МОДУЛЬНЫЙ КОНТАКТНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ПЕРЕДАТЧИКА
MODULAR CONTACT NODE FOR WIRELESS TRANSMITTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к периферийным устройствам для промышленных процессов, и, более конкретно, к модульному контактному узлу для беспроводных передатчиков параметра процесса.
Уровень техники
Термин «периферийное устройство» («устройство на объекте») охватывает широкий спектр устройств управления и контроля процессов, указанные устройства измеряют, например, такие параметры, как давление, температура и интенсивность потока и регулируют указанные параметры. Во многих периферийных устройствах имеются приемопередатчики, служащие средством связи между датчиком параметра промышленного процесса и устройством дистанционного управления или контроля, например, компьютером. Как правило, выходной сигнал датчика непригоден для эффективной связи с устройством дистанционного управления или контроля. Периферийное устройство устраняет этот недостаток путем приема информации из датчика, преобразования этого сигнала в форму, лучше подходящую для связи на больших расстояниях (например, в модулированный токовый сигнал 4-20 мА в проводном контуре или в сигнал беспроводного протокола) и передачи преобразованного сигнала в устройство дистанционного управления или контроля.
Некоторые периферийные устройства используются для контроля и управления различными технологическими параметрами промышленных процессов, например, давлением, температурой, вязкостью и интенсивностью потока. Другие периферийные устройства приводят в действие клапаны, насосы и другие технические средства, используемые в промышленных процессах. Каждое периферийное устройство, как правило, содержит герметизированный корпус, в котором находятся исполнительные устройства и/или датчики, электроника для приема и обработки сигналов датчика и сигналов управления и электроника для передачи обработанных сигналов датчика, что дает возможность дистанционного контроля периферийного устройства и контроля параметров промышленного процесса. На больших промышленных предприятиях, как правило, используется много периферийных устройств, распределенных по большой территории. Такие периферийные устройства обычно осуществляют связь с общим устройством управления или контроля, что дает возможность централизованного управления и контроля для промышленных процессов.
В периферийных устройствах для осуществления связи с централизованными системами управления и контроля все чаще используются беспроводные приемопередатчики. Беспроводные устройства по сравнению с проводными устройствами расширяют область применения систем управления и контроля на такие места, где размещение проводки может быть затруднено, небезопасно или дорого. В некоторых случаях беспроводные периферийные устройства могут получать питание через непосредственное электрическое подключение к источникам электропитания общего пользования, например, к электросети переменного тока 120 В. Однако значительно чаще источники электропитания общего пользования поблизости отсутствуют или не могут быть легко установлены в зонах повышенной опасности, где приходится эксплуатировать измерительные приборы и измерительные преобразователи. Поэтому периферийные устройства часто питаются от местных источников питания ограниченной емкости, которые либо хранят энергию, как в случае батареи с большим сроком службы, либо генерируют энергию, как в случае устройства сбора энергии. Например, ожидается, что батареи, как правило, должны служить более пяти лет, и, предпочтительно, в течение всего срока службы периферийного устройства. Поскольку емкость местных источников питания ограничена, во многих случаях использования беспроводных периферийных устройств важно, чтобы их электронные модули и радиочастотные модули имели небольшое энергопотребление.
Во многих случаях конструкция периферийных устройств предусматривает размещение подключенной батареи под крышкой герметизированного корпуса периферийного устройства. В других периферийных устройствах используется электропитание от внешних источников (к примеру, от расположенных рядом электросетей общего пользования или от устройств сбора энергии, например, от солнечных панелей, вибрационных преобразователей энергии или термоэлектрических преобразователей энергии). Для каждого способа питания беспроводного периферийного устройства обычно требуется индивидуальный контактный интерфейс. В периферийных устройствах, частично или полностью питающихся от батареи, как правило, имеются небольшие контактные блоки, обеспечивающие точки подключения к установленной батарее. Эти небольшие контактные блоки располагаются в узких пространствах между герметизированным внутренним объемом периферийного устройства и местом установки батареи.
Беспроводные периферийные устройства, питающиеся от электросети, напротив, содержат контактные блоки, обеспечивающие возможность проводного подключения к электросети (как правило, через винтовые клеммы) и выполняющие преобразование электропитания, получаемого от электросети, с целью обеспечения возможности использования указанного электропитания периферийным устройством. Солнечные панели, вибрационные системы преобразования энергии и другие типы местных модулей питания могут использовать разные контактные блоки. Кроме того, для разных моделей периферийных устройств могут требоваться различные части контактных блоков, не обязательно взаимозаменяемых. Например, в первой модели периферийного устройства для питания от батареи может требоваться первая часть контактного блока, для питания от электросети - вторая часть, для питания от солнечной панели - третья часть. Во второй модели периферийного устройства для подключения к тем же батарее, электросети и солнечной панели могут использоваться четвертая, пятая и шестая часть контактного блока. При контроле и управлении сложными промышленными процессами с использованием большого числа различных моделей периферийных устройств, работающих от источников питания разных видов, может применяться много разных типов контактных блоков, что делает нерациональным или неудобным хранение запасных компонентов для каждого типа.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является контактный модуль, выполненный с возможностью посадки внутри гнезда батареи технологического периферийного устройства. Такой контактный модуль содержит узел проводного подключения источника питания, электронику для преобразования электропитания и узел подключения полевого устройства. Узел проводного подключения источника питания выполнен с возможностью приема электропитания от внешнего источника. Электроника для преобразования электропитания выполнена с возможностью преобразования электропитания от узла проводного подключения источника питания с целью приема электропитания в технологическом периферийном устройстве. Узел подключения периферийного устройства выполнен с возможностью предоставления технологическому периферийному устройству электропитания, преобразованного электроникой для преобразования электропитания, через контактный блок, выполненный с возможностью приема и состыковки с батареей.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой перспективное изображение контрольного технологического периферийного устройства в беспроводной системе.
Фиг. 2 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей периферийного устройства, показанного на фиг. 1, в конфигурации для работы от внутреннего питания.
