JP2007526740A - 改良された発電を備えたプロセス装置 - Google Patents

Abstract

無線現場装置（３４、５０、７０、８０、９１、１００）が開示される。現場装置（３４、５０、７０、８０、９１、１００）は、無線通信モジュール（３２）およびエネルギ変換モジュール（３８）を含む。前記無線通信モジュール（３２）は、プロセスに関連する情報を他の装置と無線通信するように構成される。前記エネルギ変換モジュール（３８）は、前記無線通信モジュール（３２）に接続される。前記エネルギ変換モジュール（３８）は、熱源に連結され、前記熱源内の熱エネルギから電気を発生するように構成される。

Description

本発明は、産業プロセスの制御および監視システムに関する。より詳細には、本発明は、前述のシステム内のフィールド装置用の発電に関する。

産業装置において、制御システムは、産業および化学的プロセス、および同様のプロセスの各事象を監視し、制御するために用いられる。典型的には、制御システムは、産業プロセス内の要所に配置され、プロセス制御ループを介して制御室内の制御回路に接続されたフィールド装置を用いて、前述の機能を遂行する。「フィールド装置（field device）」とは、産業プロセスの測定、制御および監視において用いられる全ての装置を含む、広範にわたる制御またはプロセス監視システムにおいて、ある機能を実行する任意の装置のことである。

フィールド装置は、様々な目的のためにプロセス制御および測定産業によって用いられている。通常は、そのような装置は、現場において固い外殻で覆われているので、比較的に厳しい環境の戸外に設置可能であり、温度、湿度、振動、機械的な衝撃などの環境的に極端な状況に耐えることができる。さらに典型的には、これらの装置は、比較的に低電力で作動する。例えば、既知の４−２０ｍＡのループから、その作動電力の全てを受け取るフィールド装置が、現在入手可能である。

フィールド装置は、変換器を備えている。変換器とは、物理的な入力に基づいて出力信号を発生するか、入力信号に基づいて物理的な出力を発生するかのいずれかの装置ことを意味する。典型的には、変換器は、入力を異なる形式の出力に変換する。変換器には、分析装置、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、流量送信機、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、指示灯、およびその他の様々なタイプがある。

典型的には、各フィールド装置はまた、プロセス制御ループを介してプロセス制御室または他の回路と通信するために用いられる通信回路を含む。いくつかの装置においては、プロセス制御ループはまた、フィールド装置に電力を供給するために、フィールド装置に、調整された電流および／または電圧を提供するために用いられる。

従来技術では、アナログフィールド装置は、２線式プロセス制御電流ループを介して制御室へ接続され、各装置は、１つの２線式制御ループを介して制御室に接続されている。典型的には、２つの線の電圧差は、アナログモード用の１２−４５ボルトからデジタルモード用の９−５０ボルトの範囲内に維持されている。いくつかのアナログフィールド装置は、電流ループを通って流れる電流を、感知されたプロセス変数に比例した電流に調整することによって、制御室へ信号を送信する。他のアナログフィールド装置は、ループを流れる電流の大きさを制御することによって、制御室の制御に従って動作する。プロセス制御ループは、追加的に、または代替的に、フィールド装置との通信のために用いられるデジタル信号を伝達する。デジタル通信によって、アナログ通信よりはるかに大きな伝達率が可能になる。さらに、デジタル装置は、各フィールド装置用の個別の配線を必要としない。デジタル通信するフィールド装置は、制御室および／または他のフィールド装置に応答し、選択的に通信を行う。さらに、前述のような装置は、診断および／または警報などの付加的な信号を提供する。

いくつかの装置においては、フィールド装置と通信するために、無線技術が使用され始めた。無線運転は、フィールド装置の配線および構成を単純化する。無線装置は、現在、いかなる種類の配線接続も無く、太陽電池によって潜在的に充電される内部バッテリを含むように製造されたフィールド装置において使用されている。

