JP2010505353A - 産業立地のためのアンテナ及びレードームを備えたワイヤレスフィールド装置 - Google Patents

Abstract

ワイヤレスフィールド装置（１００）が開示される。ワイヤレスフィールド装置は、中に配置されたプロセッサ（１１０）を有するエンクロージャ（１０２）を含む。また、電源モジュール（１１２）がエンクロージャ（１０２）の中に設けられ、プロセッサ（１１０）に結合されることができる。ワイヤレス通信モジュール（１０４）がプロセッサ（１１０）に動作可能に結合され、無線周波数信号を使用して通信するように構成されている。アンテナ（１０６、２０２）がワイヤレス通信モジュール（１０４）に結合されている。エンクロージャ（１０２）に取り付けられたレードーム（１１６）はポリマー材料で形成されている。レードーム（１１６）は、アンテナ（１０６、２０２）を収容するチャンバ（１２４）を中に有する。

Description

工業的状況では、工業及び化学プロセスの目録などを監視し、制御するために制御システムが使用される。通常、制御システムは、工業プロセス中の主要な場所に分散し、プロセス制御ループによって制御室中の制御回路に結合されたフィールド装置を使用してそのような機能を実行する。「フィールド装置」とは、工業プロセスの計測、制御及びモニタリングで使用されるすべての装置を含む、分散制御又はプロセスモニタリングシステムにおける機能を実行する任意の装置をいう。

フィールド装置は、多様な目的のためのプロセス制御・計測工業によって使用されている。通常、そのような装置は、比較的荒れた環境の中、屋外に設置することができ、気候的極限の温度、湿度、振動、機械的衝撃などに耐えることができるよう、フィールド硬化エンクロージャを有する。これらの装置はまた、通常、比較的低い電力で稼働することができる。たとえば、現在、作動電力のすべてを公知の４−２０mAループから受けるフィールド装置が入手可能である。

一部のフィールド装置はトランスデューサを含む。トランスデューサとは、物理的入力に基づいて電気的出力を生成する、又は電気的入力信号に基づいて物理的出力を生成する装置をいうものと理解される。通常、トランスデューサは、入力を、異なる形態を有する出力に変形する。トランスデューサのタイプとしては、種々の分析機器、圧力センサ、サーミスタ、サーモカップル、ひずみゲージ、流量トランスミッタ、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータランプなどを含んでいる。

通常、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又は他の回路と通信するために使用される通信回路を含む。一部の施設では、プロセス制御ループはまた、フィールド装置を駆動するために調整された電流及び／又は電圧をフィールド装置に印加するために使用される。

旧来、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によって制御室に接続され、各装置が１本の２線式制御ループによって制御室に接続されていた。通常、２本のワイヤの間の電圧差は、アナログモードの場合で１２〜４５ボルトの範囲、デジタルモードの場合で９〜５０ボルトの範囲に維持される。一部のアナログフィールド装置は、電流ループ中を流れる電流を、感知されたプロセス変量に比例する電流に変調することにより、信号を制御室に送信する。他のアナログフィールド装置は、制御室の制御の下、ループを通過する電流の大きさを制御することによって動作を実行することができる。追加的又は代替的に、プロセス制御ループは、フィールド装置との通信に使用されるデジタル信号を運ぶことができる。デジタル通信は、アナログ通信よりもずっと大規模の通信を可能にする。そのうえ、デジタル装置は、フィールド装置ごとに別個の配線を要しない。デジタル式に通信するフィールド装置は、制御室及び／又は他のフィールド装置に応答し、それらと選択的に通信することができる。さらに、そのような装置は、さらなる信号、たとえば診断及び／又はアラームを提供することもできる。

一部の施設では、フィールド装置との通信のためにワイヤレス技術が使用され始めている。ワイヤレス動作はフィールド装置の配線及びセットアップを簡素化する。工業的立地におけるワイヤレス通信の一つの具体的な形態がワイヤレスメッシュネットワーキングとして知られている。これは、商業用計測用途における低コストのバッテリ駆動ワイヤレス通信で有用であることが証明されている比較的新規な通信技術である。ワイヤレスメッシュネットワーキングは一般に、低電力無線周波数通信を用いる近距離ワイヤレス通信システムであり、一般に、プラント間、パッド間又はステーション間の長距離通信を標的化したものではない。本発明の実施態様は一般にワイヤレスメッシュネットワーキング通信に関して説明するが、本発明の実施態様は、無線周波数通信の形態を用いるいかなるフィールド装置にも適用可能である。