Фиг. 3 представляет собой увеличенное изображение с пространственным разделением деталей контактного блока и внутреннего источника питания периферийного устройства, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 представляет собой функциональную схему периферийного устройства, показанного на фиг. 2 и 3.
Фиг. 5 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей периферийного устройства, показанного на фиг. 1, в конфигурации для работы от внешнего питания.
Фиг. 6 представляет собой разрез узла источника питания периферийного устройства, показанного на фиг. 5.
Фиг. 7 представляет собой функциональную схему периферийного устройства, показанного на фиг. 5 и 6.
Фиг. 8 представляет собой перспективное изображение еще одного варианта осуществления периферийного устройства, показанного на фиг. 1.
Фиг. 9 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей периферийного устройства, показанного на фиг. 8, в конфигурации для работы от внутреннего питания.
Фиг. 10 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей периферийного устройства, показанного на фиг. 8, в конфигурации для работы от внешнего питания.
Фиг. 11 представляет собой разрез периферийного устройства, показанного на фиг. 10.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение представляет собой модульный контактный узел для беспроводного передатчика или исполнительного устройства для процесса. Такой узел контактного блока содержит контактный блок и контактный модуль, выполненные с возможностью посадки внутри герметизированного корпуса беспроводного передатчика. Контактный блок выбирается в соответствии с конкретной конструкцией беспроводного передатчика, а контактный модуль выбирается в соответствии с требуемым источником питания. Контактный блок и контактный модуль функционируют совместно, принимая и преобразуя электропитание из данного источника питания с целью использования периферийным устройством.
Фиг. 1 изображает периферийное устройство 10 с антенной 12, технологическим соединителем 14, измерительным преобразователем 16, основным корпусом 18, крышкой 20 электроники и крышкой 22 батареи. Периферийное устройство 10 представляет собой датчик/приемопередающее устройство, выполненное с возможностью контроля промышленного процесса и передачи показаний датчика в центральную систему 24 управления или контроля через антенну 12. Системой 24 управления или контроля может быть, например, компьютер, расположенный в диспетчерском зале производственного объекта, или система архивного хранения данных, расположенная вне производственного объекта. Периферийное устройство 10 может осуществлять связь с центральной системой 24 управления или контроля непосредственно или через беспроводную сеть других периферийных устройств, например, сеть с ячеистой или веерной топологией. В некоторых вариантах осуществления изобретения периферийное устройство 10 может осуществлять связь с центральной системой управления и/или контроля с использованием протокола wirelessHART (IEC 62591). В других вариантах осуществления настоящего изобретения могут использоваться иные протоколы беспроводной связи.
Технологический соединитель 14 обеспечивает подключение по текучей среде к технологическому оборудованию, например, клапанам, насосам и трубопроводам, в которых заключен поток технологической текучей среды. Технологический соединитель 14 может обеспечивать последовательное включение в поток или параллельное подключение к технологическому потоку в зависимости от конкретной задачи и параметра, измеряемого периферийным устройством 10. В технологическом соединителе 14 размещен измерительный преобразователь 16, представляющий собой измерительный преобразователь для процесса, например, датчик давления, интенсивности потока или вязкости, контролирующий параметр потока технологической текучей среды в технологическом соединителе 14. Как показано на фиг. 1, измерительный преобразователь 16 представляет собой неотъемлемую часть периферийного устройства 10, а технологический соединитель 14 служит для фиксации и поддержания периферийного устройства 10. В других вариантах осуществления изобретения измерительный преобразователь 16 и технологический соединитель 14 могут располагаться вне периферийного устройства 10 и присоединяться к периферийному устройству 10 посредством соответствующего проводного или иного соединения. В некоторых вариантах осуществления периферийное устройство 10 может содержать более одного измерительного преобразователя 16.
Беспроводное устройство 10 содержит электронику для регистрации параметра и обработки сигнала, расположенную в основном корпусе 18, которым может быть, например, корпус из формованного термопластика. Основной корпус 18 защищает внутреннюю электронику от опасных внешних воздействий. В некоторых вариантах осуществления изобретения основной корпус 18 может представлять собой корпус с двумя отдельными герметизированными отсеками: отсеком электроники, содержащим аппаратные средства обработки и преобразования сигнала и закрывающимся крышкой 20 электроники, и отсеком электропитания, содержащим источник питания и закрывающимся крышкой 22 батареи. Как вариант, основной корпус 18 может представлять собой корпус с одним отсеком, в едином внутреннем пространстве которого размещены как источники питания, так и электроника. Крышка 20 электроники и крышка 22 батареи также могут быть представлять собой детали из формованного термопластика и выполняются с возможностью образования с основным корпусом 18 герметизирующих уплотнений, служащих для защиты находящихся внутри компонентов от пыли, продуктов износа и вредных или опасных внешних воздействий.
Периферийное устройство 10 содержит электронику, обрабатывающую и передающую сигналы в измерительный преобразователь 16 и из него, что подробнее рассматривается далее. Для обработки сигнала и передачи сигнала требуется энергия, которая поступает из внутреннего источника питания, расположенного внутри основного корпуса 18 (см. фиг. 2-4), или из внешнего источника питания, расположенного вне основного корпуса 18 (см. фиг. 5-7). В число возможных внутренних источников питания входят батареи (аккумуляторные батарей) и конденсаторы, а в число возможных внешних источников питания входят солнечные панели, электросети общего пользования и устройства сбора энергии, например, вибрационные или термоэлектрические преобразователи энергии.
