CN1954138A - 具有改进电能产生的过程设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种无线现场设备(34，50，70，80，91，100)。现场设备(34，50，70，80，91，100)包括无线通信模块(32)和能量转换模块(38)。无线通信模块(32)被配置成与另一个设备无线地通信过程相关信息。能量转换模块(38)连接到无线通信模块(32)。能量转换模块(38)被配置成与热源相连，并从热源的热势能中产生电。

Description

具有改进电能产生的过程设备

技术领域

本发明涉及工业过程控制和监控系统。更具体地，本发明涉及针对这种系统中的现场设备来产生电能。

在工业环境中，控制系统用于监控和控制工业和化学过程中的库存(inventory)等。典型地，控制系统使用现场设备执行这些操作。控制系统利用在工业过程的关键位置处分布、并且通过过程控制回路与控制室中的控制电路相连的现场设备，来执行这些功能。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监控系统中执行功能的任意设备，包括用于对工业过程进行测量、控制和监控的所有设备。

现场设备在过程控制和测量工业中有广泛的应用。通常，这样的设备具有现场强化(field-hardened)的外壳以便安装在环境相对恶劣的户外，并且能够经受极端的温度、湿度、振动、机械撞击等。典型地，这些设备也能够在相对低的功率下操作。例如，目前，从已知的4-20mA的回路中接收所有其操作功率的现场设备是可用的。

一些现场设备包括换能器。换能器是指基于物理输入产生输出信号或基于输入信号产生物理输出的器件。典型地，换能器将输入信号转换为不同形式的输出信号。各类换能器包括多种分析装备、压力传感器、热敏电阻器、热电偶、应变仪、流量变送器、定位器、传动器、螺线管、指示灯及其它。

典型地，每一个现场设备还包括通过过程控制回路与过程控制室或其它电路进行通信的通信电路。在一些设置中，过程控制回路还被用于向现场设备传送已调节的电流和/或电压来给现场设备供电。

传统地，模拟现场设备通过两线过程控制电流回路与控制室相连，其中每一个设备都通过单个的两线控制回路与控制室相连。典型地，在两条线之间保持差动电压，模拟方式下电压在12-45伏的范围内，数字方式下电压在9-50伏的范围内。通过将通过电流回路中的电流调制为与感知的过程变量成比例的电流，一些模拟现场设备向控制室传输信号。其它模拟现场设备能够通过控制通过回路的电流的幅度，在控制室的控制下来执行操作。除外或可选地，过程控制回路能够承载用于与现场设备进行通信的数字信号。数字通信具有远大于模拟通信的通信程度。此外，数字设备也不需要向每一个现场设备提供单独的配线。以数字方式进行通信的现场设备能够响应控制室和/或其它现场设备，并且有选择地与控制室和/或其它现场设备进行通信。此外，这样的设备能够提供附加的信令，例如诊断和/或告警。

在一些设置中，无线技术开始用于与现场设备进行通信。无线操作简化了现场设备的布线和设置。目前使用的无线设置中，制造现场设备，以使其包括内部电池，可以通过太阳能电池对内部电池进行充电，无需任何形式的有线连接。使用内部电池存在一些问题，例如取决于多种因素，无线设备对能量的要求可以变化很大，例如设备的报告速度、设备组件等。

难题也出现在太阳能不可靠的设置中。例如，在一天24小时经历阴暗的地方、一周7天位于室内的地方、或在世界上太阳照射值非常小的地方，例如北极圈，难以使用太阳能电池。因此，在这些设置中，使用太阳能向无线过程设备供电是不可靠的。因此，存在对使用不依赖于太阳的充足且可更新的电源来进行操作的无线过程设备的明显需求。

发明内容

公开了一种无线现场设备。所述现场设备包括无线通信模块和能量转换模块。无线通信模块被配置成无线地与另一个设备通信过程相关信息。能量转换模块连接到无线通信模块。能量转换模块被配置成与热源相连接，并从热源的热势能中产生电。

现场设备包括控制器、无线通信模块和电能产生模块。无线通信模块与控制器相连。电能产生模块放置于现场设备内部，并与控制器和无线通信模块相连。电能产生模块被配置成与现场设备的外部附近的分子共同作用来产生电。优选地，电能产生模块是从现场设备附近的温差中获得能量的热发生器。

