專利名稱：具有改進(jìn)的電池組組件的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制作方法
具有改進(jìn)的電池組組件的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
背景技術(shù)：
在許多工業(yè)過(guò)程環(huán)境中，易燃?xì)怏w存在于包圍工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(下文中也稱做
變送器)的環(huán)境空間中。而由電池組的連接或斷開所產(chǎn)生的高功率火花可能會(huì)點(diǎn)燃易燃?xì)?體。 在許多工業(yè)過(guò)程環(huán)境中，存在能夠損壞電子電路的腐蝕性灰塵、液體或薄霧。電子 電路典型地被裝入密封的電子設(shè)備艙中。然而，當(dāng)這種艙被打開以更換電池組并重新密封 時(shí)，就有可能污染電池組觸點(diǎn)或在電子設(shè)備艙內(nèi)部封入腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)從而引起電子器 件的長(zhǎng)期退化。另一方面，在變送器外殼外部安裝的電池組也會(huì)遭受腐蝕。
在意外的短路或故障狀態(tài)下，變送器內(nèi)部的電路會(huì)典型地?cái)y帶足夠的電能從而產(chǎn) 生火花并點(diǎn)燃易燃?xì)怏w。因此，在打開變送器電子設(shè)備艙之前需要采取特別的防范措施。 不是清除周圍環(huán)境中的易燃蒸氣，就是斷開向變送器供電的電纜，或者兩者兼有。為了增加 安全性，處于有時(shí)存在易燃?xì)怏w的區(qū)域中時(shí)，打開變送器之前組織機(jī)構(gòu)需要"高溫作業(yè)許可 證"和經(jīng)過(guò)專門訓(xùn)練的職員。 在常規(guī)操作條件下電池和電池組能夠提供低電流電平時(shí)，在故障狀態(tài)下電池和電 池組典型地產(chǎn)生非常大的短路電流。 一個(gè)典型的故障狀態(tài)是外接至電池或電池組的電路中 的短路。此外，電池和電池組具有大的能量存儲(chǔ)容量或等效電容C。故障狀態(tài)下的大短路電 流和大的能量存儲(chǔ)容量典型地與固有安全電路規(guī)范不相容。因此，從變送器外殼外部安裝 電池和電池組以及經(jīng)由變送器和電池之間的易燃?xì)怏w鋪設(shè)電池組電纜是困難的。這種電池 組電纜將會(huì)典型地妨礙固有安全電路需求。 其它類型的電池組供電的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遭遇到相似的困難。需要一種方法和 裝置，以提供在工業(yè)過(guò)程環(huán)境中具有大范圍應(yīng)用性的改進(jìn)的電池組供電的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該設(shè)備包括位于工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)的無(wú)線過(guò)程現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備電子裝置和位于工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)并且可操作地耦合到無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子 裝置的至少一個(gè)電池。提供電路，該電路感測(cè)與至少一個(gè)電池相關(guān)的電特性并向開關(guān)提供 輸出，以響應(yīng)特定條件而將至少一個(gè)電池與工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置去耦。這種條件包 括從至少一個(gè)電池流出的過(guò)大電流、至少一個(gè)電池的電壓過(guò)低或產(chǎn)生的或以其他方式觀測(cè) 到的短路。


圖1示出了安裝到加壓的過(guò)程管道的壓力變送器。
圖2示出了壓力變送器的截面圖。
圖3示出了電池組艙的橫截面圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的限流電路的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)限流電路的示意圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的短路保護(hù)電路的示意圖。 圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低電壓切斷電路的示意圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)低電壓切斷電路的示意圖。 圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)電路的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在工業(yè)過(guò)程中使用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如變送器，能夠被安裝在管道、箱體和其它工業(yè) 過(guò)程設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)中。變送器感測(cè)過(guò)程變量，例如過(guò)程壓力、過(guò)程流量、過(guò)程流體溫度、過(guò)程流