Фиг. 2 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей периферийного устройства 10 в конфигурации для получения электропитания от внутреннего источника 100 питания. Фиг. 2 изображает антенну 12, технологический соединитель 14, измерительный преобразователь 16, основной корпус 18, крышку 20 электроники, крышку 22 батареи, контактный блок 26, внутреннюю стенку 28, соединители 30 электропитания, отверстия 32 под винты, крепежные винты 34 контактного блока, узел 36 подключения источника питания, кабельный канал 38, соединители 42 для внешней проводки и внутренний источник 100 питания. Фиг. 2 изображает детали разнесенными в пространстве, чтобы показать содержимое отсека электропитания, определяемого основным корпусом 18 и крышкой 22 батареи. Отдельный герметизированный отсек электроники определен основным корпусом 18 и крышкой 20 электроники, как указано выше, и содержит электронику для обработки, передачи и приема сигналов, описываемую более подробно далее со ссылкой на фиг. 3. Внутренняя стенка 28 представляет собой непроницаемый барьер, отделяющий отсек электроники от отсека электропитания.
Контактный блок 26 и внутренний источник 100 питания расположены внутри отсека электропитания, определенного основным корпусом 18 и крышкой 22 батареи. Контактный блок 26 представляет собой проходной соединитель, который направляет электропитание от внутреннего источника 100 питания (или других источников, как далее описывается со ссылкой на фиг. 5-7) к электронике, расположенной в отдельном герметизированном отсеке электроники, упомянутом выше. Внутренним источником 100 питания является батарея, конденсатор или аналогичное устройство хранения энергии. Внутренний источник 100 питания предоставляет электропитание, необходимое для работы электроники для обработки, передачи и приема сигнала. В собранном состоянии крышка 22 батареи плотно садится на внутренний источник 100 питания и прижимает внутренний источник питания к контактному блоку 26, а контактный блок 26 - к внутренней стенке 28. При такой фиксации в качестве промежуточного элемента может использоваться плоская или изогнутая пружина, расположенная внутри крышки 22 батареи (см. фиг. 6) и предотвращающая разделение контактного блока 26, внутренней стенки 28 и внутреннего источника 100 питания вследствие вибрации периферийного устройства 10. Соединение между контактным блоком 26 и внутренним источником 100 питания описывается далее более подробно со ссылкой на фиг. 3.
В дополнение к предоставлению входного интерфейса для электропитания от внутреннего источника 100 питания контактный блок 26 может содержать соединители 42 для внешней проводки в качестве интерфейсов для приема сигналов напряжения из измерительных преобразователей и другого периферийного оборудования, расположенных вне периферийного устройства 10. Соединители 42 для внешней проводки описываются более подробно далее со ссылкой на фиг. 3, и могут, например, содержать пружинные или винтовые соединители для проводников, входящих в отсек электропитания, образованный основным корпусом 18 и крышкой 22 батареи, через кабельный канал 38. Кабельный канал 38 представляет собой герметизированный проход, дающий возможность вводить кабели в отсек электропитания через основной корпус 18.
В соответствии с данным вариантом осуществления изобретения контактный блок 26 обеспечивает непосредственное сквозное соединение между внутренним источником 100 питания и электроникой периферийного устройства через соединители 30 электропитания и узел 36 подключения источника питания. В показанном варианте осуществления соединители 30 электропитания представляют собой проводящие штырьки, выступающие из внутренней стенки 28 и выполненные с возможностью передачи электропитания из контактного блока 26 в электронику, находящуюся в отсеке электроники. Соединители 30 электропитания принимаются в соответствующих углублениях на обратной стороне контактного блока 26 (не показаны), что описывается далее более подробно со ссылкой на фиг. 6. Узел 36 подключения источника питания представляет собой углубление или муфту с электрическими контактами, выполненными с возможностью приема питания из внутреннего источника 100 питания, что подробнее описывается со ссылкой на фиг. 3. Контактный блок 26 удерживается в контакте с соединителями 30 электропитания крепежными винтами 34 контактного блока, проходящими через контактный блок 26 и фиксирующимися в отверстиях 32 под винты. Контактный блок 26 не выполняет какого-либо преобразования электропитания и служит только для обеспечения электрического соединения между внутренним источником 100 питания и соединителями 30 электропитания. В разных моделях периферийного устройства 10 могут использоваться соединители 30 электропитания разной конфигурации или формы, что делает необходимым использование разных контактных блоков 26. Соответственно, внутренний источник 100 питания может использоваться в множестве различных вариантов осуществления периферийного устройства 10 путем использования соответствующего контактного блока 26.
Фиг. 3 представляет собой изображение с пространственным разделением деталей одного иллюстрируемого варианта осуществления контактного блока 26 и внутреннего источника 100 питания. На фиг. 3 показан узел 36 подключения источника питания (с жесткой муфтой 40), соединители 42 для внешней проводки, разделительные стенки 44, вставка 102 соединителя (с кольцевым уплотнителем 104, асимметричным телом 106 и электрическим соединителем 108) и удерживающее кольцо 110. Как указано выше, контактный блок 26 крепится к внутренней стенке 28 крепежными винтами 34 контактного модуля. Внутренний источник 100 питания содержит по меньшей мере один конденсатор, батарею или аналогичное устройство хранения энергии.
Как пояснялось выше в отношении данного варианта осуществления, контактный блок 26 является проходным компонентом, который направляет электропитание от внутреннего источника 100 питания через узел 36 подключения источника питания к соединителям 30 электропитания (см. фиг. 2). Внутренний источник 100 питания содержит вставку 102 соединителя, представляющую собой выступающую часть с асимметричным телом 106, состыковывающимся с жесткой муфтой 40 узла 36 подключения источника питания. Жесткая муфта 40 представляет собой асимметричное относительно поворота гнездо, соответствующее асимметричному телу 106, чем в состоянии, когда контактный блок 26 и внутренний источник 100 питания соединены, обеспечивается предотвращение поворота внутреннего источника 100 питания относительно контактного блока 26. Вставка 102 соединителя также содержит кольцевой уплотнитель 104, обеспечивающий фрикционную посадку на внутреннюю часть жесткой муфты 40, и электрический соединитель 108, образующий электрический контакт с проводящей пластиной или штырьком (не показан) внутри жесткой муфты 40.
