CN101427400B - 具有有限能量电池组件的工业过程现场设备 - Google Patents

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Abstract

一种工业过程现场设备(200)包括具有壁(204)的壳体(202)。该壁具有在电池盒(208)和电子装置隔间(206之间具有馈穿开口(207)。馈穿连接器(230)密封馈穿开口，并包括连接到工业过程现场设备电子装置(212)的电力连接器(234，236)。电池组件(216)包括具有电池连接器(244)的电池壳体，并且包括电池(242)和连接到电池连接器的限能器(240)。该电池连接器与电力连接器匹配，以为工业过程现场设备电子装置提供能量。密封件(250)密封电力连接器与电池连接器的匹配连接。

Description

具有有限能量电池组件的工业过程现场设备
技术领域
本发明涉及工业过程。具体而言，本发明涉及用于在工业过程的监控或控制中使用的工业过程现场设备。
背景技术
在许多工业过程环境中，可燃气体出现在工业发射器周围的环境空间。由电池连接或断开所产生的高能火花会点燃可燃气体。
在许多工业过程环境中，存在会损坏电子电路的腐蚀性灰尘、液体或薄雾。电子电路典型地被包含在密封电池盒中。然而，当这种隔间被打开用以更换电池并且然后重新密封时，可能会污染电池接点或将腐蚀性化学品密封在电池盒内，导致电子装置长期质量下降。另一方面，在发射器壳体外安装的电池也会受到腐蚀。
在发生意外短路或故障的条件下，发射器内的电路典型地承载足够的电能以打火并点燃可燃气体。因此，在打开发射器电子装置腔前，需要特别警惕。或者去除周围环境的可燃蒸汽，断开为发射器提供电力的电缆，或采取两种措施。为提高安全性，在有时存在可燃气体的区域打开发射器前，组织需要“热处理许可证(hot work permits)”和经特殊训练的人员。
在许多工业过程环境中，其上方安装有发射器的管和箱会存在剧烈振动。诸如回形针和揿钮接头的普通电池连接器会在这种环境中被震松，导致发射器停止工作。
现代可更换的电池典型地具有相当高的质量。在高振动条件下，电池上的作用力由于加速度的因素变得很明显，并且在电池安装结构中会出现破裂，特别是当这种结构由塑料树脂形成时。电池连接中的任何相对运动将最终导致磨损并会导致故障。
当在普通操作条件下，电池能够提供低电流水平，电池通常在故障的条件下提供极高的短路电流。通常的故障条件是电池外部的电路短路。此外，电池具有大能量存储容量或相同的电容C。在故障条件下的高短路电流和大能量存储容量典型地与固有的安全电路规定相矛盾。因此，很难将电池安装在发射器壳体外部，和使电池电缆通过发射器和电池之间的可燃气体。这种电池电缆典型地违反固有的安全电路要求。
对于其它类型的电池供电工业过程现场设备，会出现类似的困难。需要一种方法和设备，用于在工业过程环境中提供具有广泛应用性的电池供电工业过程现场设备，尤其是当这种环境同时包括可燃气体、腐蚀化学品和振动时。
发明内容
在下述实施例中，公开了一种工业过程现场设备。该工业过程现场设备包括壳体。该壳体包括在电池盒和电子装置隔间之间具有馈穿开口的壁。该电子装置隔间容纳工业过程现场设备电子装置。
该工业过程现场设备还包括馈穿连接器。该馈穿连接器密封馈穿开口，并包括连接到工业过程现场设备电子装置的电力连接器。
该工业过程现场设备还包括电池盒中的电池组件。该电池组件包括具有电池连接器的电池壳体。该电池组件还包括电池和连接到电池连接器的限能器。该电池连接器与电力连接器匹配，以为工业过程现场设备电子装置提供能量。
该工业过程现场设备包括密封电力连接器和电池连接器的匹配连接的密封件。
附图说明
图1显示了安装到受压过程管的压力发射器。
图2显示了压力发射器的横截面视图。
图3显示了电池盒的横断面视图。
图4显示了电池组件和馈穿连接器的分解视图。
图5显示了安装到工业过程现场设备的壳体的馈送壁的馈穿连接器。