體導(dǎo)電率、過(guò)程流體ra值和其它過(guò)程變量。其它類型的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括閥門、致動(dòng) 器、現(xiàn)場(chǎng)控制器、數(shù)據(jù)顯示器和通信設(shè)備，例如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)橋。 —些工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沒(méi)有電纜連接至電源而依靠?jī)?nèi)部電池組供電。無(wú)線變送器
通過(guò)無(wú)線通信信道傳輸代表過(guò)程變量的輸出以控制或監(jiān)控遠(yuǎn)離無(wú)線變送器的設(shè)備。控制或 監(jiān)控設(shè)備典型地位于控制室中。無(wú)線變送器典型地包括用于與控制室的天線或其它的無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)奶炀€。無(wú)線通信的使用避免了在變送器和控制室之間 連接通信或電力電纜。 無(wú)線變送器典型地包括僅需要少量的電力以進(jìn)行操作的電子電路。所需的電量非
常少，以致于小型可替換原電池可以考慮用來(lái)提供電力。然而，還存在與工業(yè)過(guò)程環(huán)境相關(guān) 的難題，其限制了內(nèi)部電池組在該環(huán)境中的普遍、廣泛的使用。 圖1是過(guò)程控制系統(tǒng)10的示意圖，過(guò)程控制系統(tǒng)IO包括連接至加壓的過(guò)程管道 16的壓力變送器12。壓力變送器12耦合至兩線過(guò)程控制回路18，兩線過(guò)程控制回路18根 據(jù)預(yù)定協(xié)議，例如HART⑧標(biāo)準(zhǔn)、4-20毫安模擬標(biāo)準(zhǔn)或其它已知的過(guò)程控制通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操 作。兩線過(guò)程控制回路鋪設(shè)18在壓力變送器12和位于遠(yuǎn)端的控制室20之間。在回路18
根據(jù)HART⑧協(xié)議進(jìn)行操作的一個(gè)實(shí)施例中，回路18能夠承載代表所感測(cè)的過(guò)程壓力并向
壓力變送器12提供全部激勵(lì)的電流I。在一些應(yīng)用中，使用兩線過(guò)程控制回路18來(lái)激勵(lì)變 送器12存在缺陷。在這樣的應(yīng)用中，不使用有線過(guò)程控制回路18，取而代之的是使用電池 或電池組來(lái)激勵(lì)變送器12，并且使用無(wú)線通信，如下文所述。 圖2示出了感測(cè)壓力的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備200的實(shí)施例。工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備200 包括殼體202。殼體202包括位于電子設(shè)備艙206和電池組艙208之間的壁204。壁204 包括饋通(feedthrough)開口 207。在該實(shí)施例中，第一殼體蓋210大體上是圓的并具有 旋入位于殼體202上的螺紋的螺紋，從而將工業(yè)過(guò)程儀器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置212包圍在 電子設(shè)備艙206中。第二殼體蓋214大體上是圓的并具有旋入位于殼體202上的螺紋的螺 紋，從而將電池組組件216包圍在電池組艙208中。工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置212通常 包括電子電路，該電子電路是能量受限的并具有溫度、可靠性和抗震特性，從而使得它們適 用于在加工廠，例如化工廠、煉油廠等中監(jiān)控和控制工業(yè)過(guò)程。該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置可以包 括用于與過(guò)程控制回路進(jìn)行無(wú)線通信的通信電路。 殼體202具有擰入壓力傳感器殼體222的螺紋220上的螺紋218。壓力傳感器殼 體222包圍住壓力傳感器224和傳感器電路226。電導(dǎo)線228從傳感器電路226連接至工 業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置212。在一個(gè)實(shí)施例中，殼體202和殼體蓋210、214包括金屬壓模鑄件。 在這個(gè)實(shí)施例中，饋通連接器230安裝至饋通壁204。饋通連接器230包括密封的 電子接線232，電子接線232優(yōu)選延伸穿過(guò)饋通壁204。