CN103370882B - 具有本质安全性的无线电发射模块 - Google Patents

Abstract

本文描述用于实现无线电发射模块的本质安全性的配置和方法。一个方面提供用于以本质安全性在爆炸危险区域中发射信号的设备，其包括：无线电发射模块，其具有布置在印刷电路板上的高频模块和电子控制电路，所述电子控制电路被配置来响应于下列一项或多项而控制至所述高频模块的电压供应：根据至少两个独立运行的硬件电路独立测量到的所述高频模块的输出电压超出预定电压值；和根据至少两个独立运行的温度电路独立感测到的，灌封在布置在所述印刷电路板上的热产生组件上方的导热灌封化合物的温度超出预定温度值。描述其它实施方案。

Description

具有本质安全性的无线电发射模块

技术领域

本文所述的标的大致涉及在爆炸危险区域使用无线电发射模块的安全性。

发明背景

确保与某些区域的设备使用相关的安全性很重要。例如，在被公布为防爆区域的工厂或工作环境的一部分中所使用的设备应满足安全标准所规定的特定要求。在防爆区域中操作设备的一种示例性保护技术是所谓的“本质安全性”技术。在本技术中，限制供应给电设备的能量使得即使环境可能包含易爆环境（可燃气体和氧气），也不会产生可点火火花。为了限制由装置产生的可能导致燃烧反应/爆炸点火的能量，可能需要限制电流和电压两者。

本质安全设备在安全标准（例如，ISA-60079-11（12.02.01）-2009）中定义为不会释放导致易点火浓度的危险混合物的点火的能量的设备。这可通过将功率量限制为低于会使气体点火的水平而实现。此外，“本质安全”的每个装置可针对不同等级的危险环境进行认证。因此，装置仅可在与其安全认证匹配的环境中使用。

在给定环境中，可在不同区之间进行区分。例如，在特定区中，诸如本质安全标准的区0，假设永久性爆炸氛围。安全标准中描述其它区（区1、区2）。许多管辖区域（美国、加拿大、欧盟等）已通过使装置可在这些区中使用的认证标准，由此提供装置分类。在假设爆炸环境的这样一个区域中，唯一允许通过也满足特定安全性规定的一个或多个电阻器进行电流的电阻性限制。

当总成冗余使用或多倍冗余使用时，总成在防爆区域中的功能性或可用性也可以显著增强，其中一个总成在使用而其它总成备用。因此，如果在使用的总成发生故障，那么自动实现至其它总成的切换。所使用的总成同时在使用。

已知用于防爆区域中的一个或多个电负载的本质安全冗余电流-电压供应的装置。此装置包括至少两个供电电路，所述供电电路用对所供应的电流进行本质安全功率限制的保护构件提供电流/电压供应。作为保护构件的一部分，供应电路各包含用于电流调节和/或限制的构件。在防爆区域外，用于电阻性电流限制的构件串联连接至供电电路作为保护构件的其它零件。用于电阻式电流限制的构件配置在供电电路与防爆区域之间。

发明概要

一个方面提供一种用于实现在板上具有用于在爆炸危险区域中发射信号和测量到的值的HF功率级（RF-P）和电子控制单元（Se）的无线电发射模块的本质安全性的配置，其包括外部电压供应、天线连接器（Aa）和输入连接器，其特征在于在天线（A）的底座上，至少两个独立运行的硬件电路（P1、P2、P3）配置用于HF功率级（RF-P）的输出电压的整流和与最大容许值的比较，每个硬件电路包括一个整流电路（GL1、GL2、GL3）和一个比较器（K1、K2、K3），其输出经由控制电路（Se）与限制电路（Bgr）连接用于关闭电压供应或用于将无线电发射模块的输出功率限制为最大容许值。

另一个方面提供一种用于实现在板上具有用于在爆炸危险区域发射信号和测量到的值的HF功率级（RF-P）和电子控制单元（Se）的无线电发射模块的本质安全性的方法，其特征为下列步骤：由至少两个独立运行的硬件电路（P1、P2、P3）通过对HF输出电压进行整流而监测天线（A）上的HF输出功率；将经整流HF电压与最大容许值作比较；作用于无线电发射模块的电压供应以在超出经整流HF电压时避免过量点火能量和/或在组件上方用根据标准可行的最小层厚度的导热灌封化合物灌封整个电路板；通过分布在电路板上方的至少两个独立运行的硬件电路（T1、T2、T3）测量灌封层的温度；将测量到的温度与灌封化合物内的温度的容许限值作比较；和作用于无线电发射模块的电压供应以在超出温度的容许限值时避免过量功率损耗。

