УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
ADVANCED OBTAINIG OF ELECTRIC ENERGY FOR PROCESS DEVICES

Предшествующий уровень техники
Область техники
Настоящее изобретение относится к промышленным системам контроля и регулирования технологического процесса. Более конкретно - настоящее изобретение относится к получению электроэнергии для полевых устройств.
В сфере промышленности системы регулирования используются для контроля и регулирования материально-производственных аспектов промышленных и химических процессов и т.п. Обычно эти функции системы контроля реализуются с помощью полевых устройств, рассредоточенных по ключевым участкам промышленного процесса и подключенных к схеме управления, находящейся в диспетчерской, посредством контура регулирования технологического процесса. Термин "полевое устройство" относится к любому устройству, которое выполняет какую-либо функцию в распределенной системе контроля или регулирования, включая все устройства, используемые для измерения, контроля и регулирования в промышленных процессах.
Полевые устройства, также именуемые в данном контексте "технологическими устройствами", используются в области контрольно-измерительной техники для множества целей. Обычно такие устройства имеют упрочненный для полевых условий корпус, позволяющий устанавливать их на открытом воздухе в относительно жестких условиях и способный выдерживать экстремальные климатические показатели температуры, влажности, вибрации, механических ударов и т.п. Эти устройства типично работают на относительно небольшой мощности. Например, современные полевые устройства получают всю свою рабочую мощность из известного токового контура 4-20 мА. Эти устройства могут не только работать на таком контуре, но также обмениваться информацией по этому контуру с помощью аналоговых сигналов (обычно путем модуляции 4-20 мА сигнала) и цифровым методом.
Некоторые полевые устройства содержат датчик. Под датчиком подразумевается устройство, которое либо формирует выходной сигнал на основании физического ввода, либо формирует физический выход на основании входного сигнала. Обычно датчик преобразует какой-либо ввод в выход другой формы. Виды датчиков включают в себя различные аналитические приборы, датчики давления, термисторы, термопары, датчики деформаций, датчики потока, позиционеры, пускатели, соленоиды, контрольные лампы и прочее.
Обычно каждое полевое устройство также содержит коммуникационную схему, которая используется для осуществления связи с диспетчерской или другой схемой по контуру регулирования технологического процесса. В некоторых системах контур регулирования процесса также используется для передачи регулируемого тока и/или напряжения в полевое устройство для его питания.
Аналоговые полевые устройства традиционно соединяются с диспетчерской посредством двухпроводных токовых контуров регулирования процесса, причем каждое устройство связано с диспетчерской одним двухпроводным контуром регулирования. Обычно между этими двумя проводами поддерживается разность напряжений в интервале 12-45 вольт для аналогового режима и 9-50 вольт для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал в диспетчерскую посредством модуляции тока, проходящего по контуру, в ток, пропорциональный контролируемому технологическому параметру. Другие аналоговые полевые устройства могут выполнять какое-либо действие под управлением диспетчерской посредством регулирования величины тока, проходящего по контуру. Кроме этого или альтернативно, контур регулирования процесса может нести цифровые сигналы, используемые для связи с полевыми устройствами. Цифровая связь позволяет обеспечить более высокую степень коммуникации, чем аналоговая связь. Полевые устройства, осуществляющие связь цифровым методом, способны реагировать и осуществлять избирательную связь с диспетчерской и/или другими полевыми устройствами. Кроме того, такие устройства способны обеспечивать дополнительную сигнализацию, например передачу диагностических сигналов и/или сигналы тревоги.
В некоторых системах для связи с полевыми устройствами стали применяться беспроводные методы. Беспроводная работа упрощает формирование соединений и настройку полевых устройств. В настоящее время используются беспроводные системы, в которых полевое устройство может содержать внутренний аккумулятор, возможно заряжаемый солнечным элементом, и обходиться без какой-либо проводной связи. Проблема использования внутреннего аккумулятора состоит в том, что энергопотребности беспроводных устройств могут сильно колебаться в зависимости от множества факторов, таких как частота передачи сообщений устройством, компоненты устройства и т.д.
Также существуют проблемы в тех системах, которые не имеют надежного поступления солнечной энергии. Например, проблематично использовать солнечную энергию в областях, полностью затененных ежедневно в течение суток, или в областях с очень малым числом дней с незаходящим Солнцем, например за Северным полярным кругом. Соответственно, в таких системах энергообеспечение беспроводного технологического устройства за счет солнечной энергии ненадежно. Поэтому существует большая потребность в беспроводных технологических устройствах, которые могли бы работать с использованием возобновляемого изобильного источника электроэнергии, независимого от Солнца.