图6显示了图5的安装有电池组件的馈穿连接器，。
图7显示了包括太阳能电池阵列的工业过程现场设备。
图8显示了安装有电池组件的馈穿连接器。
具体实施方式
在工业过程中使用的诸如发射器的现场设备能够现场安装在管道、箱和其它工业过程设备上。发射器感应多种过程变量，诸如过程压力、过程流量、过程流体温度、过程流体传导性、过程流体pH和其它过程变量。其它类型的工业过程现场设备包括阀、致动器、现场控制器、数据显示器和诸如工业现场网桥的通信设备。
一些工业过程现场设备没有电缆连接至电源，而依赖于内部供电电池。无线发射器经无线通信信道发射表示过程变量的输出，以控制或监控远离无线发射器的设备。该控制或监控设备典型地位于控制室中。该无线发射器典型地包括用于与控制室天线或诸如网关的其它无线网络设备进行无线传输的天线。使用无线通信避免了连接发射器和控制室之间的通信或供电电缆。
无线发射器典型地包括仅需要少量操作能量的电子电路。所需的电能量如此低，使得较小的可更换的主电池能够可以被认为提供电能。然而，存在着与工业过程环境相关的困难问题，该工业过程环境限制内部电池在那种环境中被通常、广泛地使用。
在下面说明的与图2-8有关的实施例中，提供了电池供电工业过程现场设备，其在可燃气体、腐蚀化学品和振动的工业过程环境中具有广泛的适用性。
图1是包括连接到受压过程管16的压力发射器12的过程控制系统10的图。压力发射机12被连接到根据诸如HART@标准、4-20毫安模块标准或其它已知过程控制通信标准的适当的协议操作的双线过程控制环路18。双线过程控制环路18在压力发射机12和在远处定位的控制室20之间运行。在其中根据HART协议操作的环路18的实施例中，环路18能够承载电流I，该电流表示感应过程压力并且也为压力发射器12提供所有能量。在一些应用中，使用双线过程控制环18为发射器12提供电力具有缺点。在这种应用中，不使用有线过程控制环18，而是由电池代替提供能量，并使用如下讨论的与图2-8有关的无线通信。
图2显示了感应压力的工业过程现场设备200的实施例。该工业过程现场设备200包括壳体202。该壳体202包括在电子装置隔间206和电池盒208之间的壁204。该壁204包括馈穿开口207。在该实施例中，第一壳体盖210通常是圆形的，并具有拧入到壳体202上的螺纹中的螺丝，以包围电子装置隔间206中的工业过程仪器或现场设备电子装置212。第二壳体盖214通常是圆形的，并具有拧入壳体202上的螺纹中的螺丝，以包围电池盒208中的电池组件216。工业过程现场设备电子装置212通常包括电子电路，该电子电路能量受限，并具有温度、可靠性和振动抑制的特征，这使得它们适用于监控和控制诸如化工厂、炼油厂和类似的加工工厂中的工业过程。该现场设备电子装置可包括通信电路，用于与过程控制环路无线通信。
该壳体202具有拧到压力传感器壳体222上的螺纹中的螺丝218。该压力传感器壳体222包含压力传感器224和传感器电路226。来自传感器电路226的电线228连接到工业过程现场设备电子装置212。在一个实施例中，该壳体202和壳体盖210，214包括金属冲模铸造物。
在这个实施例中，该馈穿连接器230被安装到馈穿壁204。该馈穿连接器230包括密封电连接232，其优选地延伸通过馈穿壁204。该馈穿连接器230包括电力连接器234和236，将电力连接到工业过程现场设备电子装置212。该壁204和馈穿连接器230密封电池盒208和电子装置隔间206之间的馈送开口。
该电池盒208能够在腐蚀过程环境中打开，并且通过馈穿壁204和馈穿连接器230使该腐蚀过程环境被阻塞泄漏到电子装置隔间中。在一个实施例中，该馈穿连接器230包括喷射成型塑料部件，该喷射成型塑料部件包括模制到塑料中的金属电连接。