無線装置に必要とされるエネルギは、装置の通信の頻度、装置要素などの多数の要因に大きく依存するので、内部バッテリの使用には問題がある。太陽エネルギの取得が確実でない装置においても問題が発生する。例えば、１日２４時間が完全に陰となる領域、１週７日間が屋内にある場合、あるいは北極圏のように日照時間が非常に短い地域において、太陽エネルギを使用することには問題がある。したがって、これらの装置では、太陽エネルギを用いる無線プロセス装置に確実に電力を供給することはできない。したがって、太陽に依存しない豊かな再生可能な電源を用いて作動する無線プロセス装置が、以前からずうっと強く求められている。

無線フィールド装置が開示される。フィールド装置は、無線通信モジュールおよびエネルギ変換モジュールを含む。無線通信モジュールは、プロセスに関連する情報を別の装置と無線通信するように構成される。エネルギ変換モジュールは、無線通信モジュールに接続されている。エネルギ変換モジュールは、熱源に連結され、熱源内の熱エネルギから電気を発生させるように構成される。

フィールド装置は、コントローラ、無線通信モジュール、および発電モジュールを含む。無線通信モジュールは、コントローラに接続されている。発電モジュールは、フィールド装置内に配置され、コントローラおよび無線通信モジュールに接続されている。発電モジュールは、発電するために、フィールド装置の外部に隣接した分子と相互作用するように構成される。発電モジュールは、フィールド装置の近くで温度差からエネルギを得て発電する熱電発電機であるのが望ましい。

図１および図２は、本発明の実施例が有用な、典型的なフィールド装置の概略図およびブロック図である。プロセス制御／監視システム１０は、２線式プロセス制御ループ１６を介して、１つまたはそれ以上のフィールド装置１４に接続される制御室または制御システム１２を有している。プロセス制御ループ１６の例としては、FOUNDATION（登録商標） Fieldbus規格などの完全デジタルプロトコルだけでなく、アナログ４−２０ｍＡ通信やHighway Addressable Remote Transducer（ＨＡＲＴ：登録商標）のようなアナログおよびデジタル通信プロトコルの両方を含むハイブリッドプロトコルがある。一般的には、プロセス制御ループプロトコルは、フィールド装置に電力を供給し、フィールド装置と他の装置との間の通信を行う。

本実施例においては、フィールド装置１４は、アクチュエータ／トランスデューサ２０に接続され、ハウジング２３内の端子板２１を介してプロセス制御ループ１６に接続される回路１８を含む。フィールド装置１４は、プロセスに連結され、プロセスの温度、圧力、ｐＨ、流量などの諸量を感知し、それらを表示するプロセス変数（ＰＶ）ジェネレータとして示されている。他のフィールド装置の実施例は、バルブ、アクチュエータ、コントローラおよび表示装置を含む。

一般的には、フィールド装置は、温度、湿度および圧力のような環境ストレスにさらされる「現場」で作動する能力がなければならない。フィールド装置は、環境ストレスに加えて、腐食、危険、および／または爆発性の大気にさらされることに耐えなければならない。さらに、そのようなフィールド装置は、振動および／または電磁干渉が存在する状況で作動しなければならない。

図３は、本発明の実施例による無線フィールド装置のブロック図である。フィールド装置３４は、電力変換モジュール３８、コントローラ３５、無線通信モジュール３２およびアクチュエータ／トランスデューサ２０を含む。変換モジュール３８は、プロセスからの熱エネルギ（thermal potential energy）を電気エネルギに変換する任意の装置である。変換モジュール３８は、フィールド装置３４に隣接した分子から得られる熱エネルギを電気エネルギに変換する、既知または最近開発された装置である。例えば、モジュール３８は、ペルティエ効果（Peltier Effect）を用いて、異なる温度から電気を発生する既知のサーモパイル（熱電対列）装置を使用する。他の温度式変換装置を、モジュール３８用に使用することもできる。そのような装置としては、熱電ダイオード（thermoelectric diode）、固体素子サーモジェネレータ、および半導体熱電発電機（semiconductor thermoelectric generator）がある。さらに、現在既知の、または最近開発された、熱エネルギを電気に変換する任意の装置を、モジュール３８として、あるいはモジュール３８と組み合わせて使用してもよい。変換モジュール３８は、無線通信モジュール３２のみ、フィールド装置３４の他の部分、またはフィールド装置３４内の構成要素の全てに電力を供給することができる。

