CN100486080C - 在工业过程现场设备中产生电能的电源模块及现场设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在工业过程现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：可连接至压缩气体源的支撑结构，所述支撑结构适于引导所述压缩气体；相对于所述支撑结构安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应在所述非流线形体上方的气体流动而振荡的一个末端；导电体，所述导电体靠近悬臂末端被定位在该弯曲体上，且被电连接至所述现场设备内的部件；以及磁场，所述磁场靠近所述悬臂末端被设置，以使悬臂末端的振荡在所述导电体中产生电能。
Description
技术领域
本发明涉及过程控制和测量现场设备，例如传感器和执行器。尤其是，本发明涉及相对低功率的现场设备。
背景技术
现场设备，在这里还称为过程设备，由过程控制和测量工业用于各种目的。通常，这种设备具有现场硬质封装(field-hardened enclosure)，以使它们可被安装在室外相对恶劣的环境中，以及能够承受温度、湿度、振动、机械震动等的气候非逻辑的极限值(climatalogical extreme)。这些设备还典型地能工作在相对低功率。例如，从已知的4-20mA环路接收所有其工作功率的现场设备在目前是可利用的。这些设备不仅能够工作在该环路上，还能经该环路上与模拟信号(实际上调制4-20mA信号)和数字的相通信。
现场设备的一个例子是通常所说的过程变量传感器。传感器检测诸如压力、温度、流量、PH、传导率、混浊度等之类的过程参数，并且将信号提供在过程通信环路(诸如4-20mA环路)上，该信号是检测的过程变量的指示。过程执行器与过程变量传感器类似之处在于：它们通常具有相对现场硬质封装且在过程控制和测量环路上通信。然而过程执行器实际上基于从环路上接收到的信号影响该过程。其它现场设备可包括过程控制模块、过程报警模块、过程诊断模块等等。
在某些过程控制工厂中，或在远程测量站中，经常有用的是提供过程变量数据的传送，使用除了在铜线过程通信环路之外的方式。通常，无线通信被用于这种应用。临时的或附加的过程变量监控还将受益于无线装置。
用于无线装置，数据通常以短脉冲串(burst)形式被传递。在这些传送短脉冲串期间，要求相对显著的工作功率(超过100毫瓦)。在传送短脉冲串之间的驻留时间期间，该设备一般进入消耗低于10毫瓦的低功率测量模式。在某些应用中，该单元进入测量之间的休眠模式。该休眠模式可具有微瓦级别的工作功率。在过程变量测量被要求或信息被要求传送时，该单元然后将被唤醒且执行要求的动作。
远程、无线测量和控制应用的一个普遍问题是提供一种可靠的、自主式电源，该电源能够提供足够的功率用于测量和传送。目前，电池或电池和太阳电池板的组合被这些装置使用。这些方法具有缺陷，因为电池需要充电或者太阳电池板有时没有接收到足够的光线以充足给后备电池充电。最后在这些低光照的状况下，测量和传送方案因低压电池被中断。例如，在某些地理位置，低光照状况在一些季节中基本上整天存在。
提供一种不需要阳光或周期性给电池充电的用于无线远程过程装置的电源将明显有益于现有技术。
发明内容
提供一种具有改良的电力产生的工业过程现场设备。该过程设备可以是过程变量传感器、过程执行器、或任意其它合适的现场设备。该现场设备包括无线收发机，该无线收发机经由无线媒介收发相关过程的信息。在该现场设备内的电源可结合至压缩气体源，并且在电源内产生被转变为电能的运动。这种电能然后被用于使现场设备工作。
根据本发明的一个方面，其提供一种用于在工业过程现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：可连接至压缩气体源的支撑结构，所述支撑结构适于引导所述压缩气体；相对于所述支撑结构安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应在所述非流线形体上方的气体流动而振荡的一个末端；导电体，所述导电体靠近悬臂末端被定位在该弯曲体上，且被电连接至所述现场设备内的部件；以及磁场，所述磁场靠近所述悬臂末端被设置，以使悬臂末端的振荡在所述导电体中产生电能。
