CN102187515A - 具有结实天线和转动止动件的无线现场设备 - Google Patents

Abstract

一种现场设备(100，250)，包括：壳体(102，252)，其中至少具有天线接收孔(204)。现场设备电子器件(104，110，112，114)设置在壳体内并包括构造为传送无线过程信息的无线通信电路(104)。天线组件(200)包括接合在壳体(102，252)的天线接收孔(204)内的天线底座(202)。天线组件(200)包括可操作地连接到无线通信电路(104)的天线(106)。天线组件(200)在所述孔(204)内能够转动小于一个完整转动的量，并且天线组件(200)的转动改变天线(106)的定向。

Description

具有结实天线和转动止动件的无线现场设备

技术领域

本发明涉及无线现场设备。

背景技术

在工业装置中，控制系统被用于监控和控制工业和化学过程的存货及类似物。典型地，控制系统使用分布在工业过程中的关键位置处的现场设备来实现这些功能，所述现场设备通过过程控制环连接到控制室中的控制电路。

为了各种目的，过程控制和测量工业使用现场设备。通常，这种设备具有现场硬化的外壳，从而它们能够安装在户外的相对严酷的环境中，并且能够承受温度、湿度等气候学极端情况、振动及机械冲击。典型地，现场设备还在相对较低的功率下运行。例如，当前可得到的现场设备从已知的4-20mA环接受所有它们的运行电力。

一些现场设备包括变送器。变送器被理解为指基于物理输入产生电学输出的设备(例如传感器)或者基于电学输出信号产生物理输出的设备(例如致动器)。典型地，变送器将输入转换成具有不同形式的输出。变送器的种类包括各种分析装置、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量传送仪、位置控制器、致动器螺线管、指示灯及其他装置。

典型地，每个现场设备还包括通信电路，所述通信电路用于通过过程控制环和过程控制室或者其他电路进行通信。在一些设施中，过程控制环也被用于传送被调节的电流及/或电压到现场设备上以给现场设备供电。

传统上，模拟现场设备已经通过双线过程控制电流环连接到控制室，每个设备由单个双线控制环连接到控制室。通过将运行通过电流环的电流调制成与感测到的过程变量成比例的电流，一些模拟现场设备发送信号到控制室。通过控制在环上通过的电流的大小，在控制室的控制下其他模拟现场设备能够完成动作。另外，或者作为备选，过程控制环可以输送用于和现场设备进行通信的数字信号。数字通信允许获得比模拟通信程度上大得多的通信。并且，竖直现场设备不需要单独的用于每个现场设备的配线。进行数字通信的现场设备可以响应并选择性地和控制室及/或其他现场设备通信。此外，这些设备可以提供额外的发信，例如诊断及/或警报。

在一些设施中，已经开始使用无线技术以与现场设备通信。无线操作简化了现场设备的配线和布置。一种特殊形式的在工业区域中的无线通信已知为无线网状网络。这是一种较新的通信技术，该技术由于低成本、以电池供电、在商用测量应用中的无线通信而证明是有用的。无线网状网络一般是近程无线通信系统，其使用低功率射频通信并且一般不把远程、工厂对工厂、发射台对发射台或站对站通信作为目标。

一般，无线射频通信要求使用天线。在这样的环境苛刻的工业装置中，天线是较为脆弱的有形部件。此外，如果天线损坏，到现场设备的通信自身也可能受到危害。如果到壳体的天线密封被损害或退化(例如受到UV照射或者水解退化)，环境密封会失效而导致对现场设备的破坏。一般地，天线必须延伸到发生器壳体(通常是金属的)上方并且必须经受高振动水平、冲击、极端温度同时保持防风雨的密封以及90°的可调性。

已经进行了尝试以提供可调天线，其中当固定螺丝被拧松时则允许该天线自由转动。然而，相信这种无束缚的转动可能使得天线内的线缆缠绕并受到损坏。已知的无线现场设备一般使用全向偶极天线。为了让两个权项偶极天线具有最优的通信，它们必须安装成有相同的极化(定向方位)。此外，对全向天线，竖直极性一般是优选的。因此，已经提供了可调的用于现场设备的天线，但是相信这种可调天线设计不足以保护天线内的线缆。

