JP4191031B2 - データを監視および記憶するための改良型小型自給式センサ - Google Patents

Description

本発明は、薬剤プラントおよび製造処理プラント等の遠隔地における温度、湿度、圧力等のような物理パラメタの独立したプローブ検出およびマイクロプロセッサでスケジューリングされた監視、それらのデータの局所的な自動記録装置、様々な監視区域からプローブを取り外す設備、並びに、読み出し中央コンピュータ位置におけるそれらの自動記録データのデジタル読み出し取得に関し、詳しくは、小型構成における取り外し制約およびそれらのプローブ監視装置のバッテリ駆動型電子回路の改良に関し、複数のプローブに自動記録されたデータの中央読み出し取得の効率および利便の向上にも関連する。

そのような小型の自動記録機／センサは従来、そして現在も、とりわけ化学産業や薬剤処理産業を含む世界中の多数の産業において、様々な遠隔地にある設備やコンテナ等の温度、湿度圧力、回転その他の物理パラメタを監視するのに使用されている。

それらの中には、例えば、デンマークのＥｌｌａｂが彼らの公報に「Ｔｒａｃｋｓｅｎｓｅ」と題して記載した「Ｔｒａｃｋ／Ｓｅｎｓｅ」監視記録システム、米国特許第４，７１８，７７６号の記載に従って構成されていると言われているコロラド州のＭｅｓａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓの「Ｄａｔａｔｒａｃｅ」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｅｍｉｎｉｄａｔａｌｏｇｇｅｒｓ．ｃｏｍに記載されたイギリス連合王国、オーストラリア、アメリカ合衆国のオリオングループの「Ｇｅｍｉｎｉ Ｄａｔａ Ｌｏｇｇｅｒｓ」、Ｏｎｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが彼らのウェブサイトｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｎｓｅｔｃｏｍｐｕｔｅｒ．ｃｏｍに記載したような「ＨＯＢＯ」およびその他のデータ自動記録装置、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓｉｔｅｃｈ．ｃｏｍに記載されたようなＳｅｎｓｉｔｅｃｈ，Ｉｎｃの「Ｔｅｍｐｔａｌｅ」およびその他の可搬型の温度取得読み出しシステム、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｙａｎｉｎｓｔ．ｃｏｍに記載されたようなＲｙａｎ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＲＬ１００温度モニタ、かなり古いものでは、１９８６年９月１９日発行の「Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｃｋ」、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．１９に「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｖｅｒｌａｕｆｅ−Ａｎ ＵｎＺｕｇａａｎｇｌｉｃｈｅｎ Ｓｔｅｌｌｅｎ Ｇｅｍｅｓｓｉｎ」と題してＰ．Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎによって記載された類似の小型遠隔温度センサおよびコンピュータ読み出しシステム、英国特許第ＧＢ２０２８６１４Ａ号（ＡＥＰ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ．）、ＷＯ８５０１８１７Ａ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、並びに、独国特許ＤＥ３１３９６６３１（Ｂａｕｅｒ Ｂｅｒｎｈａｒｄ）などがある。

それらの装置の多くは、センサと、検出信号を処理してその信号をデジタル形式で記憶し、プログラムに従ってデジタル出力信号を生成し、装置を取り外したときにそのデジタル出力信号を独立した読み出しコンソールユニットへ転送するためのマイクロプロセッサと、内部バッテリ電源とを密閉ハウジングの内部に備えた、可搬式小型温度監視導電性密閉ハウジングの共通概念を有する。それらの類似の小型温度センサハウジングおよびシステムにおいて、装置からデジタル信号データを取り出すためのいくつかの異なる技術および構成がある。例えば上記のＥｌｌａｂの装置は、装置に設けた透明窓を通した赤外線パスを使用する。他の例としてＭｅｓａの装置は、導電性ハウジングのうちの２つの絶縁された部分を２つの電気出力パスとして使用する。

本発明が基礎とする発見によると、新規の容量性結合技術を用いてもっと簡単でもっと低コストな改良型の出力信号データ取り出しを実現することができ、窓製造、圧力差、引っかき傷、および様々な環境に置いたときの結露等の問題を有する光出力通信に頼ることもなければ、出力用に２つの絶縁された電気的ハウジング接触部も必要しない。ステンレスや類似の導電性ハウジング外殻にはそのような接触部を容易に作成することができず、また、そのような構成の場合の機械的公差の累積は、この方法を信頼性の低いものにするとともに高価なものにする場合がある。