饋通連接器230包括把電源連接到 工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置212的電源連接器234和236。壁204和饋通連接器230把饋 通開口密封在電池組艙208和電子設(shè)備艙206之間。能夠在腐蝕性的過(guò)程環(huán)境中打開電池 組艙208，并且通過(guò)饋通壁204和饋通連接器230能夠阻止腐蝕性的過(guò)程環(huán)境滲漏到電子設(shè) 備艙中。在一個(gè)實(shí)施例中，饋通連接器230包括注塑(injectionmolded)塑料部件，該注塑 塑料部件包括模塑(molded)到塑料中的金屬電子接線。 電池組組件216電連接至電源連接器234和236。電池組組件216包括能量限制 器240和至少一個(gè)電池242。能量限制器可以包括皮可熔絲(picofuse)、熔絲或者限制能 量的電子電路。在一個(gè)實(shí)施例中，該串聯(lián)的能量限制器240將能量限制為電池組組件216 與電源連接器234和236之間的電連接244處的固有安全程度。該連接244包括固有安全 電路。固有安全電路是這樣的電路在測(cè)試條件(包括普通操作和特定的故障狀態(tài))下產(chǎn) 生的火花或熱效應(yīng)，不會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)燃該連接244周圍的給定的爆炸性空氣。使用已知的方法， 可針對(duì)特定的易燃?xì)怏w(例如甲烷)和特定的電路特性(例如電路電容和電感)來(lái)計(jì)算該 串聯(lián)的限流器240的限流。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)用兩個(gè)能量限制器代替一個(gè)單獨(dú)的能量 限制器240來(lái)提供冗余的固有安全保護(hù)。 密封部件250包圍位于電池組組件216與電源連接器234和236之間的電連接 244。密封部件250優(yōu)選地包括0型環(huán)密封部件，該0型環(huán)密封部件安裝至電池組組件216 并且當(dāng)移除或安裝電池組組件216時(shí)滑動(dòng)地嚙合(engage)所述饋通連接器230。蓋214優(yōu) 選地沿著圓形接觸環(huán)252嚙合該電池組組件216以提供機(jī)械支撐，該機(jī)械支撐在大振動(dòng)的 環(huán)境中特別有用。 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電池組艙302的橫截 面圖。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備殼體304的饋通壁部分將電池組艙302與電子設(shè)備艙分離。饋通連接器 306被密封至儀器殼體304的饋通壁部分。可選擇地，饋通連接器能夠與殼體的一部分整體 地形成。饋通連接器306優(yōu)選地包括塑料樹脂罩以及包括密封的電源連接器308。電源連 接器的接觸點(diǎn)凹入罩307中，以滿足根據(jù)IEC 529標(biāo)準(zhǔn)的IP20。電源連接器308安裝到位 于電子設(shè)備艙中的電路卡組件310。電路卡組件310被密封至圍繞電源連接器308的饋通 連接器306。在一個(gè)實(shí)施例中，使用適當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)封裝(pot)饋通連接器。
在這個(gè)實(shí)施例中，電池組組件320位于電池組艙302中。電池組組件320包括殼 體基座322和殼體帽324，以包圍電池326(或多個(gè)電池326)和串聯(lián)的限流器328(或多個(gè) 串聯(lián)的限流器328)。殼體基座包括模塑的連接體323。 在一個(gè)實(shí)施例中，模塑的連接體323包括凸出的插頭，該凸出的插頭從電池組殼 體基座322凸出。電池組接觸點(diǎn)332凹入模塑的連接體323中，并且在操作過(guò)程中被保護(hù) 以避免機(jī)械損傷。罩307包括凸出的插座，該凸出的插座自饋通連接器306凸出。電源連 接器308包括兩個(gè)引腳，這兩個(gè)引腳凹入罩307中并且被保護(hù)以避免機(jī)械損傷。連接的嚙 合是滑動(dòng)連接，從而可以在移除罩340后容易地在現(xiàn)場(chǎng)組合或拆卸。 其它的固有安全保護(hù)器件，例如電壓限制二極管，也能夠被包括在電池組組件320 中。優(yōu)選地，將電池326和串聯(lián)的限流器328安裝至印刷線路板330。電池組組件包括電接觸點(diǎn)332，該電接觸點(diǎn)332在電連接機(jī)構(gòu)334處電連接至電源連接器308。串聯(lián)的限流器 328將能量限制在電連接334處的固有安全程度。密封部件336圍繞該電連接334。