提供具有结实的能更好地保护内部线缆的无线通信天线的工业现场设备将促进无线现场设备通信技术。

发明内容

一种现场设备，包括：壳体，其中至少具有天线接收孔。现场设备电子器件设置在壳体内并包括构造为传送无线过程信息的无线通信电路。天线组件包括接合在壳体的天线接收孔内的天线底座。天线组件包括可操作地连接到无线通信电路的天线。天线组件在所述孔内能够转动小于一个完整转动的量，并且天线组件的转动改变天线的定向。

附图说明

图1是依照本发明实施例的无线现场设备的方块图。

图2为具有依照本发明实施例的天线组件的现场设备的部分横截面图。

图3为放大的横截面图，示出依照本发明实施例的天线支架与现场设备天线接收孔的接合。

图4为具有依照本发明实施例的结实的，转动受限制的无线通信天线的无线现场设备的侧平面图。

图5为依照本发明实施例的设置在天线基部附近的转动止动件的放大透视图。

图6为依照本发明实施例的其转动受到转动止动件限制的无线通信天线的透视图。

具体实施方式

图1为依照本发明实施例的无线现场设备的方块图。无线现场设备100包括图解示出为矩形箱的壳体102。然而，该矩形箱并非要描述壳体102的实际形状。无线通信模块104设置在壳体102内并通过连接部分108电连接到天线106。天线106可以是任何合适的布置，包括在印刷电路板上的简单的导电轨迹。无线通信模块104以及电源模块112被连接到控制器110。无线通信模块104包括任何合适的可用于产生射频信号的电路。

取决于应用，无线通信模块104可适于依照任何合适的无线通信协议来进行通信，这些协议包括但不限于：无线联网技术(例如由加利福尼亚州欧文市的Linksys建立的IEEE802.15.4无线个人局域网装置及/或IEEE802.11(b))无线接入点及无线联网装置)，蜂窝或数字网络技术(例如加利福尼亚州圣何塞市的Aeris Communication公司的Microburst)，超宽带、用于移动通信的数字系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)，码分多址(CDMA)、扩展频谱技术、短信服务/文本信息(SMS)或者任何其他合适的射频无线技术。此外，可以使用已知的数据冲突技术使得用与无线通信模块104相似的模块的多个现场设备能够共存并工作在另一个设备上的无线工作范围内。这种冲突防止技术可包括多个不同射频频道及/或扩展频谱技术。另外，通信模块104可以是市售蓝牙通信模块。在图1所示的实施例中，无线通信模块104是连接到天线106的壳体102中的部件。

控制器110连接到无线通信模块104并与无线通信模块104进行双向通信。控制器110是能够执行一个或更多指令以获得期望的结果的任何电路或布置。优选地，控制器110包括微处理器，但也可以包括合适的支持电路，例如板上存储器、通信总线等等。

无线通信模块104和控制器110的每个被连接到电源模块112。电源模块112优选可将对现场设备102来说所有必需的电能供应到无线通信模块104和控制器110。电源模块112包括任何能够将储存的或产生的电力供应到无线通信模块104和控制器110的装置。可以构成电源模块112的装置的例子可包括电池(可再充电的或者其他电池)、电容、太阳能电池组、热电发电机、基于振动的发电机、基于风力的发电机、燃料电池等等。或者，电源模块112可连接到双线过程控制环并获得和储存能量以给无线通信模块使用。此外，电源模块112可以简单地连接到电力接受线路，例如24伏电源。

变换器114连接到控制器110并将现场设备100接合到物理过程。变换器的例子包括传感器、致动器、螺线管、指示灯等等。本质上，变换器114是任何能够将来自控制器110的信号转变成物理表现(例如阀的移动)的装置，或者是任何基于现实状况(例如过程流体压力)而产生电信号到控制器110的装置。

本发明实施例大体上提供一种工业天线安装结构，其密封现场设备壳体免受环境影响并允许天线可调而在所有可能的现场设备定向中实现竖直极性。本发明实施例还提供对天线的转动止动件，以防止天线转动超过一个完整旋转，并优选让天线转动小于大约300°。这防止了从天线106到无线通信模块104的线缆缠绕在一起。

