(57)【要約】  改良された発電機を備えた産業プロセス現場装置（１２）を提供する。該プロセス装置（１２）は、プロセス変数送信機、プロセスアクチュエータ、あるいは他の適当な現場装置（１２）でありうる。この現場装置は、無線媒体を介してプロセスに関連する情報を送受信する無線トランシーバ（３４）を含む。該現場装置（１２）内の電源（４０、８０）は、圧縮ガス源（４４）に連結され、電源（４０、８０）内で電気エネルギに変換する動作を行う。その後、この電気エネルギは、前記現場装置（１２）を作動するために使用される。
2007515920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮ガスを導くように構成された、圧縮ガス源に連結可能な支持構造、
ガスの流量に応じて振動する１つの端部を有するカンチレバー構造を含む、前記支持構造に取り付けられた柔軟部、
前記カンチレバー端部に隣接して前記柔軟部上に配置され、現場装置内の構成要素に電気的に接続されている電導体、および
前記カンチレバー端部の振動が前記電導体内に電気を発生するように、前記カンチレバー端部に隣接して配置された磁界を含む現場装置内で電気を発生するための電源モジュール。
【請求項２】
さらに、前記柔軟部がブラッフボディを含む請求項１のモジュール。
【請求項３】
前記ブラッフボディが、三角形の断面を有する請求項２のモジュール。
【請求項４】
前記ブラッフボディが、エアフォイル形の断面を有する請求項２のモジュール。
【請求項５】
前記ブラッフボディが、楕円形の断面を有する請求項２のモジュール。
【請求項６】
前記ブラッフボディが、円筒形の断面を有する請求項２のモジュール。
【請求項７】
前記ブラッフボディが、球形の断面を有する請求項２のモジュール。
【請求項８】
前記磁界が、前記柔軟部に隣接して配置された永久磁石によって生成される請求項１のモジュール。
【請求項９】
さらに、前記モジュール内のラインに電気的に接続され、前記モジュール内部にエネルギを貯蔵するように構成されたエネルギ貯蔵装置を含む請求項１のモジュール。
【請求項１０】
前記エネルギ貯蔵装置が、バッテリである請求項９のモジュール。
【請求項１１】
前記エネルギ貯蔵装置が、コンデンサである請求項９のモジュール。
【請求項１２】
前記ガスが、空気である請求項１のモジュール。
【請求項１３】
前記ガスが、天然ガスである請求項１のモジュール。
【請求項１４】
さらに、前記圧縮ガスを導き、該ガスの速度を速めるために、前記支持構造に関連して配置されたノズルを含む請求項１のモジュール。
【請求項１５】
前記ノズルおよびガスポートが、拡散接合されたパイレックス（登録商標）被覆によって形成される請求項１４のモジュール。
【請求項１６】
前記現場装置が、プロセス変数を測定するための送信機である請求項１のモジュール。
【請求項１７】
前記圧縮ガス源が、前記送信機によって測定されるプロセス流体である請求項１６のモジュール。
【請求項１８】
前記現場装置が、アクチュエータである請求項１のモジュール。
【請求項１９】
前記モジュールが、ＭＥＭＳ電源モジュールである請求項１のモジュール。
【請求項２０】
圧縮ガスを導くように構成され、圧縮ガス源に連結可能な支持構造、
前記導かれた圧縮ガスの流量に応じて振動する１つの端部を有するカンチレバー構造を含む、前記支持構造に取り付けられた柔軟部、および 
前記カンチレバー端部に関連して取り付けられた圧電材料であって、前記カンチレバー端部の振動が、前記圧電材料から電気を発生し、現場装置内の構成要素に電気的に接続されている圧電材料を含む、現場装置内で電気を発生するための電源モジュール。
【請求項２１】
さらに、前記柔軟部がブラッフボディを含む請求項２０のモジュール。
【請求項２２】
前記ブラッフボディが、三角形の断面を有する請求項２１のモジュール。
【請求項２３】
前記ブラッフボディが、エアフォイル形の断面を有する請求項２１のモジュール。
【請求項２４】
前記ブラッフボディが、楕円形の断面を有する請求項２１のモジュール。
【請求項２５】
前記ブラッフボディが、円筒形を有する請求項２１のモジュール。
【請求項２６】
前記ブラッフボディが、球形を有する請求項２１のモジュール。
【請求項２７】
さらに、前記圧電材料に接続され、エネルギをその内部に貯蔵するように構成されたエネルギ貯蔵装置を含む請求項２０のモジュール。
【請求項２８】
前記エネルギ貯蔵装置が、バッテリである請求項２７のモジュール。
【請求項２９】
前記エネルギ貯蔵装置が、コンデンサである請求項２７のモジュール。
【請求項３０】
前記ガスが、空気である請求項２０のモジュール。
【請求項３１】
前記ガスが、天然ガスである請求項２０のモジュール。
【請求項３２】
前記現場装置が、プロセス変数を測定するための送信機である請求項２０のモジュール。
【請求項３３】
前記圧縮ガス源が、前記送信機によって測定されるプロセス流体である請求項３２のモジュール。
【請求項３４】
前記現場装置が、アクチュエータである請求項２０のモジュール。
