BR112013019338A2

BR112013019338A2 - Sistema e método para ajuste automático de configurações e parâmetros de sensor de gás

Info

Publication number: BR112013019338A2
Application number: BR112013019338-7A
Authority: BR
Inventors: Edwin Mealy Stephen Jr.; Adami Fatos; Anthony Deblasio Nicholas; Eugene Mclendon Byron; Chalfant Merkel Keli; Russel Propst Edward Jr.
Original assignee: Scott Technologies, Inc.
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US20160033460A1; US10145828B2; CN104792933A; CA3081003A1; CN103492867B; AU2012212420B2; CN103492867A; BR112013019338B1; CA3081016A1; AU2015261550B2; US20140238101A1; CA3081003C; AU2015261550A1; EP2671071A1; CA3081016C; US9417223B2; EP2671071B1; US9075029B2; US20190187113A1; CA2825314C

Abstract

sistema e método para ajuste automático de configurações e parâmetros de sensor de gás a presente invenção refere-se a um recurso de ajuste de voltagem de excitação de sensor automático, um recurso de concentração de múltiplas faixas, um recurso de calibragem singular e um recurso de circuito de proteção. o recurso de ajuste de voltagem de excitação de sendor automático inclui um transmissor possuindo um microprocessador de transmissor que fornece uma voltagem inicial para um sensor possuindo um microprocessador de sensor. à medida que a voltagem muda um sinal de correção é retransmitido do microprocessador do sensor para o microprocessador de transmissor. o sinal de correção é utilizado para ajustar a voltagem aplicada ao sensor. o recurso de sensor de concentração de múltiplas faixas inclui um amplificador associado com o sensor/microprocessador para criar configurações de ganho utilizadas para otimizar a resolução de sensor pela alteração de um valor de ganho para o sensor. isso permite o uso de um único sensor para uma variedade de diferentes faixas de concentração. o recurso de calibragem singular permite que um sensor seja calibrado em um valor de concentração de gás singular, e, depois disso, ser utilizado para uma variedade de diferentes aplicações de faixa de concentração.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para '’SISTEMA E MÉTODO PARA AJUSTE AUTOMÁTICO DE CONFIGURAÇÕES E PARÂMETROS DE SENSOR DE GÁS.

.Bftforênda

Esse pedido é uma continuação em parte do pedido de patente não provisório U.S. No. 13/018.039 depositado em 31 de janeiro de 2011 intitulado SYSTEM AND METHOD FOR AUTOMATICALLY ADJUSTING GAS SENSOR SETTINGS AND PARAMETERS que é incorporado aqui por referência em sua totalidade.

Campo da Descrição * A presente invenção refere-se a ssstemas de detecção de gás em geral, e, mais particularmente, a uma plataforma de sistema de detecção de gás na qual uma pluralidade de diferentes tipos de sensores pode ser utilizada com um único desenho de transmissão, e onde a pluralidade de 15 diferentes tipos de sensores pode ser automaticamente reconhecida, ajustada. calibrada e monitorada com o registro de usuário reduzido.

Antecedentes da Descrição

Sistemas de sensor ambientais podem incluir uma variedade de sensores para determinar a presença e concentrações de gases perigosos 20 (isso é, combustíveis) e/ou tóxicos em espaços industriais e outros espaços de trabalho. Dependendo do ambiente, pode ser desejável se fornecer informação de sensor para uma ampla variedade de tipos diferentes de gás e concentrações. Dessa forma,, um sistema típico pode incluir um grande número de diferentes tipos de sensores, onde cada tipo de sensor é apto a 25 perceber um gás em particular em uma faixa de concentração desejada.

A fim de um sensor em particular poder detectar um gás desejado em uma faixa de concentração em particular, e para transmitir essa informação de uma forma prontamente compreendida por um transmissor remoto, os sinais de saída do sensor devem ser adequadamente condiciona» 30 dos. Atualmente, o condicionamento de sinal de sensor é realizado pela utilização de componentes discretos (isso é, resistores. capacítores, amplificadores operacionais, etc.) para fotrar e amplificar uma salda especifica do

2/26 sensor antes da realização de uma conversão para o dominie digital para processamento adicional. Em um exemplo, os sinais dos sensores eletroquímícos são tipicamente condicionados utilizando-se circuito potenciostato bem conhecido. A desvantagem da utilização de componentes discretos, no 5 entanto, é que a disposição de tais componentes é frequentemente específica de um tipo em particular de sensor, e também a um gás particular sendo percebido além de uma faixa de concentração desejada. Dessa forma, o desenvolvimento de circuitos de condicionamento para uma ampla faixa de gases e fasxas exige a alteração dos valores desses componentes para se 10 alcançar o condicionamento de sinal analógico ideal. Isso, por sua vez, exige uma ampla variedade de circuitos de condicionamento para cobrir as faixas de interesse em potencial. Qomo resultado disso, um grande número de sensores de diferentes tipos, e de diferentes capacidades de faixa de concentração é fabricados e armazenados para corresponder à ampla variedade 15 associada de aplicações de campe. Ademais, a maior parte dos sensores opera em combinação com uma unidade transmissora associada. Devido à natureza especializada dos sensores descritos, tais transmissores frequentemente funcionam apenas com um único tipo de sensor, Como tal, os sistemas atuais exigem que um número similarmente grande de transmissores 20 diferentes também seja fabricado e armazenado.