В показанном варианте осуществления контактный блок 26 дополнительно содержит несколько соединителей 42 для внешней проводки, разделенных разделительными стенками 44. Соединителями 42 для внешней проводки могут, например, быть пружинные или винтовые крепежные элементы для проводников или кабелей, проходящих через кабельный канал 38 (см. фиг. 2) к расположенному снаружи периферийному оборудованию, например, к измерительным преобразователям, аналогичным измерительному преобразователю 16. По такой внешней проводке передаются сигналы, характеризующие регистрируемые значения промышленных параметров. Разделительные стенки 44 отделяют соединители 42 друг от друга, предотвращая перехлест внешней проводки на контактном блоке 26. От соединителей 42 для внешней проводки сигналы передаются в электронику для обработки и передачи сигнала через соответствующие соединители 30 электропитания, как описано подробнее со ссылкой на фиг. 4. Не все варианты осуществления контактного блока 26 должны содержать соединители 42 для внешней проводки. В наиболее простом варианте осуществления контактный блок 26 служит только для передачи электропитания от внутреннего источника 100 питания или внешних источников питания, подключенных как описано далее со ссылкой на фиг. 5-7.
В дополнение к фрикционной посадке, обеспечиваемой кольцевым уплотнителем 104, некоторые варианты осуществления внутреннего источника 100 питания и контактного блока 26 могут содержать язычки, байонетные соединения или иные средства крепления для крепления внутреннего источника 100 питания к контактному блоку 26. Как показано на фиг. 3, внутренний источник 100 питания содержит удерживающее кольцо 110, представляющее собой кольцеобразный выступ, сопрягающийся с крышкой 22 батареи, предназначенное для того, чтобы при установленной крышке 22 батареи дополнительно способствовать удержанию внутреннего источника 110 питания в контакте с контактным блоком 26.
Чтобы дать технологическому устройству 10 возможность работы от внешнего электропитания, внутренний источник 100 питания может быть заменен на контактный модуль 300, как описывается далее со ссылкой на фиг. 5-7. Контактный модуль 300 выполнен с возможностью состыковки с тем же контактным блоком 26, который используется с внутренним источником 100 питания, чем снижается количество различных компонентов, потенциально необходимых для всех возможных конфигураций источников питания.
Фиг. 4 представляет собой функциональную схему одного варианта осуществления технологического устройства 10, настроенного на работу от внутреннего источника питания. Фиг. 4 изображает внутренний объем HI корпуса, отсек ЕС электроники, отсек PC электропитания, антенну 12, приемопередатчик 202 измерительного преобразователя, сигнальный процессор 204, устройство 206 согласования цифрового сигнала, аналого-цифровой преобразователь 208, устройство 210 согласования аналогового сигнала, модуль 212 управления питанием, контактный блок 26 и внутренний источник 100 питания.
Внутренний объем HI корпуса представляет собой внутреннее пространство, определенное основным корпусом 18, крышкой 20 электроники и крышкой 22 батареи (см. фиг. 2). Как показано на фиг. 2 и 3, внутренняя стенка 28 делит внутренний объем HI корпуса на отсек ЕС электроники и отсек PC электропитания. Отсек ЕС электроники и отсек PC электропитания представляют собой по отдельности герметизируемые объемы, отведенные под обработку и передачу сигнала (отсек ЕС электроники) и под источник питания (отсек PC электропитания).
В соответствии с данным вариантом осуществления приемопередатчик 202 представляет собой передатчик/приемник сигнала, который передает и принимает беспроводные сигналы через антенну 12. Сигнальный процессор 204 представляет собой логическое устройство обработки данных, например, микропроцессор. Устройство 206 согласования цифрового сигнала представляет собой цифровой фильтр, работающий с преобразованными в цифровую форму сигналами датчика и выполненный с возможностью настройки сигнальным процессором 204 в ответ на диагностические программы или команды из центральной системы 24 управления или контроля. Устройство 206 согласования цифрового сигнала может, например, отфильтровывать шум или выделять представляющие интерес сигналы из необработанного цифрового сигнала, формируемого аналого-цифровым преобразователем 208. Аналого-цифровой преобразователь 208 представляет собой аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью преобразовывать в цифровую форму аналоговые сигналы датчика, поступающие из измерительного преобразователя 16. Устройство 210 согласования аналогового сигнала представляет собой устройство согласования аналогового сигнала, выполненное, например, с возможностью выполнять полосовую фильтрацию с целью выделения одной или более представляющих интерес областей из сигналов, принятых из измерительного преобразователя 16. Модуль 212 управления питанием представляет собой устройство направления электропитания, выполненное с возможностью получать электропитание из контактного блока 26 через соединитель 30 электропитания и сообщать напряжение, принятое из контактного блока 26, в сигнальный процессор 204 (например, через устройство 210 согласования аналогового сигнала) в качестве средства контроля качества электропитания и возможного сбоя подачи питания. Модуль 212 управления питанием принимает электропитание из внутренних или внешних источников через контактный блок 26 и в соответствии с потребностью снабжает питанием приемопередатчик 202, сигнальный процессор 204, устройство 206 согласования цифрового сигнала, аналого-цифровой преобразователь 208, устройство 210 согласования аналогового сигнала и другие компоненты периферийного устройства 10, требующие электропитания. Измерительный преобразователь 16 может быть неотъемлемой частью периферийного устройства 10, как показано на фиг. 1, или может быть отдельным внешним компонентом, соединенным с устройством 210 согласования аналогового сигнала посредством провода. Измерительный преобразователь 16 также может получать электропитание из модуля 212 управления питанием либо может снабжаться электропитанием отдельно.
