JP2016536708A - 障害検知機能を有するハイブリッド電力モジュール - Google Patents

Abstract

ワイヤレスフィールドデバイス組立体は、プロセスセンサ、ハウジング、電力モジュール、及びプロセッサを備える。プロセスセンサは、プロセス変数を検出してセンサ信号を生成するように構成される。ハウジングは、ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間を形成する。電力モジュールは、エネルギ貯蔵素子とローカル電源への接続機構とを備え、ワイヤレスフィールドデバイスの中に収容される。プロセッサは、ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間に配置され、電力モジュールから電力を供給される。プロセッサは、エネルギ貯蔵素子の障害、ローカル電源の障害、及び障害なしの状態を識別するために用いる障害信号値を生成する。【選択図】図３

Description

本発明は、概ね産業プロセス用のフィールドデバイスに関し、具体的には、産業プロセス用のワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するハイブリッド電力モジュールに関するものである。

「フィールドデバイス」という用語は、圧力、温度、及び流量といったパラメータを計測したり制御したりするプロセス管理デバイスを広範に包含するものである。多くのフィールドデバイスは、産業プロセス変数を検出または操作するトランスデューサや、コントロールルームにあるコンピュータなどの遠隔制御デバイスや遠隔監視デバイスとの間の通信中継装置として作動するトランスミッタとなる。例えば、センサの出力信号は、遠隔制御デバイスや遠隔監視デバイスと有効な通信を行うには不十分であるのが一般的である。トランスミッタは、センサからの信号を受け取り、この信号を長距離の通信に一層適した形式（例えば、変調された４−２０ｍＡ電流ループ信号、またはワイヤレスプロトコル信号）に変換して、変換後の信号を遠隔制御デバイスや遠隔監視デバイスに送信することにより、このような問題を解消する。

フィールドデバイスは、圧力、温度、粘度、及び流量を含む、産業プロセスの様々なパラメータを監視したり制御したりするために用いられる。別のフィールドデバイスは、バルブ、ポンプ、及びその他の産業プロセス用ハードウエアを作動させる。一般的に、それぞれのフィールドデバイスは、アクチュエータ及びセンサの少なくとも一方と、センサ信号や制御信号を受け取って処理する電子回路と、各フィールドデバイスや産業プロセスのパラメータを遠隔地から監視できるように、処理したセンサ信号を送信する電子回路とを収容する密封容器を備えている。大規模な製造設備では、広い範囲にわたり分散配置された多くのフィールドデバイスを用いるのが一般的である。通常、これらのフィールドデバイスは、共通の制御デバイスや監視デバイスと通信を行うことにより、産業プロセスを集中的に監視したり、制御したりすることができるようになっている。

フィールドデバイスでは、集中制御システムや集中監視システムとの通信に、ワイヤレストランシーバを用いるようになりつつある。ワイヤレスデバイスにより、有線デバイスの適用範囲を超え、電線の敷設が困難であって有線デバイスの設置には費用がかかるような場所にまで、プロセス制御システムやプロセス監視システムの適用範囲が拡大される。ワイヤレスデバイスは、交流１２０Ｖ商用電源や電力供給型データ通信線といった電力設備との直接的な接続によって電力の供給を受けることがある。しかしながら、近くに電力設備がなかったり、機器やトランスデューサが作動する必要のある苛酷な場所には電力設備を容易に設置することができなかったりすることが多い。このため、フィールドデバイスは、長寿命バッテリの場合のように電力を貯えるか、或いは太陽電池パネルの場合のように電力を生成するような、容量が限られた電源から局所的に電力が供給されることが多い。バッテリは、５年以上にわたる継続使用が期待され、フィールドデバイスの寿命程度まで継続して使用できることが好ましい。局所的に設けられたローカル電源は、容量が限られているので、低消費電力の電子回路や高周波無線の使用が、多くのワイヤレスフィールドデバイスにとって必須となる場合が多い。

多くのフィールドデバイスは、フィールドデバイスの密封容器の中にバッテリを収容している。別のフィールドデバイスでは、太陽電池パネルや、振動発電装置もしくは熱電発電装置のようなエネルギ捕集装置、または近隣の電力供給網といった外部電源からの電力を利用する。ワイヤレスフィールドデバイスへの電力供給方法は、それぞれで異なる配線用端子接続を求められるのが一般的である。一部または全体がバッテリ電力で作動するフィールドデバイスは、付属のバッテリとの接続点となる端子ブロックを組み込むのが一般的である。これに対し、電力供給網を利用して作動するフィールドデバイスは、電力供給網との配線接続を行う端子ブロック（一般的にネジ止め端子を用いる）や、電力供給網からの電力をフィールドデバイスで使用できるように調整する端子ブロックを備える。多くの場合、端子ブロックを着脱可能として、各電源専用の端子ブロックに交換することにより、単一のフィールドデバイスで様々な電源に対応できるようになっている。太陽電池パネルや振動エネルギ捕集装置など、別の種類のローカル電源モジュールは、いずれも異なる端子ブロックを使用する可能性がある。

ワイヤレスフィールドデバイスは、検出したパラメータに対応した周期的な信号を供給する。バッテリ駆動型のトランスミッタは、一般的に、バッテリ交換の間の５年以上にわたって作動することが期待される。用途によっては、既存のシステムでも、４秒に一度といった頻度で送信を行いつつ、このような期間にわたって作動することが可能である。多くの産業用途について、より迅速なシステムの更新が望ましいものの、より多くの電力が必要となり、バッテリの寿命を大幅に短縮することになる。

太陽電池パネルや振動エネルギ捕集装置または熱電発電装置のようなエネルギ捕集装置は、設置場所や用途に大きく依存した電力を生成する。振動エネルギ捕集装置は、例えば大きな振幅の連続的な振動を伴う場所では、非常に有効なエネルギ供給源となり得るが、振幅の小さな振動や、断続的な振動を伴う場所では、実用的でないか、或いは不十分な場合がある。更に、一般にバッテリやスーパーキャパシタは、放電している間は電力を供給し続けるが、エネルギ捕集装置は、電力生成に予期せぬ減少が生じる可能性があり、周囲の環境条件に応じて電力量が変動することになる。例えば、太陽電池パネルは、暗闇では電力を生成せず、振動エネルギ捕集装置は、取り付けられる構造物（例えば、モータ）が静止している場合、電力を生成しない。

本発明は、プロセスセンサ、ハウジング、電力モジュール、及びプロセッサを備えたワイヤレスフィールドデバイス組立体を対象とするものである。プロセスセンサは、プロセス変数を検出してセンサ信号を生成するように構成される。ハウジングは、ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間を形成する。電力モジュールは、エネルギ貯蔵素子とローカル電源への接続機構とを備え、ワイヤレスフィールドデバイスの中に収容される。プロセッサは、ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間に配置され、電力モジュールから電力を供給される。プロセッサは、エネルギ貯蔵素子の障害、ローカル電源の障害、及び障害なしの状態を識別するために用いる障害信号値を生成する。

ワイヤレスフィールドデバイスを含むプロセス制御または監視システムの典型例を示す図である。 図１に示すワイヤレスフィールドデバイスの概要を示すブロック図である。 本発明に係るもう１つのワイヤレスフィールドデバイスの概要を示すブロック図である。 図１に示すワイヤレスフィールドデバイスの分解斜視図である。 図１に示すワイヤレスフィールドデバイスの電力モジュールを一方向から見た分解斜視図である。 図１に示すワイヤレスフィールドデバイスの電力モジュールを図４ａとは異なる方向から見た分解斜視図である。 図１に示すワイヤレスフィールドデバイスが受け取る電圧の時間的変化を例示するグラフである。 図１に示すワイヤレスフィールドデバイスの障害検知方法のフローチャートである。