Adícionalmente, quando o transmissor remoto atual e sensores são instalados e/ou substituídos, os mesmos são individualmente ajustados para garantir que sejam adequadamente calibrados, e também para garantir que estejam em condições operacionais adequadas. Atualmente, para apíi25 cações de transmissor e sensor remotos esse processo de ajuste/venficação é um esforço de duas pessoas no qual uma pessoa se localiza no local do sensor lendo um medidor de voltagem digital, e uma segunda pessoa no transmissor ajustando um potencíômetro manual para alcançar a voltagem de saída desejada para suprimento do sensor. Quando essa operação ecoe 30 re em uma área perigosas, a mesma pode exigir que a área seja desclassificada de modo que o transmissor possa ser aberto para acessar o potenciômetro manual, Muito do mesmo é verdadeiro para aplicações de transmissor

3/26 e sensor integrais, onde uma pessoa lê um medidor de voltagem digital e ajusta um potenciômetro manual no transmissor para alcançar uma voltagem de salda desejada para suprimento do sensor. Isso também pode envolver indesejavelmente a desclassificação da área perigosa em potencial para a5 brir o transmissor para acesso ao potenclòmetro manual·

Será apreciado adicionalmente que os sensores sofrem perdas de sensibilidade com o tempo. Os presentes sistemas nâo são capazes de fornecer reconhecimento automático e ajuste dos sensores para compensar pelas perdas de sensibilidade. Isso, por sua vez, pode resultar em elimina10 çãó prematura dos sensores que caem abaixo de um limite de sensibilidade desejado. Visto que tais sensores continuarão ostensivamente a funcionar de forma desejável se sua perda em sensibilidade puder ser compensada, os sistemas atuais produzem um despejo desnecessário.

De acordo, existe a necessidade de se criar um sistema de sen15 sor ambiental que: permita que um único transmissor reconheça e aceite uma pluralidade de diferentes tipos de sensores, ajuste automaticamente os sensores instalados para reduzir ou eliminar a necessidade de ajuste manual, calibre automaticamente os sensores para permitir que um único sensor acomode uma variedade de diferentes faixas de sensor, permita que um 20 sensor seja calibrado em um valor único e então seja utilizado em uma variedade de valores, e permite ajustes automáticos para estender a vida útil do sensor.

Adicíonalmente, um tipo de sistema de sensor ambiental inclui uma parte de transmissor conectada a uma parte de sensor associada por 25 um cabo. A parte de transmissão transmite informação recebida da parte de sensor para uma rede sem -fio, por exemplo. A parte de sensor pode ser localizada em um ambiente perigoso e/ou combustível longe da parte de transmissor. Adicíonalmente, as partes de transmissor e sensor incluem, cada uma. um gerenciamento de glândula possuindo multiples furos através 30 dos quais os fios se estendem.

Ê frequentemente desejável se “hot swap” o sensor durante o uso, isso ê, substituir o sensor sem desclassificar a area perigosa, no caso

4/26 de ο sensor ter perdido sensibilidade, per exemplo. Ne entanto, a remoção do sensor pode causar a geração de uma fagulha ou um arco elétrico na conexão entre o transmissor e o conjunto de circuito de sensor. Essas fagu lhas podem causar a ignição de uma atmosfera potencialmente explosiva.

Sumário da Descrição

Um sistema de sensor ambiental solucionando um ou mais dos problemas mencionados acima é descrito Especificamente, um sistema é descrito incluindo: (1) um recurso de ajuste de voltagem de excitação de sensor automática, (2) um recurso de concentração de múltiplas faixas e (3) 10 um recurso de calibragem único. O recurso de ajuste de voltagem de excitação de sensor automática pode incluir um transmissor possuindo um microprocessador associado que fornece uma voltagem inicial para um sensor associado. Q sensor também pode ter um microprocessador associado, e à medida que a voltagem muda, um sinal de correção pode ser retransmitido a 15 partir do microprocessador de sensor para o microprocessador da transmissor. O sinal de correção pode ser utilizado pelo microprocessador de transmissor para ajustar a voltagem sendo aplicada ao sensor para um valor desejado. O recurso de sensor de concentração de múltiplas faixas pode incluir um amplificador associado com o sensor/microprocsssaddr para criar as 20 configurações de ganho que podem então ser utilizadas para otimizar a resolução de sensor pela alteração de um valor de ganho associado com o sensor. Isso, por sua vez, pode permitir que um sensor único seja utilizado para uma variedade de faixas de concentração diferentes, como desejado por um usuário, O recurso de oalibragem único permite que um sensor seja 25 calibrado em um único valor de concentração de gás único, e. depois disso, seja utilizado para uma variedade de diferentes aplicações de faixa de concentração.

Um sistema é descrito para reconhecimento e ajuste da voltagem de sensor pela utilização de potenciômetros digitais, preferivelmente 30 sem intervenção humana e sem a necessidade de se desclassificar uma á~ rea perigosa. O sistema pode incluir um detector de gás/circuito de suprimento de energia de transmissor compreendendo um suprimento de energia

5/26 ajustável com um par de potenciômetros digitais. Um potenciômetro pode ser utilizado para o ajuste aproximado de voltagem, e o segundo potenciômetro pode ser utilizado para o ajuste fino de voltagem. Uma voltagem de saida desse circuito de suprimento de energia é referida como V_af;i;jsíl e é 5 utilizada para energizer um sensor associado com o transmissor. Essa disposição permite que um desenho de transmissor únioo seja utilizado com uma multiplicidade de diferentes tipos e faixas de sensor, visto que o circuito de suprimento de energia é oapaz de ajustar automaticamente a voltagem de excitação de sensor para um valor especifico associado com o 10 sensor em particular sendo utilizado. Também pode compensar as variações de voltagem devido às mudanças ambientais e queda de voltagem nu cabo de intervenção. O sistema descrito permite que os sensores sejam substituídos sob energização, sem desclassificar a área associada. Adiciona Imente, o sistema descrito pode reduzir o custo geral da propriedade permitindo a 15 substituição de apenas o núcleo do sensor no final da vida útil do sensor, em oposição aos sistemas atuais que exigem a substituição de toda a unidade de sensor.

