(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス変数を計測してセンサ信号を生成するプロセスセンサと、
ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間を形成するハウジングと、
前記内部空間に収容され、前記センサ信号を処理するトランスミッタと、
前記内部空間に収容された電力モジュールとを備え、
前記電力モジュールは、
エネルギ貯蔵素子と、
ローカル電源との接続機構と、
前記エネルギ貯蔵素子の第１出力電圧を検出する第１電圧センサと、
前記ローカル電源の第２出力電圧を検出する第２電圧センサと、
前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の診断報告を前記トランスミッタに供給するプロセッサとを備え、
前記診断報告は、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧に基づく前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方の識別情報を含み、
前記プロセッサは、電圧特性のデータベースを用い、当該電圧特性のデータベースにおける前記エネルギ貯蔵素子の電圧特性及び前記ローカル電源の電圧特性の少なくとも一方に、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧の少なくとも一方の電圧特性を照合することにより、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する
ことを特徴とするワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項２】
前記診断報告は、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧に基づき、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源のいずれかにおける故障の前兆または実際の故障を示す故障報告を含むことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項３】
前記故障報告は、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方から出力される電圧における予期しない低下に対応するものであることを特徴とする請求項２に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項４】
前記電力モジュールは、機械読み取り可能なメモリを更に備え、
前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方の前記識別情報は、前記メモリから取得した前記エネルギ貯蔵素子の識別情報を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項５】
前記診断報告は、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧に基づき予測される前記エネルギ貯蔵素子の残存使用可能期間を含むことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項６】
前記ローカル電源は、周囲温度の計測結果を生成する温度センサを更に備え、
前記エネルギ貯蔵素子の前記残存使用可能期間は、更に前記周囲温度の計測結果に基づき予測される
ことを特徴とする請求項５に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項７】
前記電力モジュールは、前記ローカル電源との前記接続機構から優先的に電力を取り出し、電力要求を満たす上で前記ローカル電源からの電力が使用不可能または不十分であるときに、前記エネルギ貯蔵素子から補足的に電力を取り出すことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項８】
前記電力モジュールは、前記ローカル電源を内蔵することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項９】
前記ローカル電源は、前記電力モジュールの外に配置され、前記電力モジュールの外部電源用端子を介し、前記電力モジュールに接続されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１０】
前記ハウジングとの間で収容部を形成するカバーを更に備え、
前記電力モジュールは、前記収容部の中に収容される
ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１１】
前記電力モジュールは、着脱可能に前記収容部の中に収容されることを特徴とする請求項１０に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１２】
前記エネルギ貯蔵素子は、バッテリまたはスーパーキャパシタであることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１３】
前記ローカル電源は、エネルギ捕集装置であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１４】
前記電力モジュールは、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方からの電力を調整する電力コンディショナを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１５】
前記電力コンディショナは、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方からの電力を整流または変換することを特徴とする請求項１４に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１６】
前記トランスミッタは、前記センサ信号及び前記診断報告を、制御システムまたは監視システムに送信することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス。
【請求項１７】
ローカル電源との接続機構及びエネルギ貯蔵素子を有したプロセス変数トランスミッタに用いる電力モジュールのための電力監視及び診断方法であって、
前記電力モジュール内において前記ローカル電源の第１出力電圧と前記エネルギ貯蔵素子の第２出力電圧とを検出する工程と、
前記ローカル電源及び前記エネルギ貯蔵素子の出力電圧に応じて故障または状態変化の通知を生成する工程と、
前記第１出力電圧と前記第２出力電圧とに基づき、前記エネルギ貯蔵素子の残存使用可能期間を見積もる工程と、
前記第１出力電圧と前記第２出力電圧の少なくとも一方に基づき、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する工程と、
見積もった前記残存使用可能期間と前記故障または状態変化の通知と前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方の識別情報とを含む診断報告を送信する工程とを備え、
前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する工程では、電圧特性のデータベースを用い、当該電圧特性のデータベースにおける前記エネルギ貯蔵素子の電圧特性及び前記ローカル電源の電圧特性の少なくとも一方に、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧の少なくとも一方の電圧特性を照合することにより、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する
ことを特徴とする電力監視及び診断方法。
【請求項１８】
前記エネルギ貯蔵素子の残存使用可能期間を見積もる前記工程は、
前記エネルギ貯蔵素子の予測消耗率と残存充電量とを見積もる工程と、
見積もった前記予測消耗率と前記残存充電量とから、前記エネルギ貯蔵素子の前記残存使用可能期間を求める工程とを備える
ことを特徴とする請求項１７に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項１９】
