專利名稱：具有可更換模塊的無線測量變送器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線測量變送器，且具體地涉及具有可被遠程設置的電路設置的無線測量變送器，該遠程設置是通過使用接線連接到便攜式維護設備(比如手持通信器)的臨時連接進行的。
背景技術：
電路設置的設置有時發(fā)生在可能出現爆炸性、腐蝕性或二者兼而有之的空氣的工廠環(huán)境中。當移除無線測量變送器封蓋以執(zhí)行電路設置或其他維護操作時，可能將測量電子裝置暴露在空氣中，導致電子裝置的惡化或損壞，或冒著在爆炸性空氣中出現電火花的風險。當移除無線變送器封蓋以更換主電池時，也存在在爆炸性空氣中出現電火花的風險。
對于一些現有的測量變送器，為了安全地執(zhí)行維護操作，可能需要額外的步驟，比如將設備與過程斷開連接，并將其移到安全的區(qū)域。發(fā)明內容
一種在工業(yè)過程中用于測量過程變量的測量變送器包括外罩部件。所述外罩部件包括主外罩體，所述主外罩體具有由第一封蓋封閉的第一空腔和由第二封蓋封閉的第二空腔。所述第一空腔中的測量電路部件包括穿過所述主外罩體延伸到所述第二空腔中的接觸器的電源和維護通信導線。測量傳感器連接到所述測量電路。
將可更換模塊插入所述第二空腔中的所述接觸器中。所述可更換模塊包括主電池和維護通信連接器。通過移除所述第二封蓋，暴露所述維護通信連接器，以連接到維護設備。


圖1A、1B是無線測量變送器的上部(圖1A)和下部(圖1B)的分解圖。
圖2是圖1A、1B的無線測量變送器的一部分的橫截面圖。
圖3是連接到測量傳感器和手持維護設備的無線測量變送器的示意圖。
圖4A、4B是示例可更換模塊的分解圖。
圖5是可更換模塊的備選實施例的前視圖。
圖6示出了限制器電路。
具體實施方式
在下述實施例中，公開了一種在工業(yè)過程中使用的包括可更換模塊的無線測量變送器。可更換模塊包括向無線測量變送器供電的主電池，且還包括維護通信連接器。在一個配置中，主電池是不可充電的可拋棄式電池?？筛鼡Q模塊滑入無線測量變送器的主外罩體中的楔式(keyed)空腔。維護通信連接器從空腔中突出，以在維護操作期間與測試鉤方便連接。將測量電路部件安裝在分離密封的第一空腔中。
第一空腔可以在進行維護操作和電池更換時保持對周圍工業(yè)空氣的密封?？梢酝ㄟ^將第一封蓋從第一空腔上移除來執(zhí)行維護操作，同時不需要將測量電路部件暴露在周圍可能受到污染或爆炸性的工業(yè)空氣中。
在一些實施例中，測量電路部件包括無線天線，且無線天線放射無線通信信號通過第一封蓋和外罩，第一封蓋和外罩由對于無線通信信號透明的材料(比如塑料樹脂)形成。在其他實施例中，無線通信信號包括工業(yè)通信協(xié)議，比如WirelessHART。
圖1A、1B是無線測量變送器100的上部(圖1A)和下部(圖1B)的分解圖。無線測量變送器100包括外罩部件102，外罩部件102包括部分102A、102B、102C。外罩部件102 具有主外罩體102B(圖1A、1B中都示出了)、第一封蓋102A和第二封蓋102C。主外罩體 102B包括由第一封蓋102A封閉的第一空腔104。主外罩體102B包括由第二封蓋102C封閉的第二空腔106。封蓋102A和102C是通過與主外罩體102B上的配對螺紋進行接合的螺紋來裝入的。使用兩個封蓋102A、102C允許通過移除第二封蓋102C進行維護操作(例如， 主電池更換、設置調整)，同時不將置于第一空腔104中的電子組件暴露在周圍工業(yè)環(huán)境的污染中，且同時不將第一空腔暴露在空氣或周圍工業(yè)環(huán)境中。
根據一個實施例，第一封蓋102A由電絕緣且對于無線通信信號的傳輸實質上透明的材料(比如塑料樹脂)形成。