従って、本発明の１つの目的は、新規の出力信号容量性結合通信パス構成を有する、上記の種類および用途の新たな改良型の小型の密閉型ハウジングセンサを提供し、従来技術の光学的な２つの独立したハウジング外殻接触部構成などに関する上で述べた欠点を驚くほど無くすことである。

更なる目的は、複数のそのような改良型センサから読み出しを実施する新規の方法を提供することである。

更なる目的は、通信回路による内部バッテリの不慮の充電を防止することである。

その他および更なる目的については以下で説明し、詳しくは特許請求の範囲に記載するものとする。

しかしながら、要約すると、本発明は、絶縁性ガスケットによって互いにシールされた導電性基部およびキャップ部を備えたハウジングセンサ装置に記憶されたデジタルデータを出力する方法を含み、ハウジングセンサ装置は遠隔地の温度等の監視パラメタと対応するデジタルデータとを有し、その方法は、それらの遠隔地から装置を取り外し、その装置を、ハウジングの断面よりもわずかに大きい断面を有し、基部の長さと実質的に同じ深さを有する導電性ウェルに挿入し、ハウジング基部をウェルの内壁に容量性結合させることと、ウェルの上に突き出したハウジングキャップ部の周りに無線周波数グラウンド接続を確立することと、容量性結合およびウェルの外壁を通じたデータ出力無線周波数通信パスを設けることにより、ハウジングに記憶されたデータを外部読み出しのために通信することとを含む。

好ましいおよび最良の、設計および技術は、後で説明する。

次に、本発明を添付の図面に関連して説明する。

上で説明したように、本発明は、複数の同一で小型の電子センサ・モニタリングシステムに記憶された出力データを通信するための改良技術および構成に関し、該システムはステンレス等から成る閉ざされた金属ハウジングコンテナの中に配置される。内蔵のマイクロプロセッサおよび電子システムがバッテリ駆動であるため、コンテナハウジングはバッテリ交換の目的で分解可能にする必要がある。コンテナは、厳しい環境で使用されることが多く、爆発性の環境で使用されることもあり、処理設備の様々な場所で高圧および／または高真空にさらされることがあるため、分解可能なハウジングコンテナの部品間にガスケット製の強固なシールを必要とする。最小限の重量で最大限の差圧耐性を得るため、通常は、球形または円筒形のハウジングが使用される。例えば電子システムは、１以上のセンサを備え、それらのセンサを厳しい環境内に配置してその環境内の状態を監視、検出、記憶、および記録し、後から取り外してもっと快適な場所で分析を行なう場合がある。こうしたシステムの典型的な利用方法は、データ分析を実施する共通の場所に対してリアルタイムにまたは蓄積交換技術を用いて通信する、複数の独立したセンサ装置によって特徴付けられるであろう。

様々な用途の中で特に、センサの較正、装置内への何らかの一義的なアドレスコードのプログラミング、試験に関する具体的パラメタのプログラミング、および、試験後の分析に備えてセンサモニタに記憶された出力データの取り出し等を行なう際は、センサシステムとの電気信号通信が必要になる。

図１は、中間ガスケット３を用いてキャップ部２を円筒型導電性中空ハウジング基体１にシールするようなやり方で組み付けることにより実現される前述のようなこの種の典型的装置を分解形態で示したものである。マイクロプロセッサ、データ記憶装置、その他の電子回路３、およびバッテリ４はハウジング１内部に挿入することができ、パラメタセンサ５（例えば温度など）は外部のキャップ部２に取り付けされることを示している。

前述のように、それらの可搬式の検出監視装置に記憶されたデジタルデータは、複数のそれらの装置を監視場所から取り外して共通の主局まで持ってゆき読み出すことにより、中央コンピュータに出力され、読み出される。上で説明した光窓、２つの導体絶縁されたハウジング接触部、および他の従来技術に関する制約をなくす際に本発明の技術が主に対処するのは、このデータ出力通信パス問題である。本発明によると、図２に示すような複数のウェルＷを有する比較的新規な床置き型マルチウェル通信アダプタＡが得られる。図３に示すように、取り外したセンサはウェルの中にそれぞれ挿入される。ＲＦ通信相互接続により、従来の出力技術に関する欠点を有することなく、読み出し用コンピュータ（ＰＣ）に対するウェルを通じた容量性結合による出力データ通信が可能となる。