Um sistema é descrito para detecção da presença de um gàs, compreendendo uma parte transmissora, uma parte de sensor e um supri20 mento de voltagem variável associado com a parte transmissora e a parte de sensor. A parte transmissora pode receber informação da parte de sensor referente a uma voltagem recebida. A parte transmissora também pode ajustar a voltagem suprida em resposta á informação recebida da parte de sensor.

Um método é descrito para ajustar a voltagem de excitação de sensor, O método pode incluir o fornecimento, em uma parte transmissora, de uma voltagem de operação para uma parte de sensor, recebimento, no transmissor, de um sinal da parte de sensor indicando uma voltagem necessária para a operação da parte de sensor, e ajustando, no transmissor, a 30 voltagem operacional fornecida para a parte de sensor.

Uma unidade de sensor/transmissor de gás universal é descrita.

A unidade pode incluir uma parte de sensor incluindo um núcleo de sensor e

6/26 um processador configurado para ler uma voltagem de excitação recebida A unidade também pode incluir uma parte transmissora possuindo um recesso configurado para engatar a geometria dei superfície externa do sensor. O transmissor pode incluir um processador transmissor e pelo menos um cir5 cuíto de suprimento de energia para fornecer energia ajustãvel para o sensor quando o recinto é engatado com um recesso do transmissor. O circuito de suprimento de energia ajustãvel pode incluir peio menos um poíenciômetro controlável peto processador para ajustar uma energia suprida para a parte de sensor.

Um método de calibragem de um sensor é descrito. Q método pode incluir a configuração de um desvio zero original e uma abrangência de um sensor em uma primeira configuração de ganho; obtenção de um desvio igual a zero em uma segunda configuração de ganho; a obtenção de uma razão de desvio igual a zero original para o desvio igual a zero na segunda 15 configuração de ganho; e o escalonamento de um fator de calibragem pela razão para permitir a operação do sensor em uma faixa operacional associada com a segunda configuração de ganho.

Um método de fornecimento de orientação de substituição para um sensor também é descrito. O método pode incluir a determinação de 20 uma redução de sensibilidade para um sensor, tendência da dita redução de sensibilidade com o tempo, e ajuste de um parâmetro de ganho associado com o sensor para compensar a redução da sensibilidade.

Um método de ajuste de uma faixa operacional para um sensor é descrito. O método pode incluir o fornecimento de um amplificador assoei25 ado com o sensor, fornecimento de uma tabela de configurações de ganho para o amplificador, e seleção de uma configuração de ganho da tabela para otimizar a resolução em um conversor de analógico para digital associado com o sensor. A seleção de uma configuração de ganho pode ajustar o sensor para uma dentre uma pluralidade de faixas operacionais predetermina30 das.

Adícionalmente, um sistema para a detecção da presença de um gás é descrito. O sistema Incluí uma parte de sensor para perceber um gás

7/2.6 alvo e fornecer sinais indicativos do gàs, onde a parte de sensor é substituível O sistema também inclui uma parte transmissora para transmitir a informação recebida a partir da parte de sensor para uma rede. Adtcionalmente. e sistema inclui um circuito protetor para fornecer energia infrinsecamente segura e sinais de comunicação para a parte de sensor.

Um sistema de detecção da presença de um gás é descrito, onde o sistema pode ser combinado em uma rede .possuindo uma parte transmissora comum, com um ou mais circuitos protetores, recebendo informação a partir de uma pluralidade de partes de sensor.

Breve Descrição dos Desenhos

Por meio de exemplo, uma modalidade específica do dispositivo descrito será descrita agora, com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

A FIG. 1 é uma ilustração de um transmissor ilustrativo com uma 15 única combinação de sensor;

A FIG. 2 é umá ilustração de uma parte transmissora ilustrativa da FIG. 1 associada com múltiplas partes dianteiras de detector com uma pluralidade de diferentes tipos de parte de sensor;

A FIG. 3 é uma vista transversal de um conjunto de parte de ca20 beçote de detecção ilustrativo que contêm um conjunto de parte de sensor para uso com a parte de transmissor da FIG. 1;

As Figuras 4A á 4G são vistas explodidas de conjuntos de parte de sensor respectivos para uso com a parte de cabeçote de detector da FIG. 3 para uso na parte de transmissor da FIG. 1;

A FIG. 5 é uma vista explodida da parte de transmissão da FIG.

1;

A FIG. 6 é um diagrama de sistema da combinação de transmissor e sensor da FIG. 1;

A FIG. 7 é um diagrama de nível de painel de sistema da combi30 nação de transmissor e sensor da FIG, 1;

A FIG. 8 é um diagrama em bloco para a parte de sensor da

FIG. 4;

8/26

A FIG, 9 é um diagrama em bloco de uma disposição de suprimento de energia ilustrativa para, a combinação de transmissor e sensor da FIG. 1;

A FIG. 10 é um diagrama de circuito de um suprimento de ener· gia ajustável ilustrativo para uso com a combinação de transmissor e sensor da FIG. 1;

A FIG. 11 é um circuito ilustrativo ilustrado para fornecimento de uma voltagem de referência utilizada pelo processador de transmissor;

A FIG. 12 é um esquema de um processador de transmís10 sor/sensor de gás Ilustrativo;

A FIG. 13 ê um esquema de um processador de sensor ilustrativo;

A FIG. 14 é urn fluxograma ilustrando urna modalidade ilustrativa do método descrito;

A FIG. 15 é um diagrama em bloco para a disposição ilustrada na FIG. 2;

A FIG. 16 é um diagrama em bloco de parte de transmissor;

A FIG, 17 é um diagrama em bloco da parte do sensor:

A FIG. 18 é um esquema de um circuito de proteção de energia 20 de transmissor para fornecimento de um sinal de energia intrinseoamente seguro (IS); e

A FIG. 19 é um esquema de um circuito protetor de comunicações de transmissor para fornecimento de um sinal de comunicação IS. Descrição Detalhada

O sistema e método descritos levam vantagem dos avanços na rnicroeíetrõnica e realizam o condicionamento de sinal final de um sensor utilizando amplificação embutida nos microprocessadores. Essa amplificação pode ser controlada por software para ser disposta em um modo diferencial ou aditivo. Adicionalmente, o nivel de ganho pode ser ajustado em níveis 30 discretos, permitindo, assim, uma ampla faixa de sinais de entrada a serem acomodados em um único circuito sem se lançar mão da alteração de componentes discretos.