Краткое изложение сущности изобретения
Технологическое устройство содержит контроллер, модуль беспроводной связи. Модуль беспроводной связи подключен к контроллеру. Предусмотрен модуль выработки электроэнергии, вырабатывающий электричество для технологического устройства. Модуль выработки электроэнергии может быть расположен внутри технологического устройства или быть отдельным элементом, подсоединенным к технологическому устройству.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематически примерное (известное) полевое устройство, с которым можно успешно использовать беспроводный блок энергообеспечения и связи, согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - структурную схему полевого устройства, показанного на фиг.1;
Фиг.3 - структурную схему полевого устройства, содержащего схему беспроводной связи для осуществления связи с удаленным устройством, таким как дисплей или ручной прибор, согласно изобретению;
Фиг.4 - вид спереди беспроводного блока энергообеспечения и связи, установленного на полевом устройстве, согласно вариантам настоящего изобретения;
Фиг.5А - структурную схему беспроводного блока энергообеспечения и связи согласно изобретению;
Фиг.5В - структурную схему модуля преобразования энергии согласно изобретению;
Фиг.6 - общий вид системы выработки электроэнергии для технологического устройства согласно изобретению;
Фиг.7 - схему системы выработки электроэнергии для технологических устройств согласно изобретению;
Фиг.8 - схему беспроводного технологического устройства согласно изобретению;
Фиг.9А и 9В - соответственно вид спереди и вид сбоку технологического устройства согласно изобретению;
Фиг.10А и 10В - соответственно вид спереди и вид сбоку технологического устройства согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает выработку электроэнергии для полевых устройств с использованием источников энергии, находящихся вблизи полевого устройства. Кроме того, эти источники энергии не основаны на солнечной энергии. Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают наличие беспроводного блока энергообеспечения и связи, позволяющего полевым устройствам, которые выполнены с возможностью проводной связи, работать без проводов. Кроме того, варианты настоящего изобретения включают в себя выработку электроэнергии для полевого устройства с использованием несолнечного источника энергии, расположенного вблизи полевого устройства.
В вариантах настоящего изобретения используется источник несолнечной энергии вблизи полевого устройства для выработки электроэнергии, используемой полевым устройством. В данном контексте термин "несолнечный" подразумевает любой источник энергии, вырабатываемой молекулами, физически расположенный вблизи полевого устройства. Таким образом, несолнечная энергия может включать в себя энергию ветра, технологию топливных элементов, в которых используется кислород вблизи полевого устройства, и/или топливных элементов, в которых используются молекулы в самой технологической среде, для получения электроэнергии. Каждый из этих вариантов будет описан более подробно ниже.
TM
На фиг.1 и 2 представлены схематический и структурный виды примерного (известного) полевого устройства, с которым можно использовать предложенный беспроводный блок энергообеспечения и связи. Система 10 контроля или регулирования технологического процесса содержит диспетчерскую или систему 12 управления, соединенную с одним или более полевыми устройствами 14 по двухпроводному контуру 16 регулирования процесса. Примеры контура 16 регулирования процесса включают в себя аналоговую 4-20 мА связь, гибридные протоколы, которые включают в себя как аналоговую, так и цифровую связь, такие как стандарт Hughway Addressable Remote Transducer (HART), а также полностью цифровые протоколы, такие как стандарт FOUNDATION Fieldbus. Обычно протоколы контура регулирования процесса могут обеспечивать как энергообеспечение полевого устройства, так и связь между полевыми устройствами и другими устройствами.
В данном примере полевое устройство 14 содержит схему 18, подключенную к пускателю/датчику 20 и контуру 16 регулирования через выходной щиток 21 в корпусе 23. Полевое устройство 14 показано как генератор контролируемого технологического параметра (ТП), который подключен к процессу и определяет какой-то его аспект, например температуру, давление, рН, поток или другие физические свойства процесса, и обеспечивает его индикацию. Другие примеры полевых устройств включают в себя клапаны, пускатели, контроллеры и дисплеи.
Обычно полевые устройства характеризуются способностью работать в "поле", в котором они могут подвергаться воздействиям окружающей среды, таким как температура, влажность и давление. Кроме воздействия окружающих условий полевые устройства часто должны также выдерживать воздействие агрессивных, опасных и/или даже взрывчатых атмосфер. Кроме того, такие устройства часто должны работать в присутствии вибрации и/или электромагнитных помех. Полевые устройства такого типа, как показано на фиг.1, представляют относительно большой спектр существующих устройств, предназначенных для работы, полностью основанной на проводной связи.