另一个方面提供一种用于以本质安全性在爆炸危险区域中发射信号的设备，其包括：无线电发射模块，其具有布置在印刷电路板上的高频模块和电子控制电路，所述电子控制电路被配置来响应于下列一项或多项而控制至高频模块的电压供应：根据至少两个独立运行的硬件电路独立测量到的，高频模块的输出电压超出预定电压值；和根据至少两个独立运行的温度电路独立感测到的，灌封在布置在印刷电路板上的热产生组件上方的导热灌封化合物的温度超出预定温度值。

上文是发明概要且因此包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员应了解本发明概要仅为说明性的且不旨在以任何方式进行限制。

为了更好地理解实施方案以及其其它和进一步的特征和优点，参考结合附图进行的下文描述。随附权利要求书中将指出本发明的范围。

附图简述

图1示出示例性无线电发射模块的框图。

图2示出示例性无线电发射模块。

图3示出示例性无线电发射模块的侧视图。

图4示出提供本质安全的无线电发射模块的示例性方法。

图5示出提供本质安全的无线电发射模块的示例性方法。

具体实施方式

易了解如本文附图大致描述和示出的，除所述的示例性实施方案外，实施方案的组件可配置和设计成一系列不同配置。因此，如图所示的下文对示例性实施方案的更详细描述不旨在限制如所要求的实施方案的范围，而是仅代表示例性实施方案。

本说明书全文中涉及“一个实施方案”或“一实施方案”（或类似表述）指的是结合实施方案所述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在本说明书全文中的不同位置涉及短语“在一个实施方案中”或“在一实施方案中”或类似短语不一定都指相同实施方案。

此外，所述的特征、结构或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适方式组合。在下文描述中，提供许多特定细节以赋予实施方案的彻底理解。但是，相关领域的技术人员应了解可在没有一个或多个特定细节的情况下实践不同实施方案，或可使用其它方法、组件、材料等实践不同实施方案。在其它情况下，不详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆。

实施方案提供用于以高安全性和使用小的大小/空间尺寸实现用于在爆炸危险区域中发射信号和测量到的值的无线电发射模块的本质安全性的配置和/或方法。

用于爆炸危险区域（诸如具有保护等级本质安全性“i”的区域）的无线电发射模块，下文中也称作RF（射频）模块的设计在其空间尺寸方面大大受制于相应标准的规格。两个特征使提供小型设计极大地复杂化：（1）天线功率和天线耦合的点火能量的安全限制，和（2）RF功率级和控制电子器件的功率损耗的降低。

目前本质安全配置的RF输出发射功率限于1.3W功率。若出现故障，RF功率级的天线发射功率可如例如在正常运行时输送大于容许发射功率，且因此若用在危险环境中则代表可能的点火源。

目前，RF功率级包括集成单芯片解决方案，其由微电脑/微控制器控制。因功率控制中微电脑或RF功率芯片故障的可能性，无法确保微电脑或RF功率芯片对RF功率级的监测。因此，微电脑（根据本质安全性）的功率控制对于故障情况“ib”应以冗余方式配置，或对于情况“ia”应以三倍冗余方式配置。例如当必须满足安全完整性等级SIL2/3时，这意味着组件数量及此外微控制器的软件和/或硬件的设计的多样性的明显增大。当前，RF功率芯片出现故障的情况尚未被考虑并且目前无法以故障安全方式处理。

天线上的RF输出功率限制可通过针对本质安全性“ia”并入欧姆电阻器而实现。在天线线路中并入欧姆电阻器因防爆而有用，但大大限制天线及因此电路的高频（HF）功能。

对于本质安全性“ia”，并入将天线与功率级电容隔离需要以同样减损装置的高频功能的高介电强度和空间距离串联连接三个电容器。在大约100MHz或更大范围内的频率下的情况尤为如此。这也不再提供用于有限空间尺寸的电路设计。