無線測量變送器100包括測量電路部件108。將測量電路部件108置于第一空腔 104中。測量電路部件108通過螺絲(比如螺絲110)固定到主外罩體102B上。測量電路部件108包括在主外罩體102B中的內部通道114中延伸到第二空腔106的接觸器116的電源和維護通信導線112。根據一個實施例，通過螺絲118將接觸器116(圖1A)固定在第二空腔106中的固定位置(圖1B)。根據另一實施例，通過被鑄模為主外罩體102B的一部分的柱體(未示出)將接觸器116(圖1A)固定在第二空腔106中的固定位置，且在該實施例中不需要螺絲118。將柱體融化以使他們變型，從而固定接觸器116。根據一個實施例， 將內部通道114密封，以提供在打開電池隔層時對環(huán)境的屏障。
無線測量變送器100具有可更換模塊120。可更換模塊120插入第二空腔106的接觸器116中?？筛鼡Q模塊120包括主電池150(圖2所示)?？筛鼡Q模塊120還包括凸起到第二空腔106之外的維護通信連接器122。通過移除第二封蓋102C，可以接近維護通信連接器122，用于連接到外部維護設備(圖1A、1B中未示出，圖3中示出)。根據一個實施例，可更換模塊120包括限制器電路152。下面通過圖6更詳細描述的示例來更詳細地描述限制器電路152。
根據一個實施例，可更換模塊120具有夾緊套(gripping ring) 124，夾緊套1 凸起到第二空腔106之外，使得通過移除第二封蓋102C，可以接近夾緊套124，用于握住并拉動，以從接觸器116中抽出可更換模塊120。根據一個實施例，夾緊套IM適于由人的手的相對手指握住。根據另一實施例，第二封蓋102C具有空腔123(圖2所示)，當將第二封蓋102C安裝在主外罩體102B上時，維護通信連接器122和夾緊套124凸起到空腔123中。 夾緊套1 可以具有任何形狀，且不受限于附圖所示的形狀。根據另一實施例，可更換模塊 120包括環(huán)形推動表面125，該環(huán)形推動表面125與一個或多個彈簧127(在圖2中也被示出為處于壓縮狀態(tài))接合。當如圖2所示，將第二封蓋102C擰入主外罩體102B中時，在推動表面125和第二封蓋102C之間壓縮彈簧127。根據一個實施例，彈簧127是波簧(wavesprings)。根據另一實施例，彈簧127是Belleville washer彈簧。夾緊套124凸起以保護維護通信連接器122免受機械損傷。夾緊套IM與彈簧127對準以便于安裝。彈簧127 向模塊提供保持互聯(lián)的管腳和插槽不彼此相對移動的力。將彈簧127制造為提供比由于震動而造成的最大期望加速度下的電源模塊的質量所產生的力更大的力。
根據一個實施例，可更換模塊120具有一個或多個凸起的對準凸塊126，且第二空腔106具有與對準凸塊1 接合的一個或多個對準槽128，以在將可更換模塊插入第二空腔 106的接觸器116中時控制對準。
根據一個實施例，無線測量變送器100具有測量傳感器130。測量傳感器130通過螺帽134和密封環(huán)132連在主外罩體102B上。根據另一實施例，將測量傳感器130剛性安裝在過程導管(比如管道、閥門或罐)上，且測量傳感器130支撐無線測量變送器100的重量，并作為無線測量變送器100的固定件(mounting)。維護通信連接器122適于連接到測試鉤，測試鉤連線到可以用于執(zhí)行維護功能(比如對無線測量變送器100進行測試和編程)的外部維護設備(圖1A、1B中未示出)。測量傳感器130包括電接觸器136，電接觸器 136電連接到測量電路部件108。根據一個實施例，將電接觸器136直接固定到測量電路部件108。根據另一實施例，將電接觸器136通過引線電連接到測量電路部件108。在一個實施例中，測量傳感器130是聲學傳感器。在另一實施例中，測量傳感器130是壓力傳感器。
根據一個實施例，無線測量變送器100用測量傳感器130感測工業(yè)過程變量，且測量傳感器130經由電接觸器136向測量電路部件108提供表示工業(yè)過程變量的電信號。測量電路部件108包括由可更換模塊120中的電子電池單元(cell)或電池(lottery)供電的電子測量電路140。測量電路部件108包括向位于遠處的控制系統(tǒng)(圖1A、1B未示出) 提供控制信息的無線通信的天線142。天線142放射信號通過對于無線通信信號透明的第一封蓋102A和外罩102B。