具体的には、ガスケットでシールされ組み立てられた導体ハウジング１〜３は、監視データの記憶を行なった遠隔地から取り外した後、図３の通信ウェルユニットＷの所まで持ってゆき、通信ウェルユニットＷに挿入され、ハウジングとウェルの壁との間を容量性結合させて、装置内に記憶されたデジタルデータをハウジングとウェルの間に確立された新規の無線周波数通信パスを通じて読み出しできるようにする。導電性キャップ部２は、絶縁性ガスケット３によりウェルＷの上に突き出た基体部１に対してシールされる。本発明による通信パスは、２つの部品、導電性ハウジング１〜２のうち、ハウジング基部１をウェルの中に挿入したときにウェルの上に出っ張る導電性キャップ部２に対し、単一の機械的接点を設けることによって確立される。アダプタウェルの最上部に整合する開口部を備え、好ましくは各開口部の内側に弾性でバネ状のＲＦ（無線周波数）ガスケット材料を更に備えた接地導電性カバーＣを用いて、アダプタＡを覆う。ＲＦガスケットは、ウェル上のハウジングキャップ部２の周りに接触し、該ハウジングキャップ部２を、ウェルアダプタユニットＡの全ウェル上に適用された接地導電性カバーに接続する。このように、そのようなカバーＣがアダプタウェルに挿入された全センサハウジングの突き出たキャップ部を接地するので、ハウジングには、機械的または物理的電気的接点を他に何も作成しない。従って、ウェルの上かつカバーＣの下には、絶縁性シール３がある。ハウジングの表面は、出来る限り均一に保ち、微粒子の吸着を防止して掃除を楽にする。ウェルの断面は、ハウジングの断面よりもほんのわずかだけ大きく作成し、ウェルの深さは、装置の基部１の長さと実質的に相当する長さにする。実際には、ウェル壁とセンサハウジングの間に約２５ｍｍ程度のわずかな隙間を空ければ十分である。ウェルは、金属カップのように作成し、陽極処理を施すのが好ましい。これは、美観的理由だけでなく、ウェルＷの内壁とそこに容量性結合させるハウジング１〜２との間に絶縁体層を設けるためである。当然であるが、アダプタＡの通常使用および経年変化によって、塵やその他の異物がウェルに堆積されることもありうる。しかしながら、ハウジング装置をウェルに挿入する際には、ＲＦスプリングフィンガーが、その装置のカーバ部２以外の部分をウェルに容量性結合させた状態でウェル内に完全に残したままカバー部２と良好に接触するので、仮にその装置を異物層の上に配置したとしても全く問題はない。

本発明の通信技術は、図３に符号６で示すように、信号をウェルの外側または回路側に供給する。この信号は、図４に示した波形例のように、テレタイプ方式のデジタル信号に、ビット「０」の間、高周波の変調を加えたものが好ましい。

通信パスの非常に単純化した等価回路を図５に示す。図中、受信装置は基本的に静止電力で動作し、ＣＭＯＳで実現した場合、静止電力は極めて小さくなる。ワンショット回路７のトリガ入力部「Ｔ」にデータパルスが入力されると、ワンショット回路７は再トリガ可能な単安定状態に設定され、拡張パルスが出力部に現れる。この復調に関するワンショット回路の時定数は、ビット「０」の入力パルス間の時間よりもいくぶん大きい値を選択する。パルスが続く限りワンショット回路はトリガ状態にとどまり、元の入力「０」を復元し続ける。入力パルスが途絶えると、ワンショット回路は終了して「１」の状態に戻る。キャリア周波数の選択は重要ではない。メガヘルツ範囲のいかなる適当な無線周波数信号でも、申し分なく機能するであろう。しかしながら、この技術でサポートするデータ速度は、最後の復調パルスの作用によってビット「０」の幅が通常の幅よりもわずかに大きく引き伸ばされるという、復調処理によって生じる歪みによって制限される。この歪みは、１０〜２０ＭＨｚの無線周波数と１００ＫＨｚ以下のデータ速度を用いることにより、５％未満に容易に保つことができる。一般的なテレタイプ方式の文字受信は、４０％を超える文字歪みを許容することもあるので、受信機における適切なデータ解釈にとって十分すぎるほどである。