前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する工程は、前記第１出力電圧に基づき、前記ローカル電源を識別する工程を備えることを特徴とする請求項１７に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項２０】
前記第１出力電圧に基づき、前記ローカル電源を識別する前記工程は、電圧特性のデータベースを用いた前記ローカル電源の識別情報に、前記第１出力電圧の電圧特性を照合する工程を備えることを特徴とする請求項１９に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項２１】
前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する工程は、前記エネルギ貯蔵素子を識別する工程を備えることを特徴とする請求項１７に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項２２】
前記エネルギ貯蔵素子を識別する前記工程は、電圧特性のデータベースを用いた前記エネルギ貯蔵素子の識別情報に、前記第２出力電圧の電圧特性を照合する工程を備えることを特徴とする請求項２１に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項２３】
前記エネルギ貯蔵素子を識別する前記工程は、前記エネルギ貯蔵素子の識別情報を含んで保管された前記電力モジュールの識別情報を取得する工程を備えることを特徴とする請求項２１に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項２４】
前記予測消耗率は、検出温度に基づくものであることを特徴とする請求項１８に記載の電力監視及び診断方法。
【請求項２５】
プロセス変数を計測してセンサ信号を生成するプロセスセンサと、
ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間を形成するハウジングと、
前記内部空間に収容され、前記センサ信号を処理するトランスミッタと、
前記内部空間に収容された電力モジュールとを備え、
前記電力モジュールは、
前記電力モジュールが優先的に電力を取り出すローカル電源との接続機構と、
電力要求を満たす上で前記ローカル電源からの電力が使用不可能または不十分であるときに、補足的に電力を取り出すエネルギ貯蔵素子と、
前記エネルギ貯蔵素子の第１出力電圧を検出する第１電圧センサと、
前記ローカル電源の第２出力電圧を検出する第２電圧センサと、
前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧に基づく前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方の識別情報を含む診断報告を前記トランスミッタに供給するプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、電圧特性のデータベースを用い、当該電圧特性のデータベースにおける前記エネルギ貯蔵素子の電圧特性及び前記ローカル電源の電圧特性の少なくとも一方に、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧の少なくとも一方の電圧特性を照合することにより、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する
ことを特徴とするワイヤレスフィールドデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね産業プロセス用のフィールドデバイスに関し、具体的には、産業プロセス用のワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するハイブリッド電力モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
「フィールドデバイス」という用語は、圧力、温度、及び流量といったパラメータを計測したり制御したりするプロセス管理デバイスを広範に包含するものである。多くのフィールドデバイスは、産業プロセス変数を検出または操作するトランスデューサと、コントロールルームにあるコンピュータなどの遠隔制御デバイスや遠隔監視デバイスとの間の通信中継装置として作動するトランスミッタとなる。例えば、センサの出力信号は、遠隔制御デバイスや遠隔監視デバイスと有効な通信を行うには不十分であるのが一般的である。トランスミッタは、センサからの信号を受け取り、この信号を長距離の通信に一層適した形式（例えば、変調された４−２０ｍＡ電流ループ信号、またはワイヤレスプロトコル信号）に変換して、変換後の信号を遠隔制御デバイスや遠隔監視デバイスに送信することにより、このような問題を解消する。
【０００３】
フィールドデバイスは、圧力、温度、粘度、及び流量を含む、産業プロセスの様々なパラメータを監視したり制御したりするために用いられる。別のフィールドデバイスは、バルブ、ポンプ、及びその他の産業プロセス用ハードウエアを作動させる。一般的に、それぞれのフィールドデバイスは、アクチュエータ及びセンサの少なくとも一方と、センサ信号や制御信号を受け取って処理する電子回路と、各フィールドデバイスや産業プロセスのパラメータを遠隔地から監視できるように、処理したセンサ信号を送信する電子回路とを収容する密封容器を備えている。大規模な製造設備では、広い範囲にわたり分散配置された多くのフィールドデバイスを用いるのが一般的である。通常、これらのフィールドデバイスは、共通の制御デバイスや監視デバイスと通信を行うことにより、産業プロセスを集中的に監視したり、制御したりすることができるようになっている。
【０００４】
フィールドデバイスでは、集中制御システムや集中監視システムとの通信に、ワイヤレストランシーバを用いるようになりつつある。ワイヤレスデバイスにより、有線デバイスの適用範囲を超え、電線の敷設が困難であって有線デバイスの設置には費用がかかるような場所にまで、プロセス制御システムやプロセス監視システムの適用範囲が拡大される。ワイヤレスデバイスは、交流１２０Ｖ商用電源や電力供給型データ通信線といった電力設備との直接的な接続によって電力の供給を受けることがある。しかしながら、近くに電力設備がなかったり、機器やトランスデューサが作動する必要のある苛酷な場所には電力設備を容易に設置することができなかったりすることが多い。このため、フィールドデバイスは、長寿命バッテリの場合のように電力を貯えるか、或いは太陽電池パネルの場合のように電力を生成するような、容量が限られた電源から局所的に電力が供給されることが多い。バッテリは、５年以上にわたる継続使用が期待され、フィールドデバイスの寿命程度まで継続して使用できることが好ましい。局所的に設けられた電源は、容量が限られているので、低消費電力の電子回路や高周波無線の使用が、多くのワイヤレスフィールドデバイスにとって必須となる場合が多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くのフィールドデバイスは、フィールドデバイスの密封容器の中にバッテリを収容している。別のフィールドデバイスでは、太陽電池パネルや、振動発電装置もしくは熱電発電装置のようなエネルギ捕集装置、または近隣の電力供給網といった外部電源からの電力を利用する。ワイヤレスフィールドデバイスへの電力供給方法は、それぞれで異なる配線用端子接続を求められるのが一般的である。一部または全体がバッテリ電力で作動するフィールドデバイスは、付属のバッテリとの接続点となる端子ブロックを組み込むのが一般的である。これに対し、電力供給網を利用して作動するフィールドデバイスは、電力供給網との配線接続を行う端子ブロック（一般的にネジ止め端子を用いる）や、電力供給網からの電力をフィールドデバイスで使用できるように調整する端子ブロックを備える。多くの場合、端子ブロックを着脱可能として、各電源専用の端子ブロックに交換することにより、単一のフィールドデバイスで様々な電源に対応できるようになっている。太陽電池パネルや振動エネルギ捕集装置など、別の種類のローカル電源モジュールは、いずれも異なる端子ブロックを使用する可能性がある。
【０００６】
ワイヤレスフィールドデバイスは、検出したパラメータに対応した周期的な信号を供給する。バッテリ駆動型のトランスミッタは、一般的に、バッテリ交換の間の５年以上にわたって作動することが期待される。用途によっては、既存のシステムでも、４秒に一度といった頻度で送信を行いつつ、このような期間にわたって作動することが可能である。多くの産業用途について、より迅速なシステムの更新が望ましいものの、より多くの電力が必要となり、バッテリの寿命を大幅に短縮することになる。