無線通信モジュール３２は、コントローラ３５に接続され、コントローラ３５からのコマンドおよび／またはデータに基づいて、アンテナ２６を介して外部無線装置と相互通信する。無線通信３２は、装置に関連する情報だけでなく、プロセスに関連する情報も通信することができる。用途によって、無線通信モジュール３２は、（カリフォルニア州アーヴィン（Irvine, California）のリンスキー社（Linksys）によって構築された無線アクセスポイントおよび無線通信ネットワーキング装置 ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂのような）無線通信ネットワーキング技術、（カリフォルニア州サンホセ（San Jose, California）のエアリス コミュニケーションズ社（Aeris Communications Inc.）による Microburst（登録商標）のような）携帯電話またはデジタルネットワーキング技術、ウルトラワイドバンド（ultra wide band）、フリースペースオプティクス（free space optics）、移動体通信用グローバルシステム（Global System for Mobile Communications：ＧＳＭ）、ジェネラルパケットレディオサービス（General Packet Radio Service：ＧＰＲＳ）、コードディヴィジョンマルチアクセス（Code Division Multiple Access：ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散赤外線通信技術（spread spectrum technology infrared communications technique）、ＳＭＳ（ショートメッセージサービス／テキストメッセージング：Short Messaging Service/text messaging）、あるいは他の適当な無線技術などを含み、それらに限定されない任意の適当な無線通信プロトコルによって通信するように構成されている。さらに、既知のデータ衝突防止技術を使用可能であり、この技術は、複数のユニットが、互いの無線動作レンジ内で共存できるように作られることができる。そのような衝突防止技術は、多数の異なる無線周波数チャネルおよび／またはスペクトラム拡散技術を使用することを含む。

無線通信モジュール３２は、さらに多数の無線通信方式用変換器を含む。例えば、第１の無線通信は、ＧＳＭまたはＧＰＲＳのような比較的に長距離の通信方法を用いて実行され、一方、第２の、または付加的な通信方法は、例えばＩＥＥＥ ８０２．１１ｂあるいはブルーツースを用いて、技術者またはユニットの近くにいるオペレータ用に提供される。

いくつかの無線通信モジュールは、全地球測位システム（ＧＰＳ）と相互作用する回路を含む。ＧＰＳは、携帯デバイスが、遠隔地にある個々の装置３４を探索できるようにするために、装置３４内で有益に使用される。しかしながら、他の技術に基づく位置感知も同様に使用することができる。

図３において、メモリ３７は、コントローラ３５と離して示されているが、実際にはコントローラ３５の一部であってよい。メモリ３７は（ランダムアクセスメモリなどの）揮発性メモリ、（フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリなどの）不揮発性メモリ、およびそれらの任意の組み合わせを含む、任意の適当なタイプのメモリであり得る。メモリ３７は、装置３４用の任意の適切な管理オーバーヘッドデータだけでなくコントローラ３５用のプログラム命令を含む。メモリ３７は、装置３４用の特有の識別子を含むので、装置３４は、他の無線通信内の装置３４用に意味付けられた無線通信を識別することができる。そのような識別子の例としては、メディアアクセスコントローラ（Media Access Controller：ＭＡＣ）アドレス、エレクトロニックシリアルナンバー（Electronic Serial Number）、グローバルホーンナンバー（global phone number）、インターネットプロトコル（ＩＰ）アドレス、または他の適当な識別子がある。さらに、メモリ３７は、特有な識別子、構成および能力のような、付属のフィールド装置に関する情報を記憶する。最終的には、コントローラ３５は、メモリ３７を用いて、任意の適当な形式で提供される装置３４の出力を発生する。例えば、フィールド装置３４および／あるいは１つまたはそれ以上の関連フィールド装置を備えた構成および相互作用が、ハイパーテキストマークアップ言語（HyperText Markup Language：ＨＴＭＬ）ウェブページとして提供される。

