンブリ構成は、プロセス制御ネットワークブリッジ、データディスプレイ、フィールド制御バルブ、機械的アクチュエータ、フィールド制御器及びトランスミッタを含む多様な工業的プロセスフィールドデバイスで有用である。ある実施形態では、電気的電池は一次電池を含む。実施形態によっては、バッテリアセンブリは、フューズに直列に接続された２つの電池を含む。ある実施形態では、バッテリアセンブリは、少なくとも３ボルトの開回路電圧を有するように設計される。別の実施形態、特に単一電池実施形態では、３ボルトより低い開回路電圧が用いられる。
【００３９】
ある実施形態では、バッテリの取り外しは、バッテリアセンブリを取り外すとき、電力接続が通電されないように電池を切り離すバッテリアセンブリ中の直列スイッチの動作と連動する。スイッチが“オン”のとき、バッテリアセンブリは非接続にすることは出来ない。スイッチはまた出荷の間バッテリアセンブリをスイッチオフするためにも用いられる。
【００４０】
本発明を好適な実施形態を参照しつつ記述してきたが、当業者は本発明の意図及び目的を逸脱することなく形態及び詳細を変更され得ることを理解するであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業的プロセスフィールドデバイス内部に配置された無線プロセスフィールドデバイス電子機器、
工業的プロセスフィールドデバイス内に配置され、無線プロセスフィールドデバイス電子機器に動作的に接続された少なくとも一つのバッテリ電池、
無線プロセスフィールドデバイス電子機器と少なくとも一つのバッテリ電池の間に電気的に挿入されたフューズ、
フューズを介して電流を測定し、もし電流が閾値を超えていたら出力を与えるように構成された回路、及び
電流が閾値を超えたとき、無線プロセスフィールドデバイスから少なくとも一つのバッテリ電池を切り離す、回路の出力に接続されたスイッチ、
を含む、工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項２】
回路の少なくとも部分が本質的安全要請に合致するように設計された、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項３】
回路がフューズの両端の電圧降下を測定する、請求項２の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項４】
さらにフューズと回路の間に直列に配置された検出抵抗を含み、回路は電流に比例する検出抵抗の電圧を測定する、請求項２の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項５】
回路はさらにフューズに動作的に接続されたオペアンプ、オペアンプに接続された電圧参照、及びオペアンプの出力に接続されたスイッチを含む、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項６】
電圧参照は、参照電圧をオペアンプに与える出力を有する、請求項５の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項７】
電圧参照は抵抗分配器ネットワークを含む、請求項５の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項８】
さらにバッテリ電圧は閾値より小さいときに少なくとも一つのバッテリ電池を無線プロセスフィールドデバイス電子機器から切り離す低電圧カットオフ回路を含む、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項９】
さらにフューズの第一サイドに接続された第一足、フューズの反対サイドに接続された第二足、及び少なくとも一つのバッテリ電池と無線プロセスフィールドデバイス電子機器の間に挿入されたスイッチに接続される第三足を有するトランジスタを含む、請求項８の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１０】
さらにフューズの第一サイドに接続された第一足、フューズの反対サイドに接続された第二足、及び少なくとも一つのバッテリ電池と無線プロセスフィールドデバイス電子機器の間に挿入されたスイッチに接続される第三足を有するトランジスタを含む、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１１】
工業的プロセスフィールドデバイス内部に配置された無線プロセスフィールドデバイス電子機器、
工業的プロセスフィールドデバイス内に配置され、無線プロセスフィールドデバイス電子機器に動作的に接続された少なくとも一つのバッテリ電池、
少なくとも一つの電池の電圧を測定し、もし電圧が閾値より低くまで落ち込んだら出力を与えるように構成された回路、及び
電圧が閾値より低くまで落ち込んだとき、無線プロセスフィールドデバイスから少なくとも一つのバッテリ電池を切り離す、回路の出力に接続されたスイッチ、
を含む、工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１２】
回路の少なくとも部分が本質的安全要請に合致するように設計された、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１３】
回路が複数の入力を比較し、比較に基づいて出力を生成し、第一入力は少なくとも一つのバッテリ電池の電圧に接続され、第二入力が参照電圧に接続され、及び出力がスイッチに接続されるオペアンプを含む、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１４】
回路が少なくとも一つのバッテリ電池の電圧を測定するために接続された入力、及び電圧が閾値を下回ったときスイッチを無線プロセスフィールドデバイス電子機器から少なくとも一つの電池を切り離すスイッチに接続された出力を有する電圧検出器を含む、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１５】
さらに少なくとも一つのバッテリ電池と無線プロセスフィールドデバイス電子機器の間に電気的に挿入されたフューズ、並びにフューズの第一サイドに接続された第一足、フューズの反対側に接続された第二足、及びスイッチに接続された第三足を有するトランジスタを含む、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１】
工業的プロセスフィールドデバイス内部に配置された無線プロセスフィールドデバイス電子機器、