【０００７】
太陽電池パネルや振動エネルギ捕集装置または熱電発電装置のようなエネルギ捕集装置は、設置場所や用途に大きく依存した電力を生成する。振動エネルギ捕集装置は、例えば大きな振幅の連続的な振動を伴う場所では、非常に有効なエネルギ供給源となり得るが、振幅の小さな振動や、断続的な振動を伴う場所では、実用的でないか、或いは不十分な場合がある。更に、一般にバッテリやスーパーキャパシタは、放電している間は電力を供給し続けるが、エネルギ捕集装置は、電力生成に予期せぬ減少が生じる可能性があり、周囲の環境条件に応じて電力量が変動することになる。例えば、太陽電池パネルは、暗闇では電力を生成せず、振動エネルギ捕集装置は、取り付けられる構造物（例えば、モータ）が静止している場合、電力を生成しない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、プロセスセンサ、ハウジング、トランスミッタ、及び電力モジュールを備えたワイヤレスフィールドデバイスを対象とするものである。プロセスセンサは、プロセス変数を計測してセンサ信号を生成するように構成される。ハウジングは、ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間を形成する。トランスミッタは、この内部空間に収容され、センサ信号を処理するように構成される。電力モジュールは、前記内部空間に収容され、エネルギ貯蔵素子と、ローカル電源との接続機構と、前記エネルギ貯蔵素子の第１出力電圧を検出する第１電圧センサと、前記ローカル電源の第２出力電圧を検出する第２電圧センサと、これらエネルギ貯蔵素子及びローカル電源の診断報告をトランスミッタに供給するプロセッサとを備える。そして、診断報告は、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧に基づく前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方の識別情報を含む。プロセッサは、電圧特性のデータベースを用い、当該電圧特性のデータベースにおける前記エネルギ貯蔵素子の電圧特性及び前記ローカル電源の電圧特性の少なくとも一方に、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧の少なくとも一方の電圧特性を照合することにより、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方を識別する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ワイヤレスフィールドデバイスを含むプロセス制御・監視システムの典型例を示す図である。
【図２ａ】図１のワイヤレスフィールドデバイスの概要を示すブロック図である。
【図２ｂ】本発明に係るもう１つのワイヤレスフィールドデバイスの概要を示すブロック図である。
【図３】図１のワイヤレスフィールドデバイスの分解斜視図である。
【図４ａ】図１のワイヤレスフィールドデバイスの電力モジュールを一方向から見た分解斜視図である。
【図４ｂ】図１のワイヤレスフィールドデバイスの電力モジュールを図４ａとは異なる方向から見た分解斜視図である。
【図５】図１のワイヤレスフィールドデバイスの診断及び故障検知方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、産業用のワイヤレスフィールドデバイスに用いる電力モジュールに関する。一実施形態において、電力モジュールは、バッテリまたはスーパーキャパシタのようなエネルギ貯蔵素子と、エネルギ捕集装置のような外部電源のための電力調整回路との両方を備えている。電力モジュールは、エネルギ貯蔵素子からの電圧の計測値と、外部電源からの電圧の計測値とを個別に処理し、その電圧情報を用いて生成した診断報告を、ワイヤレスフィールドデバイス、或いは制御または監視システム（以下、制御または監視システムを総称して制御・監視システムという）に供給する。
【００１１】
図１は、ワイヤレスフィールドデバイス１２（アンテナ１４を有する）、トランスデューサ１６、プロセス接続部１８、プロセス配管２０、ローカル電源２２、及び電源接続線２４を備えた計測または制御箇所１０を示している。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、アンテナ１４を介し、制御・監視システム２６に接続される。
【００１２】
プロセス配管２０は、流動するプロセス流体Ｆを案内する。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、このプロセス流体のパラメータを計測する１以上のセンサから信号を受け取り、処理して送信するように構成されたプロセストランスミッタとすることができる。これに代え、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、制御・監視システム２６からの信号に応答して、バルブまたはポンプなどのプロセスアクチュエータに指令するように構成されたワイヤレスコントローラであってもよい。トランスデューサ１６は、プロセス接続部１８を介してプロセス流体Ｆと接するセンサまたはアクチュエータの１つである。プロセス接続部１８は、個々の産業用途と、トランスデューサ１６が計測または操作するパラメータとに応じ、プロセス流体Ｆの流動に対して並列的に設けられてもよいし、直列的に設けられてもよい。図１には単一のトランスデューサ１６が示されているが、計測または制御箇所１０の実施形態として、ワイヤレスフィールドデバイス１２に接続された複数のセンサ及び複数のアクチュエータの少なくとも一方を備えていてもよい。
【００１３】
一実施形態においてトランスデューサ１６は、ワイヤレスフィールドデバイス１２が処理を行って制御・監視システム２６への送信を行うために、ワイヤレスフィールドデバイス１２に計測結果を供給するセンサである。別の実施形態では、トランスデューサ１６がアクチュエータであって、ワイヤレスフィールドデバイス１２が制御・監視システム２６から受け取った信号に応答し、トランスデューサ１６がプロセス流体における変化を操作する。以下の説明では、トランスデューサ１６がセンサからなる実施形態に焦点を当てるが、当業者は、アクチュエータにも同様に本発明を適用可能であることを理解しうるものである。
【００１４】
トランスデューサ１６は、プロセス接続部１８を介してプロセス配管２０に固定され、流量、粘度、温度、または圧力など、プロセス流体の１以上のパラメータを計測する。図示した実施形態において、トランスデューサ１６は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の内部に収容されているが、これに代わる実施形態として、トランスデューサをワイヤレスフィールドデバイス１２から分離して配置し、電線でワイヤレスフィールドデバイス１２と接続するようにしてもよい。トランスデューサ１６からのセンサ信号は、（例えば、アナログ電圧値またはデジタル信号として）ワイヤレスフィールドデバイス１２内の処理及び伝送用電子回路に送信される（図２ａ及び図２ｂ参照）。トランスデューサ１６の具体的構成は、検出するパラメータに応じて変更することができ、プロセス配管２０内のプロセス流体Ｆ中にトランスデューサ１６が延設されるように、プロセス接続部１８が構成される場合もある。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、トランスデューサ１６からプロセス信号を受信して、（必要に応じ）デジタル化し、アンテナ１４を介して、プロセス情報を含むプロセスメッセージを制御・監視システム２６に送信する。アンテナ１４は、単一のアンテナとして図示されているが、配列された複数の多様なアンテナで構成してもよい。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、制御・監視システム２６に信号を直接送信してもよいし、メッシュ型ネットワークまたはハブアンドスポーク型ネットワークを間に介して制御・監視システム２６に信号を送信してもよい。一実施形態として、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標、ＩＥＣ６２５９１）プロトコル、またはＦｉｅｌｄｂｕｓ（登録商標、ＩＥＣ６１１５８）プロトコルを用いてもよい。制御・監視システム２６は、フィールドデバイスネットワーク内の複数のフィールドデバイスからのセンサデータの受信、及びこれらフィールドデバイスへのアクチュエータデータの送信の少なくとも一方を行う集中システムとすることができる。また、制御・監視システム２６は、フィールドデバイスネットワークと共に現場に配置されてもよいし、遠隔設置されたコントロールルームに配置されてもよい。