【請求項３５】
さらに、前記圧縮ガスを導き、前記ガスの速度を速めるために、前記支持構造に関連して配置されたノズルを含む請求項２０のモジュール。
【請求項３６】
前記モジュールが、ＭＥＭＳ電源モジュールである請求項２０のモジュール。
【請求項３７】
複数のプロセス圧力点に連結可能であり、前記プロセス圧力点の少なくとも１つからノズルを通してガスを導くように構成された支持構造、
前記ノズルに関連して取り付けられ、前記ノズルを通るガスの流れに応じて振動する１つの端部を有するカンチレバー構造を含む柔軟部、および
前記振動に応じて電気を発生するように配置された電導体を含み、
前記電導体内で発生した電気が、前記ノズル両端部の差圧および複数のプロセス圧力点間の差圧に関連している、現場装置内で電気を発生するための電源モジュールを含む現場装置。
【請求項３８】
前記モジュールが、ＭＥＭＳ電源モジュールである請求項３７のモジュール。
【請求項３９】
前記複数のプロセス圧点間の差圧が、プロセス流体の流量に関連づけられる請求項３７の現場装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信機およびアクチュエータなどの、プロセスを制御および測定する現場装置に関する。より詳細には、本発明は、比較的に低電力の現場装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書においてプロセス装置とも呼ばれる現場装置は、プロセス制御・測定産業において、様々な目的のために用いられている。それらの装置は、通常には現場用の高耐久性ケースを有するので、比較的に厳しい環境である戸外に設置可能であり、温度や湿度の気象学的に極端な状況や、振動、機械的な衝撃など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ことができる。例えば、既知の４−２０ｍＡループから作動電力の全てを受け取る現場装置が、現在利用可能である。これらの装置は、ループによって作動するだけでなく、ループを通じて、（実際には４−２０ｍＡの信号を変調する）アナログ信号およびデジタル信号の両方で通信することができる。
【０００３】
現場装置の１つの例として、プロセス変数送信機が知られている。送信機は、圧力、温度、流量、ｐＨ、伝導率、濁度などのプロセス変数を感知し、（４−２０ｍＡループなどの）プロセス通信ループを介して、感知されたプロセス変数を示す信号を提供する。プロセスアクチュエータは、一般的には、比較的に強固な現場ケースを有し、プロセス制御・測定ループ上で通信するという点でプロセス変数送信機に類似している。しかしながら、プロセスアクチュエータは、実際には、ループから受信した信号に基づいてプロセスに影響を与える。他の現場装置としては、プロセス制御モジュール、プロセス警報モジュール、プロセス診断モジュールなどがある。
【０００４】
いくつかのプロセス制御プラント、あるいは遠隔測定ステーションにおいて、銅線のプロセス通信ループを介する以外の手段でプロセス変数データを送信することは、多くの場合有用である。通常は、前述のような用途のために、無線通信が用いられる。無線装置は、一時的または追加のプロセス変数の監視にとってさらに有益である。
【０００５】
無線装置においては、データは通常バースト（burst）的に送信される。これらの送信バースト中には、（１００ミリワット以上の）比較的に大きな作動電力が必要である。送信バースト間の休止時間（dwell time）中には、装置は、一般には、１０ミリワット未満を消費する低出力測定モードに入る。いくつかの用途では、装置は、測定と測定との間にスリープモードに入る。このスリープモードは、マイクロワット単位の作動電力を要する。プロセス変数測定を要求されるか、情報の送信を要求されるかすると、装置が起動して、該要求された機能を果たす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
遠隔無線測定・制御用途にとってよく知られている１つの課題は、測定および送信用の適切な電力を提供することができる信頼性の高い自立電源を提供することである。現在、バッテリ、あるいはバッテリと太陽電池パネルの組み合わせが、これらの装置に使用されている。バッテリは交換が必要であり、太陽電池パネルは、バックアップバッテリを十分に充電するのに十分な太陽光を受けることができないことがあるので、これらの手段には欠点がある。これらの低い日照の状態下では、測定および送信の予定が、バッテリの充電が低いことによって途中で遮断されることになる。例えば、いくつかの地理的位置では、実質的に一日中、低日照状態となる時期がある。
【０００７】
日光あるいは周期的なバッテリ交換のどちらも必要としない無線遠隔プロセス装置用の電源を提供することは、従来技術に非常に有効である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