圖2是圖1A、1B的無線測量變送器的一部分的橫截面圖?？筛鼡Q模塊120安裝在第二空腔106中。第二空腔106由第二封蓋102C所封閉。在第二封蓋102C和可更換模塊 120的模塊外殼158上的推動表面125之間壓縮彈簧127。
可更換模塊120具有插入第二空腔的接觸器116中的模塊接觸器154?？筛鼡Q模塊120包括在為了維護操作而移除第二封蓋102C時凸起到第二空腔106的邊緣160之外的主電池150和維護通信連接器122。在移除第二封蓋102C的情況下，可使用測試鉤來接近維護通信連接器122，以連接到維護設備?？梢栽诓粡慕佑|器116中抽出可更換模塊120 的情況下，接近維護通信連接器122以進行電連接。從而在維護操作期間，無線測量變送器 100由主電池150供電
圖3是連接到測量傳感器130以及手持維護設備160的無線測量變送器100的示意圖。無線測量變送器100包括電測量電路140和無線天線142。
電測量電路140包括轉換器電路162。轉換器電路162從測量傳感器130接收表示從工業(yè)過程164感測到的過程變量的電輸出。根據一個實施例，測量傳感器130感測溫度(除了過程變量之外)，且轉換器電路162根據過程變量和溫度來診斷過程狀態(tài)。轉換器電路162向維護通信電路172提供表示過程狀態(tài)的輸出。維護通信電路172將過程狀態(tài)傳輸給無線天線142。無線天線142將過程數據無線傳輸給控制或監(jiān)視工業(yè)過程164的工業(yè)過程控制系統(tǒng)166。根據一個方面，測量傳感器130是聲學傳感器，且過程狀態(tài)包括取決于聲學級別和溫度的組合的蒸汽管道的操作狀態(tài)，例如普通蒸汽管道操作、蒸汽管道的塞緊狀態(tài)(plugged state)、或蒸汽管道中的泄漏狀態(tài)。
電測量電路140包括已存儲的設置168。已存儲的設置168可以是例如過程變量范圍設置、校準數據設置、無線頻率設置或控制電測量電路140的操作的其他設置。根據一個實施例，可使用通過無線天線142從工業(yè)過程控制系統(tǒng)166接收的命令來遠程調整已存儲的設置168。根據另一實施例，可使用通過可更換模塊120從手持維護設備160接收的命令，來遠程調整已存儲的設置168。使用測試鉤174、176，將維護設備160連接到通信連接器122，且通過可更換模塊120中的布線170將通信連接器122連接到電測量電路140 中的維護通信電路172。根據一個實施例，使用HART通信協(xié)議來傳輸維護通信。通過布線 178來連接可更換模塊120中的主電池150，以向電測量電路140供電。
圖4A、4B是示例可更換模塊200的分解圖?？筛鼡Q模塊200包括插入到第二空腔 106(圖1A、1B)的接觸器116(圖1A)中的模塊接觸器254，以與測量電路部件108(圖1A) 進行電連接。模塊接觸器254由密封257環(huán)繞。模塊接觸器邪4安裝在印刷布線板255上。 印刷布線板255經由引線251連接到主電池250。印刷布線板255經由引線253連接到維護通信連接器252?？筛鼡Q模塊200包括向測量電路部件108供電的主電池250。根據一個實施例，主電池250具有一個或多個電池單元?？筛鼡Q模塊200包括維護通信連接器252， 維護通信連接器252可通過測試鉤(圖4A、4B中未示出)連接到維護設備(圖4A、4B中未示出)。
可更換模塊200包括模塊外殼258。模塊外殼258包括與對準槽1 (圖ΙΑ、1B) 接合的對準凸塊256，以控制將接觸器254插入接觸器116(圖1A)的對準。模塊外殼258 包括夾緊套254，可接近夾緊套254(通過移除圖IB中的第二封蓋102C)以握住并拉出，以將可更換模塊200從接觸器116(圖1A)中抽出。