На фиг.3 представлена структурная схема беспроводного полевого устройства согласно изобретению. Полевое устройство 34 содержит модуль 38 выработки электроэнергии, контроллер 35, модуль 32 беспроводной связи и пускатель/датчик 20. Модуль 38 может содержать внутренний энергозапасающий блок и предназначен для энергообеспечения полевого устройства 34. Модуль 38 выработки электроэнергии вырабатывает электричество для устройства 34. Способ выработки электроэнергии этим модулем может иметь множество форм, и ниже будут описаны конкретные примеры, такие как топливный элемент и ветровые генераторы. Электроэнергия из модуля 38 приводит в действие контроллер 35 для взаимодействия с пускателем/датчиком 20 и модулем 32 беспроводной связи. Модуль 32 беспроводной связи, в свою очередь, взаимодействует с другими устройствами 24 через антенну 26. На фиг.4 показан вид спереди беспроводного блока 100 энергообеспечения и связи, присоединенного к полевому устройству 14, показанному пунктиром. Блок 100 предпочтительно подсоединен к устройству 14 через стандартную трубку 102 полевого устройства. Примеры подходящих трубчатых соединений включают в себя Ѕ-14 NPT, M20×1,5, G1/2 и 3/8-18 NPT. Блок 100 может содержать шарнир, обеспечивающий поворот 104 вокруг оси 106 и поворот 108 вокруг оси 110. Кроме того, соединительный элемент 112 блока 100 предпочтительно выполнен полым, чтобы можно было подсоединять блок 100 к устройству 14 проводами. В тех вариантах, где не требуется регулировка положения корпуса, соединительный элемент 112 может быть отрезком трубы.
TM
Блок 100 содержит корпус 114, который установлен на соединительном элементе 112. Корпус 114 содержит схему (описанную в связи с фиг.8), которая позволяет блоку 100 осуществлять энергообеспечение и связь с устройством 14 согласно стандартному протоколу, такому как 4-20 мА, Hart, FOUNDATION Fieldbus, Profibus-PA, Modbus или CAN. Предпочтительно этот протокол реализует цифровую связь, чтобы повысить уровень взаимодействия между блоком 100 и устройством 14.
Так как блок 100 находится снаружи устройства 14, можно предусмотреть множество вариантов блока 100 с различными модулями внутренней выработки электроэнергии в зависимости от конкретной энергопотребности устройства, к которому подсоединен этот блок. Блок 100 также предпочтительно содержит схему беспроводной связи (на фиг.4 не показана), которая подсоединена к антенне 120. Наличие внешней антенны 120 облегчает беспроводную связь по сравнению с внутренними антеннами, так как многие корпуса, упрочненные для полевых условий, выполнены из металла и, вероятно, будут ослаблять беспроводной сигнал. Однако можно также реализовать варианты с внутренней антенной вблизи радиопрозрачной части корпуса 114 и/или элементом(ами) 116. Но варианты с внешней антенной являются особенно предпочтительными, когда блок 100 упрочнен для полевых условий, чтобы выдержать воздействие условий, подобных тем, для которых предназначены полевые устройства.
Блок 100 может также содержать локальный пользовательский интерфейс. Соответственно блок 100 может содержать дисплей, такой как жидкокристаллический дисплей (ЖКД) 122, который может быть установлен вблизи одного из элементов 116. Для приема локального пользовательского ввода блок 100 может содержать один или более элементов локального ввода, например кнопку 124. Локальный пользовательский интерфейс важен, так как при полностью беспроводной работе комбинированной системы блок/полевое устройство технику будет удобнее работать с локальным пользовательским интерфейсом, чем пытаться осуществить беспроводной доступ к устройству через ручной электронный прибор или т.п. Локальный интерфейс можно использовать для доступа к блоку, полевому устройству или к ним обоим. В данном контексте "локальный пользовательский интерфейс" подразумевает наличие элемента локального пользовательского ввода (вводов) (например, кнопки), элемента локального пользовательского вывода (например, ЖКД) или их комбинации. Как показано на фиг.4, ЖКД можно разместить вместе с элементом(ами) 116.
На фиг.5 показана структурная схема беспроводного блока 360 энергообеспечения и связи согласно настоящему изобретению. Блок 360 содержит контроллер 362, энергозапасающее устройство 364 (показанное как аккумулятор), преобразователь 365 энергии, коммуникатор 368 контура и модуль 366 интерфейса беспроводной связи.
Контроллер 362 предпочтительно содержит маломощный микропроцессор и соответствующую зарядную схему для передачи соответствующего количества энергии из элемента(ов) 116 и/или энергозапасающего устройства 364 для питания блока 360 и любых полевых устройств, подсоединенных к соединительному элементу 112. Кроме того, контроллер 362 также направляет избыточную энергию из элемента(ов) 116 и/или преобразователя 365 в энергозапасающее устройство 364. Контроллер 362 может быть также подключен к факультативной схеме измерения температуры, чтобы контроллер 362 мог уменьшить подачу зарядного тока в энергозапасающее устройство 364, если оно начинает перегреваться. Например, схема измерения температуры может содержать подходящий термочувствительный элемент, такой как термопар, подсоединенный к энергозапасающему устройству 364. Затем аналого-цифровой преобразователь преобразует сигнал от термопара в цифровую форму и передает этот цифровой сигнал контроллеру 362.