在一個(gè)實(shí)施例中，模塑的連接體323具有外錐度(external taper)，并且罩307上 的連接器具有內(nèi)錐度(internal t即er)，以及在模塑的連接體323和罩307上的連接器之 間存在錐形配合(fit)。該錐形配合是緊密配合，從而振動(dòng)不會(huì)引起罩307和連接體323之 間的相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)所述模塑的連接體323進(jìn)入罩307時(shí)，該錐形配合允許電池組接觸 點(diǎn)332與電源連接器308預(yù)先對(duì)準(zhǔn)。這種預(yù)先對(duì)準(zhǔn)防止彎曲電源連接器308或?qū)﹄娫催B接 器308造成其它損害。 蓋340優(yōu)選地包括用于將蓋340螺紋連接(screw)至儀器殼體304的螺紋344。密 封部件342將所述蓋340密封至殼體340。在蓋340內(nèi)部，推力軸承組件優(yōu)選地包括推力軸 承板346和彈性壓縮環(huán)348。該推力軸承板346壓住電池組組件殼體320的上表面350。當(dāng) 蓋340被螺紋連接時(shí)，該推力軸承板346相對(duì)于上表面350旋轉(zhuǎn)。當(dāng)蓋340被螺紋連接時(shí)， 壓縮環(huán)348被壓縮。蓋340可移除地附加到殼體340并且朝向電源連接器308按壓電池組 組件320。擰緊的蓋340擠壓電池組組件320以在極度振動(dòng)期間維持電池組組件連接。在 一個(gè)實(shí)施例中，推力軸承板346包括凸出的環(huán)347，該凸出的環(huán)347具有與位于殼體帽324 上的環(huán)325的錐形配合。該錐形配合消除了振動(dòng)期間推力軸承板346和殼體帽324之間的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明的實(shí)施例通常包括一種電路，該電路感測(cè)一個(gè)或多個(gè)關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電池 組的電學(xué)狀態(tài)，并且在它們產(chǎn)生錯(cuò)誤和/或危險(xiǎn)之前迅速改善這種狀態(tài)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的限流電路的示意圖。電路400包括耦合到熔絲 440的一個(gè)或多個(gè)電池442。電池442通過(guò)連接402與電壓參考404共享公共地。此外，電 池442和電壓參考404與工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)線電子裝置412共享公共地。如前所述，一 個(gè)或多個(gè)電池442可以包含電池組，該電池組不需要將區(qū)域降級(jí)(declassify)或者不必獲 得高溫工作許可證即可在現(xiàn)場(chǎng)中的危險(xiǎn)位置處進(jìn)行更換。電池442位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接線盒 側(cè)，因此電池442的更換不會(huì)將電子裝置412暴露至周圍環(huán)境中。熔絲440限制來(lái)自電池 442的能量釋放。然而，由于潛在的高涌入電流進(jìn)入電子裝置412，當(dāng)并不存在真正的錯(cuò)誤 時(shí)，熔絲440會(huì)被無(wú)意地熔斷。當(dāng)并不存在真正的錯(cuò)誤時(shí)，這種故障通常會(huì)導(dǎo)致對(duì)全部產(chǎn)品 的不佳客戶滿意度。因此，在圖4中示出的該實(shí)施例包括附加電路以保護(hù)熔絲440免于因 為不具有危險(xiǎn)的瞬時(shí)電流尖脈沖而產(chǎn)生的熔斷。電路400包括運(yùn)算放大器406，運(yùn)算放大 器406的反相輸入408耦合至感測(cè)電阻器410。運(yùn)算放大器406的正相輸入412耦合至電 壓參考404的輸出414。檢測(cè)電阻器410兩端上的電壓降與從電池442進(jìn)入無(wú)線電子裝置 412的電流釋放成比例。然后，將檢測(cè)電阻器410兩端上的該電壓降與電壓參考404的輸出 414所提供的固定電壓相比較。運(yùn)算放大器406提供耦合至金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體 管(M0SFET)418的輸出416，以將無(wú)線電子裝置412消耗的電流限制至在熔絲440的額定熔 絲電流之下的數(shù)值。雖然圖4所示的實(shí)施例包括特定的電壓參考404，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 意識(shí)到，電壓參考404可以被簡(jiǎn)單的分壓器所替代，該分壓器包括在熔絲440的輸出和公共 地之間串聯(lián)耦合的一對(duì)電阻器。該電阻器之間的連接也耦合至運(yùn)算放大器406的正相輸入 412。 圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)限流電路的示意圖。電路500與電路400(關(guān)于圖4的描述)具有許多相似之處，并且相似的元件以相似的方式進(jìn)行編號(hào)。電路 500不同于電路400之處在于其去除了感測(cè)電阻器410。本質(zhì)上，電路500使用熔絲540作 為低電阻感測(cè)電阻器。熔絲540能夠被表征并且能夠以與上文所述的檢測(cè)電阻器410相同 的方式在比較器電路中被用作感測(cè)元件。