В ходе своей работы устройство 210 согласования аналогового сигнала принимает и фильтрует поступающие из измерительного преобразователя 16 сигналы процесса, соответствующие регистрируемым параметрам промышленного процесса. Эти прошедшие фильтрацию сигналы затем преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 208 и перед обработкой в сигнальном процессоре 204 дополнительно фильтруются в устройстве 206 согласования цифрового сигнала. В некоторых вариантах осуществления периферийного устройства 10 может отсутствовать устройство 105 согласования цифрового сигнала, устройство 210 согласования аналогового сигнала или оба указанных устройства, в частности, в случае, когда сигналы, выдаваемые измерительным преобразователем 16, уже прошли предварительное согласование. Подобным образом аналого-цифровой преобразователь 208 не нужен в вариантах осуществления, в которых измерительный преобразователь 16 выдает цифровой сигнал. Сигнальный процессор 204 на основании прошедшего согласование цифрового сигнала процесса формирует сообщение процесса и передает данное сообщение процесса через приемопередатчик 202 и антенну 12. Помимо регистрируемого параметра процесса, данное сообщение процесса может указывать значения точности датчика, информацию о нештатных состояниях измерительного преобразователя 16, состояния по электропитанию или величине напряжения из модуля 212 управления питанием и результаты выполняемого на стороне устройства анализа регистрируемого параметра процесса. Хотя приемопередатчик 202, сигнальный процессор 204, устройство 206 согласования цифрового сигнала, аналого-цифровой преобразователь 208 и устройство 210 согласования аналогового сигнала были описаны как отдельные компоненты, функции некоторых или всех указанных компонентов в некоторых вариантах осуществления изобретения могут выполняться совместно используемыми аппаратными средствами, например, общим микропроцессором. Периферийное устройство 10 также может содержать местный интерфейс оператора (не показан), содержащий, например, экран и/или клавиши ввода, что дает оператору возможность непосредственного взаимодействия с периферийным устройством 10. Подобно другим компонентам периферийного устройства 10, требующим питания, этот местный интерфейс оператора получает питание из модуля 212 управления питанием.
Все компоненты технологического устройства 10, требующие электропитания, получают его из модуля 212 управления питанием. Как показано на фиг. 4, модуль 212 управления питанием принимает электропитание через контактный блок 26 из внутреннего источника 100 питания. Как поясняется далее со ссылкой на фиг. 5-7, технологическое устройство 10 может, как вариант, быть выполнено с возможностью приема электропитания из внешнего источника через контактный модуль 300. Однако в любом случае, как для подключения к внутреннему источнику 100 питания, так и для подключения к контактному модулю 300 используется один и тот же контактный блок 26. Таким образом, контактный блок 26 не зависит от того, какой источник питания используется, внутренний или внешний, но может зависеть от модели периферийного устройства 10. Контактный блок 26 может, например, иметь форму или конфигурацию, разработанную специально для соответствия конкретной модели периферийного устройства 10.
Фиг. 5 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного варианта осуществления периферийного устройства 10 в конфигурации для получения электропитания из внешнего источника 400 питания через контактный модуль 300. Фиг. 5 изображает антенну 12, технологический соединитель 14, измерительный преобразователь 16, основной корпус 18, крышку 20 электроники, крышку 22 батареи, контактный блок 26, внутреннюю стенку 28, соединители 30 электропитания, отверстия 32 под винты, крепежные винты 34 контактного блока, узел 36 подключения источника питания, кабельный канал 38, жесткую муфту 40, контактный модуль 300 (с винтовыми клеммами 310 и удерживающим кольцом 312) и внешний источник 400 питания. Внешний источник 400 питания соединен с контактным модулем 300 проводом PW электропитания. Фиг. 5 изображает детали разнесенными в пространстве, чтобы показать содержимое отсека PC электропитания, как пояснялось выше со ссылкой на фиг. 2-4.
За исключением контактного модуля 300, который заменяет внутренний источник 100 питания, каждый компонент, изображенный на фиг. 5, соответствует фиг. 2. Антенна 12, технологический соединитель 14, измерительный преобразователь 16, основной корпус 18, крышка 20 электроники, крышка 22 батареи, контактный блок 26, внутренняя стенка 28, соединители 30 электропитания, отверстия 32 под винты, крепежные винты контактного блока, узел 36 подключения источника питания, кабельный канал 38 и жесткая муфта 40 описаны выше со ссылкой на фиг. 2 и 3. Контактный модуль 300 представляет собой модульный компонент, выполненный с возможностью посадки внутри отсека PC электропитания взамен внутреннего источника 100 питания. Контактный модуль 300 получает и преобразует электропитание от внешнего источника 400 питания, которым может быть электросеть общего пользования, солнечная панель, система преобразования энергии, например, вибрационный или термоэлектрический преобразователь энергии или иной внешний источник питания, непосредственно подключенный к контактному модулю 300.
Подобно внутреннему источнику 100 питания, контактный модуль 300 присоединяется к контактному блоку 26 через узел 36 подключения источника питания, служащий для присоединения источника питания. Таким образом, то же крепление, которое удерживает внутренний источник 100 питания (описанный выше со ссылкой на фиг. 3) и обеспечивает контакт с ним, в равной степени допускает возможность установки контактного модуля 300 и, соответственно, прием внешнего электропитания без дополнительной модификации либо конфигурирования периферийного устройства 10. Подобно внутреннему источнику 100 питания, контактный блок 300 может дополнительно прижиматься к контактному блоку 26 крышкой 116.
В этом иллюстративном варианте осуществления контактный модуль 300 содержит винтовые клеммы 310 и удерживающее кольцо 312. Удерживающее кольцо 312 функционирует аналогично удерживающему кольцу 110 внутреннего источника 100 питания, сопрягаясь с пружиной или фланцем крышки 22 батареи с целью обеспечения прижатия контактного модуля 300 к контактному блоку 26 при закрытой крышке 22 батареи (см. фиг. 6 далее). Винтовые клеммы 310 обеспечивают фиксацию и электрическое соединение для проводов PW электропитания. Провод PW электропитания содержит проводники или кабели, идущие из внешнего источника 400 питания в контактный модуль 300. Провод PW электропитания может, например, проходить между контактным модулем 300 и контактным блоком 26 и сквозь кабельный канал 38. Винтовые клеммы 310 изображены как проводящие винты с резьбой, выполненные с возможностью фиксации оголенных проводников провода PW электропитания, но без отступления от сущности настоящего изобретения винтовые клеммы 310 могут быть заменены электрическими соединителями любого типа, например, штыревыми, пружинными или зажимными электрическими соединителями.