工業的プロセスフィールドデバイス内に配置され、無線プロセスフィールドデバイス電子機器に動作的に接続された少なくとも一つのバッテリ電池、
無線プロセスフィールドデバイス電子機器と少なくとも一つのバッテリ電池の間に電気的に挿入されたフューズ、
フューズを介して電流を測定し、もし電流が閾値を超えていたら出力を与えるように構成された回路、及び
電流が閾値を超えたとき、無線プロセスフィールドデバイスから少なくとも一つのバッテリ電池を切り離す、回路の出力に接続されたスイッチ、
を含む、工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項２】
回路の少なくとも部分が本質的安全要請に合致するように設計された、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項３】
回路がフューズの両端の電圧降下を測定する、請求項２の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項４】
さらにフューズと回路の間に直列に配置された検出抵抗を含み、回路は電流に比例する検出抵抗の電圧を測定する、請求項２の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項５】
回路はさらにフューズに動作的に接続されたオペアンプ、オペアンプに接続された電圧参照、及びオペアンプの出力に接続されたスイッチを含む、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項６】
電圧参照は、参照電圧をオペアンプに与える出力を有する、請求項５の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項７】
電圧参照は抵抗分配器ネットワークを含む、請求項５の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項８】
さらにバッテリ電圧は閾値より小さいときに少なくとも一つのバッテリ電池を無線プロセスフィールドデバイス電子機器から切り離す低電圧カットオフ回路を含む、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項９】
さらにフューズの第一サイドに接続された第一足、フューズの反対サイドに接続された第二足、及び少なくとも一つのバッテリ電池と無線プロセスフィールドデバイス電子機器の間に挿入されたスイッチに接続される第三足を有するトランジスタを含む、請求項８の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１０】
さらにフューズの第一サイドに接続された第一足、フューズの反対サイドに接続された第二足、及び少なくとも一つのバッテリ電池と無線プロセスフィールドデバイス電子機器の間に挿入されたスイッチに接続される第三足を有するトランジスタを含む、請求項１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１１】
工業的プロセスフィールドデバイス内部に配置された無線プロセスフィールドデバイス電子機器、
工業的プロセスフィールドデバイス内に配置され、無線プロセスフィールドデバイス電子機器に動作的に接続された少なくとも一つのバッテリ電池、
少なくとも一つの電池の電圧を測定し、もし電圧が閾値より低くまで落ち込んだら出力を与えるように構成された回路、及び
電圧が閾値より低くまで落ち込んだとき、無線プロセスフィールドデバイスから少なくとも一つのバッテリ電池を切り離す、回路の出力に接続されたスイッチ、
を含む、工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１２】
回路の少なくとも部分が本質的安全要請に合致するように設計された、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１３】
回路が複数の入力を比較し、比較に基づいて出力を生成し、第一入力は少なくとも一つのバッテリ電池の電圧に接続され、第二入力が参照電圧に接続され、及び出力がスイッチに接続されるオペアンプを含む、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１４】
回路が少なくとも一つのバッテリ電池の電圧を測定するために接続された入力、及び電圧が閾値を下回ったときスイッチを無線プロセスフィールドデバイス電子機器から少なくとも一つの電池を切り離すスイッチに接続された出力を有する電圧検出器を含む、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【請求項１５】
さらに少なくとも一つのバッテリ電池と無線プロセスフィールドデバイス電子機器の間に電気的に挿入されたフューズ、並びにフューズの第一サイドに接続された第一足、フューズの反対側に接続された第二足、及びスイッチに接続された第三足を有するトランジスタを含む、請求項１１の工業的プロセスフィールドデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１０−５３０５５８（Ｐ２０１０−５３０５５８Ａ）
【公表日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０６３３１（Ｐ２０１０−５０６３３１）
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００５６８２
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３７０７１
【国際公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【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２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００５６８２
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３７０７１
【国際公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【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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