【００１５】
ワイヤレスフィールドデバイス１２は、後に詳述するように、トランスデューサ１６からの（または、アクチュエータの場合、トランスデューサ１６への）信号を処理して送信する電子回路を備えている。信号の処理及び送信は、いずれもエネルギを必要とし、当該エネルギは、図２ａ及び図２ｂに関して後述するように、電力モジュールによって供給される。この電力モジュールは、バッテリまたはスーパーキャパシタなどの内蔵のエネルギ貯蔵素子と、電源接続線２４を介したローカル電源２２への接続機構との両方を備える。ローカル電源２２は、例えば、太陽電池パネルや、振動エネルギ捕集装置もしくは熱電発電装置などのエネルギ捕集装置、または商用電力供給網とすることができる。図１では、ワイヤレスフィールドデバイス１２の外に設けられた外部電源として、ローカル電源２２が示されているが、一実施形態として、図２ｂに関して後述するように、ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２の内部に組み込まれていてもよい。
【００１６】
図２ａ及び図２ｂは、ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２の外部にある場合（図２ａ）、及びローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２の内部にある場合（図２ｂ）の、それぞれのワイヤレスフィールドデバイス１２の実施形態を示す図である。図２ａの実施形態と図２ｂの実施形態とは、電力モジュール１２０の構成のみが相違しており、図２ａにおいては電力モジュール１２０Ａとして、また図２ｂにおいては電力モジュール１２０Ｂとして示されている。ここで、「電力モジュール１２０」の呼称は、電力モジュール１２０Ａと電力モジュール１２０Ｂとの区別を必要としない場合に、これら電力モジュール１２０Ａ及び電力モジュール１２０Ｂを同等に指し示すために用いている。
【００１７】
図２ａ及び図２ｂは、制御・監視システム２６からの信号に基づいてプロセス機器を操作する実施形態ではなく、センサ信号を受け取って、制御・監視システム２６に送信する実施形態に関するものである。上述したように、電力モジュール１２０は、これらのうちのいずれかの形式のシステムに適用可能なだけでなく、両方の機能を有したフィールドデバイスにも適用可能である。
【００１８】
図２ａは、ワイヤレスフィールドデバイス１２の概要を示すブロック図であり、アンテナ１４、トランスデューサ１６、ケーシング、即ちハウジング１００、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、ＨＡＲＴ（登録商標）モデム１０５、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、給電コントローラ１１２、カバー１１６、端子ブロック１１８、及び電力モジュール１２０Ａの一実施形態を示している。電力モジュール１２０Ａは、エネルギ貯蔵素子１２２、外部電源用端子１２４（端子ネジ１２６を有する）、電力コンディショナ１２８、電圧センサ１３０、電力プロセッサ１３２、ＨＡＲＴモデム１３３、メモリ１３４、及び温度センサ１３６を備えている。電源接続線２４は、電線ダクト１３８を通り、ローカル電源２２を外部電源用端子１２４の端子ネジ１２６に接続する。図２ｂは、これに代わるワイヤレスフィールドデバイス１２の実施形態の概要を示すブロック図であって、電力モジュール１２０Ａが電力モジュール１２０Ｂに置き換えられている。電力モジュール１２０Ｂは、ローカル電源２２が内部に組み込まれているので、外部電源用端子１２４、端子ネジ１２６、電源接続線２４、及び電線ダクト１３８を設ける必要がない。これ以外の部分については、図２ａ及び図２ｂに示した実施形態において同一となっている。図示した実施形態において、電力モジュール１２０は、ハウジング１００とカバー１１６とによって形成される収容部Ｒ内に収容されている。
【００１９】
ワイヤレスフィールドデバイス１２は、過激な温度及び過酷な環境に曝される可能性がある。従って、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、内部領域Ｉに電子回路を収納して保護するためのケーシング、即ちハウジング１００を備えている。ハウジング１００は、硬質で耐久性のある筐体であって、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、及び給電コントローラ１１２を劣化または損傷から保護するべく密封してもよい。ハウジング１００は、カバー１１６と接合されて収容部Ｒを形成し、収容部Ｒは、電力モジュール１２０などの着脱可能な構成部品を収容して保護する。ハウジング１００及びカバー１１６は、同様に密封状態を形成することにより、有害な環境による影響から、収容部Ｒ内の構成部品を保護することができる。一実施形態として、ハウジング１００とカバー１１６との間のシールにより、内部領域Ｉ内の構成部品（即ち、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、及び給電コントローラ１１２）を適切に保護することも可能であって、ハウジング１００とカバー１１６との組み合わせにより、カバー１１６が取り付けられている限りは、環境によるダメージから構成部品を保護することができるので、ハウジング１００が内部領域Ｉを完全に取り囲んでいる必要はない。
【００２０】
一実施形態として、トランシーバ１０２は、アンテナ１４を介してワイヤレス信号を送受信する送受信機である。信号プロセッサ１０４は、マイクロプロセッサなどの論理演算処理可能なデータプロセッサである。図示した実施形態において、ＨＡＲＴモデム１０５は、ＨＡＲＴモデム１３３が生成した振幅変調電流信号からの、診断信号または状態信号の抽出、またはその逆を行うように構成された変調器または復調器である（後述）。端子ブロック１１８は、例えば、ハンドヘルドの診断装置を取り付けるためのＨＡＲＴ接続機構が設けられるようにしてもよい。別の実施形態として、ＨＡＲＴモデム１０５及びＨＡＲＴモデム１３３は、例えば、Ｉ2Ｃ（登録商標）、またはシリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）バスなど、別の適切なデータ通信回線に置き換えてもよい。デジタル信号コンディショナ１０６は、デジタル化されたセンサ信号に対して機能するデジタルフィルタを備えており、このデジタルフィルタは、制御・監視システム２６から送られる診断プログラムまたは指令に応答して、信号プロセッサ１０４が整合を行えるようにしてもよい。デジタル信号コンディショナ１０６は、例えば、アナログ・デジタルコンバータ１０８が生成した未加工のデジタル信号からの、ノイズの濾過、または必要な信号の抽出を行うようにしてもよい。アナログ・デジタルコンバータ１０８は、元々の検出された変数に対応するトランスデューサ１６からのアナログセンサ信号をデジタル化することが可能なコンバータである。一実施形態（アクチュエータシステムのような場合）において、アナログ・デジタルコンバータ１０８は、上記構成に代えて、または上記構成に加えて、信号プロセッサ１０４からのデジタル信号を、トランスデューサ１６に送信するためのアナログ信号に変換することが可能なデジタル・アナログコンバータを備えていてもよい。アナログ信号コンディショナ１１０は、一般的なアナログ信号コンディショナであって、例えば、トランスデューサ１６から受け取った信号から、必要な１以上の周波数領域を分離するバンドパスフィルタ処理を行うようにすることができる。給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８から電力を取り込むように構成された、一般的な配電装置である。一実施形態において、給電コントローラ１１２は、電力品質及び電力障害の可能性を監視するための手段として、アナログの診断報告信号を端子ブロック１１８から受け取るようにすることができる。別の実施形態として、給電コントローラ１１２は、ＨＡＲＴモデム１０５及びＨＡＲＴモデム１３３を介し、或いは類似のデータバスを介し、信号プロセッサ１０４と排他的に通信を行うようにしてもよい。信号プロセッサ１０４は、この診断報告を処理し、診断報告信号に基づき、少なくとも部分的にトランスデューサ１６を制御するか、或いは、トランシーバ１０２及びアンテナ１４を介し、単に診断報告を制御・監視システム２６に転送して、記録保管または更なる処理の少なくとも一方を行えるようにしてもよい。給電コントローラ１１２は、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の少なくとも一方から端子ブロック１１８を介して電力を受け取り、この電力を、必要に応じて、トランシーバ��０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、及びワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とするような別の構成部品のいずれかに供給する。