根据本发明的另一方面，其提供一种用于在工业过程现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：可连接至压缩气体源的支撑结构，所述支撑结构适于引导该压缩气体；相对于该支撑结构安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应被引导的压缩气体在所述非流线形体上方的流动而振荡的一个末端；以及相对于该悬臂末端安装的压电材料，以使悬臂末端的振荡从压电材料产生电能，所述压电材料被电连接至该现场设备内的部件。
根据本发明的再一方面，其提供一种工业过程现场设备，包括用于在现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：可连接至多个过程压力点的支撑结构，所述支撑结构适于通过喷嘴引导来自于至少一个过程压力点的气体；相对于所述喷嘴安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应气体流过喷嘴且在所述非流线形体上方流动而振荡的一个末端；导电体，所述导电体被设置以响应该振荡而产生电能；以及其中在导电体中产生的电能相关于喷嘴两端的压力差和多个过程压力点之间的压力差。
附图说明
图1是工业过程环境的图示，在其中本发明的实施例尤其是有用的。
图2和3是现场设备的图示，在其中本发明的实施例尤其是有用的。
图4是过程变量传感器的框图，本发明的实施例尤其对该装置是有用的。
图5和6是根据本发明的实施例的电源模块的图示，该电源模块将压缩气体转换为电能。
图7是根据本发明的实施例的现场的图示。
具体实施方式
图1是过程工业装置的图示，使用在该例子中示出的作为过程变量传感器12的现场设备，该过程变量传感器物理连接至该过程，以及提供指示至少一个过程变量的无线信号14。
图2和3是示例性过程变量传感器的图示，使用该过程变量传感器，本发明的实施例尤其是有用的。图2说明连接至过程容器(管道)18的温度传感器12，以使该传感器12能够测量其中过程流体的温度。
图3是连接至过程容器20的过程流体流量传感器22的图示，该传感器22测量插入在容器20内的流动阻塞两端的压力降，并基于测量的压力降来计算过程流体流量。过程变量传感器12和22是具体示例类型的现场设备，该现场设备方便地采用了本发明的实施例。本领域普通技术人员将认识到本发明的实施例可使用连接至过程的任意现场设备来实现，该任意现场设备包括过程变量传感器、过程执行器和其它合适的设备。
本发明的实施例一般使用或利用压缩气体源，并将该压缩气体转换为由该现场设备使用的电能。在某些实施例中，例如，图3中说明的实施例，压缩气体源称为过程流体自身是可能的。在另一实施例中，压缩气体的分离源(以压缩气体的外置箱的形式)可被连接至该现场设备。
图4是诸如传感器12之类的过程变量传感器的框图，说明该传感器的基本部件。该传感器12一般被连接至过程变量传感器24，该过程变量传感器24产生过程变量的指示的信号，诸如过程流体温度、过程流体压力等。传感器24被连接至模拟至数字转换器26，该模拟至数字转换器将来自传感器24的模拟信号转换为数字信号，且通过总线28将数字值传递给微处理器30。微处理器30执行优选地存储在存储器32中的程序，进而基于经由总线28提供给微处理器30的数字值产生过程变量输出信号。该过程变量输出信号被提供给无线收发器34，该无线收发器34连接至天线36。天线36和无线收发器34协同与一个或多个适当设备提供相互作用。示例性地，无线收发器24是可使用射频或光学技术用于无线通信的收发器。为了节约能量，传感器12将优选以短脉冲串传送数据。在这些传送短脉冲串期间，相对明显的工作功率被要求(可能地超过100毫瓦)。这是为了确保足够的能量被投入无线传送中，以提供品质通信和范围(qualitycommunication and range)。