本発明は、産業用のワイヤレストランスミッタまたはワイヤレスアクチュエータに用いる電力モジュールに関する。この電力モジュールは、バッテリまたはスーパーキャパシタのようなエネルギ貯蔵素子と、外部のエネルギ捕集型電源のための電力調整回路との両方を備えている。このような電力モジュールからの電圧計測値は、エネルギ捕集型電源及びエネルギ貯蔵素子の障害の形態を識別するために利用される。

図１は、ワイヤレスフィールドデバイス１２（アンテナ１４を有する）、トランスデューサ１６、プロセス接続部１８、プロセス配管２０、ローカル電源２２、及び電源接続線２４を備えた計測または制御箇所１０を示している。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、アンテナ１４を介し、制御または監視システム（以下、制御または監視システムを総称して制御・監視システムという）２８に接続される。

プロセス配管２０は、流動するプロセス流体Ｆを案内する。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、このプロセス流体のパラメータを計測する１以上のセンサから信号を受け取り、処理して送信するように構成されたプロセストランスミッタとすることができる。これに代え、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、制御・監視システム２８からの信号に応答して、バルブまたはポンプなどのプロセスアクチュエータに指令するように構成されたワイヤレスコントローラであってもよい。トランスデューサ１６は、プロセス接続部１８を介してプロセス流体Ｆと接する１つのセンサまたはアクチュエータである。プロセス接続部１８は、個々の産業用途と、トランスデューサ１６が計測または操作するパラメータとに応じ、プロセス流体Ｆの流動に対して並列的に設けられてもよいし、直列的に設けられてもよい。図１には単一のトランスデューサ１６が示されているが、計測または制御箇所１０の一実施形態として、ワイヤレスフィールドデバイス１２に接続された複数のセンサ及び複数のアクチュエータの少なくとも一方を備えていてもよい。

一実施形態において、トランスデューサ１６は、ワイヤレスフィールドデバイス１２が処理を行って制御・監視システム２８への送信を行うために、ワイヤレスフィールドデバイス１２に計測結果を供給するセンサである。別の実施形態では、トランスデューサ１６がアクチュエータであって、ワイヤレスフィールドデバイス１２が制御・監視システム２８から受け取った信号に応答し、トランスデューサ１６がプロセス流体における変化を操作する。以下の説明では、トランスデューサ１６がセンサからなる実施形態に焦点を当てるが、当業者は、アクチュエータにも同様に本発明を適用可能であることを理解しうるものである。

トランスデューサ１６は、プロセス接続部１８を介してプロセス配管２０に固定され、流量、粘度、温度、または圧力など、プロセス流体の１以上のパラメータを計測する。図示した実施形態において、トランスデューサ１６は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の内部に収容されているが、これに代わる実施形態として、トランスデューサをワイヤレスフィールドデバイス１２から分離して配置し、電線でワイヤレスフィールドデバイス１２と接続するようにしてもよい。トランスデューサ１６からのセンサ信号は、（例えば、アナログ電圧値またはデジタル信号として）ワイヤレスフィールドデバイス１２内の処理及び伝送用電子回路に送信される（図２ａ及び図２ｂ参照）。トランスデューサ１６の具体的構成は、検出するパラメータに応じて変更することができ、プロセス配管２０内のプロセス流体Ｆ中にトランスデューサ１６が延設されるように、プロセス接続部１８が構成される場合もある。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、トランスデューサ１６からプロセス信号を受信して、（必要に応じ）デジタル化し、アンテナ１４を介して、プロセス情報を含むプロセスメッセージを制御・監視システム２８に送信する。アンテナ１４は、単一のアンテナとして図示されているが、１つのまとまりとして配列された複数の多様なアンテナで構成してもよい。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、制御・監視システム２８に信号を直接送信してもよいし、メッシュ型ネットワークまたはハブアンドスポーク型ネットワークを間に介して制御・監視システム２８に信号を送信してもよい。一実施形態として、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル（ＩＥＣ６２５９１）を用いてもよい。制御・監視システム２８は、フィールドデバイスネットワーク２６内にある複数のフィールドデバイスからのセンサデータの受信、及びこれらフィールドデバイスへのアクチュエータデータの送信の少なくとも一方を行う集中システムとすることができる。また、制御・監視システム２８は、フィールドデバイスネットワーク２６と共に現場に配置されてもよいし、遠隔設置されたコントロールルームに配置されてもよい。

ワイヤレスフィールドデバイス１２は、後に詳述するように、トランスデューサ１６からの（または、アクチュエータの場合、トランスデューサ１６への）信号を処理して送信する電子回路を備えている。信号の処理及び送信は、いずれもエネルギを必要とし、当該エネルギは、図２ａ及び図２ｂに関して後述するように、電力モジュールによって供給される。この電力モジュールは、バッテリまたはスーパーキャパシタなどの内蔵のエネルギ貯蔵素子と、電源接続線２４を介したローカル電源２２への接続機構との両方を備える。ローカル電源２２は、例えば、太陽電池パネルや、振動エネルギ捕集装置もしくは熱電発電装置などのエネルギ捕集装置、または商用電力供給網とすることができる。図１では、ワイヤレスフィールドデバイス１２の外に設けられた外部電源として、ローカル電源２２が示されているが、一実施形態として、図２ｂに関して後述するように、ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２の内部に組み込まれていてもよい。

図２ａ及び図２ｂは、ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２の外部にある場合（図２ａ）、及びローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２の内部にある場合（図２ｂ）の、それぞれのワイヤレスフィールドデバイス１２の実施形態を示す図である。図２ａの実施形態と図２ｂの実施形態とは、電力モジュール１２０の構成のみが相違しており、図２ａにおいては電力モジュール１２０ａとして、また図２ｂにおいては電力モジュール１２０ｂとして示されている。ここで、「電力モジュール１２０」の呼称は、電力モジュール１２０ａと電力モジュール１２０ｂとの区別を必要としない場合に、これら電力モジュール１２０ａ及び電力モジュール１２０ｂを同等に指し示すために用いている。

図２ａ及び図２ｂは、制御・監視システム２８からの信号に基づいてプロセス機器を操作する実施形態ではなく、センサ信号を受け取って、制御・監視システム２８に送信する実施形態に関するものである。上述したように、電力モジュール１２０は、これらのうちのいずれかの形式のシステムに適用可能なだけでなく、両方の機能を有したフィールドデバイスにも適用可能である。

図２ａは、ワイヤレスフィールドデバイス１２の概要を示すブロック図であり、アンテナ１４、トランスデューサ１６、ケーシング、即ちハウジング１００、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、給電コントローラ１１２、カバー１１６、端子ブロック１１８、及び電力モジュール１２０ａの一実施形態を示している。電力モジュール１２０ａは、エネルギ貯蔵素子１２２、接続用基板１２４、電力コンディショナ１２６、端子ネジ１２８、及びケーブル用コンジット１３０を備えている。図２ｂは、これに代わるワイヤレスフィールドデバイス１２の実施形態の概要を示すブロック図であって、アンテナ１４、トランスデューサ１６、ケーシング、即ちハウジング１００、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、給電コントローラ１１２、カバー１１６、端子ブロック１１８、及び電力モジュール１２０ｂが示されている。電力モジュール１２０ｂは、エネルギ貯蔵素子１２２、接続用基板１２４、電力コンディショナ１２６、及びローカル電源２２ｂを備えている。