【００２１】
作動中、アナログ信号コンディショナ１１０は、トランスデューサ１６からプロセス信号を受け取り、フィルタ処理を行う。トランスデューサ１６は、図１に示すように、ワイヤレスフィールドデバイス１２の内部に配置されてもよいし、外部に設けられて、電線でアナログ信号コンディショナ１１０と接続するようにしてもよい。フィルタ処理されたプロセス信号は、アナログ・デジタルコンバータ１０８によってデジタル化され、更に、信号プロセッサ１０４によって処理を行う前に、デジタル信号コンディショナ１０６によってフィルタ処理される。ワイヤレスフィールドデバイス１２の一実施形態では、特に、トランスデューサ１６からの信号が予め調整されている場合、デジタル信号コンディショナ１０６及びアナログ信号コンディショナ１１０の一方または両方を省略してもよい。同様に、アナログ・デジタルコンバータ１０８は、トランスデューサ１６がデジタル信号を供給する実施形態の場合に不要となる。トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、及びアナログ信号コンディショナ１１０は、それぞれ別個の構成部品として説明したが、一実施形態において、これら構成部品の一部または全ての機能を、共用マイクロプロセッサなどの共用ハードウエアで実行するようにしてもよい。また、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、オペレータがワイヤレスフィールドデバイス１２と直接的にやりとりできるようにするための、例えば表示画面及び入力用キーの少なくとも一方を有したローカルオペレータインターフェース（図示せず）を備えていてもよい。ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とするような別の構成部品と同様に、このようなローカルオペレータインターフェースも、給電コントローラ１１２から電力を受け取ることになる。
【００２２】
ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とする構成部品は、給電コントローラ１１２から電力を受け取る。一方、給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８を介して電力モジュール１２０から電力を受け取る。端子ブロック１１８は、電力モジュール１２０に接続して、電力モジュール１２０から電力を受け取るように構成された配電部品である。ワイヤレスフィールドデバイス１２の内蔵電子回路に応じ、端子ブロック１１８は、交流電力または直流電力を受け取る。一実施形態において、端子ブロック１１８は、収容部Ｒ内における電力モジュールの固定に用いられる。端子ブロック１１８は、永続的にワイヤレスフィールドデバイス１２に固定されるようにしてもよいし、必要に応じて交換可能として、別の電源との接続を行えるようにするモジュール式の構成部品とすることもできる。
【００２３】
電力モジュール１２０は、エネルギ貯蔵素子１２２とローカル電源２２との双方からの電力を供給するハイブリッド装置となっている。図２ａの実施形態に示すように、電力モジュール１２０Ａは、エネルギ貯蔵素子１２２、外部電源用端子１２４（端子ネジ１２６を有する）、電力コンディショナ１２８、２つの電圧センサ１３０、電力プロセッサ１３２、ＨＡＲＴモデム１３３、メモリ１３４、及び温度センサ１３６を備える。一方、図２ｂの実施形態では、外部電源用端子１２４に代えて、ローカル電源２２を電力モジュール１２０Ｂ内に組み込んでいるので、外部電源用端子１２４及び端子ネジ１２６がない。エネルギ貯蔵素子１２２は、コンデンサ、スーパーキャパシタ、充電式バッテリ、一次電池（充電できないバッテリ）、またはそれ以外の一般的な小型のエネルギ貯蔵素子とすることができる。電力コンディショナ１２８は、コンデンサ、スイッチング回路、フィルタ部品、及び電圧制限用部品と電流制限用部品との少なくとも一方を備えていてもよい。外部電源用端子１２４は、図２ａに示す実施形態のように、電源接続線２４が端子ネジ１２６を介して電気的に接続固定される導電板または金具などの受電端子である。これに代わる実施形態として、電源接続線２４は、別の手段により、外部電源用端子１２４に挿入または接続されるようにしてもよい。
【００２４】
図２ａ及び図２ｂでは、エネルギ貯蔵素子１２２が単体の素子として示されているが、電力モジュール１２０の一実施形態として、同一形式または異なる形式の複数の別個の電力セルを備えていてもよい。電力コンディショナ１２８は、エネルギ貯蔵素子１２２と、外部電源用端子１２４（図２ａ）またはローカル電源２２（図２ｂ）との双方から電力を受け取る。電力コンディショナ１２８は、複数の電源から同時に電力を受け取ってもよいし（例えば、エネルギ貯蔵素子１２２からの電力供給を伴う、ローカル電源２２からの電力供給）、別々に電力を受け取ってもよい（例えば、ローカル電源２２を使用可能なときには、ローカル電源２２からの電力のみ、また外部の電源を使用できないときには、エネルギ貯蔵素子１２２からの電力を、ワイヤレスフィールドデバイス１２に供給）。２つの電圧センサ１３０は、エネルギ貯蔵素子１２２と、外部電源用端子１２４（図２ａ）またはローカル電源２２（図２ｂ）とからの出力に関する電圧計測値を電力プロセッサ１３２に供給する。電圧センサ１３０は、それぞれの電源によって電力コンディショナ１２８に供給される電圧の高さに対応したデジタルまたはアナログ信号を生成し、それにより、それぞれの電源からの電力の使用の可否を示す電圧トランスデューサである。電力プロセッサ１３２は、検出されたこれらの電圧を用いてローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２を評価し、電力供給における実際の異常や異常の兆候、または変動を診断して、端子ブロック１１８、及びＨＡＲＴモデム１３３並びにＨＡＲＴモデム１０５を介し、信号プロセッサ１０４に診断報告を送信する。一実施形態として、この診断報告によって、（例えば、製造番号、または形式区分を用い）ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２のそれぞれの識別を行い、いずれかの電源から供給される電圧における予期しない降下を通知し、現状または予測される条件のもとでのエネルギ貯蔵素子１２２の残存する電力及び使用可能期間の少なくとも一方を推定するようにしてもよい。
【００２５】
一実施形態において、電力プロセッサ１３２は、特有の電圧信号（例えば、特定の電源または電源形式に対応した周波数スペクトル）に基づき、外部電源用端子１２４の識別を行う。エネルギ貯蔵素子１２２は、特に、当該エネルギ貯蔵素子１２２が交換可能な部品（例えば、市販のバッテリセル）であるような電力モジュール１２０の実施形態の場合、その電圧出力に基づいて、同様に識別または区分することができる。エネルギ貯蔵素子１２２が永続的に電力モジュール１２０に組み込まれる場合、電力プロセッサ１３２は、機械読み取り可能なメモリバンクであるメモリ１３４から電源ＩＤを取り出すことにより、エネルギ貯蔵素子１２２を識別する。また、メモリ１３４は、個々の電源ＩＤまたは電源形式について電圧特性をマッピングしたデータベースと、故障状態または警報状態を診断メッセージにおいて端子ブロック１１８から信号プロセッサ１０４及び制御・監視システム２６の少なくとも一方に報告するための特定の電圧条件をマッピングしたデータベースとの少なくとも一方も記憶している。
【００２６】