该电池组件216被电连接到电力连接器234和236。该电池组件216包括限能器240和至少一块电池242。该限能器可以包括电阻型慢熔保险丝(picofuse)、保险丝或限制能量的电子电路。在一个实施例中，串联能量限制器240在电池组件216与电力连接器234和236之间的电连接244处将能量限制到固有安全水平。该连接244包括固有安全电路。固有安全电路是一种电路，其中：没有火花或在测试条件(包括普通操作和特定故障条件)下产生的热效应能够产生点燃包围连接244的给定的爆炸性气体。使用已知的方法，串联电流限制器240的电流限制可计算特定可燃气体(诸如甲烷)和特定电路特性(诸如电路电容和电感)。在一个实施例中，通过使用两个能量限制器代替单个能量限制器240提供容余安全保护。
密封件250包围电池组件216和电力连接器234和236之间的电连接244。密封件250优选地包括O形环密封件，当电池组件216被拆卸或安装时，O形环密封件被安装到电池组件216并且滑动地接合馈穿连接器230。该盖214优选地沿圆形接触环252接合电池组件216，以提供在高振动环境中特别有用的机械支撑。
图3显示了根据本发明的一个所示实施例的工业过程现场设备的电池盒302的横截面视图。现场设备壳体304的馈穿壁部将电池盒302从电子装置隔间分隔。馈穿连接器306被密封到仪器壳体304的馈穿壁部。可选地，该馈穿连接器能够与一部分壳体整体形成。该馈穿连接器306优选地包括塑料树脂罩，并包括密封的电力连接器308。电力连接器的接点凹陷在罩中，以满足IP20 per IEC 529标准。该电力连接器308被安装到电子装置隔间中的电路卡组件310。该电路卡组件310被密封到电力连接器308周围的馈穿连接器306。在一个实施例中，该馈穿连接器装载有适合的材料。
在此实施例中，该电池组件320被放置在电池盒302中。该电池组件320包括包围电池326(或电池326)和串行电流限制器328(或多个串联电流限制器328)的壳体底部322和壳体盖324。该壳体底部包括模制连接器主体323。
在一个实施例中，该模制连接器主体323包括从电池壳体底部322突出的突出插头。电池接点332凹陷在模制连接器主体323中，并在操作期间防止机械损坏。罩307包括从馈穿连接器306突出的突出插座。该电力连接器308包括凹陷入罩307中并防止机械损坏的两个销。该连接的接合是容易被放置在一起或在盖340被拆除后在现场分开的滑动连接。
诸如电压限制二极管的其它固有安全保护设备也能够被包含在电池组件320中。该电池326和串联电流限制器328优选地被安装到印刷布线板330。在电连接334处，该电池组件包括电连接到电力连接器308的电接点332。在电连接334处，该串联电流限制器328将能量限制到固有安全水平。密封件336包围电连接334。
在一个实施例中，该模制连接器主体323具有外部锥度；并且罩307上的连接器具有内部锥度；并且在模制连接器主体323和罩307上的连接器之间存在锥度配合。该锥度配合是紧配合，使得：振动不会在罩307与连接器体323之间导致相对运动。在将模制连接器主体323滑入到罩307中的同时，该锥度配合使电池接点332与电力连接器308预对准。这种预对准防止了弯曲或对电力连接器308的其它损坏。
盖340优选地包括螺纹344，用于将盖340拧到仪器壳体304。密封件342将盖340密封到壳体340。在盖340内部，插入轴承组件优选地包括插入轴承板346和弹性压缩环348。该插入轴承板346被按靠在电池组件壳体320的顶部表面350。随着盖340被拧上，该插入轴承板346相对顶部表面350旋转。随着盖340被拧上，该压缩环348被压缩。盖340可拆卸地连接至壳体340，并将电池组件320按向电力连接器308。拧下的盖340向下压在电池组件320上，以在极度振动期间保持电池组件连接。在一个实施例中，该插入轴承板346包括突出环347，其在壳体盖324上具有到环325的锥形配合。在振动期间，该锥形配合消除了插入轴承板346和壳体盖324之间的相对运动。