ワイヤレスフィールドデバイス１２は、過激な温度及び過酷な環境に曝される可能性がある。従って、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、内部領域Ｉに電子回路を収納して保護するためのケーシング、即ちハウジング１００を備えている。ハウジング１００は、硬質で耐久性のある筐体であって、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、及び給電コントローラ１１２を劣化または損傷から保護するべく密封するようにしてもよい。ハウジング１００は、カバー１１６と接合されて収容部Ｒを形成し、収容部Ｒは、電力モジュール１２０などの着脱可能な構成部品を収容して保護する。ハウジング１００及びカバー１１６は、同様に密封状態を形成することにより、有害な環境による影響から、収容部Ｒ内にある構成部品を保護するようにしてもよい。一実施形態として、ハウジング１００とカバー１１６との間のシールにより、内部領域Ｉ内の構成部品（即ち、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、及び給電コントローラ１１２）を適切に保護することも可能であって、ハウジング１００とカバー１１６との組み合わせにより、カバー１１６が取り付けられている限りは、環境によるダメージから構成部品を保護することができるので、ハウジング１００が内部領域Ｉを完全に取り囲んでいる必要はない。

一実施形態として、トランシーバ１０２は、アンテナ１４を介してワイヤレス信号を送受信する送受信機である。信号プロセッサ１０４は、マイクロプロセッサなどの論理演算処理可能なデータプロセッサである。デジタル信号コンディショナ１０６は、デジタル化されたセンサ信号に対して機能するデジタルフィルタを備えており、このデジタルフィルタは、制御・監視システム２８から送られる診断プログラムまたは指令に応答して、信号プロセッサ１０４が整合を行えるようにしてもよい。デジタル信号コンディショナ１０６は、例えば、アナログ・デジタルコンバータ１０８が生成した未加工のデジタル信号からの、ノイズの除去、または必要な信号の抽出を行うようにしてもよい。アナログ・デジタルコンバータ１０８は、トランスデューサ１６からのアナログセンサ信号をデジタル化することが可能なコンバータである。一実施形態（アクチュエータシステムのような場合）において、アナログ・デジタルコンバータ１０８は、上記構成に代えて、または上記構成に加えて、信号プロセッサ１０４からのデジタル信号を、トランスデューサ１６に送信するためのアナログ信号に変換することが可能なデジタル・アナログコンバータを備えていてもよい。アナログ信号コンディショナ１１０は、一般的なアナログ信号コンディショナであって、例えば、トランスデューサ１６から受け取った信号から、必要な１以上の領域を分離するバンドパスフィルタ処理を行うようにすることができる。給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８から電力を取り込むように構成された、一般的な配電装置であって、電力品質及び電力障害の可能性を監視するための手段として、端子ブロック１１８から受け取った電圧を、（例えば、アナログ信号コンディショナ１１０を介して）信号プロセッサ１０４に報告する。信号プロセッサ１０４は、この電圧情報を用い、図５及び図６に基づき詳細に後述するように、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の障害の形態を識別して通知する。給電コントローラ１１２は、内部電源または外部電源から端子ブロック１１８を介して電力を受け取り、この電力を、必要に応じて、トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、アナログ信号コンディショナ１１０、及びそのほかにワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とするような構成部品のいずれかに供給する。

作動中、アナログ信号コンディショナ１１０は、トランスデューサ１６からプロセス信号を受け取り、フィルタ処理を行う。トランスデューサ１６は、図１に示すように、ワイヤレスフィールドデバイス１２の内部に配置されてもよいし、外部に設けられて、電線でアナログ信号コンディショナ１１０と接続するようにしてもよい。フィルタ処理されたプロセス信号は、アナログ・デジタルコンバータ１０８によってデジタル化され、更に、信号プロセッサ１０４によって処理を行う前に、デジタル信号コンディショナ１０６によってフィルタ処理される。ワイヤレスフィールドデバイス１２の一実施形態では、特に、トランスデューサ１６からの信号が予め調整されている場合、デジタル信号コンディショナ１０６及びアナログ信号コンディショナ１１０の一方または両方を省略してもよい。同様に、アナログ・デジタルコンバータ１０８は、トランスデューサ１６がデジタル信号を供給する実施形態の場合に不要となる。トランシーバ１０２、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、及びアナログ信号コンディショナ１１０は、それぞれ別個の構成部品として説明したが、一実施形態において、これら構成部品の一部または全ての機能を、共用マイクロプロセッサなどの共用ハードウエアで実行するようにしてもよい。また、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、オペレータがワイヤレスフィールドデバイス１２と直接的にやりとりできるようにするための、例えば表示画面及び入力用キーの少なくとも一方を有したローカルオペレータインターフェース（図示せず）を備えていてもよい。ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とするような別の構成部品と同様に、このようなローカルオペレータインターフェースも、給電コントローラ１１２から電力を受け取ることになる。

ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とする構成部品は、給電コントローラ１１２から電力を受け取る。一方、給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８を介して電力モジュール１２０から電力を受け取る。端子ブロック１１８は、電力モジュール１２０に接続して、電力モジュール１２０から電力を受け取るように構成された配電部品である。ワイヤレスフィールドデバイス１２の内蔵電子回路に応じ、端子ブロック１１８は、交流電力または直流電力を受け取る。一実施形態において、端子ブロック１１８は、収容部Ｒ内における電力モジュールの固定に用いられる。端子ブロック１１８は、永続的にワイヤレスフィールドデバイス１２に固定するようにしてもよいし、必要に応じて交換可能として、別の電源との接続を行えるようにするモジュール式の構成部品とすることもできる。

電力モジュール１２０は、エネルギ貯蔵素子１２２とローカル電源２２との双方からの電力を供給するハイブリッド装置となっている。図２ａの実施形態に示すように、電力モジュール１２０ａは、エネルギ貯蔵素子１２２、接続用基板１２４、電力コンディショナ１２６、及び端子ネジ１２８を備える。エネルギ貯蔵素子１２２は、コンデンサ、スーパーキャパシタ、充電式バッテリ、一次電池（充電できないバッテリ）、またはそれ以外の一般的な小型のエネルギ貯蔵素子とすることができる。電力コンディショナ１２６は、コンデンサ、スイッチング回路、フィルタ部品、及び電圧制限用部品と電流制限用部品との少なくとも一方を備えていてもよい。図２ａ及び図２ｂでは、エネルギ貯蔵素子１２２が単体の素子として示されているが、電力モジュール１２０の一実施形態として、同一形式または異なる形式の複数の別個の電力セルを備えていてもよい。接続用基板１２４は、エネルギ貯蔵素子１２２、端子ネジ１２８、及び電力コンディショナ１２６を電気的に接続する内装配線基板である。ワイヤレスフィールドデバイス１２の多くの実施形態の場合、特に、過酷な環境及び過酷な温度での作動が予測されるような実施形態の場合、充電式バッテリは実用的ではないことがある。しかしながら、適合する環境の場合には、エネルギ貯蔵素子１２２を再充電可能な素子で具現化して、ローカル電源２２からの電力で充電するようにしてもよい。エネルギ貯蔵素子１２２は、電力モジュール１２０に着脱可能としてもよい。

この実施形態では、電力モジュール１２０ａが端子ネジ１２８を備えている。端子ネジ１２８は、電源接続線２４の環状露出部またはそれ以外の露出導電部を電力モジュール１２０ａに取り付ける際の、電源接続線２４のための中継端子として機能する。電源接続線２４は、ケーブル用コンジット１３０を通して収容部Ｒ内に導入するのが好ましい。ケーブル用コンジット１３０は、電源接続線２４が、ハウジング１００またはカバー１１６の壁を通り抜けて収容部Ｒ内に入って来られるような、任意の形式の開口とすることができる。端子ブロック１１８、電力モジュール１２０、及びそれ以外に収容部Ｒ内にある構成部品の保護を充実させるため、ケーブル用コンジット１３０は、電源接続線２４の周囲を密封して収容部Ｒを有害な環境から遮蔽するケーブル用パッキンを備えていてもよい。