Контактный модуль 300 содержит электронику для преобразования электропитания, выполненную с возможностью согласования напряжения и токов, ожидаемых в контактном блоке 26, как поясняется далее со ссылкой на фиг. 6. Если внешний источник 400 питания предоставляет переменное напряжение, то может быть выбрано решение, в котором контактный модуль 26 содержит электронику для преобразования электропитания, выпрямляющую внешнее электропитание. В общем, контактный модуль предоставляет внешний интерфейс (в виде винтовых клемм 310) для приема электропитания из источника 400 питания и соответствующую внутреннюю электронику для преобразования электропитания, предназначенную, по существу, для приведения электропитания, принимаемого на винтовых клеммах 310, в соответствие электропитанию, выдаваемого внутренним источником 100 питания. Указанным образом контактный модуль 300 делает возможным подключение внешнего источника 400 питания к периферийному устройству 10 без внесения каких-либо изменений в аппаратные средства и функции модуля 212 управления питанием или контактного блока 26. Контактный модуль 300 индивидуален для источника 400 питания. Каждому источнику 400 питания может требоваться индивидуальное преобразование электропитания и/или индивидуальное подключение, что обеспечивается контактным модулем 300.
В соответствии с данным вариантом осуществления фиг. 6 представляет собой разрез фрагмента периферийного устройства 10 плоскостью 6-6, показанной на фиг. 5. Фиг. 6 изображает основной корпус 18, контактный блок 26, крышку 22 батареи, внутреннюю стенку 28, соединители 30 электропитания, кабельный канал 38, жесткую муфту 40, контактную плату 46, контактные стержни 48, изогнутую пружину 50, контактный модуль 300, отсек ЕС электроники и отсек PC электропитания. Контактный модуль 300 содержит винтовую клемму 310 и удерживающее кольцо 312, как указано выше, а также вставку 302 соединителя, кольцевой уплотнитель 304, асимметричное тело 306 и электрический соединитель 308, аналогичные вставке 102 соединителя, кольцевому уплотнителю 104, асимметричному телу 106 и электрическому соединителю 108 внутреннего источника 100 питания. Контактный модуль 300 дополнительно содержит печатную плату 314 и стержни 316 контактного модуля.
Вставка 302 соединителя контактного модуля 300, по существу, идентична вставке 102 соединителя внутреннего источника 100 питания, и поэтому аналогичным образом состыковывается с контактным модулем 26. Как указано выше со ссылкой на фиг. 2-4, контактный блок 26 представляет собой проходное устройство, которое передает электропитание из подключенных устройств, например, из внутреннего источника 100 питания или из контактного модуля 300, на соединители 30 электропитания. Контактный блок 26 содержит контактную плату 46, представляющую собой печатную плату или плату с печатными проводниками, которая принимает соединители 30 электропитания и которая соединяет каждый соединитель 30 электропитания с соответствующим подключенным источником напряжения, например, с внутренним источником 100 питания или контактным модулем 300, и с периферийными устройствами, подключенными к соединителям 42 для внешней проводки (см. фиг. 2 и 3). Кроме того, контактный модуль 26 содержит контактные стержни 48, создающие электрический контакт с контактным модулем 300 на электрических соединителях 308, или, в случае внутреннего источника 100 питания, на электрических соединителях 108.
В соответствии с данным вариантом осуществления асимметричное тело 306 садится в жесткую муфту 40 аналогично асимметричному телу 106 внутреннего источника 100 питания и аналогичным образом удерживается путем фрикционной посадки, обеспечиваемой кольцевым уплотнителем 304. Изогнутая пружина 50 устанавливается между крышкой 22 батареи и контактным модулем 300 и способствует удержанию контактного модуля 300 в соприкосновении с контактным блоком 26 несмотря на наличие вибрации, которая могла бы вызвать отсоединение контактного модуля 300 от контактного модуля 26. Хотя на фиг. 3 и 4 изогнутая пружина 50 не показана, она может аналогичным образом использоваться для удержания внутреннего источника 100 питания.
Винтовые клеммы 310 контактного модуля 300 присоединены к печатной плате 314. Печатная плата 314 передает электропитание из провода электропитания, подключенного к винтовым клеммам 310, на электрический соединитель 308 через стержни 316 контактного модуля. Провод PW электропитания присоединяется к винтовой клемме 310, и может, например, проходить под контактным модулем 300, между контактным модулем 300 и контактным блоком 26 и выходить через кабельный канал 38 к внешнему источнику 400 питания. Печатная плата 314 дополнительно содержит электронику для преобразования электропитания, выполненную с возможностью приведения в соответствие напряжения на электрическом соединителе 308 контактного модуля 300 и напряжения на электрическом соединителе 108 внутреннего источника 100 питания. Например, печатная плата 314 может содержать электронику для регулирования напряжения, к примеру, схему защиты по току или схему защиты от перенапряжения и/или выпрямитель тока, в соответствии с внешним источником 400 питания. Конкретная электронная схема регулирования, содержащаяся на печатной плате 314, будет определяться видом внешнего источника 400 питания (к примеру, печатная плата 314 будет содержать выпрямители только в том случае, когда внешний источник 400 питания выдает переменное напряжение). Таким образом, контактный модуль 300, предпочтительно, индивидуален для конкретного внешнего источника 400 питания или типа внешних источников питания 400. Чтобы периферийное устройство 10 могло использовать любой требуемый внешний источник 400 питания, может быть выбран соответствующий контактный модуль 300. В некоторых вариантах осуществления изобретения один контактный модуль 300 может подключаться к нескольким различным источникам питания 400 и получать от них электропитание.