附图说明

图1是典型现场设备的示意图，利用所述设备，本发明的实施例尤其有用。

图2是图1所示现场设备的方框图。

图3是现场设备的方框图，包括用于与远程设备进行通信的无线通信电路。

图4是根据本发明实施例操作的无线现场设备的示意图。

图5A和图5B是根据本发明实施例得到电能的温度感测现场设备的示意图。

图6A和图6B是根据本发明实施例从半导体热电发生器中得到电能的现场设备的示意图。

图7是根据本发明实施例从半导体热电发生器中得到电能的现场设备的示意图。

具体实施方式

图1和图2是典型现场设备的示意图和方框图，利用该现场设备，本发明的实施例是有用的。过程控制或监控系统10包括通过两线过程控制回路16与一个或多个现场设备14相连的控制室或控制系统12。过程控制回路16的示例包括：模拟4-20mA通信、包括模拟和数字通信的混合协议(例如高速可寻址远程换能器(HART)标准)以及全数字协议(例如FOUNDATION^TM现场总线标准)。通常，过程控制回路协议可以向现场设备供电，并允许现场设备和其它设备之间的通信。

在该示例中，现场设备14包括与传动器/换能器20相连并且通过外壳23中的接线板21与过程控制回路16相连的电路18。将现场设备14演示为过程变量(PV)发生器，它和过程相连，检测例如温度、压力、PH值、流量等过程的特性，并提供该特性的指示。现场设备的其它示例包括阀门、传动器、控制器和显示器。

通常，现场设备的特性在于：可以在例如温度、湿度和压力的环境压力下表现出的“现场”操作能力。除了环境压力之外，现场设备还必须经常暴露于腐蚀性、危险和/或甚至爆炸的气体中。此外，这样的设备还必须能在存在振动和/或电磁干扰的情况下进行操作。

图3是根据本发明实施例的无线现场设备的方框图。现场设备34包括：能量转换模块38、控制器35、无线通信模块32和传动器/换能器20。转换模块38可以是能够将过程中的热势能转换成电能的任意器件。转换模块38可以是已知或以后待开发、能够将现场设备34附近的分子中可用的热势能转换为电的任意器件。例如，模块38可以使用已知的热电堆(thermopile)器件，利用珀耳帖效应(Peltier Effect)从完全不同的温度中产生电。基于温度的其它转换器件可以用于模块38。这样的器件包括热电二极管；固态热发生器；和半导体热电发生器。此外，已知或以后待开发的、将热势能转换为电流的任意器件可以用作模块38或与模块38相结合。转换模块38能够单独为无线通信模块32、现场设备34的其它部分、或甚至现场设备34内的所有组件供电。

无线通信模块32与控制器35相连，并基于来自控制器35的命令和/或数据，通过天线26与外部无线设备相互作用。无线通信32能够传输过程相关信息和设备相关信息。取决于应用，无线通信模块32可以适于依照任何适当的无线通信协议进行通信，这些协议包括但不限于：无线网络技术(例如IEEE802.11b无线接入点和由Linksys ofIrvine，California构建的无线网络设备)、蜂窝或数字网络技术(例如Aeris Communications Inc. of San Jose，California的Microburst)、超宽波段、自由空间光学器件、全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线服务(GPRS)、码分多址(CDMA)、扩频技术、红外通信技术、SMS(短消息服务/文本消息)或任意其它适当的无线技术。此外，可以使用已知的数据冲突技术，以便多个单元可以彼此共存于彼此的无线操作范围内。可以使用多种不同的射频信道和/或扩频技术来避免冲突。

无线通信模块32还可以包括用于多种无线通信方法的换能器。例如，可以使用相对长距离的通信方法来执行主要无线通信，例如GSM或GPRS，同时，例如利用IEEE 802.11b或蓝牙，次要或附加的通信方法可以提供给技术员或单元附近的操作员使用。

一些无线通信模块可以包括能够与全球定位系统(GPS)相互作用的电路。有利地，可以针对移动设备在设备34中使用GPS，以便在远程位置找到各个设备34。然而，也可以使用基于其它技术的位置感测方法。

图3中的存储器37被显示为与控制器35分离，然而，实际上存储器37可以是控制器35的一部分。存储器37可以是任意适合类型的存储器，包括易失性存储器(例如随机存取存储器)、非易失性存储器(例如快闪存储器、EEPROM存储器等)和关于它们的任意组合。存储器37可以包含用于控制器35的程序指令和用于设备34的任意适合的系统管理数据。存储器37可以包含用于识别设备34的唯一标识符，由此设备34可以从其它无线通信中区分出自身所使用的无线通信。这种标识符的示例包括媒体接入控制(MAC)地址、电子序列号、全球电话号码、因特网协议(IP)地址或任意其它适合的标识符。此外，存储器37可以包括附加的现场设备的信息，例如它们的唯一标识符、配置信息以及功能。最后，控制器35利用存储器37，使得能够以使任意适合的形式来提供设备34的输出。例如，可以提供配置信息以及与现场设备34和/或一个或多个关联的现场设备相互作用，作为超文本标记语言(HTML)的网页。