Контроллер 362 может быть выполнен с возможностью осуществлять посредством аппаратных или программных средств активное управление энергообеспечением как самого себя, так и присоединенных полевых устройств. Для этого контроллер 362 может переводить самого себя или любое полевое устройство в маломощный дежурный режим. Дежурный режим - это любой рабочий режим, в котором уменьшено потребление электроэнергии. Для полевых устройств дежурный режим можно вызвать передаваемой полевому устройству командой, чтобы установить рабочий ток на минимальную имеющуюся шину питания. События, которые могут побудить переход в маломощный режим, могут включать в себя истечение периода активности, ввод из одного или более локальных пользовательских вводов, передачу из одного или более присоединенных полевых устройств или беспроводную передачу. Эти события можно также использовать для вывода блока 360 и/или любого присоединенного полевого устройства из дежурного режима. Кроме того, контроллер 362 может избирательно переводить любое полевое устройство в дежурный режим на основании любой логики или правил, содержащихся в программных инструкциях в контроллере 362 и/или в беспроводной передаче, принятой через модуль 366 беспроводной связи. Предпочтительно, локальные вводы, такие как кнопка 124, также могут конфигурироваться пользователем. Следовательно, одна и та же кнопка может использоваться для активизации полевого устройства на выбранный пользователем период времени, и в случае такой конфигурации повторный нажим вызывает возвращение полевого устройства в дежурный режим. В одном варианте в конфигурируемой кнопке локального ввода используется перемычка или переключатель для задания следующих функций:
Время нажатия кнопки для активизации - выбрать 1, 1,5, 2 или 3 секунды. Полевое устройство игнорирует нажатие кнопки, которое имеет длительность менее установленной.
Время включения блока - выбрать 10, 15, 30 секунд или 5, 15, 30, 60 минут.
Если кнопку нажать дважды без интервала, то полевое устройство остается включенным в течение заданного периода (например, 60 минут), после которого оно возвратится в дежурный режим.
Если кнопку нажать второй раз после заранее определенного интервала (например, 5 секунд), то полевое устройство возвратится в дежурный режим.
Контроллер 362 может также предпочтительно переводить в дежурный режим части схемы внутри блока 360 или присоединенные полевые устройства. Например, модуль 366 беспроводной связи может быть серийным радиотелефоном системы пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS), который имеет нормальный рабочий режим и дежурный режим. Сигнал контроллера 362 может перевести модуль 366 в дежурный режим в том случае, если значимая беспроводная связь не гарантирована.
Преобразователь 365 энергии может быть любым устройством, которое способно вырабатывать электроэнергию для использования технологическим устройством. Преобразователь 365 может предпочтительно содержать генератор (612), подключенный к подвижному элементу, чтобы движение внешней среды, например волны или ветер, вырабатывало электричество. Кроме того, преобразователь 365 может содержать топливный элемент 408. В преобразователе 365 могут также использоваться термобатареи 702 (фиг.5В) для выработки электричества из разности температур за счет эффекта Пельтье. Также сам процесс может обеспечить (предоставить) источник энергии в виде сжатого газа или т.п., которую можно преобразовать в электричество с помощью генератора 704 на основе сжатого газа (фиг.5В). И, наконец, в тех вариантах, где энергозапасающее устройство имеет относительно большую емкость по сравнению с энергопотребностью конкретного применения, преобразователь 365 может отсутствовать. Также подразумевается, что можно использовать комбинации различных модулей преобразования, показанных на фиг.5В.
Модуль 366 беспроводной связи подключен к контроллеру 362 и взаимодействует с внешними беспроводными устройствами через антенну 120 по командам и/или данным из контроллера 362. В зависимости от применения модуль 366 беспроводной связи может быть адаптирован для осуществления связи в соответствии с любым подходящим протоколом, включая, без ограничения, технологии беспроводных сетей (такие, как беспроводные точки доступа IEEE 802.11b и беспроводные сетевые устройства компании Linksys of Invine, California), сотовые или цифровые сетевые технологии (такие, как Microburst, Aeris Communications Inc. Of San Jose, California), ультраширокую полосу, оптику свободного пространства, глобальную систему мобильной связи (GSM), пакетную радиосвязь общего пользования (GPRS), многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), методы с расширением спектра, методы инфракрасной связи, службу передачи коротких сообщений/текстовых сообщений (SMS) или любой другой подходящий способ беспроводной связи. Кроме того, можно использовать известный метод предотвращения конфликта данных для сосуществования множества блоков в рабочем диапазоне беспроводной связи. Такое предотвращение конфликтов может включать в себя использование нескольких различных радиочастотных каналов и/или методов расширения спектра.