为了将功率提供给过程变量传感器12内的部件，设置了电源模块40。电源模块40被连接至过程变量传感器12内的所有电气部件，该电气部件由标示为PWR的线12指示。如在下面将更详细描述的，电源模块40经由管线46可流动性(fluidically)连接至压缩气体源44。压缩气体源44和管线46，在某些实施例中，可被成为过程变量传感器的部分，诸如气体44是过程流体自身时。然而，在另外实施例中，气体源44是压缩气体的外置箱。例如，远程过程应用经常使用气动执行的阀门，以控制流动。典型地，压缩空气源或天然气源驱动这些执行器。这些压缩气体源可被利用作为现场设备的气体源44。
图5是根据本发明的实施例的电源模块40的顶平面图。该电源模块40包括可流动性连接(未显示)至压缩气体源的基座48。基座48由诸如硅之类的便于MEMS(微机电系统)构造的材料制造。压缩气体填充腔室50和在箭头52的方向上流过喷嘴53，以及最终在非流线形体(bluff body)上方流动，进而引起悬臂部件56以上下运动的形式振荡(从图平面中进出)。喷嘴53增加了能量转换效率，因为它引起气体速度的局部增加，从而增加了该气体动能。压缩气体的例子包括空气、天然气和过程气体。悬臂部件56可包括电力迹线或导体58，其设置在其上且被布置称为永磁体62的最近极60。当悬臂部件56在永磁体62的附近振荡时，在磁场64内移动的导体58产生沿导体58的电流。该电流可被直接提供给功率调整电路，用于最终供给至转送装置12内的部件，或者可被连接至可选择的电池66(图5中虚影所示)。说明性地，非流线形体54具有三角形状的横截面，如图6中所示，除了可包括任意适当形状外，不限于圆柱体、翼面形状(air foil-shaped)、椭圆形状和球形状。
图6是根据本发明的实施例的电源模块40的正视图。图6说明连接至腔室50的管线46，该腔室50由盖层68约束在其顶表面，该盖层68优选由派热克斯玻璃制造且扩散结合至基座68。压缩气体沿通道52通过，优选穿过喷嘴，及在非流线形体54上方流动。悬臂部件56的振荡由双头垂直箭头72说明。尽管本发明的实施例优选使用永磁体和导体在悬臂部件56上方移动，但是本发明的实施例也可使用设置在悬臂部件56内或沿悬臂部件56的压电材料来实现。在任何情况中，本发明的实施例将悬臂部分56的振荡转变为电能。这种电能然后被直接或间接提供给现场设备的部件。
图7是根据本发明的另一实施例的现场设备的图示。现场设备包括电源模块80，该电源模块80类似于图6中所述的电源模块40，以及同样部件被类似地编码。模块80和模块40之间主要不同之一在于模块80是密封的，以使流过非流线形体54的压缩气体，其产生悬臂部件56的振荡，最终被重新获得且通过优先连接至该过程的端口74。图7说明被连接至管92上一对过程压力点的模块80。当过程流体在管92内流动时，压力降将存在于点94和96之间。如果需要，通过将合适的流动阻塞物放置在点94和96之间的管92内，可增加该压力降。只要压力差存在于点94和96处，模块80将会运转。因此，模块80可被使用在完全密封的系统中以响应因压力差引起的过程气体流动而产生电能。另外，由于产生电能的数量将相关于在过程压力点94和96之间观察到的压力差，因此，在模块80中产生的电能数量可被用作压力差的指示。该压力差还相关于管92中的流动。因此，由模块80产生的电能可被用作管92中流体流速的指示。最后，由于本发明的实施例允许由压缩气体供给能量的现场设备，以及提供过程流体流量的指示，因此，本发明的实施例可被用于提供过程能量的流动传感器。
图5和6上指示的所有结构被优先由便于MEMS制造的材料构造。该材料的例子包括硅、派热克斯玻璃和任意其它合适的材料。MEMS制造技术和方法是众所周知的。
尽管参照优选实施例，已经描述了本发明，但是本领域普通技术人员将认识到，不脱离本发明的宗旨和范围可以在形式上和细节上作出多种变化。
Claims (37)
1.一种用于在工业过程现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：
可连接至压缩气体源的支撑结构，所述支撑结构适于引导所述压缩气体；
相对于所述支撑结构安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应在所述非流线形体上方的气体流动而振荡的一个末端；
导电体，所述导电体靠近悬臂末端被定位在该弯曲体上，且被电连接至所述现场设备内的部件；以及
磁场，所述磁场靠近所述悬臂末端被设置，以使悬臂末端的振荡在所述导电体中产生电能。