图4是根据本发明实施例与能量转换模块38相连的无线现场设备的示意图。在图4所示的实施例中，模块38放置于现场设备34的外部。此外，图4中将换能器20演示为传感器。通过相连的过程，将传感器或传感器抽头(tap)20和无线现场设备34维持在不同的温度。例如，传感器20可以连接到处于更高温度的过程流体(process fluid)，所述温度高于设备34所暴露的环境的温度。如虚线40、42所示，转换模块38分别与传感器20和现场设备34热连接。与转换模块38相关的温差在转换模块38内产生了电流，并通过线路44将该温差提供给无线现场设备34。当如此供电时，现场设备34产生无线信息并将其传输给一个或多个远程收发器46，事实上，收发器46可以是控制系统12的一部分。

假设转换模块38通常将过程流体中或附近的热势能转换为电，温度测量现场设备是本发明实施例的一种增效应用。在这种实施例中，传感器20是一种温度传感器，例如热电偶、热敏电阻器或电阻温度器件(RTD)。尽管本发明实施例的描述关于温感现场设备，本发明的实施例适用于任何现场设备。

图5A和图5B是根据本发明实施例从热能中获取电能的现场设备的示意图。图5A示出了一种温度感测现场设备50，具有连接到热电偶套管54的电子隔间(electronics compartment)52，它被塑型或配置来从事过程流体。在热电偶套管(thermowell)54内，温度传感器56提供了热电偶套管54中紧邻末端58的过程流体温度的指示。此外，转换模块38的一部分(图4所示)被放置于紧邻末端58。具体地，器件60紧邻末端58放置，并通过电源线62、64与电子隔间52电连接。优选地，器件60是将热能转换为电的任意适合的器件。因此，器件60可以是热电堆、热二极管(热电二极管)、固态热发生器、半导体热电发生器、或其任意组合。现场设备50的温度感测是通过温度传感器56经由信号线66和68向电子隔间52提供信号来实现的。

图5B示出了具有电子隔间52和热电偶套管54的现场设备70。与现场设备50相比，现场设备70使用器件72，产生与其所暴露的环境温度相关的电。适于器件72的器件示例包括热电堆或热电二极管。这样的器件是适合的，因为它们无需通过器件的热流，而是基于暴露于特定的热源而产生电。

当前技术的进步增加了如图5A和5B所示的现场设备的可行性。对于电能产生，固态热发生器变得越来越有效。此外，无线技术的进步也增加了这种现场设备的可行性。具体地，无线发射机覆盖相同区域所需要的电能越来越小。此外，尽管实施例中特定现场设备的发射距离受到限制，例如半径大约为20米，本发明的实施例设想了使用中继或网状网络来增大该设备覆盖的区域。因此，在多个无线现场设备逐一地放置在无线传输半径内的情况下，第一设备可以将其无线信息中继给第二设备，这样就通过第二设备的网络范围扩展了第一设备的网络范围。

图6A和6B示出了根据本发明实施例使用半导体热电发生器来清除热能的现场设备。当保持设备两端的温差时，半导体热电发生器产生电能。这样，存在通过器件的热流，因此，冷端应适当地散热以利于电能产生。

在图6A中，现场设备80包括电子隔间52和热电偶套管54，热电偶套管54具有紧邻热电偶套管54的远端58设置的半导体热电发生器82。为了使器件52中能有热流通过，例如热传导构件的热导体84与器件82的冷侧86相连，并且沿箭头88的方向将热传递给一个或多个任意的冷却片90，在一些实施例中，冷却片90可以放置于电子隔间52的内部。导体84可以是有效传递热的任意设置。例如，导体84可以是铜棒。

图6B示出了一种用于从热能中产生电的替代设置。现场设备91包括电子隔间52和热电偶套管54。然而，半导体热电发生器器件92放置在热电偶套管54上面，紧邻电子隔间52。这样就允许器件92与器件82相比相对较大。有利地，为了保持热通过器件92，热导体84仍与远端58相连，并沿箭头88的方向给器件92的热侧94传递热。器件92的冷侧96与一个或多个任意的冷却片90相连，冷却片90可以放置或不放置在外壳52内。

如图6A和6B所示，存在不同的方式从概念上获得通过半导体热电元件的热流。尽管图6A和6B演示了两个示例，还可以根据本发明的实施例来实践其它可能性。事实上，热电电能发生元件不需要紧邻地放置在现场设备本身旁边。