改良された発電機能を備えた産業プロセス現場装置が提供される。該プロセス装置は、プロセス変数送信機、プロセスアクチュエータ、あるいは他の適当な現場装置であり得る。該現場装置は、無線媒体を介してプロセスに関連する情報を送受信する無線トランシーバを含む。現場装置内の電源は、圧縮ガス源に連結可能であり、電源内で、電気エネルギに変換する動作を行う。その後、この電気エネルギは、現場装置を作動するために用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、プロセスに物理的に連結され、少なくとも１つのプロセス変数を示す無線信号１４を提供するプロセス変数送信機１２として示される本発明の一実施例の現場装置を使用するプロセス産業装置の概略図である。
【００１０】
図２および３は、本発明の実施例が特に有用なプロセス変数送信機の概略図である。図２は、プロセスコンテナ（パイプ）１８に連結され、その中のプロセス流体の温度を測定する温度送信機１２を示す。
【００１１】
図３は、プロセスコンテナ２０に連結されたプロセス流体流量送信機２２の概略図であり、送信機２２は、コンテナ２０内に設置された流れ妨害部間の差圧を測定し、測定された差圧に基づいてプロセス流体の流量を計算する。プロセス変数送信機１２および２２は、本発明の実施例を好適に使用することができる現場装置のタイプの特定例である。当業者は、プロセスに連結するプロセス変数送信機、プロセスアクチュエータおよび他の適当な装置を含む任意の現場装置を用いて、本発明の実施例を実施することができることを理解するだろう。
【００１２】
本発明の実施例は、一般的には、圧縮ガス源を使用または利用し、その圧縮ガスを、現場装置が使用する電気エネルギに変換する。いくつかの実施例、例えば図３に示された実施例では、圧縮ガス源がプロセス流体自身であってもよい。他の実施例では、（圧縮ガスが外部タンク内にある形式において、）独立した圧縮ガス源が、現場装置に連結される。
【００１３】
図４は、送信機１２のようなプロセス変数送信機の概略図であり、送信機の基本的な要素を示す。送信機１２は、一般的には、プロセス流体温度、プロセス流体圧力などのプロセス変数を示す信号を発生するプロセス変数センサ２４に連結されている。センサ２４は、センサ２４からのアナログ信号をデジタル値に変換し、そのデジタル値を、バス２８を介して、マイクロプロセッサ３０に送信するアナログ／デジタル変換器２６に連結されている。マイクロプロセッサ３０は、好ましくはメモリ３２に記憶されたプログラムを実行し、バス２８を介してマイクロプロセッサ３０に提供されるデジタル値に基づいて、プロセス変数出力信号を発生する。このプロセス変数出力は、アンテナ３６に連結された無線トランシーバ３４に提供される。アンテナ３６および無線トランシーバ３４は、１つ以上の適当な装置と相互無線通信を行う働きをする。実例的には、無線トランシーバ３４は、無線通信用に無線周波数あるいは光学的技術のいずれかを採用するトランシーバである。
節電のために、送信機１２は、バースト的にデータを送信する。このようなバースト送信中には、（１００ミリワットを越える可能性もある）比較的大きな作動電力が必要である。このことは、高品質の通信およびレンジの無線通信を提供するのに十分なエネルギが必要であることを意味する。
【００１４】
プロセス変数送信機１２内の構成要素に電力を提供するために、電源モジュール４０が提供される。電源モジュール４０は、ＰＷＲ（電力）と記載された矢印４２によって示されるように、プロセス変数送信機１２内の全ての電気的構成要素に接続される。以下に詳述されるとおり、電源モジュール４０は、ライン４６を介して圧縮ガス源４４に流体的に連結されている。いくつかの実施例では、圧縮ガス源４４およびライン４６は、ガス４４がプロセス流体自身である場合のように、プロセス変数送信機設備の一部になっている。しかしながら、他の実施例では、ガス源４４は、圧縮ガスの外部タンクである。例えば、遠隔プロセスの用途では、流量を制御するために空気式のバルブを使用することが多い。典型的には、圧縮空気源か天然ガス源のどちらかが、これらのアクチュエータを駆動する。現場装置用のガス源４４として、、この圧縮ガス源を利用することができる。
【００１５】
図５は、本発明の一実施例による電源モジュール４０の上部平面図である。電源モジュール４０は、圧縮ガス源に流体的に接続された（図示せず）ベース４８を含む。ベース４８は、シリコンなどのＭＥＭＳ構造が容易な材料で作られる。圧縮ガスは、チャンバ５０に充満し、ノズル５３を通って矢印５２の方向に流れて、最終的にはブラッフボディ（bluff body）５４を越えて流れ、カンチレバー部材５６に上下動の（すなわち、図の面の内、外に）振動を起す。ノズル５３は、ガス速度を局所的に速め、そのことによって、ガスの運動エネルギーが増加するので、ノズル５３はエネルギ変換効率を高める。圧縮ガスの例としては、空気、天然ガス、およびプロセスガスがある。カンチレバー部材５６は、その上に配置された電線または導体５８を含み、永久磁石６２の極６０に隣接するように配置される。カンチレバー部材５６が、永久磁石６２の近傍で振動すると、磁界６４内で動く導体５８は、導体５８に沿って電流を発生する。この電流は、送信機１２内の構成要素に対する緊急時用の電力調整回路に直接的に提供されるか、あるいは（図５に破線で示された）オプションのバッテリ６６に接続される。実例的に図６に示されるように、ブラッフボディ５４は三角形の断面を有するが、これに限らず、円筒形、エアフォイル形、楕円形および球形を含む任意の適当な形状を有していてもよい。