上記の送信機は、特定のセンサ装置と通信しないとき、ウェルＷを小さなインピーダンスを通じてグラウンドに短絡させる。これには、装置を接地されたシールドで取り囲むことにより、隣り合った装置間でのクロストークを防止するという作用がある。また、使用しないウェルにシールドを与えて、それらのウェルからのスプリアス放射を防止するという働きもさらにある。

さらに、ハウジングの物理的状態は、この出力データ通信の信頼性に影響を与えることがない。ＲＦガスケット材料は、装置をウェルに挿入する際に接触部を拭う働きをもち、いかなる「霧状」の水分が存在する場合でもそれを除去し、拭った後は、たとえ装置に引っかき傷が生じたとしても、複数のフィンガーによりしっかりとした接触を維持する。上で説明したように、ウェル底部における汚れや異物は、ウェルと装置との間のキャパシタンスに大きな影響を及ぼすことがないので、通信に影響を与えることはありえない。

本発明の容量性結合技術は、読み出し電子回路の故障による記録計外殻に対する一定のＤＣ電圧の印加が起こらないことを保証し、不慮のバッテリの充電を防止し、本質的に安全な記録装置の実現を容易にするものである。

従って、本発明は、ＲＦ変調ハウジングウェルアダプタセンサ出力データ通信技術を通じて、通信用装置に必要な機械的接触部を最小限にし、装置間の信号干渉を防止し、ハウジング外殻の完全性を維持しつつ引っかき傷や「霧」の影響を受けないようにして掃除を容易にし、読み出しアダプタユニットのＲＦ完全性を維持することでセンサ装置からの出力データ通信の際のスプリアス放射を防止するという利点を提供する。

当業者であれば更なる変更を行なう場合もあり、そういった変更も特許請求の範囲に規定したような本発明の思想と範囲の中に入るものと考えられる。

典型的な小型データセンサの基本部品を示す絵画等角図であり、円筒形ハウジングパッケージを解体した基本部品を示している。 様々な遠隔の監視区域から取り外したセンサを挿入して監視中に蓄積されたデータを記録するための通信ウェルを示す等角図である。 図１の組み立て装置の検出および記憶した出力データをコンピュータ読み取り機に伝達するため図２のウェルに挿入された図１の組み立て装置を拡大した断面部で示す図である。 図３のウェルの横に示す回路に供給される変調されたテレタイプ方式のデジタル信号の波形の例を示す図であり、符号ビット「０」のときに高周波変調が加わっている。 本発明の好ましい実施形態に従って使用される無線周波数通信出力パスの簡略化した等価回路を示す図である。

Claims (11)