9/26

Várias aplicações sao realizáveis. Primeiro, um único sensor pode ser construído para um gás especifico e a fmxa do sensor pode ser otimizada para uma aplicação em particular. Por exemplo, um sensor pode ser fornecido em uma faixa de 0 a 10 ppm ou 0 a 100 ppm simplesmente pela 5 alteração de parâmetros de software. Em segundo lugar, as variações na sensibilidade de sensor podem ser acomodadas através de uma faixa maior, levando a maiores rendimentos de fabricação. Previamente, núcleos de sensor precisam ser varridos para se garantir que sua sensibilidade a ser acomodada por um desenho de circuito fixo particular. Agora, uma variabilidade 10 maior em sensibilidade pode ser ajustada, resultando em menor desperdício de fabricação. Por fim, à medida que os sensores são submetidos ao uso normal, suas sensibilidades degradam. Com os desenhos antenores, uma vez que a sensibilidade do sensor degradou ao ponto de o circuito fixo não poder compensar essa degradação, o sensor alcançou o final de sua vida 15 útil. Os presentes sistema e método podem ser utilizados para compensar a degradação de sensibilidade de sensor além do limite tradicional pelo ajuste de ganho ascendente. Isso tem a vantagem de reduzir o custo do ciclo de vida para um detector de gás pela redução de numero total de substituições de sensor.

Como previamente notado, os presentes sistemas utilizam desenhos de. circuito fixo para cada faixa de um gás alvo. Na prática, os sensores precisam ser calibrados com base recorrente para garantir a precisão. Á caíibragem é realizada em 2 pontos.' um sem qualquer gás presente (zero) e um ponto dentro da faixa do sensor (abrangência), onde a abrangência é 25 tipicamente de 25 a 75% da escala total. Em uma instalação com sensores de várias faixas, isso exige a presença de múltiplos gases de caíibragem em concentrações diferentes.

Com o sistema e método descritos, as variáveis de caíibragem são escalonadas em faixas diferentes dentro do sensor. Isso permite a caii· 30 bragem utilizando uma concentração de gás de caíibragem e então o ajuste da faixa de sensor para a aplicação em particular. Isso tem a vantagem de permitir a caíibragem de sensores de faixas diferentes utiíizando-se um gás

10/26 de cafibragem comum. Como serã apreciador, isso reduz o número de gases de calibragcm de concentração diferente necessários, e/ou elimina a necessidade de uso de uma concentração de gás que ê mais amplamente disponível do que outro para urna aplicação éspecíalizáda.

Uma combinação de sensor/transmissor de gás é descrita que reconhece e ajusta a voltagem de sensor pela utilização de potenciômetros digitais, preferivelmente sem intervenção humana e sem desclassificação de uma área perigosa. Um circuito de suprimento de energia de transmissor e sensor de gás inclui um suprimento de energia ajustável com dois potenciô10 metros digitais. Um potencíômetro é para o ajuste de voltagem aproximado é o segundo potencíômetro é para o ajuste fino de'voltagem. A voltagem de salda desse circuito de suprimento de energia é chamada de o auxilia na energização de sensor associado com o transmissor.

Com referência agora à FIG. 1, uma combinação de transmissor 15 e sensor 1 é ilustrada compreendendo uma parte de cabeçote de detector 2 e uma parte de transmissor 4. A parte de transmissor 4 pode ser configurada para transmitir informação recebida da parte de cabeçote de detector 2 para uma rede sem fio 6 através de uma conexão sem fio 8. Á conexão sem fio 8 pode ser qualquer um dentre uma variedade de protocolos, incluindo, ISA 20 100,11a, HART sem fio e similares. A rede sem fio 6 pode distribuir a informação recebida a partir da parte de transmissor 4 para um ou mais alarmes locais ou remotos, e uma ou mais estações de monitoramento local ou remota através da Intranet, Internet Wi-Fi ou outra disposição de rede. Será apreciado que apesar de a FIG. 1 ilustrar uma conexão sem fio para a rede 6, 25 a invenção não deve ser limitada a isso. Dessa forma, a conexão pode ser com fio, protocolos incluindo Modbus, HART, barramento de campo Foundation, Profibus e similares.

Com referência à FIG, 3, a parte de cabeçote de detector 2 inclui uma parte de sensor 200. Como será compreendido, a finalidade básica da 30 parte de sensor 200 é perceber o gás-alvo e fornecer sinais representativos da concentração desse gás para a parte de transmissor 4. A finalidade básica da parte de transmissor 4 é a coleta de informações da parte de cabeçote

11/26 de detector 2 e para transferir os dados a jusante. Os dispositivos a jusante podem incluir controladores, circuitos de porta, conversores e dispositivos símiiares.

