ДВУХПРОВОДНЫЙ ИНДИКАТОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С МИКРОИНКАПСУЛИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИМ ДИСПЛЕЕМ
DOUBLE-WIRE PROCESS PARAMETER INDICATOR WITH MICROENCAPSULATED ELECTROPHORETIC DISPLAY

Предшествующий уровень техники
В промышленных условиях для контроля и управления материально-производственными запасами производственных и химических процессов и т.п. используются системы управления. Как правило, система управления выполняет эти функции, используя периферийные устройства, рассредоточенные по ключевым позициям в производственном процессе и соединенные со схемами управления в помещении управления через контур управления процессом. Термин "периферийное устройство" относится к любому устройству, которое выполняет функцию в распределенной системе управления или контроля за ходом технологического процесса, и включает в себя все устройства, используемые для измерения, управления и осуществления текущего контроля производственных процессов. В таких производственных процессах вещества, такие как жидкости, суспензии или твердые частицы, часто хранятся в больших накопительных резервуарах или резервуарах с обрабатывающим раствором. Периферийное устройство одного примерного типа может измерять высоту вещества в резервуаре и обеспечивать индикацию такого уровня вещества в резервуаре через контур управления процессом. Периферийное устройство другого примерного типа может измерять давление или скорость потока жидкого вещества, протекающего по трубопроводу, такому как труба, и предоставлять такую индикацию через контур управления процессом. Однако часто также полезно обеспечивать локальную индикацию технологических параметров таким образом, чтобы техник или оператор, проходящий поблизости от резервуара или периферийного устройства, мог быстро получать визуальную индикацию относительно технологических параметров без необходимости запрашивать периферийное устройство через технологические коммуникации. Один способ, в котором обеспечивается такая визуальная индикация по отношению к индикации уровня вещества в резервуаре, заключается в использовании магнитоуправляемого индикатора.
Раскрытие сущности изобретения
Двухпроводный индикатор технологических параметров включает в себя корпус, имеющий множество расположенных в нем выводов. Выводы выполнены с возможностью подсоединения к двухпроводному контуру управления процессом. Модуль питания подсоединен к множеству выводов для приема электрического тока из контура управления технологическим процессом. Схема контроллера подсоединена к модулю питания, а микроинкапсулированный электрофоретический дисплей подсоединен к схеме контроллера.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схематическое изображение магнитоуправляемого индикатора предшествующего уровня техники для обеспечения локальной индикации уровня вещества в резервуаре в технологической установке.
Фиг. 2 представляет схематическое изображение двухпроводного индикатора технологических параметров в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет схематическое изображение индикатора технологических параметров, использующего микроинкапсулированный электрофоретический дисплей, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет схематическое изображение способа формирования микроинкапсулированного электрофоретического дисплея для использования с вариантами осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Фиг. 1 представляет схематическое изображение магнитоуправляемого индикатора предшествующего уровня техники для обеспечения локальной индикации уровня вещества в резервуаре в технологической установке. Технологический резервуар 10 частично заполнен жидким веществом 12. Цилиндрическая поплавковая камера 14 связана по текучей среде с резервуаром 10 через каналы 16 и 18. Благодаря гидродинамическим муфтам 16, 18 уровень 20 жидкости 12 в резервуаре 10 отображается в поплавковой камере 14, как показано позиционным обозначением 22. Подходящий поплавок 24 плавает на жидком веществе в поплавковой камере 14 на уровне 22. Поплавок 24 образован из материала, который магнитным способом взаимодействует с индикатором 26. Таким образом, когда уровень поплавка 24 повышается или понижается с уровнем 20 вещества 12 в резервуаре 10, индикатор 26 соответствующим образом будет повышаться или понижаться.