電力コンディショナ１２６は、ローカル電源２２用に定められた一般的な電力調整を行う小型の部品である。電力コンディショナ１２６は、例えば、電圧及び電流の少なくとも一方を制限して、ワイヤレスフィールドデバイス１２の構成部品を保護する。また、電力コンディショナ１２６は、ローカル電源２２が交流電源である場合に、必要であればＡＣ／ＤＣコンバータを組み入れるようにしてもよい。電力コンディショナ１２６は、接続用基板１２４の一部として構成されてもよいし、接続用基板１２４に取り付けられる別個の構成部品であってもよい。

電力モジュール１２０は、２つの電力供給源であるエネルギ貯蔵素子１２２及びローカル電源２２から端子ブロック１１８にエネルギを供給する。本発明の背景技術の部分で述べたように、エネルギ捕集装置や太陽電池パネルのような外部電源は、供給可能な電力が制限されることが多い。ローカル電源２２の一実施形態では、制限されるものの実質的に一定の電力を供給することが可能であるが、当該電力は、信号プロセッサ１０４、アナログ信号コンディショナ１１０、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ・デジタルコンバータ１０８、及び特にトランシーバ１０２を常時駆動するには不十分である。ローカル電源２２の別の実施形態では、更に大きな電力を供給可能であるが、電力に信頼性がない場合がある。これらのいずれの実施形態においても、電力モジュール１２０は、ローカル電源２２からの電力を、エネルギ貯蔵素子１２２からの貯蔵電力で補足し、ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を使用する構成部品の電力要求を満たす。ワイヤレスフィールドデバイス１２の周囲の環境及び用途に応じ、ワイヤレスフィールドデバイス１２が消費する全電力は、多少に関わらず、エネルギ貯蔵素子１２２またはローカル電源２２から供給することができる。ローカル電源２２からの電力が比較的少なめまたは信頼性に欠ける場合、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、エネルギ貯蔵素子１２２から優先的に電力を受け取り、ローカル電源２２からの補足的な電力によって、エネルギ貯蔵素子１２２の使用可能期間を延ばすことになる。ローカル電源２２からの電力が比較的多めで信頼性がある場合、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、ローカル電源２２から優先的に電力を受け取り、エネルギ貯蔵素子１２２からの補足的な電力により、ローカル電源２２からの電力における何らかの遮断または低下への補充がなされることになる。

図１に関して上述したとおり、ローカル電源２２は、様々な形態をとることができる。一例を示すと、ローカル電源２２として作動する振動エネルギ捕集装置は、モータが作動している間（例えば、５０％の運転サイクルにより、半分の期間）、ワイヤレスフィールドデバイス１２の実質的に全ての電力要求を満たすことができる。モータが作動していないときは、電力モジュール１２０が、代わりにエネルギ貯蔵素子１２２からの電力を供給することになる。もう１つの実施形態では、ローカル電源２２として作動する熱電エネルギ捕集装置が電力を供給するが、この電力は、連続的であるが微弱であって、信号プロセッサ１０４、デジタル信号コンディショナ１０６、アナログ信号コンディショナ１１０、及びアナログ・デジタルコンバータ１０８を作動させるには十分であるが、信号を送信中のトランシーバ１０２を作動させるには不十分である。このような場合には、送信の際の補足電力をエネルギ貯蔵素子１２２から供給することができる。ローカル電源２２が、更に微弱な電力しか供給できなくなった場合には、エネルギ貯蔵素子１２２が常時全ての構成部品に電力を供給するように要求することもできる。このような場合には、ローカル電源２２を含めることにより、エネルギ貯蔵素子１２２の予想される作動可能期間を延長して交換までの期間を延ばすことが可能となる。３つ目の実施形態では、電力供給網への直接的な接続によってローカル電源２２が構成される。このような場合、正常な状態である間は、外部電源により、ワイヤレスフィールドデバイス１２の全ての構成部品に十分に電力が供給されることになる。電力供給網が停電した場合、または電力供給網の接続に障害が生じた場合には、エネルギ貯蔵素子１２２がバックアップ電源として機能することになり、中断することなくワイヤレスフィールドデバイス１２を継続して作動させることができる。

図２ｂは、電力モジュール１２０ｂが搭載されたワイヤレスフィールドデバイス１２の一実施形態を示している。電力モジュール１２０ａとは異なり、電力モジュール１２０ｂは、端子ネジ１２８を備えておらず、また、それ以外にも外部電源に接続するための手段を何ら備えていない。その代わりに、電力モジュール１２０ｂは、ローカル電源２２の変形として、収容部Ｒ内にぴったり組み込まれるような寸法を有したローカル電源２２ｂを備えている。ローカル電源２２ｂは、例えば、ワイヤレスフィールドデバイス１２の振動からエネルギを捕集する振動エネルギ捕集装置とすることができる。このような実施形態は、ワイヤレスフィールドデバイス１２が、ポンプ、モータ、またはそれ以外の確実性のある振動発生源に近接して装着されるような用途に適している。ローカル電源２２ｂは、電力モジュール１２０ｂ内に永続的に取り付けられるようにしてもよいし、端子ネジ１２８（図２ａ参照）と機能的に同等の導電接続部材を介し、電力モジュール１２０ｂに着脱可能に接続するようにしてもよい。エネルギ貯蔵素子１２２、接続用基板１２４、及び電力コンディショナ１２６は、電力モジュール１２０ａ及び電力モジュール１２０ｂにおいて、機能上は実質的に同一であるが、電力モジュール１２０ｂでは、ローカル電源２２ｂを収納する必要があることから、若干異なる形態（例えば、寸法または形状が異なる）となる場合がある。

電力モジュール１２０のいずれの実施形態においても、エネルギ貯蔵素子１２２とローカル電源２２（ローカル電源２２ｂを含む）とからの複合電力が得られる。ローカル電源２２からの電力を使用可能である限りは、ローカル電源２２が優先的に使用される。ローカル電源２２からの電力が使用不可能となるか、または不足する場合は、エネルギ貯蔵素子１２２からの電力が代替または補足として用いられる。給電コントローラ１１２は、電力モジュール１２０から供給される電圧を（端子ブロック１１８を介して）監視することにより、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２における障害を検知する。

図２ａ及び図２ｂにおいて、端子ブロック１１８と電力モジュール１２０とは、別個の構成部品として示されているが、一実施形態として、端子ブロック１１８と電力モジュール１２０との機能をまとめて単一の着脱可能な構成部品とし、収容部Ｒ内でワイヤレスフィールドデバイス１２に装着することも可能であり、そのような単一の構成部品は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の個々の様式、及びローカル電源２２の個々の形式の双方に合致するように選定される。

図３は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の分解斜視図であって、このワイヤレスフィールドデバイス１２は、アンテナ１４、ケーシング、即ちハウジング１００、カバー１１６、端子ブロック１１８、電力モジュール１２０、エネルギ貯蔵素子１２２、ケーブル用コンジット１３０、端子ブロック取付ネジ１３２、端子ブロック取付ネジ孔１３４、電源取付部１３６、及び電源コネクタ１３８を備えている。

図２ａ及び図２ｂに関して上述したように、給電コントローラ１１２は、ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を使用する全ての構成部品に電力を供給する。給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８が所定の位置に固定されているときに当該端子ブロック１１８と電気的に接続された電源コネクタ１３８を介し、端子ブロック１１８から電力を受け取る。電源コネクタ１３８は、例えば、端子ブロック１１８に設けられた凹部またはジャックに接続されるように対応して設けられた複数の導電ピンを備えていてもよい。図３に示すように、端子ブロック１１８は、電源コネクタ１３８に接した状態で、端子ブロック取付ネジ１３２によって固定される。端子ブロック取付ネジ１３２は、ハウジング１００に形成された端子ブロック取付ネジ孔１３４に締め付けられることにより、端子ブロック１１８を着脱可能に固定するネジである。端子ブロック取付ネジ１３２によって端子ブロック１１８が固定されるように図示しているが、これに代わる実施形態として、差込ピンもしくはねじ込みピン、または係合もしくは嵌合などによる別の手段を、端子ブロック１１８の固定に用いるようにしてもよい。これに代わる実施形態として、端子ブロック１１８は、収容部Ｒ及び内部空間Ｉが共有するハウジング１００の壁面に永続的に固定または取り付けられる固定式の構成部品であってもよい。端子ブロック１１８は、１以上の端子を介して交流電力または直流電力を受電するように構成されている。この端子は、電力モジュール１２０に隣接する平坦な導電性接点の形態とすることができる。