Em adição à transmissão remoto dos dados de sensor, a parte 5 de transmissor 4 pode incluir um monitor local 10 para fornecer indicação local da operação de sensor. Em algumas modalidades, a parte de transmissor 4 pode ser configurada para aceitar uma pluralidade de partes de cabeçote de detector para fornecer uma cobertura de área expandida. A FIG. 2 ilustra uma parte de transmissor 4 com fio para uma pluralidade de partes de 10 cabeçote de detector 2A a 2C representando uma pluralidade de diferentes tipos de sensores que podem ser utilizados com a parte de transmissor 4 Na verdade, apesar de a descrição prosseguir com relação a uma parte de transmissor 4 associada com uma única parte de cabeçote de detector 2, será apreciado que a parte de transmissor 4 pode ser associada com e aceí15 tar sinais de uma pluralidade de partes de cabeçote de detector 2A a 2C de uma vez.

Como será apreciado, a parte de cabeçote de detector 2 (ou partes de cabeçote de detector, onde múltiplos sensores são utilizados com um único transmissor) pode ser qualquer uma dentre uma variedade de tipos de 2D sensor conhecidos, uma listagem ilustrativa não limitadora de tais tipos incluindo um sensor de gás IR, um sensor de friso catalítico, um sensor eletroquímico, um sensor de fotoionização, e um sensor de oxido de metal.

Na aplicação prática, as partes de cabeçote de detector em particular 2 podem ser utilizadas para detectar uma ampla variedade de gases 25 tóxicos, uma listagem ilustrativa dos quais incluí, mas não está limitado a amônia, arsine, tricloreto de boro, tritiuoreto de boro, bromine, dióxido de carbono, monóxido de carbono, cloro, dióxido de cloro, diborano, flúor, germânio, hidrogênio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, cíanida de hidrogênio, fluoreto de hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, metanol, mercapta30 no metil, iodida metil, oxido nítrico, dióxido de nitrogênio, trifluoreto de nitrogênio, oxigênio, ozônio. fosfina, sílano, tetrafluoreto de silício, dióxido de enxofre, tetraetiloxisilano (TEOS), e hexafluoreto de tungstênio.

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Adicionalmente, as partes de cabeçote de detector particulares 2 podem ser utilizadas para detectar uma ampla variedade de gases combustíveis. urna listagem ilustrativa não limitadora dos quais inclui acetona. benzene, butadiene, butane, etano, etanol, etileno, hexano, hidrogênio, isobuta5 nol álcool isopropil, metano, metanol rnetil etil cetona (MEK), pentane, propane, propüeno, tolueno e xileno.

Um beneficio da disposição descrita é que uma parte de cabeçote de detector única 2 pode aceitar rapidamente qualquer uma dentre uma variedade de partes de sensor 200. Dessa forma, como ilustrado nas figuras 10 de 4A a 4C, a parte de sensor 200 pode incluir componentes de sensor internos tal como um núcleo de sensor 12, montado dentro de um recinto de sensor superior 22. E, apesar de partes de sensor diferentes 200 poderem incluir núcleos de sensor diferentes 12, além de componentes de processamento adicionais, todos os núcleos de sensor diferentes 12 encaixarão den15 tro dos recintos de sensor superior e inferior 22. 14 permitindo, dessa forma, que a parte de sensor 200 seja de um tamanho e formato único para todas as aplicações.

O recinto de sensor inferior 14 pode ser disposto para permitir a instalação simples de um núcleo de sensor em particular 12 e componentes 20 associados. Isso pode possibilitar a substituição de um núcleo de sensor 12 sem exigir que os componentes restantes da parte de sensor 12 sejam substituídos.

Dispostos dessa forma, para engatar a parte de cabeçote de sensor 2 com a parte de transmissor 4, a região superior 16 da parte de ca25 beçote de detector 2 é inserida dentro de um recesso (não ilustrado) na parte de transmissor 4,ea tampa de extremidade 18 da parte de cabeçote de detector 2 engata o recesso e trava a parte de sensor 200 na parte de cabeçote de detector .2. A tampa de extremidade 18 pode ter um ou mais recessos ou outra geometria adequada para receber uma gaxeta em formato da 30 anel em O ou similar para vedar a parte de sensor 200 para a parte de cabeçote de detector 2. Essa disposição de vedação protege o sensor interno e os componentes contra ambientes externos potencíalmente duros, Uma par13/26 te de sensor 200 .pode incluir recursos de alinhamento automático (por exemplo, interação chaveada com o transmissor) que pode facilitar adicionalmente a instalação e substituição rápidas das partes de sensor 200. Os recursos de retenção, tal como -roscas externas e similares, também podem 5 ser fornecidos para garantir o engate firme da parte de sensor 200 com a parte de cabeçote de detector 2.

As Figuras de 4A a 4C ilustram uma pluralidade de partes de sensor 200 utilizadas para perceber os diferentes tipos de gás. Como pode ser observado, cada uma das partes de sensor 200 inclui um recinto de sen10 sor inferior 14, um recinto de sensor superior 22, um núcleo de sensor 12, um painel de contato 24, um painel de circuito impresso de sensor (PCB) 26, e um PCB de interface 28. Como pode ser observado, o núcleo de sensor 12 possui um tamanho/geometria diferentes para cada uma das diferentes partes de sensor 200. Tais diferenças podem ser acomodadas pelo recinto de 15 sensor inferior 14 que pode ter uma geometria interna configurada para receber o núcleo de sensor especifico 12, mas que possui uma configuração externa comum de modo que possa ser recebida pelo recinto de sensor superior 22. Essas diferenças também podem ser acomodadas pelo painel de contato .24, que pode incluir receptáculos 25 (ver FIG. 4A) para obstruir o 20 núcleo de sensor específico 12. Isso permite que a parte de sensor 200 tenha um tamanho e formato únicos para todas as aplicações.