图2为依照本发明实施例连接到天线组件的现场设备的部分横截面图。如图2中所示，天线组件200包括配合在现场设备壳体102的孔204中的天线底座202。如图2中所示，在现场设备壳体102中的孔204的轴线定向在与两个期望的天线位置成大约45°的角度上。天线支架202被推入孔204，孔204优选为在壳体102中的锥形孔，并优选用金属扣环将天线支架保持在孔中。一旦底座202在孔204内接合适当的距离，扣环(图3中示出)则弹到壳体102中的配合槽中以保持底座204在其中。优选地，底座204包括有外螺纹的区域208，该区域接受天线罩210的相配合的内螺纹区域。优选地，一个或更多O型环被置于底座202的外径和孔204之间，以提供摩擦力将天线组件200保持在期望的转动定向以及提供不透水的密封。天线组件200可以绕孔204的轴线转动，由此在两个定向之间90°范围内移动天线106同时保持稳定的密封。

图3为放大的横截面图，示出底座202与孔204的具体接合。如从图中看到的那样，金属扣环212已经部分弹出以接合槽214在孔204内，同时还接合槽214在底座202中。一旦扣环212展开，底座202相对于孔204的轴向移位则基本固定。为了组装现场设备/天线组件，底座202将让扣环212展开并滑过底座202的外径，直至环212到达槽214中。槽216尺寸被制成为使得扣环212能被完全压缩在槽内，由此不会延伸超出底座202的该部分的外径之外。在这种情况中，底座202可以滑入壳体102的孔204中。一旦扣环212滑入孔204内，当底座202到达槽214和216对齐的位置时扣环会自然地卡入槽214中。可以理解的，在孔204内设置锥形部218允许在底座202被轴向插入到孔204中时自动压缩扣环212。这便于组装，因为在底座202最初被插入到孔204中时扣环212不需要被压缩到任何程度。于是，当支架202到达锥形部218时，锥形部218的壁将压缩扣环212的外径在槽216内。

如从图3中看到的那样，优选提供一个或更多O型环220、222以密封孔204和天线底座202之间的接合面，使其免受湿气或其他令人讨厌的物质。

尽管优选的是天线组件相对于壳体的转动仅仅被支靠在孔204的内表面的O型环220、222的摩擦力所抵抗，本发明实施例也包括使用机械紧固件(例如固定螺丝)或其他适当的装置，使得组件200的转动定向得到固定。并且，使用这样的紧固件能够提供容易的天线屏蔽罩(地线)到壳体的连接，假如紧固件自身导电的话。这是重要的，因为可使瞬时不稳定电流不会进入同轴电缆的屏蔽罩上的外壳而损坏电子装置。

图4为连接到依照本发明实施例的天线组件的现场设备的侧平面图。现场设备250可以是任何合适的现场设备，并且一般包括在其中容纳设备电子器件的壳体252。如图4中进一步示出的那样，壳体252包括天线接受部254，该天线接受部254如上所述包括孔，该孔具有的轴线与组件200的两个不同的90°定向成大约45°角。图4还示出依照本发明实施例的天线转动止动件256。止动件256升高到所述部254的平表面258的上方。在天线组件200上的相配合的结构接合止动件256以限制天线组件200在孔204内的转动在大约300°的范围内。图5为放大图，示出转动止动件256升高到平表面258上方接近天线组件200。

图6示出天线组件200的相配合的结构260，当天线组件200在箭头262所示的方向上转动时，结构260将最终接合抵靠转动止动件256以禁止天线组件200的进一步转动。结构260优选是压铸的或者以其他方式形成为天线底座202的一体部分。天线底座202和壳体102优选由金属或坚硬塑料构成。更优选地，天线底座202可以由金属(例如锌或铝)构成，优选是压铸的。然而，依照本发明实施例也可以使用其他合适的材料。