Фиг. 7 представляет собой функциональную схему периферийного устройства 10 в конфигурации для работы от внешнего питания. Конфигурация, показанная на фиг. 7, идентична конфигурации, показанной на фиг. 4, за исключением того, что внутренний источник питания 100 заменен на контактный модуль 300. Фиг. 7 изображает внутренний объем HI корпуса, отсек ЕС электроники, отсек PC электропитания, антенну 12, приемопередатчик 202 измерительного преобразователя, сигнальный процессор 204, устройство 206 согласования цифрового сигнала, аналого-цифровой преобразователь 208, устройство 210 согласования аналогового сигнала, модуль 212 управления питанием, контактный блок 26 и контактный модуль 300 с винтовыми клеммами 310 и печатной платой 314. Как указано выше со ссылкой на фиг. 6, винтовые соединители фиксируют электрические проводники провода PW электропитания, идущего от внешнего источника 400 питания, и обеспечивают проводящий интерфейс для подключения указанных проводников.
Как указано выше, внешний источник 400 питания может быть выбран из широкого спектра внешних источников питания, в частности, электросетей общего пользования, солнечных панелей и систем сбора энергии, например, вибрационных или термоэлектрических преобразователей энергии. Контактный модуль 300 выбирается для каждого внешнего источника 400 питания так, чтобы электропитание из внешнего источника 400 питания, поступающее на контактный блок 26, преобразовывалось в выходные напряжения, по существу совпадающие с выходными напряжениями внутреннего источника 100 питания.
Контактный модуль 300 и контактный блок 26 совместно используются для снижения количества различных компонентов, применяемых в системе, питающей множество моделей периферийных устройств с использованием источников питания разных типов. В обычной системе, использующей индивидуальный контактный блок для каждого сочетания модели периферийного устройства и источника питания, потребуется до N×М разных контактных блоков, где N - количество различных моделей периферийных устройств, а М - количество различных источников питания. Настоящее изобретение, используя контактный модуль 300 в сочетании с контактным блоком 26, снижает это количество до N+М. Например, в обычной системе с четырьмя моделями устройств, использующей источники питания трех разных типов, потребовалось бы двенадцать контактных модулей, тогда как при использовании настоящего изобретения потребуется только семь разных компонентов: четыре варианта контактного блока 26 и три варианта контактного модуля 300.
Фиг. 8 представляет собой перспективное изображение периферийного устройства 10b, которое является еще одним вариантом осуществления периферийного устройства 10 (см. фиг. 1). Технологическое устройство 10b содержит антенну 12b, технологический соединитель 14b, измерительный преобразователь 16b, основной корпус 18b, крышку 20b электроники и крышку 22b батареи, которые функционируют аналогично соответствующим элементам (антенне 12, технологическому соединителю 14, измерительному преобразователю 16, основному корпусу 18, крышке 20 электроники и крышке 22 батареи), описанным выше со ссылкой на фиг. 1. В отличие от технологического устройства 10, технологическое устройство 10b не содержит какого-либо аналога кабельного канала 38, выполненного с возможностью вывода кабеля в отсек батарей сквозь основной корпус 18. Чтобы подготовить периферийное устройство 10b к работе от внешнего питания, крышку 22b батареи меняют на сменную крышку 22 с батареи, имеющую кабельный канал, как описывается далее со ссылкой на фиг. 10 и 11.
Фиг. 9 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей периферийного устройства 10b в конфигурации для работы от внутреннего источника питания аналогично фиг. 2. Фиг. 9 изображает антенну 12b, технологический соединитель 14b, измерительный преобразователь 16b, основной корпус 18b, крышку 20b электроники, крышку 22b батареи и внутренний источник 100b питания. Внутренним источником 100b питания может быть, например, обычная батарея элементов С или D, а не компонент, специально предназначенный для периферийного устройства 10b. Основной корпус 18b и крышка 22b батареи, как показано, определяют отсек PC электропитания. Размер отсека PC электропитания обеспечивает возможность приема в нем внутреннего источника 100b питания. В отличие от периферийного устройства 10, технологическое устройство 10b не использует отдельный контактный модуль 26, расположенный внутри отсека PC электропитания. Вместо этого внутренний источник 100b питания непосредственно сопрягается с электрическим контактом, расположенным в задней части отсека PC электропитания (не показан на фиг. 9; см. фиг. 11). Ограниченный срок службы обычных батарей элементов С и D может ограничивать использование периферийного устройства 10b задачами с относительно низким энергопотреблением по сравнению с периферийным устройством 10, либо может требовать более частой замены внутреннего источника 100b питания.
Фиг. 10 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей технологического устройства 10b в конфигурации для работы от внешнего источника питания аналогично вышеприведенной фиг. 5. Фиг. 10 изображает антенну 12b, технологический соединитель 14b, измерительный преобразователь 16b, основной корпус 18b, крышку 20b электроники, сменную крышку 22 с батареи, контактный модуль 300b, кабельный канал 38b, адаптер 52 кабельного канала, винтовые клеммы 310b, кабельный проход 318, внешний источник 400 питания, провод PW электропитания и отсек PC электропитания. Антенна 12b, технологический соединитель 14b, измерительный преобразователь 16b, основной корпус 18b и крышка 20b электроники здесь такие же, как описано выше со ссылкой на фиг. 9, и аналогичны соответствующим элементам периферийного устройства 10 (описанного выше со ссылкой на фиг. 2-7). Контактный модуль 300b заменяет внутренний источник 100b питания внутри отсека PC электропитания, и, соответственно, имеет размер, соответствующий обычной батарее элементов С или D. Контактный модуль 300b содержит винтовые клеммы 310b, аналогичные винтовым клеммам 310 контактного модуля 300 периферийного устройства 10. Винтовые клеммы 310b обеспечивают фиксацию и электрическое подключение для провода PW электропитания. Провод PW электропитания от винтовых клемм 310b через кабельный проход 318, кабельный канал 38b и адаптер 52 кабельного канала проходит к внешнему источнику 400 питания. Внешним источником 400 питания может быть любой подходящий местный источник питания, как указано выше со ссылкой на фиг. 5-7, например, местная электросеть 12 или 24 В постоянного тока, солнечная панель или система сбора энергии, например, вибрационный или термоэлектрический преобразователь энергии.