因此，实施方案提供一种无线电发射模块，其包括使用有限空间设计的配置监测和调节功率的配置，其实现在爆炸危险区域中发射信号和测量到的值的本质安全性。例如，根据一实施方案，针对要求的本质安全性“ib”和针对“ia”，在天线底座上配置两个和三个独立运行的硬件电路以对HF（高频）功率级的输出电压进行整流。这些硬件电路用于各使用一个整流电路和一个比较器与最大容许值作比较，其输出与限制电路连接用于关闭电压供应或将无线电发射模块的输出功率限制为最大容许值。

作为另一个实施例，根据一实施方案，整个电路板（组件）上方用最小层厚度的导热灌封化合物灌封。最小层厚度用于允许测量灌封层的温度和将测量到的温度与灌封化合物内的容许限值作比较。在一实施方案中，配置分布在电路板上方的至少两个独立运行的硬件电路，每个硬件电路包括一个温度测量电路和一个比较器。比较器可以是温度传感器的一部分。经由控制电路，比较器的输出与限制电路连接用于关闭电压供应或将无线电发射模块的输入和/或输出功率限制为最大容许值。这样做是为了在超出温度的容许限值时避免过量功率损耗。

根据一实施方案的示例性方法可包括下列步骤。天线上的HF输出功率由至少两个独立运行的硬件电路监测。这可通过对HF输出电压进行整流而实现。经整流HF电压与最大容许值作比较。无线电发射模块的电压供应可被作用以在经整流HF电压超出最大容许值时避免过量点火能量。

整个电路板上方可用导热灌封化合物灌封，组件上方根据适用的安全标准可行的最小层厚度灌封。可通过分布在电路板上方的至少两个独立运行的硬件电路测量灌封层的温度。测量到的温度可与灌封化合物内的温度的容许限值作比较。无线电发射模块的电压供应可被作用以在超出温度的最大容许值时避免过量功率损耗。

在一实施方案中，监测HF输出功率和灌封整个电路板可在无线电模块中执行。在较低安全性要求的情况下，两个测量中的一个可能足够。在具有一个或多个所述实施方案特性的无线电发射模块中因此可以较少努力和小尺寸提供在爆炸危险区域中发射信号和测量到的值的本质安全性。

可参考附图最好地理解所示的示例性实施方案。下文描述仅旨在举例说明并且仅说明特定示例性实施方案。

根据如图1所示的示例性无线电发射模块的方框电路图，RF功率和接收级RF-P（高频模块）的发射能量经由天线A发射。为了监测RF天线输出功率，采用根据本质安全性“ia”配置为三倍形式的RF功率测量模块P1、P2、P3（其可根据本质安全性“ib”配置为双重形式）。RF整流器GL1、GL2、GL3通过比较器（示出三个，K1、K2、K3）对RF输出电压进行整流以比较经整流RF信号和参考信号R1、R2、R3。

响应超出经整流RF电压，经由控制电路（电子控制单元）Se启动限制电路Bgr，其中断RF模块的电源模块的输入电压Ue和/或将RF模块的电源模块的输入电压Ue降至点火安全输入功率。经由控制电路Se，用供应将要发射（资料传输）的信号和/或测量到的值的功能单元实现资料传输。在控制电路Se中，信号被处理并准备用于发射至RF功率和接收级RF-P。

两个或三个冗余硬件电路P1、P2、P3独立运行并且在一个或两个故障的情况下可靠地确保功率减小或关闭。下文进一步描述的图2示出个别模块及其在板上的连接的示例性配置的图。如从图3中可见，模块可配置在印刷电路板PCB的两侧上。除RF输出功率的限制外，在故障的情况下RF模块的表面温度是可能的另一个点火源。如标准所述，对于RF模块的批准，例如根据温度等级T4=135℃，应确保在故障的情况下不超出此温度限制。

对于从大约0.5W高至适用的安全标准中定义的容许限制功率范围中的RF输出功率，HF模块需要DC功率。这可产生高于T4限制的（组件上的）表面温度，且因此需要管理/降低此温度的额外测量。可能的测量包括使用可引入以降低表面温度的散热片和用降低表面温度的导热灌封化合物灌封组件或整个电路。但是，这两种情况可导致RF模块空间的大增。

如此一来，一实施方案通过采用替代手段降低表面温度。例如，一实施方案提供用仅具有最小规定层厚度的灌封化合物灌封整个电路，所述灌封组合物根据适用的安全标准提供在组件上方。如图3所示，灌封组合物包封配置在PCB两侧上的模块并且分别在PCB的上表面和下表面上形成一个灌封区域Vb1、Vb2。由于此层厚度无法在故障的情况下充分提供必要的热减小，所以可能需要其它测量。