1. ハウジングセンサ装置に記憶されたデジタルデータを出力する方法であって、前記ハウジングセンサ装置が、絶縁性ガスケットによって互いにシールされた導電性基部および導電性キャップ部を備え、遠隔地における温度等のパラメタを監視し、対応するデジタルデータを記憶するものにおいて、該方法が、
   前記遠隔地から前記ハウジングセンサ装置を取り外し、該ハウジングセンサ装置を、該ハウジングセンサ装置の断面よりもわずかに大きい断面を有し、前記基部の長さと実質的に同じ深さを有する導電性カップに挿入し、前記ハウジングセンサ装置の前記基部を前記カップの内壁の表面に形成された絶縁層を介して前記カップに容量性結合させることと、
   前記カップの上に突き出した前記ハウジングセンサ装置のキャップ部の周りに無線周波数グラウンド接続を確立することと、
   前記容量性結合、および前記カップの外壁を通じたデータ出力無線周波数通信パスを設けることにより、前記ハウジングセンサ装置に記憶されたデータを外部読み出しのために通信することとを含む方法。
2. 前記ハウジングセンサ装置のキャップ部の周りに弾性の無線周波数ガスケットを用いることにより、機械的グラウンド接続を実現する、請求項１の方法。
3. 前記基部と前記キャップ部との間のシールが前記カップよりも上で且つ前記無線周波数ガスケットよりも下に配置される、請求項２の方法。
4. 前記無線周波数通信パスは、テレタイプ方式のデジタル信号に無線周波数変調を施したものを前記カップの外壁に供給することによって確立される、請求項１の方法。
5. 符号ビット「１」および「０」からなる前記変調を施されるデジタル信号は、ビット「０」の間、無線周波数変調される、請求項４の方法。
6. 前記導電性カップを複数備えたアダプタユニットに設けられた再トリガ可能な単安定ワンショット回路をセンサ装置からの入力データパルスの到来時にトリガし、前記ワンショット回路の時定数をビット「０」の入力パルス間の時間よりも幾分大きくなるように調節し、パルスが続く限りは前記ワンショット回路がトリガされた状態にとどまり、該入力「０」を復元することができるが、入力パルスが途絶えると前記ワンショット回路が終了するようにすることで、復調を実施する、請求項５の方法。
7. 複数のハウジングセンサ装置に記憶されたデジタルデータを出力する方法であって、前記ハウジングセンサ装置の各々が、絶縁性ガスケットによって互いにシールされた導電性基部、および導電性キャップ部を備え、複数の異なる遠隔地における温度等のパラメタを監視し、対応するデジタルデータを記憶するものにおいて、該方法が、
   前記遠隔地から前記ハウジングセンサ装置を取り外し、該ハウジングセンサ装置を、共通の通信アダプタユニットの対応する複数の同様の導電性カップに挿入し、各ハウジングセンサ装置の基部を、前記カップの内壁の表面に形成された絶縁層を介して前記カップに容量性結合させることと、
   前記カップと整合する複数の開口部を有するグラウンドカバーであって、該開口部の各々が弾性のＲＦガスケットと整合し、該ＲＦガスケットが対応する装置キャップ部の周りに外接する、グラウンドカバーを用いることにより、前記カップから突き出した各ハウジングセンサ装置のキャップ部の周りに無線周波数グラウンド接続を確立することと、
   前記容量性結合、および各カップの対応する外壁を通じた無線周波数通信パスによって、各ハウジングセンサ装置に記憶されたデータを外部読み出しのために通信することとを含む方法。
8. 絶縁性ガスケットによってハウジングのように互いにシールされた導電性の基部、および導電性のキャップ部を備えた、遠隔地における温度等のデータを監視し、記憶するための小型自給式センサ機器において、該小型自給式センサ機器を取り外した後、記憶されたデータを共通の読み出し局へ出力できるようにする装置であって、
   複数の導電性カップを有する共通の読み出しアダプタユニットと、
   弾性のＲＦガスケットによって前記複数の導電性カップにそれぞれ整合される複数の開口部を有する、前記読み出しアダプタユニット用のグラウンドカバーとを含み、
   各ハウジングを対応するカップに挿入したとき、前記基部と前記カップの内壁との間に、前記カップの内壁の表面に形成された絶縁層を介して容量性結合が確立され、前記グラウンドカバーを前記アダプタに使用したとき、前記グラウンドカバーの各開口部の弾性のＲＦガスケットが、対応する突き出した前記小型自給式センサ機器の前記キャップ部に外接することにより該キャップ部を接地させるものであって、
   更に、各カップの外壁に接続され、容量性結合によって該カップの外壁に無線周波数通信パスを確立することにより、記憶データの外部読み出しを可能にするデータ出力接続回路を含む、装置。
9. 前記無線周波数通信パスは、テレタイプ形式のデジタル信号に無線周波数変調を施したものを前記カップの外壁に供給するための回路によって確立される、請求項８の装置。
10. 前記変調が施された信号はデジタルのビット「１」および「０」からなり、前記無線周波数変調はビット「０」のときに実施される、請求項９の装置。
11. 前記読み出しアダプタユニットに設けられた再トリガ可能な単安定ワンショット回路を前記センサ機器からの入力データパルスの到着時にトリガし、前記ワンショット回路の時定数をビット「０」の入力パルス間の時間よりも幾分大きくなるように調節し、パルスが続く限りは前記ワンショット回路がトリガ状態にとどまり、該入力「０」を復元することができるが、入力パルスが途絶えると前記ワンショット回路が終了するようにすることで、復調を実施する、請求項１０の装置。

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