2.如权利要求1所述的电源模块，其中所述非流线形体具有三角形横截面。
3.如权利要求1所述的电源模块，其中所述非流线形体具有翼面形状的横截面。
4.如权利要求1所述的电源模块，其中所述非流线形体具有椭圆形状的横截面。
5.如权利要求1所述的电源模块，其中所述非流线形体具有圆柱体形状。
6.如权利要求1所述的电源模块，其中所述非流线形体具有球形形状。
7.如权利要求1所述的电源模块，其中所述磁场由靠近的设置的永磁体产生。
8.如权利要求1所述的电源模块，还包括储能设备，所述储能设备被电连接至所述模块内的迹线且适于在其中存储能量。
9.如权利要求8所述的电源模块，其中所述储能设备是电池。
10.如权利要求8所述的电源模块，其中所述储能设备是电容器。
11.如权利要求1所述的电源模块，其中所述气体是空气。
12.如权利要求1所述的电源模块，其中所述气体是天然气。
13.如权利要求1所述的电源模块，还包括相对于支撑结构设置的喷嘴，以引导所述压缩气体，并增加气体的速度。
14.如权利要求13所述的电源模块，其中：
由扩散结合的派热克斯玻璃盖形成所述喷嘴。
15.如权利要求1所述的电源模块，其中所述现场设备是用于测量过程变量的传感器。
16.如权利要求15所述的电源模块，其中压缩气体源是将由所述传感器测量的过程流体。
17.如权利要求1所述的电源模块，其中所述现场设备是执行器。
18.如权利要求1所述的电源模块，其中所述模块是MEMS电源模块。
19.一种用于在工业过程现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：
可连接至压缩气体源的支撑结构，所述支撑结构适于引导该压缩气体；
相对于该支撑结构安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应被引导的压缩气体在所述非流线形体上方的流动而振荡的一个末端；以及
相对于该悬臂末端安装的压电材料，以使悬臂末端的振荡从压电材料产生电能，所述压电材料被电连接至该现场设备内的部件。
20.如权利要求19所述的电源模块，其中所述非流线形体具有三角横截面。
21.如权利要求19所述的电源模块，其中所述非流线形体具有翼面形状的横截面。
22.如权利要求19所述的电源模块，其中所述非流线形体具有椭圆形状的横截面。
23.如权利要求19所述的电源模块，其中所述非流线形体具有圆柱体形状。
24.如权利要求19所述的电源模块，其中所述非流线形体具有球形形状。
25.如权利要求19所述的电源模块，还包括储能设备，所述储能设备被连接至该压电材料且适于在其中存储能量。
26.如权利要求25所述的电源模块，其中所述储能设备是电池。
27.如权利要求25所述的电源模块，其中所述储能设备是电容器。
28.如权利要求19所述的电源模块，其中所述气体是空气。
29.如权利要求19所述的电源模块，其中所述气体是天然气。
30.如权利要求19所述的电源模块，其中所述现场设备是用于测量过程变量的传感器。
31.如权利要求30所述的电源模块，其中所述压缩气体源是将由传感器测量的过程流体。
32.如权利要求19所述的电源模块，其中所述现场设备是执行器。
33.如权利要求19所述的电源模块，还包括相对于支撑结构设置的喷嘴，以引导所述压缩气体，并且增加气体的速度。
34.如权利要求19所述的电源模块，其中所述模块是MEMS电源模块。
35.一种工业过程现场设备，包括用于在现场设备中产生电能的电源模块，所述模块包括：
可连接至多个过程压力点的支撑结构，所述支撑结构适于通过喷嘴引导来自于至少一个过程压力点的气体；
相对于所述喷嘴安装的弯曲体，所述弯曲体包括非流线形体和悬臂结构，所述悬臂结构具有响应气体流过喷嘴且在所述非流线形体上方流动而振荡的一个末端；
导电体，所述导电体被设置以响应该振荡而产生电能；以及
其中在导电体中产生的电能相关于喷嘴两端的压力差和多个过程压力点之间的压力差。
36.如权利要求35所述的工业过程现场设备，其中所述模块是MEMS电源模块。
37.如权利要求35所述的工业过程现场设备，其中多个过程压力点之间的所述压力差相关于过程流体流速。
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