一実施形態において、電力プロセッサ１３２は、電圧センサ１３０が検出した電圧であるエネルギ貯蔵素子１２２の出力電圧と、電力プロセッサ１３２によって得られたエネルギ貯蔵素子１２２の識別情報、またはメモリ１３４から得たエネルギ貯蔵素子１２２の識別情報とに基づき、当該エネルギ貯蔵素子１２２から使用可能な残存電力を見積もる。この残存電力の見積もりは、信号プロセッサ１０４及び制御・監視システム２６の少なくとも一方への診断報告に含めるようにしてもよいし、現在の使用条件、使用条件の履歴、及び予測される使用条件の少なくとも１つを用い、エネルギ貯蔵素子１２２の電力を使い切るまでの予測時間に対応した残存使用可能期間の見積もりを得るために使用してもよい。一実施形態において、この残存使用可能期間の見積もりは、エネルギ貯蔵素子１２２近傍の周囲温度を示す温度計測値を電力プロセッサ１３２に供給する温度センサである温度センサ１３６を設けることによって改善される。化学バッテリの消耗率は、特に温度に大きく依存するものであって、温度センサ１３６を設けることにより、電力プロセッサ１３２は、著しく精度が向上した消耗率の見積もり、即ちバッテリの残存使用可能期間の見積もりを行うことが可能となる。一実施形態において、メモリ１３４は、電圧センサ１３０が検出した、それまでの電圧値の記録を保管することにより、電力プロセッサ１３２が、履歴の傾向に基づき、エネルギ貯蔵素子１２２の故障または条件の変化を認識して残存使用可能期間を予測できるようにしてもよい。例えば、電力プロセッサ１３２は、記録保管された電圧データから、ローカル電源２２が、半分の期間だけワイヤレスフィールドデバイス１２に電力の全てを供給している（例えば、ローカル電源２２が、５０％の運転サイクルで作動しているモータに設けられた振動エネルギ捕集装置の場合）と判定することが可能であり、ローカル電源２２から供給される電力の現状の使用可否に関わらず、ローカル電源で予測される利用可能状態を考慮した消耗率に基づき、エネルギ貯蔵素子１２２の残存使用可能期間を見積もることができる。
【００２７】
外部電源用端子１２４、電力コンディショナ１２８、２つの電圧センサ１３０、電力プロセッサ１３２、ＨＡＲＴモデム１３３、メモリ１３４、及び温度センサ１３６は、別個の構成部品として示されているが、様々な実施形態として、これら構成部品のうちのいずれかを組み合わせ、共通のプリント配線基板や、同様の単一構成部品に組み込むようにしてもよい。
【００２８】
電力コンディショナ１２８は、ローカル電源２２用に定められた一般的な電力調整を行う小型の部品である。電力コンディショナ１２８は、例えば、電圧及び電流の少なくとも一方を制限して、ワイヤレスフィールドデバイス１２の構成部品を保護する。また、電力コンディショナ１２８は、ローカル電源２２が交流電源である場合に、必要であればＡＣ／ＤＣコンバータを組み入れるようにしてもよい。電力コンディショナ１２８は、プリント配線基板２１６の一部として構成されてもよいし、プリント配線基板２１６に取り付けられる別個の構成部品であってもよい。
【００２９】
電力モジュール１２０は、２つの電力供給源であるエネルギ貯蔵素子１２２及びローカル電源２２から端子ブロック１１８にエネルギを供給する。背景技術の部分で述べたように、エネルギ捕集装置や太陽電池パネルのような外部電源は、供給可能な電力が制限されることが多い。ローカル電源２２の一実施形態では、制限されるものの実質的に一定の電力を供給することが可能であるが、当該電力は、信号プロセッサ１０４、アナログ信号コンディショナ１１０、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、及び特にトランシーバ１０２を常に駆動するには不十分である。ローカル電源２２の別の実施形態として、更に大きな電力を供給可能であるが、電力に信頼性がない場合がある。これらのいずれの実施形態においても、電力モジュール１２０は、ローカル電源２２からの電力を、エネルギ貯蔵素子１２２からの貯蔵電力で補足し、ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を使用する構成部品の電力要求を満たす。ワイヤレスフィールドデバイス１２の周囲の環境及び用途に応じ、ワイヤレスフィールドデバイス１２が消費する全電力は、多少に関わらず、エネルギ貯蔵素子１２２またはローカル電源２２から供給することができる。ローカル電源２２からの電力が比較的少なめまたは信頼性に欠ける場合、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、エネルギ貯蔵素子１２２から優先的に電力を受け取り、ローカル電源２２からの補足的な電力によって、エネルギ貯蔵素子１２２の使用可能期間を延ばすことになる。ローカル電源２２からの電力が比較的多めで信頼性がある場合、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、ローカル電源２２から優先的に電力を受け取り、エネルギ貯蔵素子１２２からの補足的な電力により、ローカル電源２２からの電力における何らかの遮断または低下への補充がなされることになる。
【００３０】
図１に関して上述したとおり、ローカル電源２２は、様々な形態をとることができる。一例を示すと、ローカル電源２２として作動する振動エネルギ捕集装置は、モータが作動している間（例えば、５０％の運転サイクルにより、半分の期間）、ワイヤレスフィールドデバイス１２の実質的に全ての電力要求を満たすことができる。モータが作動していないときは、電力モジュール１２０が、代わりにエネルギ貯蔵素子１２２からの電力を供給することになる。もう１つの実施形態では、ローカル電源２２として作動する熱電エネルギ捕集装置が電力を供給するが、この電力は、連続的であるが微弱であって、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ信号コンディショナ１１０、及びアナログ・デジタルコンバータ１０８を作動させるには十分であるが、信号を送信中のトランシーバ１０２を作動させるには不十分である。このような場合には、送信の際の補足電力をエネルギ貯蔵素子１２２から供給することができる。ローカル電源２２が、更に微弱な電力しか供給できなくなった場合には、エネルギ貯蔵素子１２２が常時全ての構成部品に電力を供給するように要求することもできる。このような場合には、ローカル電源２２を含めることにより、エネルギ貯蔵素子１２２の予想される作動可能期間を延長して交換までの期間を延ばすことが可能となる。３つ目の実施形態では、電力供給網への直接的な接続によってローカル電源２２が構成される。このような場合、正常な状態である間は、外部電源により、ワイヤレスフィールドデバイス１２の全ての構成部品に十分に電力が供給されることになる。電力供給網が停電した場合、または電力供給網の接続に障害が生じた場合には、エネルギ貯蔵素子１２２がバックアップ電源として機能することになり、中断することなくワイヤレスフィールドデバイス１２を継続して作動させることができる。
【００３１】
図２ａ及び図２ｂにおいて、端子ブロック１１８と電力モジュール１２０とは、別個の構成部品として示されているが、一実施形態として、端子ブロック１１８と電力モジュール１２０との機能をまとめて単一の着脱可能な構成部品とし、収容部Ｒ内でワイヤレスフィールドデバイス１２に装着することも可能であり、そのような単一の構成部品は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の個々の様式、及びローカル電源２２の個々の形式の双方に合致するように選定される。
【００３２】
図３は、アンテナ１４、ケーシング、即ちハウジング１００、カバー１１６、端子ブロック１１８、電力モジュール１２０、エネルギ貯蔵素子１２２、電線ダクト１３８、端子ブロック取付ネジ１４０、端子ブロック取付ネジ孔１４２、電源取付部１４４、及び電源コネクタ１４６を備えた、ワイヤレスフィールドデバイス１２の一実施形態の分解斜視図である。
【００３３】