この実施形態によれば、電力モジュール１２０は、電源取付部１３６を用いて端子ブロック１１８に固定される。電源取付部１３６は、端子ブロック１１８に突設されたスリーブが取り囲む電気接点として示されており、このスリーブが電力モジュール１２０に係合または嵌合することにより、電力モジュール１２０との電気的接続が行われる。別の実施形態として、電源取付部１３６は、任意の一般的な電気的接続を行いながら、電力モジュール１２０を端子ブロック１１８に固定するためのフック、ネジ、ラッチ、またはそれ以外の一般的な固定手段を備えていてもよい。電源取付部１３６は、カバー１１６がない状態にあるとき（例えば、収容部Ｒ内の構成部品の着脱を行うためにカバー１１６を取り外したとき）、電力モジュール１２０を保持する。但し、図４ａ及び図４ｂに関して後述するように、カバー１１６により、端子ブロック１１８への電力モジュール１２０の保持を補助するようにしてもよい。端子ブロック１１８は、必要であれば、電力調整を行って電圧または電流を調整し、電力モジュール１２０から受け取った電力を変換または整流するようにしてもよい。電力モジュール１２０は、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の少なくとも一方からの電力を供給する。電力モジュール１２０から供給される電力は、ローカル電源２２のみから、またはエネルギ貯蔵素子１２２のみから出力されたものであってもよいし、これらの双方を組み合わせて出力されたものであってもよい。一実施形態として、エネルギ貯蔵素子１２２は、コンデンサまたは充電式バッテリなどの充電可能な電源であってもよく、ローカル電源２２からの電力で充電されるようにしてもよい。

図２ａ及び図２ｂに関して上述したように、エネルギ貯蔵素子１２２は、一般的なバッテリまたはスーパーキャパシタであってもよい。エネルギ貯蔵素子１２２は、係合またはその他の一般的な固定機構を用いて電力モジュール１２０に着脱可能に組み付けられるようになっている。別の実施形態として、エネルギ貯蔵素子１２２は、電力モジュール１２０内に完全に格納されるようにしてもよいし、着脱は可能及び不可能のいずれであってもよい。

電力モジュール１２０は、ローカル電源２２からの電力を受け取る電源接続線２４のための接続部を備えている。この接続部は、端子ネジ１２８（図２ａ及び図４ａ参照）、または電気的接続を行うための任意の同様な取付手段を備えていてもよい。接続用基板１２４は、端子ネジ１２８の位置に導電接続部を有した配線基板である。端子ネジ１２８は、電源接続線２４の１以上の電線を接続用基板１２４に接続固定するために用いられる導電性の固定部材である。電源接続線２４がフックまたは環状部を有する場合、端子ネジ１２８及び接続用基板１２４により、これらのフックまたは環状部を接続して、電源接続線２４を電力モジュール１２０に固定する。電源接続線２４の形式に応じ（即ち、ローカル電源２２に対応し）、端子ネジ１２８は、プラグ、クリップ、またはその他の取付手段に置き換えることができる。図３では、外部に設ける実施形態としてのローカル電源２２に電力モジュール１２０を接続するための端子ネジ１２８が示されているが、これに代え、電力モジュール１２０がローカル電源２２ｂを備えるようにしてもよい（図２ｂ参照）。このようなローカル電源２２ｂは、電力モジュール１２０内に配置してもよいし、カバー１１６の内側に嵌め込むようにして、電力モジュール１２０の外側に取り付けてもよい。

図２ａ及び図２ｂに示す実施形態について上述したように、カバー１１６は、密封状態でハウジング１００に接合することにより、収容部Ｒ内の構成部品（例えば、端子ブロック１１８及び電力モジュール１２０）を保護する。電力モジュール１２０は、カバー１１６の内側にあって、端子ブロック１１８と接した状態で、収容部Ｒの内側にぴったり嵌め込まれている。ローカル電源２２は、電源接続線２４を介して電力モジュール１２０に接続されており（図２ａ及び図２ｂ参照）、電源接続線２４は、ケーブル用コンジット１３０を通って収容部Ｒ内に延び、端子ネジ１２８（または類似の固定部材）に固定される。上述したとおり、電力モジュール１２０は電力コンディショナ１２６を備え、この電力コンディショナ１２６は、ワイヤレスフィールドデバイス１２において電力を必要とする構成部品が使用できるように、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２からの電力を調整する。電力モジュール１２０が供給する電力の電圧は、図５及び図６に関して後述するように、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２の状態に応じて変動する。このような電圧における変動が、両電源における障害の検知及び通知に用いられる。

図４ａ及び図４ｂは、電力モジュール１２０の一実施形態を異なる２方向から見た分解斜視図である。電力モジュール１２０は、エネルギ貯蔵素子１２２、接続用基板１２４、端子ネジ１２８、ケーシング前部２０２、ケーシング後部２０４、柱状端子２０６、エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８、摩擦嵌合部２１０、支持部２１２、及び固定用環状部２１４を備えている。

本実施形態において、電力モジュール用ケーシング２００は、接続用基板１２４を取り囲んで保護すると共に、ワイヤレスフィールドデバイス１２の収容部Ｒの中に、端子ネジ１２８及びエネルギ貯蔵素子１２２をしっかりと支持する硬質の保護用収納部材である。上述したように、接続用基板１２４は、エネルギ貯蔵素子１２２と端子ネジ１２８との電気的接続を行う配線基板であって、電力コンディショナ１２６（図２ａ及び図２ｂ参照）を収容するか、または取り付けるようにしてもよい。柱状端子２０６は、接続用基板１２４から、ケーシング前部２０２の摩擦嵌合部２１０を通って延設され、端子ブロック１１８の電源取付部１３６（図３参照）との電気的接続を形成する導電性の柱状部材である。摩擦嵌合部２１０は、ケーシング前部２０２の接続部材であって、電源取付部１３６の中に延びて、電源取付部１３６と機械的に結合することにより、電力モジュール１２０を端子ブロック１１８に固定する。摩擦嵌合部２１０は、電源取付部１３６にしっかりと結合するための１以上のスナップリングまたは同等の部材を備えていてもよい。

本実施形態において、エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８は、一般的な嵌め込み式のバッテリケース、またはエネルギ貯蔵素子１２２を固定するための同等の手段である。エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８は、ケーシング後部２０４に固定され、エネルギ貯蔵素子１２２の機械的な保持及び電気的接続の両方を行う。上述したように、エネルギ貯蔵素子１２２は、専用のエネルギ供給素子、既製のバッテリ、スーパーキャパシタ、または同等の任意のエネルギ貯蔵素子とすることができる。エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８の大きさ及び形状は、選定されたエネルギ貯蔵素子１２２の形式に応じて変更することができる。エネルギ貯蔵素子用取付部材２０８により、エネルギ貯蔵素子１２２と接続用基板１２４との電気的接続がなされる。