在電路500中，去除感測(cè)電阻器的一個(gè)好處在于 限流電路不僅保護(hù)了熔絲540，而且還減小了電池552和無(wú)線電子裝置512之間的電阻值， 從而單獨(dú)地調(diào)整熔絲540的電阻。取決于無(wú)線器件，電池552的峰值電流輸出可以是短持 續(xù)時(shí)間內(nèi)的數(shù)百毫安。為了避免額外的電壓降(并且因此系統(tǒng)無(wú)效率)，最小的電阻值(不 是熔絲的就是感測(cè)電阻器的電阻值)是最好的。 關(guān)于圖4和圖5所述的限流實(shí)施例能夠通過(guò)附加的短路保護(hù)被強(qiáng)化。圖6是提供 了這種短路保護(hù)的電路600的示意圖。電路600包括晶體管602，該晶體管602具有耦合 至熔絲640的第一側(cè)的第一引腳604、耦合至熔絲640的相對(duì)側(cè)的第二引腳606和耦合至 MOSFET 610的輸入的第三引腳608。就電路600來(lái)說(shuō)，如果客戶偶然將電池組的輸出短路， 快速作用模擬電路(例如晶體管602)和感測(cè)電阻器或熔絲640用于保護(hù)該熔絲和電池組。
至此所描述的本發(fā)明的實(shí)施例解決了過(guò)載電流的潛在的問(wèn)題，即該過(guò)載電流熔斷 熔絲并且當(dāng)不存在真正故障時(shí)產(chǎn)生不期望的熔斷熔絲的經(jīng)歷。此外，還描述了短路保護(hù)。對(duì) 于為工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電的電池組的一種額外關(guān)注是當(dāng)電池組電壓電平變得過(guò)低時(shí)， 電池組本身會(huì)變得過(guò)熱要不然是和/或被損壞或者自損害。 能夠被用于無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)變送器的電池組中的一種電池組技術(shù)是鋰亞硫酰氯化 物(Li-SO_Cl2)原電池。原電池的這種特定的化學(xué)組成提供了在寬工作溫度范圍上的超高 功率密度以及超低的自放電。這些特性能夠使無(wú)線器件在標(biāo)準(zhǔn)的-40至85攝氏度的工作 范圍內(nèi)工作若干年。 為了進(jìn)一步延長(zhǎng)無(wú)線工業(yè)過(guò)程變送器的電池組壽命，多個(gè)原電池以串聯(lián)、并聯(lián)或 組合的串聯(lián)/并聯(lián)結(jié)構(gòu)而使用。這樣做時(shí)，需要采用額外的預(yù)防措施以確保電池不會(huì)在不 穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。 一個(gè)完全充電的原電池電壓額定地是3. 6伏特左右。按照廠商建議，一 個(gè)被大部分放電的原電池不應(yīng)當(dāng)被放電至低于2伏特。在兩個(gè)原電池串聯(lián)的情況下，該電 池中的一個(gè)可能比另一個(gè)損耗的快，并且這會(huì)潛在地導(dǎo)致不穩(wěn)定狀態(tài)，其中較高電壓的電 池促使電流經(jīng)過(guò)已消耗的電池，從而導(dǎo)致已消耗的電池的電壓下降至低于廠商建議(2伏 特)的電池下限。這樣會(huì)潛在地導(dǎo)致電池破裂。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，工業(yè)過(guò)程變送器包括電池組，該電池組在危險(xiǎn)的條件 下不需要將區(qū)域降級(jí)或不必獲得高溫工作許可證就能夠進(jìn)行更換，其中該電池組包括低電 壓切斷能力。優(yōu)選地，低功率電子器件用于在一定情況下切斷電池組和工業(yè)過(guò)程變送器電 子設(shè)備之間的電壓。 圖7是用于在一定情況下將一個(gè)或多個(gè)電池與工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置斷開 或以其他方式去耦的電路的示意圖。電路700與電路400和500具有一些相似性，并且相 似的元件被相似地編號(hào)。如圖7所示， 一個(gè)或多個(gè)電池742通過(guò)MOSFET 718可操作地耦合 至無(wú)線電子裝置712。運(yùn)算放大器706具有耦合至包括電阻器732和734的分壓網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點(diǎn)730的反相輸入。通過(guò)電阻器732和734所形成的電阻器分壓網(wǎng)絡(luò)按比例降低了來(lái)自 于電池742的電壓，然后利用低功率運(yùn)算放大器706或適當(dāng)?shù)谋容^器將該縮放后的電壓與 固定電壓(電壓參考704)相比較。運(yùn)算放大器706的輸出連接至開關(guān)，例如MOSFET 718，當(dāng)電壓變得過(guò)低時(shí)，該開關(guān)將電池74與電子裝置712斷開。 圖8是當(dāng)電池的電壓電平過(guò)低時(shí)，用于把低電壓電池與工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)電子裝置斷 開的電路的示意圖。電路800包括耦合在電池842的正極線和負(fù)極線兩端的電壓檢測(cè)器 802。電壓檢測(cè)器802的輸出804耦合至開關(guān)并控制該開關(guān)，例如M0SFET 818，其選擇性地 將無(wú)線電子裝置812耦合至電池842。