図２ａ及び図２ｂに関して上述したように、給電コントローラ１１２は、ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を使用する全ての構成部品に電力を供給する。給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８が所定の位置に固定されているときに当該端子ブロック１１８と電気的に接続された電源コネクタ１４６を介し、端子ブロック１１８から電力を受け取る。電源コネクタ１４６は、例えば、端子ブロック１１８に設けられた凹部またはジャックに接続されるように対応して設けられた複数の導電ピンを備えていてもよい。更に、電源コネクタ１４６は、（図２ａ及び図２ｂに関して上述したように）診断報告を電力モジュール１２０から給電コントローラ１１２に中継する。この診断報告は、デジタル信号及びアナログ信号のいずれであってもよい。図３に示すように、端子ブロック１１８は、電源コネクタ１４６に接した状態で、端子ブロック取付ネジ１４０によって固定される。端子ブロック取付ネジ１４０は、ハウジング１００に形成された端子ブロック取付ネジ孔１４２に締め付けられることにより、端子ブロック１１８を着脱可能に固定するネジである。端子ブロック取付ネジ１４０によって端子ブロック１１８が固定されるように図示しているが、これに代わる実施形態として、差込ピンもしくはねじ込みピン、または係合もしくは嵌合などによる別の手段を、端子ブロック１１８の固定に用いるようにしてもよい。これに代わる実施形態として、端子ブロック１１８は、収容部Ｒ及び内部空間Ｉが共有するハウジング１００の壁面に永続的に固定または取り付けられる固定式の構成部品であってもよい。端子ブロック１１８は、１以上の端子を介して交流電力または直流電力を受電するように構成される。この端子は、電力モジュール１２０に隣接する平坦な導電性接点の形態をとるようにしてもよい。また、図示した実施形態において、端子ブロック１１８は、ＨＡＲＴモデム１０５とＨＡＲＴモデム１３３との間でやりとりするＨＡＲＴ信号を中継するように構成されている。
【００３４】
この実施形態によれば、電力モジュール１２０は、電源取付部１４４を用いて端子ブロック１１８に固定される。電源取付部１４４は、端子ブロック１１８に突設されたスリーブが取り囲む電気接点として示されており、このスリーブが電力モジュール１２０に係合または嵌合することにより、電力モジュール１２０との電気的接続が行われる。別の実施形態として、電源取付部１４４は、任意の一般的な電気的接続を行いながら、電力モジュール１２０を端子ブロック１１８に固定するためのフック、ネジ、ラッチ、またはそれ以外の一般的な固定手段を備えていてもよい。電源取付部１４４は、カバー１１６がない状態にあるとき（例えば、収容部Ｒ内の構成部品の着脱を行うためにカバー１１６を取り外したとき）、電力モジュール１２０を保持する。但し、図４ａ及び図４ｂに関して後述するように、カバー１１６により、端子ブロック１１８への電力モジュール１２０の保持を補助するようにしてもよい。端子ブロック１１８は、必要であれば、電力調整を行って電圧または電流を調整し、電力モジュール１２０から受け取った電力を変換または整流するようにしてもよい。電力モジュール１２０は、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の少なくとも一方からの電力を供給する。電力モジュール１２０から供給される電力は、ローカル電源２２のみから、またはエネルギ貯蔵素子１２２のみから出力されたものであってもよいし、これらの双方を組み合わせて出力されたものであってもよい。一実施形態として、エネルギ貯蔵素子１２２は、コンデンサまたは充電式バッテリなどの充電可能な電源であってもよく、ローカル電源２２からの電力で充電されるようにしてもよい。
【００３５】
図２ａ及び図２ｂに関して上述したように、エネルギ貯蔵素子１２２は、一般的なバッテリまたはスーパーキャパシタであってもよい。エネルギ貯蔵素子１２２は、係合またはその他の一般的な固定機構を用いて電力モジュール１２０に着脱可能に組み付けられるようになっている。別の実施形態として、エネルギ貯蔵素子１２２は、電力モジュール１２０内に完全に格納されるようにしてもよいし、着脱は可能及び不可能のいずれであってもよい。
【００３６】
電力モジュール１２０は、ローカル電源２２からの電力を受電する電源接続線２４のための接続部を備えている。この接続部は、端子ネジ１２６（図２ａ及び図４ａ参照）、または外部電源用端子１２４への電気的接続を行うための任意の同様な取付手段を備えていてもよい。端子ネジ１２６は、電源接続線２４の１以上の電線をプリント配線基板２１６に接続固定するために用いられる導電性の固定部材である。電源接続線２４がフックまたは環状部を有する場合、端子ネジ１２６及びプリント配線基板２１６は、これらのフックまたは環状部を接続して、電源接続線２４を電力モジュール１２０に固定する。電源接続線２４の形式に応じて（即ち、ローカル電源２２に対応して）、端子ネジ１２６は、プラグ、クリップ、またはその他の取付手段に置き換えることができる。図３では、外部に設ける実施形態としてのローカル電源２２に電力モジュール１２０を接続するための端子ネジ１２６が示されているが、これに代え、電力モジュール１２０がローカル電源２２ｂ（図２ｂ参照）を備えるようにしてもよい。このようなローカル電源２２ｂは、電力モジュール１２０内に配置してもよいし、カバー１１６の内側に嵌め込むようにして、電力モジュール１２０の外側に取り付けてもよい。
【００３７】
図２ａ及び図２ｂに示す実施形態について上述したように、カバー１１６は、密封状態でハウジング１００に接合することにより、収容部Ｒ内の構成部品（例えば、端子ブロック１１８及び電力モジュール１２０）を保護する。電力モジュール１２０は、カバー１１６の内側にあって、端子ブロック１１８と接した状態で、収容部Ｒの内側にぴったり嵌め込まれている。ローカル電源２２は、電源接続線２４を介して電力モジュール１２０に接続されており（図２ａ及び図２ｂ参照）、電源接続線２４は、電線ダクト１３８を通って収容部Ｒ内に延び、端子ネジ１２６（または類似の固定部材）に固定される。上述したとおり、電力モジュール１２０は電力コンディショナ１２８を備え、この電力コンディショナ１２８は、ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とする構成部品が使用できるように、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２からの電力を調整する。電力モジュール１２０は、電源コネクタ１４６を介し、信号プロセッサ１０４及び制御・監視システム２６の少なくとも一方に診断報告を供給する。
【００３８】
図４ａ及び図４ｂは、電力モジュール１２０の一実施形態を異なる２方向から見た分解斜視図である。電力モジュール１２０は、エネルギ貯蔵素子１２２、端子ネジ１２６、ケーシング前部２０２、ケーシング後部２０４、柱状端子２０６、エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８、摩擦嵌合部２１０、支持部２１２、固定用環状部２１４、及びプリント配線基板２１６を備えている。
【００３９】
この実施形態において、電力モジュール用ケーシング２００は、プリント配線基板２１６を取り囲むと共に、ワイヤレスフィールドデバイス１２の収容部Ｒの中に、端子ネジ１２６及びエネルギ貯蔵素子１２２をしっかりと支持する硬質の保護用収納部材である。図示した実施形態において、プリント配線基板２１６は、外部電源用端子１２４、電力コンディショナ１２８、電圧センサ１３０、電力プロセッサ１３２、メモリ１３４、及び温度センサ１３６が全て設けられた回路基板またはマイクロプロセッサ基板である。これに代わる実施形態として、これら構成部品の一部または全部は、電力モジュール用ケーシング２００内に収容された個別の部品であってもよい。
【００４０】
柱状端子２０６は、プリント配線基板２１６にある電力コンディショナ１２８から、ケーシング前部２０２の摩擦嵌合部２１０を通って延設され、端子ブロック１１８の電源取付部１４４（図３参照）との電気的接続を形成する導電性の柱状部材である。摩擦嵌合部２１０は、ケーシング前部２０２の接続部材であって、電源取付部１４４の中に延びて、電源取付部１４４と機械的に結合することにより、電力モジュール１２０を端子ブロック１１８に固定する。摩擦嵌合部２１０は、電源取付部１４４にしっかりと結合するための１以上のスナップリングまたは同等の部材を備えていてもよい。
【００４１】
この実施形態において、エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８は、一般的な嵌め込み式のバッテリケース、またはエネルギ貯蔵素子１２２を固定するための同等の手段である。エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８は、ケーシング後部２０４に固定され、エネルギ貯蔵素子１２２の機械的な保持及び電気的接続の両方を行う。上述したように、エネルギ貯蔵素子１２２は、専用のエネルギ供給素子、既製のバッテリ、スーパーキャパシタ、または同等の任意のエネルギ貯蔵素子とすることができる。エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８の大きさ及び形状は、選定されたエネルギ貯蔵素子１２２の形式に応じて変更することができる。エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８により、エネルギ貯蔵素子１２２とプリント配線基板２１６にある電力コンディショナ１２８との電気的接続がなされる。