可更換模塊200具有連接到模塊外殼258的模塊帽沈0。根據一個實施例，用灌注混合物(potting compound)等來填充模塊外殼258中的空隙空間，且在使用了灌注混合物之后，用密封環(huán)262來覆蓋模塊帽沈2。在模塊外殼258上貼上標簽沈4，用于識別并指示主電池250的過期日期。在一個實施例中，在帽260周圍安裝0形環(huán)。這形成了在圖IB中空腔106的底部的密封。該密封為導線提供了對進入空腔106的水或污染物的防護。
圖5示出了可更換模塊500的備選實施例。在可更換模塊500中，作為可與可更換模塊500的其他部分分離的組件，可以移除并更換主電池502。主電池502包括主電池連接器504。主電池連接器504與模塊連接器506配對。模塊連接器506包括鎖508，并與電纜510連接，該電纜510將主電池502與可更換模塊500中的布線連接。可更換模塊500 具有維護通信連接器512。如圖5所示，維護通信連接器512適于連接到測試鉤514、516， 測試鉤514、516連接到手持便攜式維護設備(圖5中未示出)。
在上述實施例中，可更換模塊120、200、500是本質安全的，且可以在污染的環(huán)境中進行更換，且不需要將整個測試變送器從爆炸性環(huán)境中移走。將主電池裝入保護性外罩 158中，在掉落時，保護性外罩158保護主電池150不會破裂，且提供本質安全。可更換模塊適合在Division 1和^)1^ 0區(qū)域中使用。可以將可更換模塊攜帶到Class 1或hne 0 區(qū)域，而不需要動火許可(hot work permit)。
可以使用具有10年或更長壽命的電池，且在該長時間段上，主電池接觸器可能受7到摩擦腐蝕，除非將主電池接觸器加以固定以抵抗震動。使用彈簧127減少了在可更換模塊120和主外罩體102B之間的震動運動，使得減少摩擦腐蝕，以允許使用10年或更久?？梢栽诓贿`反本質安全要求的情況下，在爆炸性工業(yè)空氣中更換可更換模塊。彈簧127向模塊提供了保持互聯(lián)的管腳和插槽不彼此相對移動的力。將彈簧127制造為提供比由于震動而造成的最大期望加速度下的電源模塊的質量所產生的力更大的力。
圖6示出了限制器電路520的示例。根據一個實施例，限制器電路520駐留在可更換模塊(圖2中可更換模塊120中的限制器電路152)的電路板上。限制器電路520耦合到多個電池單元MO542，多個電池單元540、542如圖6所示電串聯(lián)。限制器電路520包括耦合到電池討0、542的端點(terminations) 522、524。優(yōu)選地，在限制器電路520中的組件和電路板導線之間的間隔符合本質安全間隔要求。如圖6所示，限制器電路520包括兩個主部分。
從端點522、5M到劃分線5 的第一部分實質上提供了低壓斷電(low voltage cutoff)功能。來自管理電路528的輸出在電池電壓降到大約4伏特的閾值之下時，驅動場效應晶體管(FET) 530提供斷路。兩個電池組(cell battery pack) 540、542初始提供大約7. 2伏特。因此，當電池組M0542的電壓降到閾值之下時，由于FET 530提供的開路， 將電池組540、542有效地與現場設備端子M4、546斷開連接。
在劃分線5 和劃分線532之間的電路520的第二部分提供了電流限制電路，其幫助保護保險絲534避免經受過量電流。電流限制電路保護保險絲534在高于熔斷電流極限(例如，0.25安培)但是低于滿足本質安全要求的電流極限的電流時不被燒斷。電流限制電路在可更換模塊是一次性使用(非可維護、非可再使用)模塊時特別有用，因為燒斷的保險絲將要求在有用的電池壽命結束之前更換整個可更換模塊。限制器電路520在由于串聯(lián)使用多個電池單元而產生較高電池電壓時是特別有用的。
可更換模塊提供了適合在工業(yè)環(huán)境中使用的魯棒的、抵抗惡劣影響的組件?？筛鼡Q模塊裝配在被封閉的防水空腔中，以避免損害。根據一個實施例，模塊外殼可以包括內部筋(rib)等來固定主電池，而不需要使用灌注混合物。根據另一實施例，0形環(huán)密封可以用于允許熱膨脹且提供密封。根據另一實施例，封蓋可以具有作為鋸齒螺紋(buttress thread)的螺紋，以提供出眾的蠕變阻力(ere印resistance)。
