Преобразование энергии сжатого газа в электрическую энергию для маломощных полевых устройств

Преобразование энергии сжатого газа в электрическую энергию для маломощных полевых устройств

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к полевым устройствам управления и измерения, например, передатчикам и приводам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к относительно маломощным полевым устройствам.

Предшествующий уровень техники

Полевые устройства, также именуемые ниже «технологические устройства», используются для управления различными процессами и для измерений в различных областях. Обычно такие устройства имеют прочные кожухи, позволяющие их устанавливать вне помещений и в относительно неблагоприятной среде, и переносить неблагоприятные погодные условия - температуру, влажность, вибрации, механические удары и пр. Такие устройства потребляют относительно мало энергии. Например, имеются полевые устройства, получающие всю необходимую для работы энергию по двухпроводной линии 4-20 мА. Такие устройства могут не только работать, получая питание по двухпроводной линии, но и осуществлять связь по этой линии аналоговыми сигналами (на практике модулируя сигнал 4-20 мА), и цифровыми сигналами.

Одним известным примером полевого устройства является передатчик технологических параметров. Передатчик измеряет технологический параметр, такой как давление, температура, расход, рН, проводимость, помутнение и пр., и передает сигнал по двухпроводной линии связи (например, по двухпроводной линии 4-20 мА), который представляет этот технологический параметр. Технологические приводы подобны передатчикам технологических параметров в том, что имеют по существу прочный кожух и осуществляют связь по двухпроводной линии управления и измерения. Однако технологические приводы реально влияют на процесс на основании сигналов, принимаемых по двухпроводной линии. К другим полевым устройствам могут относиться технологические управляющие модули, модули аварийной сигнализации, диагностические модули и пр.

В некоторых установках управления технологическим процессом или на постах дистанционных измерений часто полезно обеспечить передачу данных технологических параметров иными средствами, нежели технологическая двухпроводная линия связи на основе медной проволоки. Обычно в таких случаях используются средства беспроводной связи. Средства временного или дополнительного мониторинга технологических процессов также выигрывают от применения беспроводных средств.

В беспроводной системе данные обычно передаются пакетами. Во время передачи таких пакетов необходима относительно значительная рабочая мощность (превышающая 100 мВт). Во время интервалов между передачей пакетов устройство обычно переходит в режим маломощных измерений, потребляя менее 10 мВт энергии. В некоторых случаях устройство между измерениями переходит в спящий режим. Потребление энергии в спящем режиме может составлять несколько микроватт. Когда необходимо провести измерение технологического параметра или необходимо передать информацию, устройство переходит в рабочий режим и выполняет необходимую задачу.

Одной распространенной проблемой, связанной с беспроводными измерениями и управлением, является создание надежного автономного источника питания, способного подать адекватную мощность для измерения и передачи. В настоящее время для этого используются аккумуляторы или комбинации аккумуляторов и солнечных панелей. Такие подходы имеют недостатки, поскольку аккумуляторы требуют зарядки, а солнечные панели иногда не получают достаточного количества света, чтобы адекватно зарядить резервные аккумуляторы. В итоге, в условиях низкой освещенности нарушается график измерений и передачи из-за разряда аккумуляторов. Например, в некоторых географических положениях в определенный сезон условия низкой освещенности могут продолжаться по существу весь день.

Изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание источника питания для беспроводных удаленных технологических установок, который не требует ни солнечного света, ни периодической зарядки аккумуляторов.

Согласно изобретению предлагается промышленное технологическое полевое устройство. Технологическим устройством может быть передатчик технологических параметров, технологический привод или любое другое подходящее полевое устройство. Полевое устройство содержит беспроводной трансивер, который осуществляет прием и передачу информации, связанной с технологическим процессом по беспроводной среде. Источник питания в полевом устройстве выполнен с возможностью соединения с источником сжатого газа и генерирует движение в источнике питания, которое преобразуется в электрическую энергию. Электрическая энергия используется для работы полевого устройства.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображен общий вид промышленной технологической установки, в которой варианты настоящего изобретения особенно полезны;

Фиг. 2 и 3 - общие виды полевых устройств, в которых варианты настоящего изобретения особенно полезны;

Фиг. 4 - блок-схему передатчика технологических параметров, для которого варианты настоящего изобретения особенно полезны;

Фиг. 5 и 6 - схемы модуля источника питания, преобразующего энергию сжатого газа в электрическую энергию, согласно изобретению;

Фиг. 7 - схему поля согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг. 1 схематически показана промышленная технологическая установка, в которой применяется полевое устройство, показанное как передатчик 12 технологических параметров, физически соединенный с технологическим процессом и выдающий сигнал 14, представляющий по меньшей мере один технологический параметр.