图4显示了根据本发明的一个实施例的电池组件402和馈穿连接器404的分解视图。该电池组件402包括具有圆形突起环408的外部塑料树脂壳体406。该环408被定位以接合插入轴承板(诸如图3中的插入轴承板346)上的匹配的圆形突起环。随着盖(诸如图3中的盖340)被拧上，该环408的圆形形状允许匹配圆环旋转，或滑动通过彼此。该圆形突起环的接合提供了对电池组件402的支撑。
该塑料树脂壳体406包括两个相对的手指抓握表面412，只有一个可在图4中见到。该手指抓握表面412允许技师方便地拉动电池组件402，以从将其从工业现场设备中拆除，该电池组件被安装在工业现场设备中。
在一个实施例中，该塑料树脂壳体406包括突出模制连接器主体414。该连接器主体414优选地包括极化边缘416。该极化边缘416滑动进入到馈穿连接器404上的相应形状的极化壳418中。该极化边缘416和壳418具有非对称的旋转以提供极化的形状。该极化边缘416沿单一、唯一的方位滑动进入极化壳418。该塑料树脂壳体406还包括突出模制圆形密封主体420。该密封主体420旋转对称，并且包括保持O型环密封件422的O型环槽。该O型环密封件422滑动进入馈穿连接器404中的圆柱形空腔。电源连接销(在图4中不可见)被设置在密封体420内，用于与极化壳418内的电连接(图4中不可见)匹配。
根据一个实施例，该馈穿连接器404包括塑料树脂体422。该树脂体422包括分隔螺旋接线柱(图4中未显示)的障碍壁424，426，428，430，432。该螺旋接线柱为现场布线提供连接。安装螺丝434(在图4中仅一个可视)穿过馈穿连接器404。该安装螺丝434用于将馈穿连接器404紧固到作为仪器壳体(图4中未显示)的一部分的馈穿壁。作为部分的树脂体422的极化壳418支撑电池组件402。该电池组件402在一端由极化壳418支撑，并且在相对端由环408支撑。该电池组件402被插入组件压缩(图4中未显示)。该电池组件402相对于馈穿连接器404的运动由多个支撑和盖压缩高度限制，以确保可靠的电连接。
图5显示了安装到工业过程现场设备的壳体506的馈送壁504的馈穿连接器502。该馈穿连接器502包括接合电池组件中的狭槽(图5中未显示)的锁销508，510，用于支撑电池组件。在一个实施例中，螺丝用作锁销508，510的代替。该馈穿连接器502包括布置在极化壳514内的电力连接器512。该馈穿连接器502被定位在电池盒516中，并且馈穿连接器502的一部分延伸穿过馈穿壁504进入电子装置隔间518。该馈穿连接器502包括现场布线端子520，522。该端子520，522可连接到穿过螺纹导管入口集线器528到其它设备的引线524，526，例如太阳能电池阵列(图5中未显示)。
图6显示了图5的馈穿连接器，其中电池组件530被安装和锁销在适当的位置。与图5中使用的附图标记相同的图6中使用的附图标记表示相同的零件。该电池组件530由锁销508，510保持在适当的位置(图5)。
图7显示了还包括太阳能电池阵列的工业过程现场设备700的一个实施例的分解视图。该工业过程现场设备700包括电子装置隔间704和现场布线隔间706。螺纹导管入口集线器708提供了现场布线隔间706的开口。电池组件720被安装在现场布线隔间中。该太阳能电池阵列702被安装到螺纹导管入口集线器708。电线710从太阳能电池阵列702经过导管入口集线器延伸到现场布线仓706中的馈穿连接器(图7中未显示)上的螺旋接线柱712。拧上的盖722将电池组件720保持在现场布线仓706内的适当位置中。在一个实施例中，该电池组件720包括可充电密封引线酸电池，并且太阳能电池阵列702用作为电池组件720充电的连续补充充电器。该电池组件720能够具有类似于图4中所示的机械布置。在一个实施例中，用于密封引线酸性电池的模制连接器体和罩具有不同于非可充电电池组件的连接器主体和罩形状的匹配形状(极化形状)，以防止错误类型的电池插入现场设备。
在一个实施例中，电子装置隔间704中的工业过程现场设备电子装置包括连接到无线通信天线714的无线现场数据接收器电路。在一个实施例中，该现场数据接收器电路作为手机通信。