図４は、本発明の実施例によるエネルギ変換モジュール３８に操作可能に接続された無線フィールド装置の概略図である。図４に示された実施例では、モジュール３８は、フィールド装置３４の外部に配置されている。さらに、変換器２０は、センサとして図４に示されている。センサまたはセンサタップ２０および無線フィールド装置３４は、それらが接続されているプロセスによって、異なる温度に維持されている。例えば、センサ２０は、装置３４がさらされている周囲温度より高温のプロセス流体に接続されている。変換モジュール３８は、破線で示されたライン４０、４２によって、それぞれセンサ２０およびフィールド装置３４に熱的に接続されている。変換モジュール３８に伝えられる異なる温度は、変換モジュール３８内で、ライン４４を介して無線フィールド装置３４に提供される電気を発生する。そのようにして電力が供給されると、フィールド装置３４は、実際には制御システム１２の一部である１つまたはそれ以上の遠隔トランシーバ４６への無線情報を生成し送信する。

一般的に、変換モジュール３８が、プロセス流体内またはその近傍の熱エネルギを電気に変換する場合の、本発明の実施例の１つの用途は、温度測定フィールド装置である。そのような実施例では、センサ２０は、熱電対、サーミスタ、または抵抗型温度装置（ＲＴＤ）のような温度センサである。本発明の実施例は、温度感知フィールド装置に関して説明されるが、本発明の実施例は、任意のフィールド装置で使用することができる。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施例によって、熱エネルギから電力を導出するフィールド装置の概略図である。図５Ａは、プロセス流体と接触するようにされた構成の温度計保護管（thermowell）５４に接続されたエレクトロニクスコンパートメント５２を有する温度感知フィールド装置５０を示す。温度計保護管５４内の温度センサ５６は、温度計保護管５４の端部５８付近のプロセス流体の温度情報を提供する。さらに、（図４に示される）変換モジュール３８の一部は、端部５８の近くに配置される。特に、装置６０は、端部５８の近くに配置され、電力線６２、６４を介してエレクトロニクスコンパートメント５２に電気的に接続される。装置６０は、熱エネルギを電気に変換する任意の適当な装置であるのが望ましい。例えば、装置６０は、サーモパイル、サーモダイオード（thermodiode：熱電ダイオード）、固体素子サーモジェネレータ、半導体熱電発電機、またはそれらの任意の組み合わせであってよい。フィールド装置５０の温度感知は、エレクトロニクスコンパートメント５２への信号線６６および６８上に信号を提供する温度センサ５６によって行われる。

図５Ｂは、エレクトロニクスコンパートメント５２および温度計保護管５４を有するフィールド装置７０を示す。フィールド装置７０は、フィールド装置５０とは対照的に、それがさらされる温度に関連する電気を発生する装置７２を有している。装置７２の適当な装置の例としては、サーモパイルあるいは熱電ダイオードがある。そのような装置は、装置を通る熱流を必要とせずに、特定の熱源にさらされることによって電気を発生するので、好適である。

技術の進歩によって、現在図５Ａおよび５Ｂに示されるようなフィールド装置を実現できるようになった。固体素子サーモジェネレータは、発電側において、ますます効率的になっている。さらに、無線技術の進歩によって、このようなフィールド装置の実現可能性が増大している。特に、無線送信機が同じ領域をカバーするのに必要とする電力は、だんだん少なくなってきている。さらに、本発明の実施例では、特定のフィールド装置の送信距離が、例えば半径約２０メートルに制限されていても、装置がカバーする領域を広げるために、反復またはメッシュネットワークを用いることができるようになっている。したがって、多数の無線フィールド装置のそれぞれが、互いに他の無線フィールド装置の無線送信半径内に配置される場合、第１の装置は、第２の装置によってその無線情報が中継されるので、第１の装置のネットレンジは、第２の装置のネットレンジによって拡張される。

図６Ａおよび６Ｂは、本発明の実施例による熱エネルギ排出用半導体熱電発電機を使用するフィールド装置を示す。温度差が装置内で維持されると、半導体電発電機は電力を生成する。したがって、装置を通って流れる熱流が存在するので、冷却面は発電に有利なように適切に温度を下げられなければならない。