На фиг. 2 и 3 показаны виды передатчиков технологических параметров, для которых варианты настоящего изобретения особенно полезны. На фиг. 2 показан передатчик 12 температуры, соединенный с технологическим контейнером (трубой) 18, так, что передатчик 12 может измерять температуру текущей в ней технологической жидкости.

На фиг. 3 показан передатчик 22 расхода, соединенный с технологическим контейнером 20, при этом передатчик 22 измеряет перепад давления на препятствии для потока, размещенном в контейнере 20 и рассчитывает расход текучей среды на основе измеренного перепада давления. Передатчики 12 и 22 технологических параметров являются конкретными примерами полевых устройств, в которых можно полезно использовать варианты настоящего изобретения. Специалистам понятно, что варианты настоящего изобретения могут применяться для любого полевого устройства, включая передатчики технологических параметров, технологические приводы, и другие подходящие устройства, которые встроены в технологический процесс.

В вариантах настоящего изобретения по существу используется или применяется источник сжатого газа и преобразуется энергия этого сжатого газа в электроэнергию, предназначенную для использования полевым устройством. В некоторых вариантах, например в варианте, показанном на фиг. 3, источником сжатого газа может быть сама технологическая текучая среда. В других вариантах с полевым устройством можно соединить отдельный источник сжатого газа (в форме внешнего резервуара со сжатым газом).

На фиг. 4 приведена блок-схема передатчика технологических параметров, например передатчика 12, иллюстрирующая основные элементы передатчика. Передатчик 12 по существу соединен с датчиком 24 технологического параметра, который генерирует сигнал, представляющий технологический параметр, например температуру технологической текучей среды и т.п. Датчик 24 соединен с аналого-цифровым преобразователем 26, который преобразует аналоговый сигнал от датчика 24 в цифровую форму и передает цифровые величины по шине 28 на микропроцессор 30. Микропроцессор 30 выполняет программу, предпочтительно хранящуюся в запоминающем устройстве 32, и генерирует выходной сигнал, представляющий технологический параметр в виде цифровой величины, полученной микропроцессором 30 по шине 28. Выходной сигнал, представляющий технологический параметр, поступает на беспроводной трансивер 34, который соединен с антенной 36. Антенна 36 и беспроводной трансивер 34 взаимодействуют для осуществления взаимодействия с одним или более соответствующим устройством. Иллюстративно, беспроводной трансивер 34 является трансивером, в котором могут использоваться либо радиоволны, либо оптические средства для беспроводной связи. Для экономии энергии передатчик 12 предпочтительно передает данные пакетами. Во время такой пакетной передачи требуется относительно значительная рабочая мощность (потенциально более 100 мВт). Для обеспечения качества и дальности беспроводной связи необходимо соответствующее количество энергии.

Для подачи питания на элементы передатчика 12 технологических параметров имеется модуль 40 источника питания. Модуль 40 источника питания соединен со всеми электрическими элементами передатчика 12 (показано линией 42, обозначенной PWR). Как более подробно будет описано ниже, модуль 40 источника питания функционально соединен с источником 44 сжатого газа по линии 46. Источник 44 сжатого газа и линия 46 в некоторых вариантах могут быть частью узла передатчика технологических параметров, например, когда сам газ 44 является технологической текучей средой. Однако в других вариантах источником 44 газа является резервуар со сжатым газом. Например, в технологических процессах с дистанционным управлением часто для управления расходом используют клапаны с пневматическим приводом. Типично, либо на такие приводы подается газ от источника сжатого воздуха, либо природный газ. Источник сжатого газа может быть использован как источник 44 газа для полевого устройства.