例如，另一个测量包括使用图1详细所示的双重（ib）基于硬件的温度电路T1、T2、T3或三重（ia）基于硬件的温度电路T1、T2、T3。如图2所示，基于硬件的温度电路T1、T2、T3测量灌封层的温度，所述灌封层可分布在整个印刷电路板上方。在比较器中比较温度，所述比较器可实施在温度电路T1、T2、T3中。响应超出灌封化合物内的温度的容许限值，比较器可中断RF模块的输入电压供应或将RF模块的输入电压降至点火安全输入功率。两个或三个冗余的基于硬件的温度电路T1、T2、T3独立运行并且在一个或两个故障的情况下可靠地确保功率减小或关闭。

如图3所示，元件Ue、Brg、Se、Gl1、Gl2、Gl3、K1、K2、K3、R1、R2、R3、T1、T2、T3和RF-P可连同天线连接器Aa提供在PCB的相对侧上。此外，可提供灌封框架Vr。屏蔽板Ab可焊接或另外附接至PCB以屏蔽HF辐射。此屏蔽板Ab可配置在PCB的一侧上，其中也可以灌封RF功率和接收级RF-P。此屏蔽板Ab还充当冷却板。

图4示出根据一实施方案的示例性方法。天线上的HF输出功率由至少两个独立运行的硬件电路监测410。这可通过对HF输出电压进行整流而实现。经整流HF电压与预定最大容许电压值作比较420。无线电发射模块的电压供应可被作用以在经整流HF电压超出预定值时避免过量点火能量430。

图5示出根据一个实施方案的示例性方法。整个电路板可用组件上方根据适用的安全标准可行的最小层厚度的导热灌封化合物灌封。灌封层的温度可由分布在电路板上方的至少两个独立运行的硬件电路测量510。测量到的温度可与灌封化合物的温度的容许限值（预定温度值）作比较520。无线电发射模块的电压供应可被作用以在超出温度的容许限值时避免过量功率损耗530。

因此，一实施方案提供在维持小的大小/空间尺寸的同时实现本质安全性的无线电发射模块，其可用于危险工作环境中，诸如被公布为防爆区域的工作区域。一实施方案可包括被配置来限制功率以避免点火和/或用冗余温度测量和调节配置灌封至最小可接受厚度的电路。

本公开内容的提出是为了说明和描述的目的，而不旨在全面叙述或限制。本领域一般技术人员了解许多修改和变化。选择和描述示例性实施方案以说明原理和实际应用并且使本领域其它一般技术人员能理解进行如适于预期的特定用途的不同修改的不同实施方案的公开内容。

因此，虽然本文中已参考附图描述说明性示例性实施方案，但是应了解此描述非限制且本领域技术人员可在不脱离本公开内容的范围或精神的情况下，在其中实现各种其它改变和修改。

参考符号列表

A天线

Aa天线连接器

Ab屏蔽板

Bgr限制电路

GLl、GL2、GL3RF整流器

K1、K2、K3比较器

PCB印刷电路板

P1、P2、P3RF功率测量模块

R1、R2、R3参考

RF-PRF功率级和接收级

Se电子控制单元

T1、T2、T3温度传感器

Ue输入电压

Vb1、Vb2灌封区域

Vr灌封框架

Claims (19)

1.一种用于实现无线电发射模块的本质安全性的装置，所述无线电发射模块在板上具有高频功率级和电子控制单元(Se)，所述无线电发射模块用于在爆炸危险区域中发射信号以及发射测量到的值，所述装置包括外部电压供应、天线连接器(Aa)和输入连接器，其特征在于，

在天线(A)的底座上，至少两个独立运行的硬件电路(P1、P2、P3)被配置用于所述高频功率级的输出电压的整流以及用于所述高频功率级的经整流的所述输出电压与最大容许值的比较，每个硬件电路包括一个整流电路(GL1、GL2、GL3)和一个比较器(K1、K2、K3)，并且所述硬件电路(P1、P2、P3)的输出经由所述电子控制单元(Se)与限制电路(Bgr)连接，用于关闭电压供应或者用于将所述无线电发射模块的输出功率限于最大容许值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