В то время как система, показанная на фиг. 1, является полезной для обеспечения быстрой локальной индикации уровня вещества в резервуаре для оператора или техника, для нее часто требуется специально разработанная и изготовленная поплавковая камера и сосуд высокого давления, которые должны соответствовать нормативным требованиям к сосудам высокого давления для каждого индикатора. Помимо этого, сам поплавок, как правило, специально разрабатывают для каждого применения, чтобы гарантировать, что он будет "плавать" в надлежащем местоположении на границе раздела. Поскольку при различных применениях могут быть жидкие вещества с отличающейся относительной плотностью, это может создавать проблему. Кроме того, это решение обязательно требует, чтобы вещество было жидкостью. Использование магнитного поплавка с твердым веществом просто невозможно, поскольку твердое вещество не будет эффективно проходить через гидродинамические муфты 16, 18. Более того, все устройство должно быть вообще спроектированным по заказу, и оно является относительно большим, громоздким и дорогостоящим для производства. Таким образом, при обеспечении системы для локальной индикации уровня вещества в технологическом резервуаре могут добавляться существенные расходы.
Фиг. 2 представляет схематическое изображение двухпроводного индикатора технологических параметров в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 100 измерения уровня вещества в резервуаре включает в себя датчик 102 измерения уровня вещества, смонтированный над резервуаром 10, который имеет измерительный зонд 104, заходящий в резервуар 10. Датчик 102 технологического уровня является известным устройством, способным передавать и принимать по измерительному зонду 104 сигналы локатора, которые отражаются от неоднородностей, создаваемых границами раздела технологических текучих сред, такими как уровень 20. Время до отражения измеряется, и оно является показателем уровня вещества в резервуаре 10. Хотя фиг. 2 изображает "волноводную систему измерения уровня", могут использоваться любые подходящие системы измерения уровня вещества, включая бесконтактные волновые системы измерения, ультразвуковые системы и любые другие подходящие системы, которые могут точно измерять уровень вещества в резервуаре 10. Более того, некоторые технические решения, такие как бесконтактные радарные уровнемеры, могут измерять уровень твердых частиц в резервуаре. Независимо от используемого устройства датчик 102 уровня вещества в резервуаре выполнен с возможностью обеспечения выходного сигнала уровня вещества в резервуаре через двухпроводный контур 108 управления процессом. Двухпроводный контур управления процессом может иметь токовый сигнал 4-20 мА, который варьируется между 4 и 20 мА, чтобы представлять технологический параметр. Однако в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения на практике могут быть применены другие устройства. Как показано на фиг. 2, двухпроводный индикатор 106 технологических параметров размещен электрически последовательно с датчиком 102. Таким образом, в двухпроводном контуре 108 имеется 4-20 мА сигнал, генерируемый датчиком 102, и он может использоваться индикатором 106 уровня вещества, чтобы производить отображение уровня вещества. Индикатор 106 уровня вещества включает в себя электронные схемы, расположенные внутри корпуса (показано на фиг. 3), например взрывоустойчивого корпуса, при этом электронные схемы выполнены с возможностью приведения в действие дисплея с электронными чернилами. В некоторых вариантах осуществления проводное соединение между датчиком 102 измерения уровня вещества и блоком 106 отображения уровня вещества может осуществляться с помощью стандартного кабельного соединения. Индикатор 106 уровня вещества может содержать дисплей 109 с электронными чернилами или быть подсоединенным непосредственно к нему, или индикатор 106 уровня вещества может быть расположен на расстоянии от дисплея 109 и быть связанным с дисплеем 109 с использованием любого подходящего электронного соединения. В некоторых вариантах осуществления индикатор 106 уровня вещества и дисплей 109 содержат отдельный блок, который может быть установлен на резервуаре 10 или вблизи от него. Индикатор 106 уровня вещества локально обеспечивает надежную, высококонтрастную индикацию уровня вещества, без необходимости в каких-либо соединениях с резервуаром 10 по технологической текучей среде или соединениях типа технологического проникновения, как требуется для системы индикации типа магнитного поплавка. В вариантах осуществления, в которых индикатор 106 уровня вещества и дисплей 109 смонтированы на резервуаре 10, такой монтаж может быть выполнен любым подходящим способом, включая закрепление системы на резервуаре 10 или крепление устройства к резервуару 10 магнитным способом. Более того, как показано на фиг. 2, дисплей 109 может быть размещен на боковой стенке резервуара 10 таким образом, чтобы уровень 110, показываемый дисплеем 109, соответствовал физическому уровню 20 в резервуаре 10.