Модуль 366 беспроводной связи также может содержать преобразователи для нескольких способов беспроводной связи. Например, первичную беспроводную связь можно осуществлять с помощью способов связи для относительно большого расстояния, таких как GSM или GPRS, а вторичный или дополнительный способ связи можно использовать для техников или операторов, находящихся вблизи блока, с использованием, например, IEEE 802.11b или Bluetooth.
Некоторые модули беспроводной связи могут содержать схему, взаимодействующую с глобальной системой определения местоположения (GPS). GPS может успешно применяться в блоке 360 для мобильных устройств для обнаружения индивидуального блока 360 в удаленном месте. Однако можно также использовать определение местоположения на основе других способов.
Память 370 на фиг.5 отделена от контроллера 362, но она фактически может быть частью контроллера 362. Память 370 может быть любого подходящего типа, включая энергозависимую память (такую, как оперативное запоминающее устройство), энергонезависимую память (такую, как флэш-память, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство и т.п.) и любые их комбинации. Память 370 может содержать программные команды для контроллера 362, а также любые подходящие административные служебные данные для блока 360. Память 370 может содержать уникальный идентификатор для блока 360, чтобы он мог отличать беспроводные передачи, предназначенные для него, от других беспроводных передач. Примеры таких идентификаторов могут включать в себя адрес контроллера доступа к среде (МАС), электронный серийный номер, глобальный телефонный номер, адрес интернет-протокола (IP) или любой другой подходящий идентификатор. Кроме того, память 370 может содержать информацию о присоединенных полевых устройствах, например их уникальные идентификаторы, конфигурации и возможности. И, наконец, контроллер 362 с помощью памяти 370 может обеспечить выход блока 360 в любой подходящей форме. Например, конфигурация и взаимодействие с блоком 360 и/или одним или более связанными полевыми устройствами могут обеспечиваться в виде HTML веб-страниц.
Часы 372 показаны как подключенные к контроллеру 362, однако они могут быть его частью. Часы 372 позволяют контроллеру 372 расширить рабочие возможности. Например, часы 372 можно использовать для хронирования периодов, установленных выше для конфигурируемой кнопки 125. Кроме того, контроллер 362 может хранить информацию из одного или более присоединенных полевых устройств и коррелировать эту информацию со временем, чтобы определять тенденции. Также, контроллер 362 может дополнять информацию, полученную из одного или более полевых устройств, информацией времени перед ее передачей через модуль 366 беспроводной связи. Часы 372 можно также использовать для автоматической генерации периодических команд перехода в дежурный/активный режим для блока 360 и/или полевых устройств. Другая форма периодического использования часов 372 заключается в том, чтобы побудить контроллер 362 выдавать через модуль 366 сигнал подтверждения работоспособности для периодической индикации приемлемого состояния внешнему устройству беспроводной связи.
Коммуникатор 368 контура подключен к контроллеру 362 и обеспечивает сопряжение контроллера 362 с одним или более полевыми устройствами, подключенными к одному или более соединительным элементам 112. Коммуникатором 368 контура может служить известная схема, генерирующая соответствующие сигналы для передачи в соответствии с отраслевым протоколом, таким как перечисленные выше. В тех вариантах, где блок 360 подключен к множеству полевых устройств, сообщающихся на основании различных протоколов, предполагается использование нескольких коммуникаторов, чтобы позволить контроллеру 362 взаимодействовать с различными полевыми устройствами. Физическое соединение(я) через соединительный элемент 112 позволяет блоку 360 обеспечивать энергообеспечение и связь с полевыми устройствами. В некоторых вариантах это можно реализовать посредством передачи электроэнергии по тем же самым проводам, которые используются для связи, например по двухпроводному контуру. Однако также подразумевается, что можно реализовать варианты изобретения, в которых электроэнергия подается в полевое устройство по другим проводам, а не по проводам, которые используются для связи. Для облегчения доступа обслуживающего персонала блок 360 может содержать два или более контактов рядом с коммуникатором 368 или соединительным элементом 112, чтобы облегчить подсоединение ручного конфигурационного устройства, такого как Model 375 Handheld компании Rosemount, Inc. Of Eden Prairie, Minnesota.
На фиг.5 пунктиром показаны факультативный блок 374 кнопки оператора и блок 376 ЖКД, подключенные к контроллеру 362. Эта иллюстрация предназначена для того, чтобы показать, что все локальные вводы, будь они расположены на отдельных полевых устройствах, беспроводном блоке 360 энергообеспечения и связи или на них обоих, подключены к контроллеру 362. Кроме того, локальные пользовательские дисплеи на каждом полевом устройстве, беспроводном блоке 360 энергообеспечения и связи или на обоих, также подключены к контроллеру 362. Это позволяет контроллеру 362 взаимодействовать с каждым локальным дисплеем отдельно на основании вводов полевого устройства, конфигурируемой кнопки, связанной с полевым устройством, одной или более кнопок или вводов, расположенных вблизи блока 360 или беспроводной передачи.