Como pode ser observado, uma variedade de diferentes núcleos de sensor de tamanho e formato diferentes pode ser acomodada sem causar impacto à disposição externa da parte de sensor 200. Dessa forma, cada 25 uma das partes de sensor 200 das figuras 4A a 4C pode encaixar na parte de cabeçote de detector 2 exatamente da mesma forma física,

O PCB de sensor 26 pode ser singular para cada núcleo de sensor 12, e como tai pode incluir um processador de sensor 30, além de um circuito de condicionamento 32 que realiza o condicionamento dos sinais 30 recebidos a partir do núcleo de sensor 12. Por exemplo, os componentes de condicionamento 32 podem converter o sinal do núcleo de sensor de pA por PPM em um nível de voltagem utilizável pelo conversor de analógico para

14/26 digital do processador de sensor. O RGB de interface 28 fornece uma inter·’ face entre o RGB de sensor 26 e uma parte de cabeçote de detector 2. Q PCB de interface 28 pode incluir urna disposição de pino 34 comum a todas as partes de sensor 200 que é configurada para ser recebida pela parte de 5 cabeçote de detector 2.

Como disposto, em uma modalidade a parte de sensor 200 pode medir constantemente uma concentração de gás-alvo local voltagem de suprimento, e temperatura ambiente e reportar uma concentração de gás compensado por temperatura, quando solicitado, para a parte de transmissor 4, 10 A FIG. 5 ilustra os componentes internos da parte de transmissor

4, que pode incluir um monitor 10, painel de processador 36, painel de retransmissão/rede 38, painel de suprimento de energia 40, e proteção de segurança intrínseca (IS) 42. Um ou mais blocos de plug-in 44 também podem ser incluídos para o fornecimento de uma variedade de funções de conecti15 vidade para a parte de transmissor 4, Os blooos de plug-in 44 podem ser utilizados para fornecer energia, retransmissões, aviso de recebimento remoto, comunicações e conexões de cabeçote de detector,

A FIG, 6 ilustra uma disposição lógica de uma combinação de sensor/cabeçote de transmissor/detector ilustrativa 1 de acordo com uma ou 20 mais modalidades. Na modalidade ilustrada, a parte de transmissor 4 compreende um processador 46 que conecta á parte de sensor 200 através da comunicação digital 48, e retransmite a saida da parte de sensor 200 através de uma variedade de meios de comunicações, Um monitor 10 é fornecido para permitir o monitoramento local de dados além de parâmetros de confi25 guração e parâmetros de sistema de configuração associados com as mudanças e calibragem do processo. Uma porta de expansão 50 é fornecida para permitir que os métodos de comunicação além do sinal de 4 a 20 miliampères e MODBUS. A memória 52 é fornecida para permitir um histórico de dados de processo, dados de calibragem e informação de usuário ex30 pandlda. Circuitos de vigilância 54 são fornecidos para garantir a confiabílídáde melhorada. Um ou mais circuitos adicionais 56 podem ser fornecidos para uso de fábrica para programar e testar o dispositivo durante a produ

15/26 ção. Suprimento de energia/interface 40 fornece energia para a parte de transmissor 4 e parte de sensor 200.

As entradas para a parte de transmissor 4 podem ser HART, comunicação serial de um hospedeiro, comunicação serial dos sensores, 5 comunicação PG a partir do dispositivos embutidas ou não, comunicação SPI de dispositivos embutidos ou não e recintos de contato de comutadores magnéticos localizados no monitor 10. As saídas da parte de transmissor 4 incluem LEDs no monitor 10, LCD no monitor 10_; retransmissores de alarme, circuitas de corrente de 4 a 20 milliamperes, comunicação MODBUS com 10 hospedeiros externos, comunicação PC cc-m dispositivos embutidos ou não, comunicações SPI com dispositivos embutidos ou não, energia para múltiplos sensores, e módulos de comunicações seriais opcionais para hospedeiros externos.

A FIG. 7 ilustra um diagrama de nível de painel ilustrando a in15 terconexâo entre a parte de transmissor 4 e a parte de sensor 200. A parte de transmissor 4 pode incluir o monitor 10, processador 46, módulos de expansão 50, painel de refransmissãorterminal 38, painel de suprimento de energia 40, e proteção IS 42. Uma conexão 47 é fornecida entre o processador 46 e o painel de suprimento de energia 40.

O monitor 10 geralmente fornece interfaces humanas, CD gráfica, entradas de comutação magnética, e LEDs de situação de alarme. Q processador 46 controla ás funções do transmissor e inclui memória não volátil 52. Os módulos de expansão podem incluir capacidades para as comunicações com ou sem fio como descrito previamente. O painel de retrains25 missão/terminal 38 pode fornecer conexões padrão incluindo energia, retransmissão, 4 a 20 mA, RS485 MODBUS, e aviso de recebimento remoto. O painel de suprimento de energia 40 pode converter 10 a 30 V DC em 3,3V, 12V, pode fornecer uma voltagem de sensor de 2 a 9 V ajustável e pode gerar circuitos de 4 a 20 mA. A proteção IS 42 pode fornecer conexões intrin30 secamente seguras para a parte de cabeçote de detector 2.

A parte de transmissor 4 pode incluir adicmnaimente um terminal 58 para fornecer uma conexão com a parte de cabeçote de detector 2. O

16/2.6 terminai 58 pode conectar ás comunicações digitais 48 que por si só podem conectar a um conversor 60 para converter os sinais entre RS485 e níveis TTL. O circuito de processo 48 conecta ao PCB de interface 28 da parte de sensor 200. Como descrito enteriormente, o PCB de interface 28 conecta ao 5 PCB de sensor 26 e núcleo 12. O PCB de sensor 26 pode incluir um processador de sensor 36 e conjunto de circuito associado para fornecimento de controle de sensor, calculando as concentrações de gás e realizando a compensação e linearização de temperatura.