На фиг. 5 показан вид сверху модуля 40 источника питания согласно настоящему изобретению. Модуль 40 источника питания содержит основание 48, которое функционально соединено (не показано) с источником сжатого газа. Основание 48 выполнено из материала, который позволяет создавать MEMS-конструкции (микроэлектромеханические системы), например из силикона. Сжатый газ заполняет камеру 50, течет в направлении по стрелке 52 через сопло 53 и в итоге обтекает плохо обтекаемое тело 54, вызывая колебания консольного элемента 56 вверх и вниз (перпендикулярно плоскости чертежа). Сопло 53 увеличивает эффективность преобразования энергии, поскольку вызывает локальное увеличение скорости газа, тем самым увеличивая кинетическую энергию газа. К примерам сжатого газа относятся воздух, природный газ или технологический газ. Консольный элемент 56 может содержать электрические дорожки или проводники 58, размещенные на нем и расположенные рядом с полюсом 60 постоянного магнита 62. Когда консольный элемент 56 совершает колебания рядом с магнитом 62, проводники 58, двигающиеся в магнитном поле 64, генерируют электрический ток, текущий по проводнику 58. Этот электрический ток может подаваться непосредственно на цепь, регулирующую мощность для подачи на элементы передатчика 12, или может подаваться на факультативный аккумулятор 66 (показан на фиг. 5 штриховыми линиями). Иллюстративно, плохо обтекаемое тело 54 имеет треугольное сечение (фиг. 6), но может иметь любую подходящую форму, включая (без ограничения) цилиндр, аэродинамический профиль, эллипс и сферу.

На фиг. 6 показан вид спереди модуля 40 источника питания согласно настоящему изобретению. На фиг. 6 показана линия 46, соединяющая камеру 50, которая ограничена сверху крышкой 68, предпочтительно выполненной из материала Pyrex, и диффузионно связанной с основанием 48. Сжатый газ проходит по каналу 52, предпочтительно через сопло, и обтекает плохо обтекаемое тело 54. Колебания консольного элемента 56 показаны двунаправленной вертикальной стрелкой 72. Хотя в вариантах настоящего изобретения предпочтительно используется постоянный магнит и проводник, движущийся на консольном элементе 56, могут существовать варианты, в которых используется пьезоэлектрический материал, расположенный внутри или вдоль консольного элемента 56. В любом случае, осуществляется преобразование колебания консольного элемента 56 в электричество. Это электричество затем подается на элементы полевого устройства, либо прямо, либо косвенно.

На фиг. 7 схематически показано полевое устройство согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения. Полевое устройство 90 содержит модуль 80 источника питания, который аналогичен модулю 40, показанному на фиг. 6. Одним из главных отличий модуля 80 от модуля 40 является то, что модуль 80 установлен герметично так, что сжатый газ, обтекающий плохо обтекаемое тело 54, которое генерирует вибрации консольного элемента 56, в итоге захватывается и пропускается через порт 74, который предпочтительно соединен с технологическим процессом. На фиг. 7 показан модуль 80, соединенный с парой точек давления технологического процесса на трубе 92. Когда технологическая текучая среда течет по трубе 92, между точками 94 и 96 возникает перепад давления. Этот перепад давления можно увеличить, при желании, поместив в трубу 92 соответствующее препятствие для потока между точками 94 и 96. Пока существует перепад давления между точками 94 и 96 модуль 80 будет работать. Соответственно модуль 80 можно применять в полностью герметичной системе для генерирования электричества в ответ на течение технологического газа благодаря перепаду давления. Дополнительно поскольку количество генерируемого электричества связано с перепадом давления, наблюдаемым между технологическими точками 94 и 96, количество электричества, генерируемого модулем 80, может использоваться как показатель этого перепада давления. Перепад давления также связан с расходом по трубе 92. Поэтому электричество, генерируемое модулем 80, может использоваться как показатель расхода текучей среды в трубе 92. Наконец, поскольку варианты настоящего изобретения позволяют осуществлять питание полевых устройств, используя сжатый газ, и измеряют расход технологической текучей среды, они могут применяться как автономные расходомеры с питанием от текучей среды процесса.

Все структуры, показанные на фиг. 5 и 6, предпочтительно выполнены из материалов, которые позволяют создавать MEMS-конструкции. Примерами таких материалов являются кремний, Pyrex и любые другие подходящие материалы. Технологии и методы производства микроэлектромеханических систем известны.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалистам понятно, что могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема и изобретательской идеи настоящего изобретения.

1. Модуль источника питания для генерирования электроэнергии в полевом устройстве, содержащий

опорную структуру, выполненную с возможностью соединения с

источником сжатого газа и предназначенную для направления сжатого газа,

гибкую деталь, установленную относительно опорной структуры и содержащую консольную структуру, один конец которой совершает колебания в ответ на поток газа,

электрический проводник, расположенный на гибкой детали рядом с концом консоли и электрически связанный с элементами полевого устройства;

магнитное поле, расположенное рядом с концом консоли так, что колебания конца консоли генерируют электричество в проводнике, при этом гибкая деталь дополнительно содержит плохо обтекаемое тело.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет треугольное сечение.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет аэродинамический профиль поперечного сечения.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет эллиптическое сечение.