图8显示了馈穿连接器804，其具有电连接到馈穿连接器804上的电力连接器的电池组件802(图8中未显示并且类似于图3中的电力连接器308)。锁销814将电池组件802紧固到馈穿连接器804。该馈穿连接器804包括安装螺丝806，808，用于将馈穿连接器紧固到馈穿壁816。该电池组件802包括通常平坦的顶表面818，其可以受到来自安装到壳体盖的插入轴承的紧固力(图8中未显示并类似于图3中的盖340)。该电池组件802具有通常圆柱形的形状，具有平坦椭圆的圆柱形横截面。该电池组件802的形状包围两个圆形圆柱电池820，822和具有高组装密度的串联限流器824。电池组件802的平坦形状在圆形电池盒中留下空间，用于在不用拆除电池组件802的情况下，便于接近多个螺旋接线柱810和多个连接器812。该馈穿连接器804提供延伸经过馈穿壁816的密封电连接(在图8中未显示并且类似于图3中的连接334)。
在上面描述的图2-8中的实施例中，该电池组件包括与限流器电串联电连接的至少一个电池。该布置对大量工业过程现场设备有用，包括过程控制网桥、数据显示器、现场控制阀、机械致动器、现场控制器和发射器。在一个实施例中，电池包括主电池。在一些实施例中，该电池组件包括与保险丝串联的两个电池。在一个实施例中，电池组件被设计以具有至少3伏的开放电路电压。在其它实施例中，特别是在单电池实施例中，使用小于3伏的开放电路电压。
在一个实施例中，电池的拆除与断开电池的电池组件中的串联开关致动互锁，使得：当电池组件被拆除时，电连接不提供能量。当开关＂打开＂时，该电池组件无法断开。该开关还能够用于在装运期间关闭电池组件。
虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域中的技术工作人员将会意识到：在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。

Claims (10)

1.一种工业过程现场设备，包括：
壳体，所述壳体包括在电池盒和容纳工业过程现场设备电子装置的电子装置隔间之间具有馈穿开口的壁；
馈穿连接器，所述馈穿连接器密封馈穿开口，并包括连接到工业过程现场设备电子装置的电力连接器；
电池组件，在电池盒中的所述电池组件包括具有电池连接器的电池壳体，并且包括电池和连接到电池连接器的限能器；所述电池连接器与电力连接器匹配，用以为工业过程现场设备电子装置提供能量；以及
密封件，所述密封件密封电力连接器与电池连接器的匹配连接。
2.根据权利要求1所述的工业过程现场设备，还包括：壳体盖，所述壳体盖可拆除地连接至壳体，并将电池组件按向电力连接器。
3.根据权利要求2所述的工业过程现场设备，其中：所述壳体盖包括拧下的盖，当所述拧下的盖被拧到壳体上时，所述拧下的盖包括被按压的旋转插入轴承组件。
4.根据权利要求1所述的工业过程现场设备，其中：所述工业过程现场设备包括发射器。
5.根据权利要求1所述的工业过程现场设备，其中：所述工业过程现场设备包括无线现场设备。
6.根据权利要求1所述的工业过程现场设备，其中：所述电池组件包括与限能器电串联连接的至少一个电池。
7.根据权利要求6所述的工业过程现场设备，其中：所述限能器包括保险丝。
8.根据权利要求1所述的工业过程现场设备，其中：所述电池壳体和馈穿连接器包括锁销机构，所述锁销机构保持连接到馈穿连接器的电池壳体。
9.根据权利要求8所述的工业过程现场设备，进一步包括现场布线隔间，所述现场布线隔间包括：螺纹导管入口集线器，被安装到螺纹导管入口集线器的太阳能电池阵列，和来自太阳能电池阵列的引线，所述引线穿过螺纹导管入口集线器到螺旋接线柱，并且电池组件包括可充电电池。
10.根据权利要求1所述的工业过程现场设备，其中：所述电力连接器包括锥形的连接器主体部分，并且所述馈穿连接器包括具有接合锥形的连接器主体部分的锥形罩部的罩。
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