В настоящее время известны двухпроводные индикаторы технологических параметров. Например, такой индикатор может быть получен от фирмы Rosemount Inc., Chanhassen, Minnesota (шт. Миннесота), под торговым обозначением Model 751. Однако индикатор Model 751 основан на жидкокристаллической технологии. В таких индикаторах, как правило, для жидкокристаллического дисплея требуется использование лампы подсветки. Хотя известны жидкокристаллические дисплеи, которые не имеют ламп подсветки, их контрастность несколько ограничена, и возможность чтения показаний таких индикаторов при дневном свете не является оптимальной. Помимо этого, по мере того как размер жидкокристаллического дисплея увеличивается, потребности в электроэнергии для такого дисплея также увеличиваются. Соответственно, обеспечение относительно большого, высококонтрастного жидкокристаллического дисплея состояния процесса может потребовать значительно больше энергии, чем можно обеспечивать с помощью токовой петли 4-20 мА. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения обеспечен микроинкапсулированный электрофоретический дисплей технологических параметров. Дисплей в соответствии с известными техническими приемами изменяет коэффициент отражения определенных местоположений, или пикселей, на основании электрических зарядов, прикладываемых к электрофоретическим микрокапсулам. В результате получается высококонтрастный дисплей, для которого требуется очень мало энергии. Кроме того, учитывая, что прикладывание электрического заряда к электрофоретическому дисплею вызывает соответствующее перемещение микрокапсул и что такие микрокапсулы в общем сохраняют свой заряд, количество электроэнергии, требуемой для поддержания отображения после того, как было предоставлено первоначальное изображение на экране дисплея, значительно снижено по сравнению с жидкокристаллическими дисплеями.
Микроинкапсулированные электрофоретические дисплеи известны и по сути имитируют чернила на бумаге в обеспечении высококонтрастных черно-белых изображений на экранах дисплеев, которые могут быть изменены посредством использования электронной сетки/контроллера. Такие дисплеи могут быть гибкими, подобно бумаге, и очень хорошо адаптируемыми. Помимо этого, такие технические средства потребляют чрезвычайно мало энергии. Электрофоретический дисплей состоит из миллионов крошечных микрокапсул, каждая из которых имеет диаметр, равный приблизительно диаметру человеческого волоса. Каждая микрокапсула содержит положительно заряженные белые частицы и отрицательно заряженные черные частицы, взвешенные в прозрачной текучей среде. Когда прикладывают положительное или отрицательное электрическое поле, соответствующие частицы перемещаются к верхней части микрокапсулы, где они становятся видны пользователю. Это приводит к тому, что в этом местоположении, или пикселе, поверхность становится белой или черной. Это техническое решение действует посредством отражения света и, соответственно, не зависит от лампы подсветки, как, например, жидкокристаллические дисплеи. Это обеспечивает очень полезный дисплей для яркого света, такого как дневной свет. Кроме того, высокий контраст, как также полагают, обеспечивает очень хорошую видимость ночью при обычных заводских условиях освещения.
Фиг. 3 представляет схематическое изображение индикатора технологических параметров, использующего микроинкапсулированный электрофоретический дисплей в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Индикатор 200 включает в себя корпус 202, который в некоторых вариантах осуществления является взрывоустойчивым корпусом. Известны взрывоустойчивые корпуса датчиков и взрывонепроницаемые оболочки для другого оборудования, предназначенного для управления производственным процессом. Термин "взрывоустойчивые", как используется в данном документе, и в соответствии с National Electrical Code (национальными электротехническими нормами безопасности), означает, что если там произойдет взрыв, то он будут удерживаться внутри оболочки. В некоторых вариантах осуществления схемы в индикаторе 200 уровня вещества разработаны так, чтобы удовлетворять требованиям искробезопасности. Как используется в данном документе, выражение "требования искробезопасности" означает, что схема разработана таким образом, что даже если возникнет состояние короткого замыкания или неисправности, там нет достаточной энергии для поджигания или воспламенения легковоспламеняющихся материалов, которые могут быть расположены в опасной зоне.