【００４２】
ケーシング後部２０４は、プリント配線基板２１６から離間する方向に延設された実質的に硬質の部材の支持部２１２を備えており、この支持部２１２は、収容部Ｒ内にぴったり嵌まり込むようにしてカバー１１６（図３参照）に組み付けられる。このような嵌合により、摩擦嵌合部２１０を電源取付部１４４に位置決めして保持することが容易になる。図示した実施形態において、支持部２１２は、ケーシング後部２０４の最も外側の面から隆起した環状隆起部である固定用環状部２１４を備えている。固定用環状部２１４は、カバー１１６の内側に相補的に設けられたリングまたは波形ばね（図示せず）に接合する大きさを有しており、これにより、振動に抗して、電力モジュール１２０を端子ブロック１１８とカバー１１６との間に固定する。端子ネジ１２６は、ケーシング後部２０４を貫通してプリント配線基板２１６内まで延在することにより、電源接続線２４とローカル電源２２との電気的接続をもたらす。ローカル電源２２が収容部Ｒ内に収納されるようなワイヤレスフィールドデバイス１２の実施形態（図２ｂに関して上述したローカル電源２２ｂを参照）については、プリント配線基板２１６とローカル電源２２との直接的な接続（ローカル電源２２が電力モジュール１２０内に設けられる場合）、またはエネルギ貯蔵素子用取付部材２０８と同様の考え方でローカル電源２２との着脱可能な接続（ローカル電源２２が着脱可能に電力モジュール１２０に取り付けられる場合）を行うことにより、端子ネジ１２６を省略してもよい。これに代えて、ケーシング後部２０４とカバー１１６との間に収納された完全に別個のローカル電源２２にプリント配線基板２１６を接続するために、端子ネジ２１６または類似の取付部材を用いるようにしてもよい。この最後に述べた実施形態の場合、支持部２１２を縮小して、ローカル電源２２のための空間を設けるようにしてもよい。
【００４３】
ローカル電源２２を収容部Ｒの中に収容するか否かに関わらず、ローカル電源２２から優先的に電力を取り出し、ローカル電源２２からの電力が使用できないとき、またはワイヤレスフィールドデバイス１２の電力要求を満たすには不十分であるときには、エネルギ貯蔵素子１２２から補足的に電力を取り出すような電気的接続が、電力モジュール１２０によって得られる。個々の用途または設置場所により、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２のいずれかが、ワイヤレスフィールドデバイス１２が必要とする電力の大部分を供給することになることもあるが、可能であれば、エネルギ貯蔵素子１２２が枯渇する前に、ワイヤレスフィールドデバイス１２がローカル電源２２から電力を取り出すようにするのが好ましい。それぞれの電源からの電力は、必要に応じて電力コンディショナ１２８が調整し、必要であれば、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２からの電力が変換または整流される。このようにして、電力モジュール１２０は、ローカル電源２２からの電力の使用の可能性が変動しても、エネルギ貯蔵素子１２２の使用可能期間を延長しつつ、ワイヤレスフィールドデバイス１２に必要な電力を継続的に供給することができる。
【００４４】
図５は、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の電力供給状態を監視する方法３００のフローチャートである。より具体的には、電力モジュール１２０によって診断報告が集められ、信号プロセッサ１０４及び制御・監視システム２６の少なくとも一方に送信される方法の一実施形態が、方法３００によって示されている。
【００４５】
図２ａ及び図２ｂに関して上述したように、電力プロセッサ１３２は、エネルギ貯蔵素子１２２の出力電圧と、外部電源用端子１２４またはローカル電源２２の出力電圧とを監視するが、それぞれの電源の識別情報と、エネルギ貯蔵素子１２２について予測される残存エネルギまたは残存使用可能期間と、ローカル電源２２またはエネルギ貯蔵素子１２２における故障または状態変化を示す故障通知または警報とのうちの少なくとも１つを報告するのが好ましい。図示した実施形態において、電力プロセッサ１３２は、まず初めに、電力モジュール１２０の電力モジュールＩＤを、メモリ１３４から取得する（ステップＳ１）。この電力モジュールＩＤには、製造番号、容量、または型式などのエネルギ貯蔵素子１２２の識別情報が含まれる。次に、電力プロセッサ１３２は、ローカル電源２２についても、その出力電圧特性（例えば、振幅、またはフーリエ変換された周波数特性）を、メモリ１３４に格納された特性データベースに保管されている特性と照合することによって識別を行う（ステップＳ２）。エネルギ貯蔵素子１２２が、一体組込部品ではなく、着脱可能な部品であるような電力モジュール１２０の実施形態では、エネルギ貯蔵素子１２２についても、メモリ１３４から直接的に識別情報を取得するのではなく、検出した電圧特性に基づいて、同様に識別を行うようにしてもよい。電力プロセッサ１３２は、検出したエネルギ貯蔵素子１２２の出力電圧の瞬時値、及びある期間のエネルギ貯蔵素子１２２の出力電圧の変化の少なくとも一方を、ステップＳ１で取得した識別情報に付随してメモリ１３４内にある予測値と比較することにより、エネルギ貯蔵素子１２２の出力電圧が異常であるか否かの判定を行う（ステップＳ３）。エネルギ貯蔵素子１２２が、閾値を下回る電力欠乏状態を示す低電圧、または完全放電状態の前兆となる低電圧などの、異常な出力電圧を示している場合、電力プロセッサ１３２は、エネルギ貯蔵素子１２２の故障の通知を生成する（ステップＳ４）。一実施形態として、電力プロセッサ１３２は、エネルギ貯蔵素子１２２の様々な状態（例えば、短絡、バッテリ５０％放電状態、バッテリ９０％放電状態、閾値を上回る予期せぬ急速消耗など）に対応して、複数の異なるエネルギ貯蔵素子警報の通知を生成することができるようにしてもよい。電力プロセッサ１３２は、同様に、検出した外部電源用端子１２４の出力電圧（図２ａの実施形態の場合）、または検出したローカル電源２２の出力電圧（図２ｂの実施形態の場合）に基づき、ローカル電源２２の出力電圧、またはある期間におけるローカル電源２２の出力電圧の変化が異常であるか否かを判定する（ステップＳ５）。異常な出力電圧は、例えばローカル電源２２の故障、またはローカル電源２２からの電力が不十分であることに対応したものとすることができる。エネルギ貯蔵素子１２２の場合のように、電力プロセッサ１３２は、ローカル電源２２における様々な故障または変化についての通知を生成する（ステップＳ６）。エネルギ貯蔵素子１２２及びローカル電源２２の故障または警報の通知は、メモリ１３４に保管される。これらの通知は、一時的に保管するだけであってもよいし、後に詳細な診断を行うためにメモリ１３４に記録を残すようにしてもよい。
【００４６】
また、電力プロセッサ１３２は、２つの電圧センサ１３０から得たそのときの電流計測値及び電圧計測値の履歴と、ステップＳ１及びステップＳ２で得たローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の識別情報と、温度センサ１３６から得た計測値とに基づき、エネルギ貯蔵素子１２２の残存充電量と予測される消耗率とを見積もることにより、エネルギ貯蔵素子１２２の予測される残存使用可能期間を算出するのが好ましい（ステップＳ７）。次に、電力プロセッサ１３２は、見積もった残存使用可能期間と、故障または警報の通知とを含む診断報告を、信号プロセッサ１０４及び制御・監視システム２６の少なくとも一方に、端子ブロック１１８を介して送信する（ステップＳ８）。一実施形態として、この診断報告には、ステップＳ１及びステップＳ２で得た識別情報と、ステップＳ７で得た残存充電量及び予測される消耗率の見積もり結果とを含めるようにしてもよい。診断報告は、例えば、電力プロセッサ１３２が端子ブロック１１８に供給する電圧調整値を含むようにしてもよい。
【００４７】
具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための様々な変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に包含される全ての態様を含むものである。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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