【００１６】
図６は、本発明の一実施例による電源モジュール４０の正面図である。図６は、好ましくはパイレックス（登録商標）からなり、ベース４８に拡散接合された被覆層６８によって、その上部表面で接合されたチャンバ５０に連結されているライン４６を示す。圧縮ガスは、好ましくはノズルを通って通路５２を通過して、ブラッフボディ５４上を流れる。カンチレバー部材５６の振動は、垂直の双方向矢印７２によって示される。本発明の実施例は、好ましくは永久磁石と、カンチレバー部材５６で振動する導体を用いるが、本発明の実施例は、カンチレバー部材５６内に、あるいはその部材に沿って配置された圧電材料を用いて実施することもできる。いずれにしても、本発明の実施例は、カンチレバー部材５６の振動を電気に変換する。その後、この電気は、直接的あるいは間接的に、現場装置の構成要素に供給される。
【００１７】
図７は、本発明の別の実施例による現場装置の概略図である。現場装置９０は、図６に示された電源モジュール４０と同様の電源モジュール８０を含む。なお、図６と同一又は同等の構成要素には同じ符号が付されている。モジュール８０とモジュール４０との主な相違点の１つは、モジュール８０が密封されているので、カンチレバー部材５６の振動を生成するブラッフボディ５４を通過して流れる圧縮ガスが、最終的に回収されて、好ましくはプロセスに連結されているポート７４を通過するということである。図７は、パイプ９２上の一対のプロセス圧力点に連結されているモジュール８０を示す。プロセス流体がパイプ９２内を流れると、接点９４と９６との間には差圧が生じる。この差圧は、必要に応じて、接点９４と９６との間のパイプ９２内に適当な流れ妨害部を配置することによって、増大させることができる。接点９４と９６との間に差圧が存在する限り、モジュール８０は作動する。したがって、モジュール８０は、差圧に応じて、流れているプロセスガスに応答して電気を発生するための、完全に密閉されたシステムにおいて使用することができる。さらに、発生した電気量は、プロセス圧力点９４と９６との間で観測される差圧に関連するので、モジュール８０内で発生した電気量は、その差圧の示数として使用することができる。差圧は、パイプ９２内の流量にも関連する。したがって、モジュール８０によって発生した電気は、パイプ９２内の流体流量の示数として使用することができる。本発明の実施例によれば、現場装置は、圧縮ガスによって電力が供給され、プロセス流体流量を表示するので、最終的には、本発明の実施例は、プロセス電力供給型流量センサ（process powered flow sensors）を提供するために使用される。
【００１８】
図５および６に示された全ての構成は、ＭＥＭＳ構成を容易にする材料で形成されるのが好ましい。そのような材料の例としては、シリコン、パイレックス（登録商標）および任意の他の適当な材料がある。ＭＥＭＳ構成技術および方法論は周知である。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例が特に有用な産業プロセス環境の概略図である。
【図２】本発明の実施例が特に有用な現場装置の概略図である。
【図３】本発明の実施例が特に有用な現場装置の概略図である。
【図４】本発明の実施例が特に有用なプロセス変数送信機のブロック図である。
【図５】本発明の実施例による、圧縮ガスを電気に変換する電源モジュールの概略図である。
【図６】本発明の実施例による、圧縮ガスを電気に変換する電源モジュールの概略図である。
【図７】本発明の実施例による現場の概略図である。
【符号の説明】
【００２１】
１２……プロセス変数送信機、  ２４……プロセス変数センサ、  ２６……アナログ／デジタル変換器、  ２８……バス、  ３０……マイクロプロセッサ、  ３２……メモリ、  ３４……無線トランシーバ、  ３６……アンテナ、  ４０……電源モジュール、  ４２……電力、  ４４……ガス、  ４６……ライン
【図１】
2007515920.tif 000003
【図２】
2007515920.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007515920.tif 000007
【図６】
2007515920.tif 000008
【図７】
2007515920.tif 000009
【国際調査報告】
2007515920.tif 000010
2007515920.tif 000011
2007515920.tif 000012