Оболочка 202 содержит пару выводов 204, 206, которые выполнены с возможностью подсоединения к двухпроводному контуру управления процессом. Как изложено выше, индикатор 200 расположен последовательно в контуре управления процессом. Соответственно, ток, задаваемый датчиком технологических параметров, таким как датчик 102 измерения уровня вещества, поступает через выводы 204, 206. Выводы 204, 206 подсоединены к модулю 208 питания, который выполнен с возможностью установления требуемого режима или в противном случае получения электроэнергии из двухпроводного контура и подачи подходящей электроэнергии в электрофоретические схемы 210 контроллера. Схемы 210 контроллера приводят в действие микроинкапсулированный электрофоретический дисплей 212, чтобы показывать значение, соответствующее величине тока, текущего по выводам 204, 206. Поскольку ток, поступающий из двухпроводного контура, колеблется в пределах от 4 до 20 мА, все схемы в индикаторе 200 ограничены потреблением лишь небольшой части этой энергии, так что в целом на технологический параметр, сообщаемый системе управления процессом, он не влияет. Помимо этого, в вариантах осуществления, в которых цифровая информация накладывается на сигнал тока, индикатор технологических параметров также может воспроизводить на дисплее другие данные, такие как дополнительный технологический параметр, диагностические данные и/или сигналы тревоги. Хотя индикатор, иллюстрируемый на фиг. 3, показывает дисплей 212, расположенный внутри оболочки 202 или рядом с ней, дисплей 212 может быть расположен на расстоянии от нее, например, как показано на фиг. 2. Кроме того, хотя варианты осуществления настоящего изобретения были в общем описаны относительно отображения уровня вещества в технологическом накопительном резервуаре, варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться для отображения любого технологического параметра, который сообщается через двухпроводный контур.
Фиг. 4 представляет схематическое изображение способа образования микроинкапсулированного электрофоретического дисплея для использования с вариантами осуществления настоящего изобретения. Способ 300 начинается на этапе 302, на котором лист пластмассовой пленки покрывают электрофоретическими микрокапсулами. На этапе 304 лист с покрытием ламинируют слоем структурированной схемы. Эта схема формирует конфигурацию пикселей, которыми можно затем управлять с помощью устройства управления дисплеем, такого как контроллер 210. Затем, на этапе 306, микрокапсулы поддерживаются во взвешенном состоянии в жидкой "несущей среде", что позволяет их покрывать с использованием существующих процессов покрытия. Завершенный слоистый материал может быть нанесен практически на любую поверхность, в том числе на стекло, пластик, ткань и даже бумагу. Такая гибкость позволяет обеспечивать дисплей технологических параметров практически любой длины и ширины. Таким образом, дисплей может быть значительно больше, чем корпус индикатора технологических параметров.
Варианты осуществления настоящего изобретения в общем обеспечивают новый микроинкапсулированный электрофоретический дисплей технологических параметров, который снабжается энергией посредством двухпроводного 4-20 мА контура. Дисплей потребляет очень мало энергии и обеспечивает очень высокую контрастность. Соответственно, локальные показания технологических параметров теперь можно легко обеспечивать во многих ситуациях. Например, уровень твердого вещества (такого как зерно) в резервуаре или контейнере может быть легко отображен локальным образом. Такие локальные отображения твердых частиц в контейнерах с использованием магнитных индикаторов предшествующего уровня техники невозможны, поскольку зерно не может эффективно течь в поплавковую камеру.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть сделаны изменения в форме и деталях без отступления от сущности и объема изобретения.