参考图6，结构260优选包括一对表面264、266，所述一对表面与止动件256的相应表面268、270接合。一次方式，当所述部260最终接合止动件256时，所述接合将在彼此支撑的两个基本平坦的表面之间。使用平表面使得与转动止动件256的平表面接触帮助防止在所述两个表面彼此重复接合时产生油漆损伤。如图6中所示，在结构260上的表面264、266布置成相对于彼此成一角度。该角度优选等于或小于90度。然而，可以用对结构260和止动件256来说合适的任何结构来实践本发明的实施例。具体地说，结构260可以只是从底座202的外径延伸的凸片，而止动件256可以是销或者被压入到现场设备壳体102内的尺寸合适的孔中的其他合适的结构。上述结构尤其适合天线底座202被螺纹旋紧到孔204中的实施例。这样，一旦天线底座202被螺纹旋入到孔204内一定程度，止动件/销可以被压入到它的孔中以随后限制天线组件在孔204内的进一步转动。

虽然已经参考了优选实施例来描述本发明，本领域技术人员将认识到可以不偏离本发明的精神和范围在形式和细节上作出改变。

Claims (23)

1.一种现场设备，包括：

壳体，其中至少具有天线接收孔；

设置在壳体内的现场设备电子器件，所述现场设备电子器件包括构造为传送无线过程信息的无线通信电路；

天线组件，包括接合在壳体的天线接收孔内的天线底座，天线组件包括可操作地连接到无线通信电路的天线；及

其中，天线组件在所述天线接收孔内能够转动小于一个完整转动一圈的量，其中天线组件的转动改变天线的方位。

2.根据权利要求1所述的现场设备，还包括天线罩，所述天线罩连接到天线底座以在其中密封天线。

3.根据权利要求1所述的现场设备，其中壳体和天线底座中的至少一个包括防止转动超过给定量的结构。

4.根据权利要求3所述的现场设备，其中壳体包括转动止动件，天线底座包括接合所述转动止动件以防止转动超过所述给定量的结构。

5.根据权利要求4所述的现场设备，其中转动止动件包括设置成接合所述天线底座的所述结构的至少一个平表面。

6.根据权利要求5所述的现场设备，其中转动止动件包括一对平表面。

7.根据权利要求6所述的现场设备，其中所述一对平表面设置为相对于彼此成一角度，其中所述角度大于90度。

8.根据权利要求3所述的现场设备，其中壳体包括从壳体延伸以形成转动止动件的销。

9.根据权利要求1所述的现场设备，其中天线接收孔包括槽，所述槽构造成接合扣环以在其中保持天线底座。

10.根据权利要求9所述的现场设备，其中天线接收孔包括锥形部，所述锥形部构造为在天线底座插入到天线接收孔中时压缩所述扣环。

11.根据权利要求1所述的现场设备，还包括至少一个弹性的O型环，所述O型环置于天线底座的外周和天线接收孔的内表面之间。

12.根据权利要求11所述的现场设备，其中所述至少一个弹性的O型环构造成产生摩擦力以抵抗天线底座在天线接收孔内的转动。

13.根据权利要求12所述的现场设备，其中所述至少一个弹性的O型环包括多个弹性的O型环。

14.根据权利要求1所述的现场设备，其中天线为电路板上的迹线。

15.根据权利要求1所述的现场设备，其中用同轴电缆将天线连接到无线通信电路。

16.根据权利要求1所述的现场设备，其中所述壳体由从包括金属和塑料的组中选择出的材料构成。

17.根据权利要求16所述的现场设备，其中天线底座由金属构成。

18.根据权利要求17所述的现场设备，其中所述金属为铝。

19.根据权利要求1所述的现场设备，其中转动被限制为小于大约300度。

20.根据权利要求1所述的现场设备，其中天线底座螺纹地接合天线接收孔。

21.根据权利要求1所述的现场设备，还包括机械紧固件，所述机械紧固件布置成选择性地禁止天线底座相对于壳体的任何转动。

22.根据权利要求1所述的现场设备，其中天线组件包括电连接到天线底座的天线屏蔽罩

23.根据权利要求22所述的现场设备，其中天线屏蔽罩到天线底座的电连接是通过导电的紧固件实现的。

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