電壓檢測(cè)器，例如檢測(cè)器802，是典型地在微處理器 或微控制器應(yīng)用中使用的集成電路。它們用于電壓傾斜下降(也稱做"電壓不足")至低于 建議的工作條件的情況下。然后，對(duì)微處理器或微控制器施加復(fù)位，并且復(fù)位線有效直到電 池組電壓上升。將這種"電壓不足"原理應(yīng)用至本發(fā)明的實(shí)施例，以這樣的方式使用電壓檢 測(cè)器802，使得當(dāng)電池組電壓變得過(guò)低時(shí)斷開電池842。電壓檢測(cè)器能夠伴隨預(yù)定的(固定 的)檢測(cè)電壓與可調(diào)節(jié)的檢測(cè)電壓中的二者之一。圖8示出了電壓檢測(cè)器是怎樣與電池組 聯(lián)合使用的。電池組電壓被施加到電壓檢測(cè)器IC。當(dāng)電池組電壓下降至IC檢測(cè)電壓以下 時(shí)，輸出將通過(guò)開關(guān)818將無(wú)線電子設(shè)備電路與電池組斷開。 圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)典型電路的示意圖。電路900包括根據(jù)前面所 述的本發(fā)明的相似實(shí)施例的限流電路，還包括低電壓和短路保護(hù)。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員能 夠意識(shí)到，本發(fā)明的各種方面和實(shí)施例能夠根據(jù)期望以各種結(jié)合方式相結(jié)合。電路900包 括能耦合至電池組(例如根據(jù)前述的實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)電池)的一對(duì)端子902、904。電 路900的輸出是耦合至工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接線盒的一對(duì)端子906、908。如圖9所示，可以 根據(jù)固有安全要求來(lái)設(shè)計(jì)用于電路900的全部或部分電路。例如，在虛線910的區(qū)域912 內(nèi)的元件能夠遵守固有安全要求，例如，在電路跡線(trace)之間具有O. 020英寸的最小安 全間隔以及進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐扛不蚍庋b處理。 圖9示出了具有通過(guò)電阻器R4可操作地耦合至端子902的輸入的電壓檢測(cè)器U2 。 電壓檢測(cè)器U2的接地端子耦合至接地端子904。檢測(cè)器U2的輸出引腳(1)通過(guò)電阻器R9 耦合至開關(guān)Q3。電阻器R9優(yōu)選具有0歐姆的電阻，或極低的電阻，使得來(lái)自電壓檢測(cè)器U2 的輸出基本上直接耦合至Q3。 R5優(yōu)選具有10兆歐姆的阻值。檢測(cè)器U2用于檢測(cè)端子902 和904兩端上的電池組電壓。如果電池組電壓處于或低于由電壓檢測(cè)器所確定的閾值，那 么電壓檢測(cè)器U2將通過(guò)使Q3斷開而使整個(gè)電路脫離。 電路900也包括基于運(yùn)算放大器Ul和開關(guān)Q2的使用的限流電路。如圖9所示， Ul的正相輸入耦合至包括R7和R6的電阻器/分壓器網(wǎng)絡(luò)。Ul的輸出通過(guò)R3可操作地耦 合至開關(guān)Q2。在這點(diǎn)上，Ul的反相輸入通過(guò)R8耦合至端子902。 Ul比較在反相和正相輸 入上存在的輸入信號(hào)，并且產(chǎn)生至Q2的輸出，該輸出能夠使Q2脫離，從而保護(hù)熔絲Fl免受 輕微的非故障瞬變。 圖9還示出了具有短路保護(hù)結(jié)構(gòu)的電路900，該短路保護(hù)具有耦合至熔絲Fl的相 對(duì)側(cè)并耦合至開關(guān)Q2的晶體管Q1。這樣，如果電池組端子902和904短路，例如晶體管Q1 的快速作用模擬電路使得MOSFET Q2斷開，從而防止損害或其它不期望的狀況。
在圖9中示出的特定電路僅僅作為本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)例子而提供。本發(fā)明的 實(shí)施例并不限于在圖9中提出的技術(shù)特征的特定結(jié)合或它們的準(zhǔn)確設(shè)置。也就是說(shuō)，在電 路900的各種元件中使用的實(shí)際元件數(shù)值如下
Rl-10k
R2-10k
9
R3-100k R5-10兆歐姆 R6-10兆歐姆 R7-604k R8-604k R9-0 R10-10兆歐姆 Cl-100pF C2-1000pF C3-0.010ii法拉 C4-4. 7 ii法拉 C5-0.010ii法拉 C6-1.0ii法拉 Fl-1/16安培熔絲 Q1-零件號(hào)碼匪BT3906LT1 Q2-SI 9407AEY Q3-SI 4850EY U1-TLV 24011 U2-NCM 302LSN 40 在上述的實(shí)施例中，電池組組件裝置可用于多個(gè)種類的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，該工 業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括過(guò)程控制網(wǎng)橋、數(shù)據(jù)顯示器、現(xiàn)場(chǎng)控制閥門、機(jī)械制動(dòng)器、現(xiàn)場(chǎng)控制器 和變送器。在一個(gè)實(shí)施例中，電池包括原電池。在一些實(shí)施例中，電池組組件包括與熔絲串 聯(lián)連接的兩個(gè)電池。在一個(gè)實(shí)施例中，電池組組件被設(shè)計(jì)為具有至少3伏特的開路電壓。在 其它的實(shí)施例(特別是單個(gè)電池的實(shí)施例)中，使用低于3伏特的開路電壓。