在整个电路板上，组件上方用根据标准可行的最小层厚度的导热灌封化合物灌封，所述最小层厚度用于测量灌封层的温度并且用于将所述测量到的温度与所述灌封化合物内的容许限值作比较，至少两个独立运行的硬件电路分布在所述电路板上方，每个硬件电路具有一个温度测量电路(T1、T2、T3)，所述温度测量电路各包括一个温度传感器和一个比较器，所述温度测量电路(T1、T2、T3)的输出经由所述电子控制单元(Se)与所述限制电路(Bgr)连接，用于关闭所述电压供应或者用于将所述无线电发射模块的所述输出功率限于最大容许值，以在超出所述温度的所述容许限值时避免过量功率损耗。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

为实现根据标准的最高本质安全性“ia”，三个独立运行的硬件电路(P1、P2、P3)被配置用于限制射频功率和接收机级(RF-P)的射频输出功率。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

为实现根据标准的最高本质安全性“ia”，分布在电路板上方的三个独立运行的硬件电路(T1、T2、T3)被配置用于限制所述板的表面温度。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其特征在于，

在所述板的背面，焊接至所述板的高频屏蔽板(Ab)围绕所述灌封组件被配置。

6.一种用于实现无线电发射模块的本质安全性的方法，所述无线电发射模块在板上具有高频功率级和电子控制单元(Se)，所述无线电发射模块用于在爆炸危险区域中发射信号以及发射测量到的值，所述方法以下列步骤为特征：

由至少两个独立运行的硬件电路(P1、P2、P3)通过下列步骤监测天线(A)上的高频输出功率：

对高频输出电压进行整流；

将经整流的所述高频输出电压与最大容许值作比较；

作用于所述无线电发射模块的电压供应，以在超出经整流的所述高频输出电压时避免过量点火能量，和/或

用根据标准可行的最小层厚度的导热灌封化合物在组件上方灌封整个电路板；

通过分布在所述电路板上方的至少两个独立运行的硬件电路(T1、T2、T3)测量所述灌封层的温度；

将所述测量到的温度与所述灌封化合物内的所述温度的容许限值作比较；以及

作用于所述无线电发射模块的所述电压供应，以在超出所述温度的所述容许限值时避免过量功率损耗。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，作用于所述无线电发射模块的所述电压供应通过下列方法实现：

中断所述电压供应，或

限制点火安全输入功率。

8.一种以本质安全性在爆炸危险区域中发射信号的设备，其包括：

无线电发射模块，其具有布置在印刷电路板上的高频模块和电子控制电路，所述电子控制电路被配置来响应于下列一项或多项而控制至所述高频模块的电压供应：

根据至少两个独立运行的硬件电路独立测量到的，所述高频模块的输出电压超出预定电压值；和

根据至少两个独立运行的温度电路独立感测到的，灌封在布置在所述印刷电路板上的热产生组件上方的导热灌封化合物的温度超出预定温度值。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制电路被配置来响应于所述高频模块的所述输出电压和所述导热灌封化合物的所述温度而控制至所述高频模块的电压供应。

10.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少两个独立运行的硬件电路各包括：

整流电路，其用于对所述输出电压进行整流；

和比较器，其用于比较经整流的所述输出电压与所述预定电压值；

和此外其中所述至少两个独立运行的硬件电路的每一个的输出可操作地连接至所述电子控制电路。

11.根据权利要求8所述的设备，其还包括限制电路，所述限制电路被配置来响应所述输出电压值超出所述预定电压值而限制所述无线电发射模块的输出功率。

12.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少两个独立运行的硬件电路包括三个独立运行的硬件电路。

13.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少两个独立运行的温度电路被配置来将所述导热灌封化合物的所述温度与所述预定温度值作比较。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少两个独立运行的温度电路各包括比较器，其中所述至少两个独立运行的温度电路的每一个的输出可操作地连接至所述电子控制电路。

15.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制电路被配置来响应确定所述导热灌封化合物的所述温度超出所述预定温度值而限制所述无线电发射模块的输出功率以防止所述导热灌封化合物的所述温度超出最大容许温度值。

16.根据权利要求8所述的设备，其中所述至少两个独立运行的温度电路包括三个独立运行的温度电路。

17.根据权利要求8所述的设备，其还包括屏蔽板。

18.根据权利要求8所述的设备，其中所述导热灌封化合物以根据本质安全性的最小容许厚度灌封在所述热产生组件上方。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述导热灌封化合物灌封在整个所述印刷电路板上方。