一般に、ワイヤレス無線周波数通信はアンテナの使用を要する。そのような過酷な工業的状況では、アンテナは、比較的壊れやすい物理的構成部品である。そのうえ、アンテナが破損するならば、フィールド装置そのものへの通信が損なわれるおそれがある。ハウジングに対するアンテナのシールが損傷又は劣化するならば（たとえばＵＶ暴露又は加水劣化によって）、環境シールが故障し、装置に対する損傷を生じさせかねない。

工業的立地でフィールド装置とで使用するための頑丈な無線周波数アンテナを提供することは、よりロバストなワイヤレスフィールド装置通信を提供し、工業プロセス計測及び制御の技術に恩恵を与える。

ワイヤレスフィールド装置が開示される。ワイヤレスフィールド装置は、中に配置されたプロセッサを有するエンクロージャを含む。また、電源モジュールもエンクロージャの中に設けられ、プロセッサに結合されることができる。ワイヤレス通信モジュールがプロセッサに動作可能に結合され、無線周波数信号を使用して通信するように構成されている。アンテナがワイヤレス通信モジュールに結合されている。レードームがエンクロージャに取り付けられ、ポリマー材料で形成されている。レードームは、アンテナを収容するチャンバを中に有する。

本発明のある実施態様のワイヤレスフィールド装置のブロック図である。 本発明のある実施態様のワイヤレスフィールド装置の図である。 本発明のある実施態様のアンテナ・レードームアセンブリの分解等角図である。 本発明の別の実施態様のアンテナ・レードームアセンブリの分解等角図である。

図１は、本発明のある実施態様のワイヤレスフィールド装置のブロック図である。ワイヤレスフィールド装置１００は、長方形のボックスとして簡略して図示されているエンクロージャ１０２を含む。しかし、長方形のボックスは、エンクロージャ１０２の実際の形状を示すためのものではない。ワイヤレス通信モジュール１０４がエンクロージャ１０２内に配置され、接続１０８を介してアンテナ１０６に電気的に結合されている。また、ワイヤレス通信モジュール１０４が制御装置１１０及び電源モジュール１１２に結合されている。ワイヤレス通信モジュール１０４は、無線周波数信号を生成するのに有用な適当な回路を含む。

用途に依存して、ワイヤレス通信モジュール１０４は、ワイヤレスネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州IrvineのLinksysによって構築されたIEEE 802.11（b）ワイヤレスアクセスポイント及びワイヤレスネットワーキング装置）、セル方式もしくはデジタルネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州San JoseのAeris Communications社のMicroburst（登録商標））、超ワイドバンド、全世界的モバイル通信システム（ＧＳＭ）、汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散技術、ＳＭＳ（Short Messaging Service/text messaging）又は他の適当な無線周波数ワイヤレス技術をはじめとする適当なワイヤレス通信プロトコルにしたがって通信するように構成することができる。さらには、ワイヤレス通信モジュール１０４に類似したモジュールを用いる共有フィールド装置が互いのワイヤレス作動範囲内で共存し、稼働することができるような公知のデータ衝突技術を使用することもできる。このような衝突防止は、多数の異なる無線周波数チャネル及び／又はスペクトラム拡散技術を含むことができる。さらには、通信モジュール１０４はまた、市販のブルートゥース通信モジュールであることができる。図１に示す実施態様では、ワイヤレス通信モジュール１０４は、アンテナ１０６に結合されている、エンクロージャ１０２内の構成部品である。

制御装置１１０がワイヤレス通信モジュール１０４に結合され、ワイヤレス通信モジュール１０４とで双方向的に通信する。制御装置１１０は、所望の結果を得るために一つ以上の命令を実行することができる任意の回路又は構造である。好ましくは、回路１１０はマイクロプロセッサを含むが、適当なサポート回路、たとえばオンボードメモリ、通信バスなどを含むこともできる。

ワイヤレス通信モジュール１０４及び制御装置１１０はいずれも電源モジュール１１２に結合されている。電源モジュール１１２は、好ましくは、フィールド装置１０２の稼働に必要なすべての電気エネルギーをワイヤレス通信モジュール１０４及び制御装置１１０に供給することができる。電源モジュール１１２は、貯蔵又は生成された電気をワイヤレス通信モジュール１０４及び制御装置１１０に供給することができる任意の装置を含む。電源モジュール１１２を構成することができる装置の例は、バッテリ（充電式又はそうではない）、キャパシタ、ソーラーアレイ、熱電式発電機、振動ベースの発電機、風力ベースの発電機、燃料電池などを含む。あるいはまた、電源モジュールは、２線式プロセス制御ループに接続され、ワイヤレス通信モジュールによって使用するための電力を取得し、貯蔵することもできる。