图7示出了现场设备100的示意图，现场设备100具有连接到热电偶套管54的电子隔间52，用于感测过程温度。热电电能发生器件102远离现场设备100放置，并通过电能导体104、106连接到现场设备100。升高的过程温度连接到半导体热电发生器器件110的热侧108，半导体热电发生器器件110具有连接到其冷侧112的一个或多个任意的冷却片90。因为器件102远离现场设备100放置，设计现场设备100时，器件102的物理尺寸不受约束。这点是有利的，因为通常只有小的热电发生器器件才适合放置在热电偶套管54内部。商业上可用的热电发生器器件具有定制的尺寸，2mm×4mm×2mm厚的尺寸被认为能够适合放置在热电偶套管内部，并且在横跨热侧和冷侧有50度的温差下产生大约48毫伏的电压和80毫安的电流。所产生的电压通常较低，优选地，使用现场设备所处技术领域内的升压转换电路来进行升压。因此，在该条件下大约0.22瓦的热流通过热电发生器器件。尽管操作效率相对较低(大约2％)，产生的大约4毫瓦的功率被认为足以用于无线现场设备的操作。

然而，如果热电发生器件远离现场设备放置，有理由认为热电发生器件的尺寸可以比例子中给出的更大。具体地，可以使用具有大约15mm×15mm×2mm厚的尺寸的热电发生器件。这样的器件在商业上可用，并且被认为在50度的温差下可以产生375毫伏的电压和300毫安的电流。当仍升压转换电路使用时，产生的大约112毫瓦的功率使得设计这样的电路变得更加简单和更加节省成本。在该条件下，大约6瓦的热流通过热电发生器器件。

转换模块能够包括或被连接到附加的功率电路来提供关于电能产生和/或存储的附加功能。例如，例如电容器或可再充电电池的存储器件可以连接到转换模块，以便当从转换模块(通过热源)可用的电能量下降到可以操作现场设备或其部分的最低限度时，可以维持功率电平。此外，任何已知的功率调节电路都能用于升高电压、去除功率信号上的噪声、隔离功率信号、平滑和/或整形功率信号。然而，本领域的技术人员将会认识到，可以根据需要，通过功率调节电路来实现任何希望的功能。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (22)

1.一种现场设备，包括：

无线通信模块，被配置成与另一个设备无线地通信过程相关信息；以及

与无线通信模块相连的能量转换模块，能量转换模块被配置成与热源相连，并将热势能转换为电，以便向所述现场设备内部的电路供电。

2.根据要求1所述的现场设备，其中，能量转换模块包括热电堆。

3.根据要求1所述的现场设备，其中，能量转换模块包括热电二极管。

4.根据要求1所述的现场设备，其中，能量转换模块包括半导体热电发生器。

5.根据要求1所述的现场设备，其中，能量转换模块紧邻现场设备放置。

6.根据要求1所述的现场设备，其中，能量转换模块远离现场设备放置。

7.根据要求1所述的现场设备，还包括：

连接到能量转换模块和无线通信模块的控制器；以及

连接到过程和控制器的换能器。

8.根据要求7所述的现场设备，其中，所述换能器是传感器。

9.根据要求8所述的现场设备，其中，所述传感器是温度传感器。

10.根据要求9所述的现场设备，其中，温度传感器产生电，并且是一种能量转换模块的组件。

11.根据要求9所述的现场设备，还包括：被配置成连接到过程流体的热电偶套管。

12.根据要求11所述的现场设备，还包括放置于热电偶套管内的热传导构件，所述热传导构件被配置成远离过程流体地传送热量。

13.根据要求12所述的现场设备，其中，能量转换模块包括与热传导构件相连的半导体热电发生器。

14.根据要求13所述的现场设备，其中，半导体热电发生器具有与过程流体热连接的热侧和与热传导构件热连接的冷侧。

15.根据要求14所述的现场设备，其中，热传导构件具有连接到热电发生器的第一端和连接到至少一个冷却片的第二端。

16.根据要求13所述的现场设备，其中，半导体热电发生器具有连接到热传导构件的第一端的热侧和连接到至少一个冷却片的冷侧，并且热传导构件的第二端热连接到过程流体。

17.根据要求1所述的现场设备，其中，由转换模块转换的电量用于提供与热源相关的温度指示。

18.根据要求1所述的现场设备，其中，热源是一种过程热源。

19.根据要求1所述的现场设备，还包括与转换模块相连的电能存储器件。

20.一种向无线现场设备供电的方法，所述方法包括：

将热电器件和热势能源热连接；以及

将热电器件和现场设备的无线通信模块电连接。

21.根据要求20所述的方法，其中，热连接热电器件包括通过热电器件来传递热。

22.一种现场设备，包括：

无线通信模块，被配置成与另一个设备无线地通信过程相关信息；以及

转换装置，用于将过程热源中的热势能转换为电，以便向现场设备供电。

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