A FIG. 8 ilustra um diagrama em bloco ilustrativo para a parte de 10 sensor 200. Quando solicitado pelo processador de transmissor 46, a parte de sensor 200 fornece uma saída digital que representa uma entrada de gás percebida. A parte de cabeçote de detector 2 é conectada ao transmissor através de um cabo 48. A parte de transmissor 4 fornece uma energia intrinsecarnente segunda para a parte de cabeçote de detector 2, 3,3V e V_s;Sp_SÍ, 15 solo e dois sinais de comunicações IS. Em geral a parte de sensor 200 compreende um processador 30 em comunicação com o conjunto de circuito de condicionamento 32. núcleo 12 e memória 62. A memória 62 pode incluir uma variedade de informações específicas de sensor, incluindo um valor de voltagem de excitaçãò para o sensor em particular com o qual a memória 62 20 é associada. Adicionalmente, a memória 62 pode servir uma função de arquivamento de dados, gravação de exposições de histórico de sensor a um gás-afvo a fim de desenvolver uma estimativa de vida para a parte de sensor 200. A memória 62 também pode armazenar data e hora e outros eventos significativos associados oom a parte de sensor 200.

Em uma modalidade, o processador de sensor 30 pode se comunicar com o processador do transmissor 46 em uma disposição mestre/escravo onde o sensor é o escravo. O processador de sensor 30 pode incluir como um periférico um conversor analógico para digital (ADO) e referência de 2,5V para converter voltagens núcleo analógicas representando a 30 concentração de gás em seu equivalente digitai,

Como será apreciado, diferentes tipos de núcleos de sensores são utilizados para detectar diferentes tipos de gases alvo. Os diferentes

17/26 tipos de núcleos de sensor geram uma salda analógica como uma corrente, voltagem ou urna saída ponte. As amplitudes desses sinais através de uma escala total também variam. A entrada do A/D de processador de sensor 30 exige uma entrada de voltagem de referência a partir de 0 a 2,5V. Os PCBs δ de sensor individuais 26 para cada tipo de núcleo de sensor 12 podem fornecer conversão, amplificação, filtragem e orientação, dependendo da necessidade de um núcleo de sensor em particular.

A memória não volátil 62 pode ser fornecida para o armazenamento dos parâmetros de sensor e outras variáveis que precisam ser sus1.0 tentadas durante a perda de energia. Alguns parâmetros são utilizados localmente pelo processador de sensor 30, mas a maior parte é utilizada pelo processador de transmissor 46.

O PCB de interface de sensor 28 pode fornecer conexão com a parte de cabeçote de detector 2 através de um conector de pino 34 (figuras 15 4A a 4C). Uma variedade de sinais pode ser acomodada no conector 34, incluindo terra, 3,3V, V_3<iHÍSi_: transmissor (TX), receptor (RX)_: DIR e similares.

Com referência agora à FÍG. 9. um diagrama em bloco é ilustrado para um circuito de suprimento de energia ajustavel 64 para urna combinação de transmissor e sensor 1. O circuito de suprimento de energia ajus20 távei 64 pode utilizar uma voltagem de entrada 66 de 10 a 30 VDC, e inclui um regulador de comutação de escalonamento descendente (Buck) com uma voltagem de saída ajustável· por exemplo, a partir de cerna de 2V a cerca de 9 VDC. Especificarnente, o circuito de suprimento de energia ajustável 64 inclui um suprimento de energia ajustável com dois potenciômetros 25 digitais 68, 70. Um potenciômetro 68 è de ajuste aproximado de voltagem e o segundo potenciômetro 70 é para o ajuste fino de voltagem. Como serâ apreciado, a energia de saída 72 é ajustada pelo ajuste de potenciômetros, e è fornecida para a parte de sensor 2 de acordo.

Com referência agora à FIG. 10, um circuito de suprimento de 30 energia ajustável ilustrativo (Voltagem de saída é ilustrado. Com referencia à FIG, 11, um circuita ilustrativo é ilustrado para fornecer uma voltagem de referência de 2,5V utilizada pelo processador de transmissor 46.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para detecção da presença de um gás, caracterizado pelo fato de que compreende:

uma parte de transmissor (4);

uma parte de sensor (200); e um suprimento de voltagem variável associado com a parte transmissora (4) e a parte de sensor (200), a parte de transmissor (4) configurada para receber informação da parte de sensor referente a uma voltagem recebida, a parte de transmissor (4) configurada para ajustar a voltagem suprida em resposta à informação recebida da parte de sensor (200).
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suprimento de voltagem variável compreende pelo menos um potenciômetro ou uma pluralidade de potenciômetros (68, 70), permitindo o ajuste aproximado ou fino da voltagem.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parte de transmissor (4) para a informação de transmissão recebida a partir da parte de sensor (200) para uma rede (6) com ou sem fio, no qual a informação transmitida inclui uma identidade de pelo menos um gás percebido, e uma concentração de pelo menos um gás percebido.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende um processador (46) associado com o transmissor para configurar pelo menos um dentre uma pluralidade de potenciômetros (68, 70) para um valor padrão e um processador (30) associado com o sensor para comunicar com o processador de transmissor (46) um valor de uma voltagem necessária pelo sensor.
5. Método de ajuste de voltagem de excitação de sensor, caracterizado pelo fato de que compreende:

o fornecimento, em uma parte de transmissor (4), de uma voltagem operacional para uma parte de sensor (200);

o recebimento, no transmissor, de um sinal da parte de sensor (200) indicando uma voltagem necessária para a operação da parte de sensor (200); e