5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет цилиндрическую форму.

6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет сферическую форму.

7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что магнитное поле генерируется постоянным магнитом, расположенным рядом с гибкой деталью.

8. Модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство для хранения энергии, электрически соединенное с дорожкой в модуле и предназначенное для хранения энергии.

9. Модуль по п.8, отличающийся тем, что устройством для хранения энергии является аккумулятор.

10. Модуль по п.8, отличающийся тем, что устройством для хранения энергии является конденсатор.

11. Модуль по п.1, отличающийся тем, что газом является воздух.

12. Модуль по п.1, отличающийся тем, что газом является природный газ.

13. Модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит сопло, расположенное относительно опорной структуры для направления сжатого газа и для увеличения скорости газа.

14. Модуль по п.13, отличающийся тем, что сопло и газовые порты сформированы из диффузионно связанной крышки, выполненной из материала Pyrex.

15. Модуль по п.1, отличающийся тем, что полевым устройством является передатчик для измерения технологического параметра.

16. Модуль по п.15, отличающийся тем, что источником сжатого газа является технологическая текучая среда, измеряемая передатчиком.

17. Модуль по п.1, отличающийся тем, что полевым устройством является привод.

18. Модуль по п.1, отличающийся тем, что модуль является микроэлектромеханической системой.

19. Модуль источника питания для генерирования электроэнергии в полевом устройстве, содержащий

опорную структуру, выполненную с возможностью соединения с источником сжатого газа и предназначенную для направления сжатого газа;

гибкую деталь, установленную относительно опорной структуры и содержащую консольную структуру, один конец которой совершает колебания в ответ на направленный поток газа,

пьезоэлектрический материал, установленный относительно конца консоли так, что колебание конца консоли генерирует электричество в пьезоэлектрическом материале, при этом пьезоэлектрический материал выполнен с возможностью электрического соединения с элементами полевого устройства.

20. Модуль по п.19, отличающийся тем, что гибкая деталь дополнительно содержит плохо обтекаемое тело.

21. Модуль по п.20, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет треугольное сечение.

22. Модуль по п.20, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет аэродинамический профиль поперечного сечения.

23. Модуль по п.20, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет эллиптическое сечение.

24. Модуль по п.20, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет цилиндрическую форму.

25. Модуль по п.20, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело имеет сферическую форму.

26. Модуль по п.19, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство для хранения энергии, электрически соединенное с пьезоэлектрическим материалом и предназначенное для хранения энергии.

27. Модуль по п.26, отличающийся тем, что устройством для хранения энергии является аккумулятор.

28. Модуль по п.26, отличающийся тем, что устройством для хранения энергии является конденсатор.

29. Модуль по п.19, отличающийся тем, что газом является воздух.

30. Модуль по п.19, отличающийся тем, что газом является природный газ.

31. Модуль по п.19, отличающийся тем, что полевым устройством является передатчик для измерения технологического параметра.

32. Модуль по п.31, отличающийся тем, что источником сжатого газа является технологическая текучая среда, измеряемая передатчиком.

33. Модуль по п.19, отличающийся тем, что полевым устройством является привод.

34. Модуль по п.19, отличающийся тем, что дополнительно содержит сопло, расположенное относительно опорной структуры для направления сжатого газа и для увеличения скорости газа.

35. Модуль по п.19, отличающийся тем, что модуль является микроэлектромеханической системой.

36. Полевое устройство, содержащее модуль источника питания для генерирования электроэнергии в полевом устройстве, при этом модуль содержит

опорную структуру, выполненную с возможностью соединения с источником сжатого газа и предназначенную для направления сжатого газа по меньшей мере от одной технологической точки давления через сопло,

гибкую деталь, установленную относительно сопла и содержащую консольную структуру, один конец которой совершает колебания в ответ на поток газа через сопло,

электрический проводник, размещенный для генерирования электроэнергии в ответ на колебания,

при этом электричество, генерируемое в проводнике, связано с перепадом давления на сопле и перепадом давления между множеством технологических точек давления.

37. Полевое устройство по п.36, отличающееся тем, что модуль источника питания является микроэлектромеханической системой.

38. Полевое устройство по п.36, отличающееся тем, что перепад давления между множеством технологических точек давления связан с расходом технологической текучей среды.