На фиг.6 представлен общий вид (схематично) системы выработки электроэнергии для технологического устройства согласно настоящему изобретению. Система 360 показана как внешний модуль относительно технологического устройства, но она может быть встроена в технологическое устройство. Модуль содержит корпус 400, который можно присоединить к технологическому устройству. Корпус 400 имеет два отсека 402, 404, разделенных тепловым барьером 406. В отсеке 402 размещается метанольный топливный элемент 408 с небольшим форм-фактором. Электронная система 410 контроля и регулирования энергообеспечения содержит ряд элементов и схем регулирования энергообеспечения и расположена в отсеке 404. Электронный модуль 410 может содержать конденсатор ультравысокой емкости и/или аккумулятор для удовлетворения потребности пиковой передачи мощности. Дополнительные детали реальной схемы, использованной в модуле 410, будут описаны со ссылкой на фиг.7. Электронный модуль 450 также предпочтительно инкапсулирован, чтобы обеспечить дополнительную тепловую изоляцию электроники в модуле 410 от тепла, вырабатываемого при экзотермической реакции топливного элемента 408. Источник 412 жидкого метана может храниться в отсеке 404 сверху модуля 410. Система 412 хранения жидкого метана может соединяться с метанольным топливным элементом 408 через выемку 414.
2
2
2
2
2
2
Первые топливные элементы были основаны на реакции H+O→HO+2e'. Ввиду опасности хранения Н и работы с ним были изучены стратегии альтернативных топливных элементов. Привлекательной оказалась технология метанольного топливного элемента. Метанольные топливные элементы известны и могут быть реализованы на практике. Метанол каталитически разлагается на H+|побочные продукты|+|тепло. Атмосферный воздух используется в качестве источника кислорода (О). Очень важное преимущество топливного элемента такого типа заключается в его компактности. Можно создать небольшие метанольные топливные элементы на основе микроэлектромеханических систем (MEMS), которые способны обеспечить адекватную мощность для беспроводного передатчика контролируемого технологического параметра. Современное состояние уровня техники в области метанольных топливных элементов свидетельствует о том, что устройство размером приблизительно с колоду карт может обеспечить адекватное хранение топлива и выработку электроэнергии для беспроводного полевого устройства.
Так как при каталитическом разложении метанола выделяется тепло, элемент 408 термически изолирован от электроники 410 и резервуара 412 хранения жидкости. Кроме того, теплорассеивающая крышка 416 расположена сверху корпуса 400 для отвода тепла, выработанного элементом 408. Важно обеспечить рассеяние тепла, образующегося при каталитическом разложении метанола, чтобы оно не нагревало электронику 410 выше ее безопасной рабочей температуры. В тех вариантах, где корпус 400 системы энергообеспечения выполнен из металла, образуется тепло, которое рассеивается за счет конвекции и излучения. Кроме того, защитить электронику помогает тепловой барьер 406. Корпус 400 также содержит вентиляционное отверстие 418, чтобы атмосферный воздух мог взаимодействовать с элементом 408. В тех вариантах, где вентиляция противопоказана, можно предусмотреть миниатюрный вентилятор в маленькой герметичной трубке в качестве альтернативного варианта.
out
min
min
На фиг.7 показана схема системы выработки электроэнергии для технологических устройств согласно настоящему изобретению. Электронный модуль 410 электрически подключен к метанольному топливному элементу 408 и получает от него электроэнергию по линии 420. Метанольный топливный элемент расположен внутри отсека 402, который термически изолирован от электронного модуля 410 тепловым барьером 406. Резервуар 412 с метанолом подсоединен к метанольному топливному элементу 408 через электрически управляемый клапан 422. Клапан 422 принимает сигнал управления из выходной линии 424 пуска топлива из модуля 410. Электричество, генерируемое в топливном элементе 408, подается по линии 420 в схему 426 зарядки и управления. Схема 426 зарядки и управления выдает выходной сигнал 428 через диод 430, препятствующий возвращению электроэнергии обратно через топливный элемент 408. Если предусмотрен дополнительный энергозапасающий блок, то он подключен к линии 432 V. Напряжение блока 434 сравнивается, предпочтительно с помощью компаратора, с минимальным пороговым напряжением. Если напряжение блока 434 меньше, чем минимальное пороговое напряжение, то включается зарядка по линии 436. Однако, если напряжение блока 434 больше, чем минимальный порог, подается сигнал по линии 438 на обеспечение питания для передатчика технологического параметра, а также для беспроводного коммуникатора. Соответственно, если метанольный топливный элемент не обеспечивает достаточное энергообеспечение для работы передатчика технологического параметра и/или беспроводного передатчика, то схема энергообеспечения фокусируется на накоплении достаточного количества электроэнергии для работы передатчика технологического параметра или беспроводного передатчика в некоторое более позднее время. На фиг.7 также показан контроллер блока и таймер 438 