図６Ａにおいては、フィールド装置８０はエレクトロニクスコンパートメント５２および温度計保護管５４を含み、温度計保護管５４は、その遠位端部５８に隣接して配置された半導体熱電発電装置８２を有する。装置５２が、その内部を流れる熱流を有するようにするために、熱伝導部材のような熱伝導体８４は、装置８２の冷却面８６に連結され、いくつかの実施例においては、エレクトロニクスコンパートメント５２内に配置された１つまたはそれ以上のオプションの冷却フィン９０に向って矢印８８の方向に熱を伝達する。熱伝導体８４は、熱を効率的に伝達するものであれば任意の構成であってよい。例えば、熱伝導体８４は、銅製の棒であり得る。

図６Ｂは、熱エネルギから電気を発生するための別の構成を示す。フィールド装置９１は、エレクトロニクスコンパートメント５２および温度計保護管５４を含む。しかしながら、半導体熱電発電装置９２は、温度計保護管５４上に、エレクトロニクスコンパートメント５２に隣接して配置される。この配置によって、装置８２に比べて比較的に大きな装置９２が実施可能になる。装置９２内の熱流を有利に維持するために、熱伝導体８４は、熱的に遠位端部５８に接続され、装置９２の加熱面９４に向って矢印８８の方向に熱を伝達する。装置９２の冷却面９６は、ハウジング５２の内部または外部に配置された１つまたはそれ以上のオプションの冷却フィン９０に接続される。

図６Ａおよび６Ｂに示されるように、半導体熱電素子を通る熱流を得るための異なる方法がある。図６Ａおよび６Ｂは、一組の具体例を示しているが、他にも本発明の実施例によって実行される具体例がある。実際に、熱電発電素子は、フィールド装置に隣接して配置されなくてもよい。

図７は、プロセス温度を感知するために温度計保護管５４に連結されたエレクトロニクスコンパートメント５２を有するフィールド装置１００の概略図である。熱電電力発生装置１０２は、フィールド装置１００から離して配置され、電力線１０４，１０６を介してフィールド装置１００に接続される。高められたプロセス温度は、半導体熱電発電装置１１０の加熱面１０８に伝えられ、該半導体熱電発電装置１１０は、その冷却面１１２に連結された１つまたはそれ以上のオプションのフィン９０を有する。装置１０２は、フィールド装置１００から離れて配置されるので、装置１０２の物理的な大きさは、フィールド装置１００のデザインによって少しも制限されることはない。このことは、小さな熱電発電装置だけが温度計保護管５４内に収められ、大きな熱電発電装置は収められないという点で、都合がよい。２ｍｍ×４ｍｍ×２ｍｍ程度の大きさの、市場で入手可能な熱電発電装置は、温度計保護管内に収められ、加熱面と冷却面との温度差が５０℃で、約４８ミリボルト、８０ミリアンペアを発生すると考えられる。この電圧は、一般的には低いので、フィールド装置の従来技術において既知のステップアップ電圧変換回路で増幅されるのが望ましい。したがって、前述のような状況下では、約０．２２ワットの熱が、熱電発電装置を通って流れる。作動効率は比較的に低い（約２％）けれども、生成された電力の約４ミリワットは、無線フィールド装置の動作に十分であると考えられる。

しかしながら、熱電発電装置がフィールド装置から離して配置される場合、熱電発電装置が、前述の例よりかなり大きなサイズであってもよいことが理解されるであろう。特に、１５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍ程度のサイズの熱電発電装置が使用可能である。このような装置は、市場で入手可能であり、前述と同じように５０℃の温度差で、３７５ミリボルト、３００ミリアンペアを発生すると考えられる。約１１２ミリワットの電力が発生されるので、ステップアップ電圧変換回路をまだ使うとすれば、該ステップアップ電圧変換回路の設計は非常に単純になり、費用を安くすることができる。前述のような状況下では、約６ワットの熱流が、熱電発電装置を通って流れる。

変換モジュールは、発電および／または蓄電に関連する追加の機能を提供するための付加的な電力回路を含むか、またはそのような回路に接続される。例えば、変換モジュールから（熱源を介して）供給される利用可能な電力量が、フィールド装置またはその一部を操作することができる最少レベル以下に落ちると、コンデンサや充電式電池のような蓄電装置が、電力レベルを維持するために変換モジュールに接続される。さらに、電圧を増幅し、電力信号からノイズを取り除き、電力信号を分離し、電力信号を滑らかに、および／あるいは整えるために、任意の既知の電力調整回路を使用することができる。しかしながら、当業者は、必要に応じて、所望の機能を電力調整回路に備えさせることができることを理解するであろう。