トランスデューサ１１４が制御装置１１０に結合され、フィールド装置１０２を物理的プロセスにインタフェースさせる。トランスデューサの例は、センサ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータランプなどを含む。本質的に、トランスデューサ１１４は、制御装置１１０からの信号を物理的表現、たとえば弁の動きに変換することができる任意の装置又は実世界の条件、たとえばプロセス流体圧に基づいて電気信号を制御装置１１０に発する任意の装置である。

本発明のある実施態様にしたがって、アンテナ１０６は、エンクロージャ１０２に物理的に結合するロバストなポリマーレードーム１１６の中に収容される。本明細書で使用する「レードーム」とは、電波に対して透過性である、無線アンテナのためのハウジングをいう。そのようなものとして、本特許文献の目的のためには、レードームは「ドーム形」である必要はない。図２は、レードーム１１６を取り付けられたエンクロージャ１０２を含むフィールド装置１００の図である。図２は、プロセス流体圧力トランスミッタとして知られるタイプのフィールド装置を示すが、いかなるフィールド装置を使用することもできる。さらには、図２は、エンクロージャ１０２の上に垂直に延びるレードーム１１６を示すが、レードーム１１６は、いかなる適当な方向に延びることもできる。

図３は、本発明のある実施態様にしたがって工業的立地で使用するためのアンテナアセンブリの分解等角図である。アンテナアセンブリ１８８は、ケーブル１２０に結合された同軸アンテナ１０６を含み、このケーブル１２０を、ハウジング１０２内の回路板（図３には示さず）上のワイヤレス通信モジュール１０４に結合することができる。ケーブル１２０は、同軸ケーブルの形態にあってもよいし、他の適当な構造の形態にあってもよい。アンテナ１０６は、レードーム１１６のチャンバ１２４内にスライド自在にフィットするサイズである外径１２２を有する。レードーム１１６内のアンテナ１０６の位置をロバストなやり方で固定するために、好ましくは保持具１２４が用いられる。保持具１２４は、ケーブル１２０及びケーブル／はんだ接合部に対しひずみの軽減をもたらすために、ケーブル１２０の外径の上にスライドし、レードーム１１６内の領域１２８に圧入するサイズである内径１２６を有する。さらには、接着剤を使用してさらなるひずみの軽減をもたらすこともできる。また、Ｏリング１３０を使用して、レードーム・アダプタ接続部を環境からシールするのに役立てることが好ましい。Ｏリング１３０は、好ましくは、エラストマーラジアルＯリングであるが、適当な形態をとることができ、他の適当な材料から構築することもできる。

レードーム１１６は、無線周波数信号を透過させることができる比較的硬質のポリマーで形成されている。好ましくは、レードーム１１６は、約７７のショアーＤの硬さを有し、１ギガオーム以下である絶縁抵抗を有し、華氏−４５で４時間保持した後で７ジュールの衝撃に耐えることができるプラスチックで形成されている。レードーム１１６の構築に非常に適したプラスチックの一つの適当な例が、米マサチューセッツ州PittsfieldのSABIC Innovative Plasticsから商品名Valox 3706 PBTとして販売されている。しかし、他の適当な熱可塑性樹脂を使用してもよい。熱可塑性樹脂は、成形しやすいため、特に有利である。レードーム１１６を形成するために使用することができる材料の他の適当な例は、SABIC Innovative Plasticsから市販されているValox Resin V3900WX及びValox 357Uを含む。

レードーム１１６は、好ましくは、雄ねじ領域１３２を含み、この領域が、ハウジング１０２上の雌ねじ領域と係合して、アンテナアセンブリのための機械的接続を提供する。さらには、レードーム１１６の下面１３４は、レードーム・ハウジング接続の偶発的なゆるみを防ぐため、好ましくは、ハウジング１０２上の構造と係合する多数のロッキングタブ１３６を含む。タブ１３６が図３に示されているが、レードーム１１６の故意ではない回転を防ぐことができる他の物理的構造を用いることもできる。