дежурного режима, который генерирует сигнал включения, посылаемый в передатчик технологического параметра, и беспроводной коммуникатор. Таким образом, контроллер блока и таймер 438 дежурного режима могут вынудить передатчик технологического параметра, беспроводной коммуникатор или оба этих устройства перейти в дежурный режим, когда одно или оба этих устройства получают чрезвычайно низкую мощность, при этом топливный элемент 408 может заряжать энергозапасающее устройство. Соответственно, энергозапасающие элементы перезаряжаются метанольным топливным элементом, когда их выходное напряжение падает ниже заранее определенного значения (V), чтобы обеспечить успешную работу; мощность для проверки контролируемого технологического параметра или для беспроводной передачи обеспечивается только в том случае, когда энергозапасающий элемент не находится в разряженном состоянии. Заранее определенный уровень напряжения (V) выбирается таким образом, чтобы при любом напряжении выше этого уровня накопленной энергии было достаточно для полной проверки технологического параметра или для беспроводной передачи. Перед тем как инициировать дополнительные проверки технологического параметра или беспроводные передачи, напряжение предпочтительно перепроверяется, чтобы убедиться, что оно все еще выше порогового значения. При необходимости электроника 410 может выполнять и другие операции управления и связи.
Одно явное преимущество использования метанольного топливного элемента в качестве источника питания для технологического устройства заключается в тех периодах обслуживания, которые он может обеспечить. Согласно расчетам метанольные топливные элементы производят приблизительно 1000 ватт-часов на литр метанола. Соответственно, 0,5 литра метанола достаточно для работы передатчика технологического параметра в течение приблизительно 10 лет. Десятилетний срок работы представляется очень выигрышным по сравнению с ожидаемыми 5 годами оптимального срока службы серийных гелевых аккумуляторов, которые сейчас являются стандартным источником питания беспроводных технологических устройств.
Наличие энергозапасающего устройства, такого как аккумулятор или суперконденсатор, в том же самом физическом корпусе, что и топливный элемент, обеспечивает синергический эффект, заключающийся в том, что тепло, вырабатываемое топливным элементом, можно использовать для поддержки рабочей температуры энергозапасающего устройства в более эффективном интервале. В тех вариантах, где используются перезаряжаемые аккумуляторы для покрытия пиковых потребностей в электроэнергии, можно использовать никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH) в применениях на открытом воздухе в совокупности с метанольными топливными элементами. Это обусловлено тем, что метанольные топливные элементы вырабатывают тепло, которое можно использовать для поддержания достаточно высокой температуры аккумуляторов для зарядки.
Хотя в вариантах на фиг.4-8 показана антенна и связанная с нею беспроводная схема, расположенная вместе со схемой регулирования энергообеспечения, подразумевается, что антенна и беспроводная схема могут быть расположены дистанционно, если возле корпуса системы питания находятся объекты, вызывающие помехи для беспроводного сигнала. Таким образом, варианты изобретения включают размещение всех схем выработки электроэнергии и беспроводной связи внутри одного и того же корпуса, который может быть частью технологического устройства или находиться снаружи него. Кроме того, либо схема выработки электроэнергии, либо беспроводная схема может находиться в отдельном отсеке, любой из которых может быть внутри самого устройства.
На фиг.8 изображено схематично беспроводное технологическое устройство согласно варианту настоящего изобретения. Технологическое устройство 500 подсоединено к трубе 502, в которой находится технологическая углеводородная среда 504. Устройство 500 подсоединено к модулю 506 беспроводной связи и модулю 508 топливного элемента. В отличие от варианта, описанного со ссылками на фиг.6 и 7, топливный элемент 508 не имеет резервуара для хранения топлива. Вместо этого топливный элемент 508 получает топливо из самого процесса за счет его подсоединения к процессу через патрубок 510. Таким образом, некоторая часть технологической среды 508 передается в топливный элемент 508 по трубе 512. Для повышения эффективности топливный элемент 508 предпочтительно выполнен с возможностью работы с определенным типом технологической углеводородной среды. Например, если технологической средой 508 является жидкий метанол, то элемент 508 может быть идентичен топливному элементу, описанному со ссылкой на фиг.6. Хотя этот вариант отличается от предыдущего варианта, они подобны в том, что в обоих вариантах для энергообеспечения не используются молекулы (элементы) солнечного происхождения, которые являются внешними относительно топливного устройства и находятся вблизи. В варианте на фиг.6 и 7 используются по меньшей мере молекулы кислорода, а в варианте на фиг.8 используются по меньшей мере молекулы технологической среды и, возможно также, молекулы кислорода в соответствии с известными технологиями топливных элементов.