盡管已結合優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，本領域技術人員將認識到在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對形式和細節(jié)作出改變。
權利要求
1.一種在工業(yè)過程中用于測量過程變量的測量變送器，所述測量變送器包括外罩部件，包括主外罩體，所述主外罩體具有由第一封蓋封閉的第一空腔和由第二封蓋封閉的第二空腔；測量電路部件，位于所述第一空腔中，所述測量電路部件包括穿過所述主外罩體延伸到所述第二空腔中的接觸器的電源和維護通信導線； 過程變量傳感器，連接到所述測量電路；以及可更換模塊，插入所述第二空腔的接觸器中，所述可更換模塊包括主電池和維護通信連接器，通過移除所述第二封蓋，暴露所述維護通信連接器，以連接到維護設備。
2.根據權利要求1所述的測量變送器，其中，所述測量電路部件包括無線天線，以及所述無線天線放射無線通信信號通過所述第一封蓋和所述外罩部件中的至少一個。
3.根據權利要求2所述的測量變送器，其中，所述第一封蓋包括對于所述無線通信信號透明的塑料樹脂。
4.根據權利要求2所述的測量變送器，其中，所述無線通信信號包括WirelessHART通信信號。
5.根據權利要求1所述的測量變送器，其中，所述主外罩體包括密封，所述密封將所述電源和維護通信導線密封在所述主外罩體的內部通道中。
6.根據權利要求1所述的測量變送器，其中，所述可更換模塊包括凸起到所述第二空腔之外的夾緊套，使得能夠通過移除所述第二封蓋來接近所述夾緊套以便拉動，以抽出所述可更換模塊。
7.根據權利要求6所述的測量變送器，其中，所述第二封蓋包括封蓋空腔，在安裝了所述第二封蓋時，所述維護通信連接器和所述夾緊套凸起到所述封蓋空腔中。
8.根據權利要求1所述的測量變送器，還包括在所述可更換模塊和所述第二封蓋之間壓縮的彈簧。
9.根據權利要求1所述的測量變送器，其中，所述可更換模塊包括凸起的對準凸塊，以及所述第二空腔包括對準槽，所述對準槽與所述對準凸塊對準，以控制在將所述可更換模塊插入所述第二空腔的接觸器中時的對準。
10.一種在工業(yè)過程中與測量變送器一起使用的可更換模塊，包括模塊連接器接觸器組，包括適于與無線測量變送器連接的維護通信接觸器和供電接觸器；模塊外殼，包括適于與所述無線測量變送器中的對準槽接合的對準凸塊，使得所述模塊連接器接觸器組與無線測量變送器接觸器組對準； 維護通信連接器，適于連接到測試鉤； 主電池，連接到所述供電接觸器；以及導線，將所述維護通信連接器連接到所述維護通信接觸器。
11.根據權利要求10所述的可更換模塊，其中，所述模塊外殼包括固定所述主電池的內部筋。
12.根據權利要求10所述的可更換模塊，其中，使用固定所述主電池的灌注混合物來填充所述模塊外殼。
13.根據權利要求10所述的可更換模塊，其中，作為能夠與所述可更換模塊的其他部分分離的組件，所述主電池是能夠移除且能夠更換的。
14.根據權利要求10所述的可更換模塊，其中，所述主電池包括單個電池單元。
15.根據權利要求10所述的可更換模塊，其中，所述主電池包括多個電池單元。
16.根據權利要求10所述的可更換模塊，其中，將所述模塊連接器接觸器組定位在印刷布線板上。
全文摘要
一種測量變送器包括主外罩體，所述主外罩體具有由第一封蓋封閉的第一空腔和由第二封蓋封閉的第二空腔。所述第一空腔中的測量電路部件包括穿過所述主外罩體延伸到所述第二空腔中的接觸器的電源和維護通信導線?？筛鼡Q模塊插入所述第二空腔中的接觸器中，所述可更換模塊包括主電池和維護通信連接器。通過移除所述第二封蓋，暴露所述維護通信連接器，以連接到維護設備。
文檔編號G01D11/24GK102538862SQ20111028683
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權日2010年12月17日
發(fā)明者乍得·M·麥圭爾, 亨·丘羅尹, 科里·M·魯賓遜 申請人:羅斯蒙德公司