本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。

本発明の実施例が特に有用な、典型的なフィールド装置の概略図である。 図１に示されるフィールド装置のブロック図である。 遠隔装置と通信するための無線通信回路を含むフィールド装置のブロック図である。 本発明の実施例によって作動する無線フィールド装置の概略図である。 本発明の実施例によって電力を得る温度感知フィールド装置の概略図である。 本発明の実施例によって電力を得る温度感知フィールド装置の概略図である。 本発明の実施例によって半導体熱電発電機から電力を得るフィールド装置の概略図である。 本発明の実施例によって半導体熱電発電機から電力を得るフィールド装置の概略図である。 本発明の実施例によって半導体熱電発電機から電力を得るフィールド装置の概略図である。

符号の説明

２０……変換器またはセンサタップ、 ３４……フィールド装置、 ３８……変換モジュール

Claims (22)

1. プロセスに関連する情報を他の装置と無線通信するように構成された無線通信モジュール、および
   前記無線通信モジュールに接続され、熱源に連結され、熱エネルギを現場装置内の回路に電力供給するための電気に変換するように構成されたエネルギ変換モジュールを備えた現場装置。
2. 前記エネルギ変換モジュールは、サーモパイルを含む請求項１の現場装置。
3. 前記エネルギ変換モジュールは、熱電ダイオードを含む請求項１の現場装置。
4. 前記エネルギ変換モジュールは、半導体熱電発電機を含む請求項１の現場装置。
5. 前記エネルギ変換モジュールは、前記現場装置に隣接して配置される請求項１の現場装置。
6. 前記エネルギ変換装置は、前記現場装置から離して配置される請求項１の現場装置。
7. さらに、前記エネルギ変換モジュールおよび前記無線通信モジュールに接続されたコントローラ、および
   前記プロセスおよび前記コントローラに接続された変換器を備える請求項１の現場装置。
8. 前記変換器は、センサである請求項７の現場装置。
9. 前記センサは、温度センサである請求項８の現場装置。
10. 前記温度センサは、電気を発生し、前記エネルギ変換モジュールの構成要素である請求項９の現場装置。
11. さらに、プロセス流体に連結されるように構成された温度計保護管を備えた請求項９の現場装置。
12. さらに、前記温度計保護管内に配置され、熱を前記プロセス流体から遠くに伝えるように構成された熱伝導部材を備えた請求項１１の現場装置。
13. 前記エネルギ変換モジュールは、前記熱伝導部材に接続された半導体熱電発電機を含む請求項１２の現場装置。
14. 前記半導体熱電発電機は、前記プロセス流体に熱的に接続された加熱面、および前記熱伝導部材に熱的に接続された冷却面を有する請求項１３の現場装置。
15. 前記熱伝導部材は、前記熱電発電機に接続された第１の端部、および少なくとも１つの冷却フィンに接続された第２の端部を有する請求項１４の現場装置。
16. 前記半導体熱電発電機は、前記熱伝導部材の第１の端部に連結された加熱面、および少なくとも１つの冷却フィンに連結された冷却面を有し、前記熱伝導部材の第２の端部は、前記プロセス流体に熱的に接続される請求項１３の現場装置。
17. 前記変換モジュールによって変換された電気の量は、前記熱源に関連する温度表示を提供するために使用される請求項１の現場装置。
18. 前記熱源は、プロセス熱源である請求項１の現場装置。
19. さらに、前記変換モジュールに接続された蓄電装置を含む請求項１の現場装置。
20. 熱電装置を熱エネルギ源に熱的に接続すること、および
    該熱電装置を前記現場装置の無線通信モジュールに電気的に接続することからなる無線現場装置に電気を提供する方法。
21. 前記熱電装置に熱的に接続することは、前記熱電装置を通って熱を伝えることを含む請求項２０の方法。
22. プロセスに関連する情報を他の装置と無線通信するように構成された無線通信モジュール、
    プロセス熱源内の熱エネルギを、前記現場装置へ電力を供給するための電気に変換する手段を備えた現場装置。

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