При использовании самой технологической среды для энергообеспечения топливного элемента 508 технологический процесс может обеспечить практически неограниченный источник электроэнергии. Соответственно, электричество можно также передавать другим локальным устройствам, которые могут быть подключены к устройству 500 проводными соединениями. Такие проводные соединения могут быть реализованы в форме контуров регулирования процесса или других проводных систем в зависимости от потребности. В некоторых ситуациях технологическое устройство может быть выполнено так, чтобы технологическая среда преобразовывалась в электроэнергию со скоростью, пропорциональной количеству технологической среды, проходящей по трубе 502. Следовательно, электрическую производительность топливного элемента 508 можно измерять и корректировать таким образом, чтобы она отражала действительный поток технологической среды в трубе 502. Еще одним важным применением существенных возможностей выработки электроэнергии топливным элементом 508 является энергообеспечение нагревателей, чтобы поддерживать датчик при постоянной температуре для уменьшения температурных погрешностей при передаче и т.п.
На фиг.9А, 9В, 10А и 10В представлены варианты воплощения настоящего изобретения, в которых используются молекулы вблизи технологического устройства для выработки электричества для этого технологического устройства. Более конкретно - в этих вариантах кинетическая энергия молекул (в форме ветра) преобразуется в электрическую энергию.
На фиг.9А и 9В показаны соответственно вид спереди и вид сбоку технологического устройства 600 с устройством 602, которое преобразует энергию ветра в электрическую энергию. Предпочтительно, чтобы эти варианты также включали в себя систему 604 преобразования солнечной энергии для получения дополнительной электроэнергии. Преобразователь 602 энергии ветра содержит опору 606, смонтированную на технологическом устройстве 600, предпочтительно через обычную трубную муфту. Установленный сверху опоры 606 движимый ветром элемент 608 предпочтительно содержит по меньшей мере две части. Во-первых, флюгарка 610 обеспечивает расположение площади поверхности так, что ветер вынуждает флюгарку 610 расположиться ниже потока, тем самым размещая пропеллер/лопасть 612 прямо навстречу ветру. При этом подвижная часть 608 может разворачиваться относительно опоры 606, как показано стрелками 614. Вращающаяся лопасть/пропеллер 612 механически присоединена к электрогенератору 615, который обеспечивает электроэнергию для технологического устройства 600. Электрогенератор может быть любым подходящим устройством, которое существует в настоящее время или будет создано в будущем.
На фиг.10А и 10В представлены соответственно вид спереди и вид сбоку устройства 600, подсоединенного к преобразователю 620 энергии ветра в электричество согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения. Преобразователь 610 содержит опору 622, установленную вблизи дополнительного преобразователя 604 солнечной электроэнергии. Движимый ветром элемент 623 содержит флюгарку 610 и перемещаемые ветром элементы 624, 628 и 630, присоединенные к опоре 622 через балку 632. Как и в предыдущем варианте, давление ветра действует на флюгарку 610 и вызывает поворот элемента 624 вокруг опоры 622, располагая, тем самым, крылья 624, 628 и 630 прямо навстречу ветру. Когда ветер проходит через крылья 624, 628 и 630, они перемещаются в направлении, показанном стрелками 634, вдоль балки 632. Пьезоэлектрический преобразователь 655, расположенный на балке 632 или на соединении балки 632 с опорой 622, преобразует перемещение балки 632 в электрическую энергию, которая затем передается технологическому устройству 600.
Оба варианта, показанные на фиг.9А, 9В и 10А, 10В, можно также снабдить укрытием или колпаком для защиты от засорения в жестких условиях.
Можно также использовать другие типы вращающихся преобразователей энергии ветра, такие как анемометр. Это устройство в виде вращающейся чаши часто используется для измерения скорости ветра. Хотя такие устройства значительно менее эффективны, чем пропеллер, для извлечения энергии ветра, их преимуществом является наличие направленности. Поэтому не требуется использовать вращающуюся флюгарку. Поскольку технологические устройства имеют относительно низкое энергопотребление, более низкая эффективность таких действующих по всем направлениям вращающихся преобразователей энергии ветра не представляет проблемы.
В вариантах настоящего изобретения используются дополнительные источники потенциальной или кинетической энергии, содержащейся в молекулах вблизи технологического устройства. Поэтому данным вариантам не требуется солнечная энергия, и они лишены недостатков технологических устройств, питающихся только от внутренних аккумуляторов. Более того, как было описано в связи с некоторыми вариантами, степень генерации электроэнергии может быть настолько большой, что к технологическому устройству, работающему в соответствии с вариантами настоящего изобретения, можно подсоединить проводами другие устройства.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты его осуществления, специалистам будет понятно, что можно внести изменения в его форму и детали, не выходя за рамки формулы изобретения.