在一個(gè)實(shí)施例中，電池組的移除與電池組組件中的串聯(lián)開關(guān)的動(dòng)作互鎖 (interlock)，從而當(dāng)移除電池組組件時(shí)不會(huì)激勵(lì)電源連接。當(dāng)開關(guān)為"接通"時(shí)，電池組組 件不能被斷開。開關(guān)也能夠被用于在裝載過(guò)程中切斷電池組組件。 盡管參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的變化。
10
權(quán)利要求
一種工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括設(shè)置在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)的無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置；設(shè)置在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)并可操作地耦合至無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置的至少一個(gè)電池；電插入到無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置和所述至少一個(gè)電池之間的熔絲；被配置成測(cè)量通過(guò)所述熔絲的電流并且在該電流超過(guò)閾值的情況下提供輸出的電路；以及耦合至所述電路的輸出的開關(guān)，當(dāng)電流超過(guò)所述閾值時(shí)，將無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與所述至少一個(gè)電池去耦。
2. 如權(quán)利要求1所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電路的至少一部分被設(shè)計(jì)成符合 固有安全要求。
3. 如權(quán)利要求2所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電路測(cè)量熔絲兩端上的電壓降。
4. 如權(quán)利要求2所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)一步包括串聯(lián)地設(shè)置在熔絲和所述電路 之間的感測(cè)電阻器，并且其中所述電路測(cè)量來(lái)自感測(cè)電阻器的與電流成比例的電壓。
5. 如權(quán)利要求1所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電路進(jìn)一步包括可操作地耦合至 熔絲的運(yùn)算放大器、耦合至運(yùn)算放大器的電壓參考以及耦合至運(yùn)算放大器的輸出的開關(guān)。
6. 如權(quán)利要求5所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中電壓參考具有向運(yùn)算放大器提供參考 電壓的輸出。
7. 如權(quán)利要求5所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電壓參考包括電阻器分壓網(wǎng)絡(luò)。
8. 如權(quán)利要求1所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)一步包括低電壓切斷電路，當(dāng)電池組電 壓低于閾值時(shí)，所述低電壓切斷電路將無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置與所述至少一個(gè)電池去親。
9. 如權(quán)利要求8所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)一步包括晶體管，該晶體管具有耦合至 熔絲的第一側(cè)的第一引腳、耦合至熔絲的相對(duì)側(cè)的第二引腳以及耦合至插入所述至少一個(gè) 電池和無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置之間的開關(guān)的第三引腳。
10. 如權(quán)利要求1所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)一步包括晶體管，該晶體管具有耦合至 熔絲的第一側(cè)的一第一引腳、耦合至熔絲的相對(duì)側(cè)的第二引腳以及耦合至插入所述至少一 個(gè)電池和無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置之間的開關(guān)的第三引腳。