ケーシング後部２０４は、接続用基板１２４から離間する方向に延設された実質的に硬質の部材の支持部２１２を備えており、この支持部２１２は、収容部Ｒ内にぴったり嵌まり込むようにしてカバー１１６（図３参照）に組み付けられる。このような嵌合により、摩擦嵌合部２１０を電源取付部１３６に位置決めして保持することが容易になる。図示した実施形態において、支持部２１２は、ケーシング後部２０４の最も外側の面から隆起した環状隆起部である固定用環状部２１４を備えている。固定用環状部２１４は、カバー１１６の内側に相補的に設けられたリングまたは波形ばね（図示せず）に接合する大きさを有しており、これにより、振動に抗して、電力モジュール１２０を端子ブロック１１８とカバー１１６との間に固定する。端子ネジ１２８は、ケーシング後部２０４を貫通して接続用基板１２４内まで延在することにより、電源接続線２４とローカル電源２２との電気的接続をもたらす。ローカル電源２２が収容部Ｒ内に収納されるようなワイヤレスフィールドデバイス１２の実施形態（図２ｂに関して上述したローカル電源２２ｂを参照）については、接続用基板１２４とローカル電源２２との直接的な接続（ローカル電源２２が電力モジュール１２０内に設けられる場合）、またはエネルギ貯蔵素子用取付部材２０８と同様の方式でローカル電源２２との着脱可能な接続（ローカル電源２２が着脱可能に電力モジュール１２０に取り付けられる場合）を行うことにより、端子ネジ１２８を省略してもよい。これに代えて、ケーシング後部２０４とカバー１１６との間に収納された完全に別個のローカル電源２２に接続用基板１２４を接続するために、端子ネジ１２８または類似の取付部材を用いるようにしてもよい。この最後に述べた実施形態の場合、支持部２１２を縮小して、ローカル電源２２のための空間を設けるようにしてもよい。

ローカル電源２２を収容部Ｒの中に収容するか否かに関わらず、ローカル電源２２から優先的に電力を取り出し、ローカル電源２２からの電力が使用できないとき、またはワイヤレスフィールドデバイス１２の電力要求を満たすには不十分であるときには、エネルギ貯蔵素子１２２から補足的に電力を取り出すような電気的接続が、電力モジュール１２０によって得られる。個々の用途または設置場所により、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２のいずれかが、ワイヤレスフィールドデバイス１２が必要とする電力の大部分を供給することになることもあるが、可能であれば、エネルギ貯蔵素子１２２が枯渇する前に、ワイヤレスフィールドデバイス１２がローカル電源２２から電力を取り出すようにするのが好ましい。それぞれの電源からの電力は、必要に応じて電力コンディショナ１２６が調整し、必要であれば、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２からの電力が変換または整流される。このようにして、電力モジュール１２０は、ローカル電源２２からの電力の使用の可能性が変動しても、エネルギ貯蔵素子１２２の使用可能期間を延長しつつ、ワイヤレスフィールドデバイス１２に必要な電力を継続的に供給することができる。

図５は、電力モジュール１２０から受け取る電圧を時間の経過に応じて示すグラフである。図５は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の作動の間に生じうる電圧変動を示す一例とすることで、図６に関して詳細に後述する障害検知システムの作動を例示することのみを目的とするものである。図５の尺度は厳密なものではなく、図５に示す電圧曲線の具体的な詳細形状は、ワイヤレスフィールドデバイス１２における電力モジュール１２０の作動にとって固有の意味を持つものではない。

図２ａ、図２ｂ、図３、図４ａ、及び図４ｂに関して上述したように、電力モジュール１２０から供給される電力は、ローカル電源２２、エネルギ貯蔵素子１２２、またはこれら両電源の組み合わせから得ることができる。大まかに言えば、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、３つの電力モードで作動することができ、第１モードでは、全ての電力がローカル電源２２から供給され、第２モードでは、ローカル電源２２が供給する電力と、エネルギ貯蔵素子１２２に蓄えられたエネルギのと組み合わせで、ワイヤレスフィールドデバイス１２が作動し、第３モードでは、専らエネルギ貯蔵素子１２２に蓄えられたエネルギのみによってワイヤレスフィールドデバイス１２が作動する。電力モジュール１２０が出力する電圧は、一般的に第１モードで最も高くなる一方（電力コンディショナ１２６による制限範囲内）、第３モードで最も低くなり、第２モードでは両モードの中間の大きさとなる。即ち、第３モードの電圧は、エネルギ貯蔵素子１２２のバッテリ電圧またはキャパシタ電圧に合致するのが一般的であるのに対し、第１及び第２モードでは、ローカル電源２２から供給される電力における電圧の下降の程度に応じて定まる分だけ、このバッテリ電圧またはキャパシタ電圧よりも高くなる。

但し、ローカル電源２２からの電圧は、消費電力、及びローカル電源２２の状態に応じて変動する可能性がある。ローカル電源２２から供給される電圧における降下は、ローカル電源２２が作動停止状態（例えば、ローカル電源２２が太陽電池パネルで構成され、陰に入った場合）に陥ったことを示している可能性、またはローカル電源２２が単独ではワイヤレスフィールドデバイス１２の電力要求を直ちに満たすことができず、エネルギ貯蔵素子１２２からの電力の補足を必要としていることを示している可能性がある。更に、ワイヤレスフィールドデバイス１２への電力供給が全てローカル電源２２から行われている場合であっても、軽微な電圧変動は起こりうる。

図５は、グラフのｙ軸（電圧）に示すように、３つの全てのモードに対応する範囲の電圧を示している。これらのモードは、ローカル電源２２及びエネルギ貯蔵素子１２２が電力の大きさを変化させて供給可能な時間的領域に対応している。

時刻ｔ₀において、ワイヤレスフィールドデバイス１２は、専らエネルギ貯蔵素子１２２のみから電力を供給されており、電圧Ｖ₂にほぼ等しい実質的に安定した電圧に維持されている（但し、わずかに低下する可能性がある）。時刻ｔ₁において、ローカル電源２２が起動し、電圧Ｖ₃を超える電圧を供給しながら、ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２への供給電力を全て負担する。電圧Ｖ₃は、これを下回ると、エネルギ貯蔵素子１２２がワイヤレスフィールドデバイス１２への電力供給に寄与することになる閾値に相当する。

時刻ｔ₂と時刻ｔ₃との間で、ローカル電源２２から供給される電圧は、電圧Ｖ₃より高い状態から低い状態へと降下する。このような電圧の降下は、ローカル電源２２から取り出される電力の増大か、ローカル電源２２が生成する電力の減少（例えば、太陽電池パネルに入射する光の減少、または振動エネルギ捕集装置における振動振幅の減少）に起因する可能性がある。

時刻ｔ₄において、ローカル電源２２が作動を停止する。ローカル電源２２の一実施形態では、産業プロセスの作業の流れに沿って、頻繁に起動及び停止が繰り返される場合がある。例えば、５０％の運転サイクルのモータに取り付けた振動エネルギ捕集装置は、モータの起動及び停止に従って、定期的に作動の開始と停止（即ち、電力を生成しない状態）とを繰り返すことになる。それ以外のローカル電源２２の実施形態として、何らかの不作動状態は障害発生状態を示し、通常は継続的に電力の生成が予測されるものもある。

図５では、時刻ｔ₅にエネルギ貯蔵素子１２２で障害が始まり、端子ブロック１１８で受け取る電圧に更なる降下が生じる。電圧Ｖ₂を下回るような電圧の降下は、エネルギ貯蔵素子１２２の具体例に応じ、例えば、バッテリの枯渇、またはスーパキャパシタの過放電に相当するものとなる。図５では、電圧が急速に降下しているが、バッテリまたはスーパキャパシタの障害では、必ずしも急速なものとはならない。通常は、ワイヤレスフィールドデバイス１２が専らエネルギ貯蔵素子１２２のみから電力供給を受けている間、エネルギ貯蔵素子１２２が徐々に消耗していくに従い、端子ブロック１１８で受ける電圧も徐々に低下していく。エネルギ貯蔵素子１２２が放電していくと、最終的に、端子ブロック１１８における電圧は、エネルギ貯蔵素子１２２の枯渇状態を示す閾値である電圧Ｖ₁を下回るまで低下する。