2/5 o ajuste, no transmissor, da voltagem de operação fornecida para a parte de sensor (200).
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende o ajuste da voltagem de operação utilizando um suprimento de voltagem variável, o suprimento de voltagem variável incluindo pelo menos um potenciômetro (68, 70), o pelo menos um potenciômetro (68, 70) compreendendo primeiro e segundo potenciômetros (68, 70), o primeiro potenciômetro (68) para o ajuste aproximado da voltagem e o segundo potenciômetro (70) para o ajuste fino da voltagem, compreendendo a transmissão de informação recebida da parte de sensor (200) para uma rede (6) com ou sem fio, no qual a informação transmitida inclui uma identidade de pelo menos um gás percebido, e uma concentração de pelo menos um gás percebido, a configuração de pelo menos um dentre uma pluralidade de potenciômetros (68, 70) para um valor padrão.
7. Unidade de transmissor/sensor de gás universal, caracterizada pelo fato de que compreende:

uma parte de sensor (200) incluindo um núcleo de sensor e um processador configurado para ler uma voltagem de excitação recebida; e uma parte de transmissor (4) possuindo um recesso configurado para engatar a geometria de superfície externa do sensor, o transmissor incluindo um processador de transmissor (46) e pelo menos um circuito de suprimento de energia para fornecimento de energia ajustável para o sensor quando o recinto é engatado com um recesso do transmissor; o circuito de suprimento de energia ajustável incluindo pelo menos um potenciômetro controlável pelo processador (30) para ajustar uma energia suprida para a parte de sensor.
8. Unidade de transmissor/sensor de gás universal, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a parte de sensor (200) incluindo um processador de sensor (30) possuindo uma memória associada, a memória incluindo um valor representativo de uma voltagem de excitação do núcleo de sensor, o processador de sensor (30) sendo operável para transmitir o valor representativo de uma voltagem de excitação do nú

3/5 cleo de sensor ao processador de transmissor (46), o processador de transmissor (46) sendo operável para determinar uma energia suprida a partir da unidade de transmissor, comparar um valor da energia suprida com o valor representativo de uma voltagem de excitação do núcleo de sensor, e para realizar ajustes quando a energia suprida é diferente do valor representativo de uma voltagem de excitação do núcleo de sensor, a memória contendo informação de histórico operacional para a parte de sensor (200).
9. Unidade de transmissor/sensor de gás universal, de acordo com reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a geometria da superfície externa da parte de sensor (200) possuindo um recesso para receber um elemento de vedação para vedar a geometria de superfície externa da parte de sensor ao recesso da parte de transmissor.
10. Método de calibragem de um sensor, caracterizado pelo fato de que compreende:

configurar um desvio zero original e uma abrangência de um sensor em uma primeira configuração de ganho;

obter um desvio zero de uma segunda configuração de ganho;

obter uma razão entre o desvio zero inicial para o desvio zero na segunda configuração de ganho; e determinar um fator de calibragem pela razão para permitir a operação do sensor em uma faixa operacional associada com a segunda configuração de ganho.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a abrangência representa 50% de uma faixa de escala total do sensor, no qual o dito escalonamento de um fator de calibragem compreende a nova faixa de sensor e escalonamento de uma calibragem do sensor.
12. Método de fornecimento de uma orientação de substituição para um sensor, caracterizado pelo fato de que compreende:

a determinação de uma redução da sensibilidade para um sensor;

a tendência da dita redução de sensibilidade com o tempo; e o ajuste de um parâmetro de ganho associado com o dito sensor

4/5 para compensar a dita redução da sensibilidade.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o ajuste compreende a seleção de um valor de ganho de uma tabela de valores de ganho, o ajuste de parâmetros de ganho compreende a seleção automática de um valor de ganho a partir da dita tabela, o ajuste de parâmetros de ganho compreende uma seleção usual de um valor de ganho a partir da dita tabela.
14. Método de ajuste de uma faixa operacional para um sensor, caracterizado pelo fato de que compreende:

o fornecimento de um amplificador associado com o dito sensor;

o fornecimento de uma tabela de configurações de ganho para o dito amplificador; e a seleção de uma configuração de ganho da dita tabela para otimização de uma resolução em um conversor de analógico para digital associado com o sensor;

no qual a seleção de uma configuração de ganho ajusta o sensor para uma dentre uma pluralidade de faixas operacionais predeterminadas.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a seleção de uma configuração de ganho configura o sensor para operação em uma faixa operacional discreta, a seleção de uma configuração de ganho é realizada em resposta a um registro de usuário.
16. Sistema de detecção da presença de um gás, caracterizado pelo fato de que compreende:

uma parte de sensor (200) para perceber um gás-alvo e fornecer sinais indicativos do gás;

uma parte de transmissor (4) para transmitir informação recebida a partir da parte de sensor para uma rede (6); e um circuito de proteção para limitar pelo menos um dentre corrente, voltagem e energia para a parte de sensor (200).
17. Rede para detecção da presença de um ou mais gases, caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de sistemas, de

5/5 acordo com a reivindicação 16, no qual os múltiplos sistemas percebem os mesmos gases ou gases diferentes.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que as partes de sensor (200) incluem um sensor de gás infravermelho, um sensor de friso catalítico, um sensor eletroquímico, um sensor de fotoionização, um sensor de oxido de metal e combinações dos mesmos, no qual o circuito de proteção inclui um diodo zener, compreendendo adicionalmente um segundo circuito de proteção para limitar pelo menos um dentre corrente, energia ou voltagem com a parte de sensor (200).
19. Método de ajuste de voltagem de excitação de sensor, caracterizado pelo fato de que compreende:

o fornecimento, em uma parte de transmissor (4), de uma voltagem operacional para uma parte de sensor (200);

o recebimento no transmissor de um sinal da parte de sensor (200) indicando uma voltagem necessária para a operação da parte de sensor; e a limitação de pelo menos um dentre corrente, voltagem e energia para a parte de sensor (200).
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma pluralidade de partes de sensor.