11. 一種工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括設(shè)置在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)的無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置；設(shè)置在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)并可操作地耦合至無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置的至少一 個(gè)電池；被配置成測(cè)量所述至少一個(gè)電池的電壓并且在該電壓下降至低于閾值的情況下提供 輸出的電路；以及耦合至所述電路的輸出的開關(guān)，當(dāng)電壓下降至低于閾值時(shí)，將無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子 裝置與所述至少一個(gè)電池去耦。
12. 如權(quán)利要求11所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電路的至少一部分被設(shè)計(jì)成滿 足固有安全要求。
13. 如權(quán)利要求11所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電路包括運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器用于比較多個(gè)輸入信號(hào)并且基于所述比較而產(chǎn)生輸出，其中第一輸入耦合至所述至 少一個(gè)電池的電壓，第二輸入耦合至參考電壓，以及所述輸出耦合至所述開關(guān)。
14. 如權(quán)利要求11所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中所述電路包括電壓檢測(cè)器，該電壓 檢測(cè)器具有被耦合以測(cè)量所述至少一個(gè)電池的電壓的輸入，以及耦合至所述開關(guān)使得在電 壓低于閾值時(shí)使所述開關(guān)將無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置與所述至少一個(gè)電池去耦的輸出。
15. 如權(quán)利要求ll所述的工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)一步包括熔絲，所述熔絲電插入到所 述至少一個(gè)電池和無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置之間；晶體管，所述晶體管具有耦合至熔絲 的第一側(cè)的第一引腳，耦合至熔絲的相對(duì)側(cè)的第二引腳以及耦合至所述開關(guān)的第三引腳。
全文摘要
提供一種工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(200)。該設(shè)備(200)包括設(shè)置在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(200)內(nèi)的無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置(412；512；612；712；812)和設(shè)置在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(200)內(nèi)并且可操作地耦合至無(wú)線過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置(412；512；612；712；812)的至少一個(gè)電池(326；442；552；652；742；842)。提供電路(400；500；600；700；800；900)以感測(cè)與至少一個(gè)電池(326；442；552；652；742；842)相關(guān)的電特性，并向開關(guān)(418；518；610；718；818)提供輸出，以響應(yīng)于特定條件而將工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置(412；512；612；712；812)與所述至少一個(gè)電池(326；442；552；652；742；842)去耦。該條件包括從所述至少一個(gè)電池(326；442；552；652；742；842)流出過(guò)大電流、所述至少一個(gè)電池(326；442；552；652；742；842)的電壓過(guò)低或產(chǎn)生或以其他方式觀測(cè)到短路。
文檔編號(hào)H02H9/00GK101765954SQ200880014352
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月2日
發(fā)明者詹姆斯·A·約翰遜, 里查德·L·內(nèi)爾遜 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司