図６は、電力モジュール１２０から受け取った電圧に基づいて電源の障害を検知するための方法３００のフローチャートである。具体的には、方法３００により、制御・監視システム２８は、信号プロセッサ１０４が設定した障害信号値に基づいて、ローカル電源２２における障害とエネルギ貯蔵素子１２２における障害とを識別することが可能となる。方法３００により、制御・監視システム２８は、図５に示す第１モード、第２モード、及び第３モードの識別が可能となり、この識別に従って使用者や保守要員に警報を行うことができる。

図２ａ及び図２ｂに関して上述したように、給電コントローラ１１２は、端子ブロック１１８から（即ち、電力モジュール１２０から）受け取った電力の電圧を示す報告を、信号プロセッサ１０４から行う。一実施形態として、アナログ信号コンディショナ１１０、アナログ・デジタルコンバータ１０８、及びデジタル信号コンディショナ１０６のうちの少なくとも１つを介し、このような電圧の報告を受け取るようようにしてもよい。信号プロセッサ１０４には、正常な作動時や障害時に電力モジュール１２０が発生しうる様々な電圧に対応し、一連の電圧閾値が設定される（ステップＳ１）。これらの電圧閾値は、メンテナンス作業の際に、プログラムまたは配線で信号プロセッサ１０４に取り込むようにしてもよいし、制御・監視システム２８から受け取った信号、またはトランシーバ１０２を介して別のユーザ端末から受け取った信号に応じて設定するようにしてもよい。信号プロセッサ１０４は、電力モジュール１２０から受け取った電圧を、給電コントローラ１１２を用いて監視する（ステップＳ２）。図１に関して上述したように、信号プロセッサ１０４は、制御・監視システム２８に対し、定期的にプロセスメッセージを送信する。このプロセスメッセージには、トランスデューサ１６から供給されたセンサ検出値を反映したプロセス変数信号が含まれる。更に、各プロセスメッセージには、障害信号値が含まれており、この障害信号値により、エネルギ貯蔵素子１２２及びローカル電源２２の障害状態を識別して通知することが可能となる。以下の説明では、それぞれのプロセスメッセージが、プロセス変数信号と障害信号値との両方を含む実施形態に着目しているが、これに代わる実施形態として、これらの２つの成分を分離し、例えば、障害信号値を臨時にしか送信しないか、或いは障害情報を別個に送信するようにしてもよい。一実施形態として、プロセス変数信号の生成と障害信号値の生成とを、別個の信号プロセッサで行うようにしてもよい。

監視中の電圧と電圧閾値との比較結果に基づき、信号プロセッサ１０４は、電力モジュール１２０が生成した現状の電圧を反映した障害信号値を、各プロセスメッセージに設定する（ステップＳ３）。ここでは説明のために、大きい値の障害信号値が高い電圧を示唆し、小さい値の障害信号値が低い電圧を示唆するものとするが、全ての実施形態で、このようにしなければならないわけではない。ワイヤレスフィールドデバイス１２は、トランシーバ１０２を用い、このような障害信号値を含むプロセスメッセージを無線送信する（ステップＳ４）。

制御・監視システム２８は、ワイヤレスフィールドデバイスネットワーク２６内にある個々のフィールドデバイス（ワイヤレスフィールドデバイス１２を含む）から、定期的にプロセスメッセージを受け取る。ワイヤレスフィールドデバイス１２から、障害信号値を含むプロセスメッセージを受け取ると、制御・監視システム２８は、その障害信号値の値の大きさが、エネルギ貯蔵素子障害判定閾値より小さいか否かを確認する（ステップＳ５）。このエネルギ貯蔵素子障害判定閾値は、エネルギ貯蔵素子１２２が正常時に生成する電圧Ｖ₂より低い電圧である図５の電圧Ｖ₁の少なくとも近傍に対応して予め設定された数値となっている。図５は、正確な縮尺では示されていないが、一実施形態として、電圧Ｖ₁は、電圧Ｖ₂よりわずかに低い電圧とすることができる。制御・監視システム２８が受け取った障害信号値がエネルギ貯蔵素子障害判定閾値より小さければ、制御・監視システム２８は、エネルギ貯蔵素子障害（例えば、バッテリ切れ）を報知し、エネルギ貯蔵素子１２２を交換または修理することができるように、障害に対応する警報を使用者または保守要員に送信する。エネルギ貯蔵素子障害判定閾値は、エネルギ貯蔵素子の障害が差し迫っていることを、エネルギ貯蔵素子が完全に故障してしまう前に余裕をもって使用者または保守要員に知らせることができるように、個々の使用環境及び用途に応じて適切な値に設定することが可能である。

障害信号値がエネルギ貯蔵素子障害判定閾値より大きい場合、制御・監視システム２８は、この障害信号値が、電圧Ｖ₂と電圧Ｖ₃との間（図５参照）の電圧に対応するローカル電源障害判定閾値より小さいか否かを確認する（ステップＳ７）。障害信号値がローカル電源障害判定閾値より小さくない場合、制御・監視システム２８は、障害が発生していない旨を報知する（ステップＳ８）。一方、障害信号値がローカル電源障害判定閾値より小さい場合には、制御・監視システム２８が、ローカル電源障害を報知する（ステップＳ９）。ローカル電源障害判定閾値より小さいものの、エネルギ貯蔵素子障害判定閾値より大きい障害信号値は、ワイヤレスフィールドデバイス１２で使用する電力の全てを、ローカル電源２２だけから供給することはできないことを示すものである。ローカル電源障害判定閾値は、ワイヤレスフィールドデバイス１２の用途及び使用環境に応じ、電圧Ｖ₃に対応する大きさ（ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２への電力供給の全てはまかなうことができないときに障害を報知する場合）、電圧Ｖ₂に対応する大きさ（ローカル電源２２がワイヤレスフィールドデバイス１２への電力供給を全く行うことができないときだけ障害を報知する場合）、またはこれらの中間の大きさに選定することができる。

障害判定条件は、必ずしも全てが障害警報を伴うものである必要はなく、障害判定条件をメンテナンス用に保有するようにしてもよい。即ち、計測または制御箇所１０のいくつかの実施形態においては、上述したように、通常作動の際にもローカル電源２２を喪失する場合がある。ローカル電源障害の報知にあたり、制御・監視システム２８は、ローカル電源２２の一時的な喪失が、ワイヤレスフィールドデバイス１２において予測されるか否かを判定する（ステップＳ１０）。このような判定は、ワイヤレスフィールドデバイス１２が受け取る電圧の履歴、使用者が供給する設定情報、またはそれ以外の適切な要素に基づいて行うことができる。ローカル電源２２の一時的または周期的な喪失が予測される場合、制御・監視システム２８は、ローカル電源２２の障害を示す警報を送信しないようにしてもよい。一方、ローカル電源２２の一時的または周期的な喪失が予測されない場合、制御・監視システム２８は、ローカル電源２２を交換または修理することができるよう、ローカル電源２２の障害の警報を使用者または保守要員に送信するのが好ましい。一実施形態として、ローカル電源障害の報知により、タイマをスタートさせるか、またはカウンタをインクリメントするようにして、ローカル電源２２の一時的または周期的な喪失が予測されるようなシステムであっても、障害報知の回数が十分な回数に達するか、または低電圧で経過した時間が十分な時間に達すると、ローカル電源障害の警報を発するようにしてもよい。