В данном варианте осуществления сменная крышка 22 с батареи в основном идентична крышке 22b батареи (см. фиг. 8 и 9), но содержит кабельный канал 38b, представляющий собой герметизированный проход между отсеком PC электропитания и внешней средой. Контактный модуль 300b содержит кабельный проход 318, представляющий собой отверстие, выровненное с кабельным каналом 38b таким образом, чтобы провод PW электропитания мог быть выведен из отсека PC электропитания. Кабельный проход 318 и кабельный канал 38b вместе образуют проход для провода PW электропитания между винтовыми клеммами 310b и внешним источником 400 питания. Адаптер 52 кабельного канала представляет собой направляющую для провода PW электропитания, надеваемую на сменную крышку 22 с батареи с возможностью поворота относительно сменной крышки 22 с батареи, что дает возможность затягивать адаптер 52 кабельного канала на трубке внешнего кабельного канала без затягивания или ослабления сменной крышки 22 с батареи.
Как указано выше, периферийное устройство 10b не содержит отдельный контактный блок 26 внутри отсека PC электропитания. Контактный модуль 300b сопрягается с теми же контактами батареи, которые используются внутренним источником 100 питания (см. фиг. 11 далее). Контактный модуль 300b дает возможность питать периферийное устройство 10b от источников, отличных от внутреннего источника 100 питания. Если контактный модуль 300b рассчитан на использование батарей элементов С, то, например, контактный модуль 300b может предоставить периферийному устройству 10 возможность получать электропитание от солнечных панелей или систем сбора энергии, как указано выше, или от внешнего комплекса батарей с целью увеличения срока службы батареи по сравнению с одной батареей элементов С.
Фиг. 11 представляет собой изображение технологического устройства 10b в разрезе плоскостью 11-11 на фиг. 10. Фиг. 11 изображает антенну 12b, технологический соединитель 14b, измерительный преобразователь 16b, основной корпус 18b, крышку 20b электроники, сменную крышку 22 с батареи, внутреннюю стенку 28b, соединитель 54 электропитания, контактный модуль 300b, кабельный канал 38b, адаптер 52 кабельного канала, винтовые клеммы 310b, кабельный проход 318, провод PW электропитания и отсек PC электропитания.
Внутренняя стенка 28b представляет собой непроницаемый барьер, аналогичный внутренней стенке 28 технологического устройства 10, отделяющий отсек PC электропитания от отсека ЕС электроники. Как указано выше со ссылкой на фиг. 9 и 10, размер отсека PC электропитания обеспечивает возможность размещения в нем внутреннего источника 100b питания или контактного модуля 300b, размеры которых, в сущности, одинаковы. Источником 100b питания может быть, например, обычная батарея элементов С или D, а отсек PC электропитания, соответственно, имеет размер, обеспечивающий возможность посадки такой батареи. В отсеке ЕС электроники размещена электроника для передачи, приема и обработки сигнала (не показана), по существу совпадающая с описанной со ссылкой на фиг. 4 и 7.
Как указано выше, контактный модуль 300b заменяет внутренний источник 100b питания и содержит винтовую клемму 310b для провода PW электропитания, который проходит через кабельный проход 318, кабельный канал 38b крышки 22 с батареи и адаптер 52 кабельного канала. Контактный модуль 300b дополнительно содержит электронику для преобразования электропитания, например, выпрямители и схемы защиты по току и от перенапряжения, выполненные с возможностью приводить внешнее электропитание в соответствие с выходными характеристиками внутреннего источника 100 питания. Контактный модуль 300b принимается соединителем 54 электропитания, представляющим собой проводящий стержень, проходящий через внутреннюю стенку 28b, для передачи питания из контактного модуля 300b или внутреннего источника 100b питания в электронику, находящуюся в отсеке ЕС электроники. Контактный модуль 300b выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось соответствующее внешнему источнику 400 питания преобразование электропитания, которое давало бы периферийному устройству 10b возможность идентичного функционирования независимо от того, предоставляется ли электропитание внутренним источником, например, внутренним источником 100b питания, или внешним источником через контактный модуль 300b.
Настоящее изобретение представляет контактные модули 300 и 300b в качестве замены для внутренних источников 100 и 100b питания. Контактные модули 300 и 300b принимают и преобразуют электропитание из внешнего источника 400 питания для передачи на контактный блок 26 или соединитель 54 электропитания. Таким образом, контактные модули 300 и 300b дают возможность быстро и с легкостью переналаживать периферийные устройства 12 и 12b на работу от внутреннего или внешнего питания в соответствии с потребностью, без необходимости иметь большой набор различных контактных блоков. Производственный объект, использующий контактный узел настоящего изобретения для N моделей периферийных устройств с различными подключениями для контактного блока 26 и М источников внешнего питания с различными требованиями к преобразованию питания требует, самое большее, N+M различных элементов: N контактных блоков и М контактных модулей. Для некоторых применений один контактный модуль может использоваться с несколькими внешними источниками питания, в результате чего количество необходимых комплектующих становится меньше N+M. В то же время обычная система, использующая специализированные контактные блоки для каждого сочетания периферийного устройства и источника питания, потребовала бы использования N×M различных контактных блоков. Кроме того, настоящее изобретение дает возможность компактно встроить аппаратные средства для преобразования электропитания в контактные модули 300 и 300b, обеспечив защиту указанных компонентов путем размещения внутри отсека PC электропитания. Размеры и пропорции контактных модулей 300 и 300b обеспечивают возможность их плотной посадки внутри отсека PC электропитания взамен внутренних источников 100 или 100b питания.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было раскрыто со ссылкой на примерный вариант (варианты) осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что без выхода за пределы объема охраны настоящего изобретения могут быть сделаны различные изменения, а элементы заменены своими эквивалентами. Кроме того, без выхода за пределы сущности и объема охраны настоящего изобретения в нем могут быть сделаны разнообразные модификации, направленные на согласование конкретной ситуации или материала с принципами настоящего изобретения. Соответственно, имеется в виду, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным раскрытым вариантом (вариантами) осуществления, а включает все варианты осуществления изобретения, находящиеся в пределах объема охраны изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.