図４は、本発明の別の実施態様の工業用アンテナアセンブリの図である。アセンブリ２００は、図３に関して説明した実施態様で示されたものと同じ構成部品を多く含み、同種の部品には同じ参照番号を付す。図３に示す実施態様と図４に示す実施態様との主要な違いは、アンテナそのものの形態である。具体的には、図３は同軸型アンテナを表すが、図４に示す実施態様はプリント回路板アンテナ２０２を示す。図４に示す実施態様では、レードーム１１６は、好ましくは、プリント回路板２０２を受け入れるサイズであるスロットを含む。さらには、図４に示すように、スロットは、スロットの遠端２０４が開口部２０６に近いところの幅よりも小さい幅を有するよう、全体的に先細りしている。この先細りスロットが、端部２０４の近くで、プリント回路板アンテナ２０２の端部２０８とで締り嵌めを形成するのに役立つ。この締り嵌めは、振動中、レードーム１１６に対するプリント回路板２０２の相対動を防ぐのに役立つ。

本発明の実施態様は、一般に、フィールド装置が稼働する過酷な環境に適したアンテナアセンブリを提供する。アンテナレードームは、無線周波数を透過させることができるポリマーでできている。さらには、レードームは、電子部品エンクロージャの一部を形成し、好ましくは、フィールド装置のための様々な設計基準及び規格に適合する。アセンブリが適合することができる所望の定格の例は、非限定的に、UL746CによるＦ１定格（耐候性）、厳格可燃性要件、たとえばUL94に準ずるV2（UL94、今やIEC 60707、60695-11-10及び60695-11-20ならびにISO 9772及び9773と同じであるThe Standard for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances）、耐衝撃性、耐薬品性、耐熱衝撃性、NEMA 4x及びIP 65を含む。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、形態及び詳細における変更を加えることができることを理解するであろう。

Claims (16)

1. エンクロージャ、
   前記エンクロージャ内に配置されたプロセッサ、
   前記プロセッサに結合された電源モジュール、
   前記プロセッサに動作可能に結合されたワイヤレス通信モジュールであって、無線周波数信号を使用して通信するように構成されたワイヤレス通信モジュール、
   前記ワイヤレス通信モジュールに結合されたアンテナ、
   前記エンクロージャに取り付けられたレードームであって、ポリマー材料で形成され、その中にチャンバを有するレードーム
   を含み、前記アンテナが前記レードームの前記チャンバ内に配置されているワイヤレスフィールド装置。
2. 前記電源モジュールがバッテリを含む、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
3. 前記ワイヤレス通信モジュールが前記エンクロージャ内に配置されている、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
4. 前記アンテナが同軸アンテナである、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
5. 前記アンテナのケーブルの外径の上に配置される保持具をさらに含み、前記保持具が、前記レードーム内の領域に固定的に押し込まれてひずみ解放及び振動支持を提供する、請求項４記載のワイヤレスフィールド装置。
6. 前記アンテナがプリント回路板アンテナである、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
7. 前記レードームが、前記プリント回路板アンテナとで締り嵌めを形成するための先細りスロットを含む、請求項６記載のワイヤレスフィールド装置。
8. 前記アンテナのケーブルの外径の上に配置されるリテーナをさらに含み、前記リテーナが、前記レードーム内の領域に固定的に押し込まれて前記アンテナの機械的保定及びケーブルはんだ接合部のひずみ解放を提供する、請求項６記載のワイヤレスフィールド装置。
9. 前記レードームが、前記エンクロージャと係合して前記エンクロージャに対する前記レードームの偶発的回転を防ぐ多数の構造をその表面に含む、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
10. 前記エンクロージャと前記レードームとの間に配置されて接続部を周囲環境からシールするＯリングをさらに含む、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
11. 前記レードームが熱可塑性樹脂で形成されている、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
12. 前記熱可塑性樹脂が、UL94にしたがって少なくともV2定格を有する、請求項１１記載のワイヤレスフィールド装置。
13. 前記熱可塑性樹脂が、UL746CによるF1定格を有する、請求項１１記載のワイヤレスフィールド装置。
14. 前記制御装置に動作可能に結合されたトランスデューサをさらに含む、請求項１記載のワイヤレスフィールド装置。
15. 前記トランスデューサがセンサである、請求項１４記載のワイヤレスフィールド装置。
16. 前記トランスデューサがアクチュエータである、請求項１４記載のワイヤレスフィールド装置。

Images