これまでの説明は、障害報知及び警報の発生源として、制御・監視システム２８に着目したものであった。しかしながら、これに代わる実施形態として、ワイヤレスフィールドデバイス１２の信号プロセッサ１０４が、方法３００のステップＳ５からステップＳ１１までを実行可能とし、障害警報または障害報知のみを制御・監視システム２８に送信するようにしてもよい。これらの障害報知及び障害警報を、ワイヤレスフィールドデバイス１２及び制御・監視システム２８のいずれが生成するにしても、方法３００により、給電コントローラ１１２で受け取る電圧を用い、電力モジュール１２０から供給される電力における障害を検知して識別することが可能となる。電力モジュール１２０により、バッテリまたはスーパキャパシタのみを有した従来のシステムを上回って、エネルギ貯蔵素子の寿命を延長することができ、エネルギ捕集装置などのローカル電源のみを有したシステムに比べて、優れた信頼性を得ることができる。これらの機能の全ては、付加的な外部構成部品を必要とすることなく、また、そのような外部構成部品を過酷な外部環境から守るための保護も必要とすることなく、収容部Ｒ内にぴったりと嵌まり込むように構成された電力モジュールにより達成される。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための様々な変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に包含される全ての態様を含むものである。

Claims (33)

1. プロセス変数を検出してセンサ信号を生成するプロセスセンサと、
   ワイヤレスフィールドデバイスの内部空間を形成するハウジングと、
   エネルギ貯蔵素子とローカル電源への接続機構とを備え、前記ワイヤレスフィールドデバイスの中に収容される電力モジュールと、
   前記内部空間に配置されて前記電力モジュールから電力を供給され、前記エネルギ貯蔵素子の障害、前記ローカル電源の障害、及び障害なしの状態を識別するために用いる障害信号値を生成するプロセッサと
   を備えることを特徴とするワイヤレスフィールドデバイス組立体。
2. 前記ハウジングとの間に収容部を形成するカバーを更に備え、
   前記電力モジュールは、前記収容部の中に収容される
   ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
3. 前記電力モジュールは、着脱可能に前記収容部の中に収容されることを特徴とする請求項２に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
4. 前記プロセッサは、前記センサ信号及び前記障害信号値を反映した制御用または監視用の信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
5. 前記障害信号値は、前記電力モジュールの電圧の状態を示すものであって、第１の数値範囲の前記障害信号値は、前記エネルギ貯蔵素子の障害を示し、第２の数値範囲の前記障害信号値は、前記ローカル電源の障害を示し、第３の数値範囲の前記障害信号値は、障害なしの状態を示すことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
6. 前記電力モジュールは、前記ローカル電源からの電力を優先的に供給し、前記ローカル電源からの電力が使用不可または電力要求に対して不足するときには、前記エネルギ貯蔵素子からの電力で補うことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
7. 前記エネルギ貯蔵素子は、バッテリまたはスーパキャパシタであることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
8. 前記エネルギ貯蔵素子は、前記電力モジュールに着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
9. 前記ローカル電源への接続機構は、エネルギ捕集装置からエネルギを受け取ることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
10. 前記収容部は、前記エネルギ捕集装置を組み込むように構成されることを特徴とする請求項９に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
11. 前記ローカル電源への接続機構は、前記ハウジングまたは前記カバーに設けられたコンジットを介し、前記内部空間または前記収容部の外に位置する外部装置に接続された接続電線を備えることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
12. 前記電力モジュールは、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方からの電力を調整する電力コンディショナを備えることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
13. 前記電力コンディショナは、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方からの電力を整流または変換することを特徴とする請求項１２に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
14. ワイヤレスフィールドデバイス用の電力を供給して監視する方法であって、
    前記ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給するべく、エネルギ貯蔵素子とローカル電源への接続機構とを備えた電力モジュールを接続する工程と、
    前記ローカル電源からの電力を優先的に用いて前記ワイヤレスフィールドデバイスに電力を供給する工程と、
    前記ローカル電源からの電力が使用不可または前記ワイヤレスフィールドデバイスへの電力供給に不足するときに、前記エネルギ貯蔵素子からの電力を用いて前記ワイヤレスフィールドデバイスに供給する電力を補う工程と、
    前記電力モジュールが供給する電圧に基づき、プロセスメッセージにおける障害信号値を設定する工程と、
    前記障害信号値が第１の範囲内にあると、前記ローカル電源の障害を報知する工程と、
    前記障害信号値が第２の範囲内にあると、前記エネルギ貯蔵素子の障害を報知する工程と
    を備えることを特徴とする方法。
15. 前記電力モジュールは、前記ワイヤレスフィールドデバイスに形成された収容部の中に嵌め込まれるように構成された着脱可能なモジュールであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記障害信号値を制御または監視システムに送信する工程を更に備え、
    前記ローカル電源の障害及び前記エネルギ貯蔵素子の障害は、前記制御または監視システムによって報知される
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記障害信号値が前記第２の範囲内にあると、エネルギ貯蔵素子障害の警報を送信する工程を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記障害信号値が前記第１の範囲内にあると、ローカル電源障害の警報を送信する工程を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記ローカル電源の一時的な喪失が予測されるか否かを確認する工程と、
    前記障害信号値が前記第１の範囲内にあると共に、前記ローカル電源の一時的な喪失が予測されない場合に、ローカル電源障害の警報を送信する工程と
    を更に備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記電力モジュールは、電力コンディショナを更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
21. 前記電力コンディショナは、前記エネルギ貯蔵素子及び前記ローカル電源の少なくとも一方からの電力を整流または変換することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記障害信号値を設定する前記工程は、前記電力モジュールの電圧を一連の閾値と比較することによって、高い電圧ほど大きくなるように定められる値に前記障害信号値を設定する工程を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
23. プロセス変数を検出するプロセスセンサと、
    内部空間を形成するハウジングと、
    前記ハウジングとの間に収容部を形成するカバーと、
    前記収容部の中に着脱可能に嵌め込まれ、ワイヤレスフィールドデバイスの少なくとも一部に電力を供給する電力モジュールと、
    前記電力モジュールに取り付けられ、前記収容部の中に位置するエネルギ貯蔵素子と、
    前記電力モジュールに電気的に接続されたローカル電源と、
    前記内部空間に配置されたプロセッサとを備え、
    前記プロセッサは、
    前記プロセスセンサによって検出されたプロセス変数を反映したプロセス変数信号と、
    前記電力モジュールの電圧に基づき、前記エネルギ貯蔵素子の障害、前記ローカル電源の障害、及び障害なしの状態を識別するために用いる障害信号値とを生成する
    ことを特徴とするワイヤレスフィールドデバイス組立体。
24. 前記エネルギ貯蔵素子は、バッテリであることを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
25. 前記エネルギ貯蔵素子は、スーパキャパシタであることを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
26. 前記ローカル電源は、商用電力供給網であることを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
27. 前記ローカル電源は、エネルギ捕集装置であることを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
28. 前記エネルギ捕集装置は、前記電力モジュールと共に前記収容部内に組み込まれることを特徴とする請求項２７に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
29. 前記エネルギ捕集装置は、熱電発電装置であることを特徴とする請求項２７に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
30. 前記エネルギ捕集装置は、振動エネルギ捕集装置であることを特徴とする請求項２７に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
31. 前記エネルギ捕集装置は、太陽電池パネルであることを特徴とする請求項２７に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
32. 前記ローカル電源は、前記ハウジングまたは前記カバーに形成されたコンジットを通る接続電線を介し、前記電力モジュールに電気的に接続されることを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。
33. 前記障害信号値は、前記電力モジュールの電圧の状態を示すものであって、第１の数値範囲の前記障害信号値は、前記エネルギ貯蔵素子の障害を示し、第２の数値範囲の前記障害信号値は、前記ローカル電源の障害を示し、第３の数値範囲の前記障害信号値は、障害なしの状態を示すことを特徴とする請求項２３に記載のワイヤレスフィールドデバイス組立体。

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