CN104677410A - 传感器和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于液体和/或气体分析的传感器，包括用于产生测量信号的测量换能器，以及尤其是可分离地连接测量换能器的紧凑变送器，紧凑变送器被实现为接收和进一步处理测量信号，其中紧凑变送器包括：变送器壳体；被布置在变送器壳体内的变送器电路；被布置在变送器壳体内的第一接口，通过第一接口，变送器电路可通过连接电缆连接第一上级数据处理系统，尤其是被实现为上级控制系统的系统；和被布置在变送器壳体内的第二接口，其连接变送器电路和天线，并且被实现为向天线提供，或者通过天线接收无线电信号，无线电信号具有中心波长λ；其中天线包括辐射元件和至少一个金属镜元件，并且其中辐射元件具有λ/8至3λ/8，特别是例如λ/4的长度。

Description

传感器和测量装置

技术领域

本发明涉及一种特别是用于过程测量技术的传感器和测量装置。

背景技术

在过程测量技术中，特别是用于通过使用化学、物理或生物过程，从原材料或起始材料生产产品的化学过程或程序的自动化，和/或控制工业工厂的过程测量技术中，应用靠近过程安装的测量设备，即所谓的现场设备。例如，实现为传感器的现场设备能够监控过程测量变量，诸如压力、温度、流量、料位或液体和/或气体分析的被测变量，诸如pH值、传导率、特定离子和化学化合物的浓度和/或气体的浓度或分压。

在过程安装中，频繁应用大量多种传感器。被布置在过程中的特定安装位置的传感器，例如被安装在特定安装位置，并且实现为记录一个或多个被测变量的传感器形成测量点。

原则上，传感器包括测量换能器，测量换能器被实现为记录将被监控的被测变量，并且产生与被测变量的当前值相关的电测量信号。用于另外处理测量信号的是变送器电路，现今最通常为电子变送器电路，电子变送器电路还被实现为调节电测量信号，例如对其数字化，以将电测量信号转换为被测变量的测量值和/或转换为源自测量值的变量，并且在给定情况下，将电测量信号输出至上级单元。除了测量值形成和测量值转发之外，变送器电路还能够包括更广泛的功能。例如，变送器电路能够被实现为执行测量值的更广泛评估，或者执行传感器诊断，在该情况下，确定传感器的当前状态和/或做出关于传感器的剩余寿命的预测。

在上述类型的传感器，特别是液体和气体分析领域的情况下，相应的变送器电路被频繁地连接上级数据处理系统，上级数据处理系统最通常被布置成远离相应的测量点，并且向上级数据处理系统转发相应的传感器产生的测量值、诊断相关数据或其它传感器数据。上级数据处理系统尤其能够包括一个或多个电子、过程控制器，例如被安装在现场的一个或多个测量变送器，过程控制计算机或可编程逻辑控制器(PLC)。

至少局部地在这些工业测量装置中起频繁数据传输作用的是现场总线系统，诸如FOUNDATION现场总线、PROFIBUS、ModBus等等，或者例如也为基于以太标准的网络，以及相应的最通常应用的独立标准的传输协议。

近年来，用于液体和气体分析的传感器具有变送器电路，变送器电路被容纳在可固定或可松开地连接测量换能器的紧凑壳体中。也将被容纳在紧凑壳体中的这种变送器电路称为紧凑变送器，该紧凑壳体固定或可松开地连接测量换能器，并且向至少一个上级单元提供至少部分测量变送器功能，特别是对测量信号的进一步处理，以及对处理的测量信号的转发，并且一方面可通过接口连接测量换能器，另一方面，连接上级数据处理单元。

因而，从WO 2005/031339A1已知一种液体传感器，该传感器通过耦接而连接测量变送器，并且进一步连接上级数据处理系统。传感器包括测量换能器，以及被容纳在与测量换能器固定连接的紧凑壳体中的传感器电路，该传感器电路具有：预处理电路，以预处理通过测量传感器产生的模拟测量信号；模拟/数字转换器，以将所记录的模拟测量信号转换为数字测量信号；和第一接口，以将数字测量信号传输至上级测量变送器。耦接包括传感器侧的初级耦接元件，和连接测量变送器的补充、次级耦接元件。第一接口被实现为，通过耦接将数字测量信号发送至测量变送器。次级耦接元件包括另一电子电路，该另一电子电路包括作为第一接口的补充的第二接口，该第二接口被实现为接收第一接口发送的测量信号。此外，第二接口能够通过耦接将数据以及能量发送至传感器的第一接口。在第一实施例中，次级耦接元件能够通过连接电缆连接测量变送器，从而进行数据通信。在第二实施例中，作为通过电缆连接测量变送器的接口的代替，次级耦接元件包括微控制器，微控制器连接具有天线的无线电模块，天线用于将数据传输至上级单元。不能从WO 2005/031339A1已知下列实施例，在该实施例的情况下，紧凑变送器同时通过电缆连接和无线电连接与一个或多个上级数据处理系统通信。同样地，未给出关于次级耦接元件和天线细节的信息。

在EP 2 233 994 A2中描述了一种测量装置，该测量装置包括智能过程传感器，该智能过程传感器可松开地连接紧凑电子模块。该过程传感器用于确定测量介质的至少一种化学或物理被测变量，并且除了用于记录该被测变量的测量换能器之外，还包括可单独连接测量换能器的电子单元。该电子单元包括：用于监控传感器状态的装置；用于对来自传感器单元的模拟测量数据数字化的装置；用于转发模拟和数字数据的装置；至少一个模拟接口和至少一个数字接口，以连接过程传感器和过程控制系统；以及测量介质和接口之间的电隔离。可单独连接测量换能器的电子单元用于处理测量数据，监控传感器状态并且存储传感器相关数据。电子模块用于根据由过程控制系统、或移动服务设备可处理的通信协议，通过一个或多个接口，将智能传感器提供的数据和诊断信息输出至例如过程控制系统，或者移动服务设备。电子模块包括具有存储器单元的微处理器、多个数字接口，以及用于将过程传感器的模拟信号转发至过程控制系统的设备。这些数字接口中的一个能够被设计成具有发送单元和天线的无线电接口。EP 2 233 994A2未给出关于不同接口，包括无线电接口的确切实施例和布置的信息。

在操作中，靠近过程或者甚至接触过程，在给定情况下，通过应用集成在过程容器壁内的可伸缩组件，安装具有用作紧凑变送器的电子单元的，用于液体或气体分析的这样的传感器。这种安装情况导致的位于紧凑变送器环境中的电介质的影响能够导致通过紧凑变送器的无线电接口所输出的，或者接收的无线电信号的信号质量退化。此时，在这些具有紧凑变送器的传感器的情况下，作为它们的紧凑构造的结果，用于无线电接口的天线系统的空间受限，当应存在传感器与上级单元的另外电缆连接时尤其如此。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有紧凑变送器的传感器，该紧凑变送器包括用于通过具有足够信号质量的无线电连接与上级数据处理系统，尤其是移动服务设备进行通信的装置，其利用尽可能紧凑的构造耦接。

根据本发明，通过权利要求1限定的传感器实现该目的。

用于液体和/或气体分析的本发明的传感器包括用于产生测量信号的测量换能器，以及尤其是可分离地与测量换能器的紧凑变送器连接，该紧凑变送器被实现为接收和进一步处理测量信号，其中该紧凑变送器包括：

变送器壳体；

被布置在变送器壳体内的变送器电路；

被布置在变送器壳体内的第一接口，通过该第一接口，变送器电路可通过连接电缆与第一上级数据处理系统，尤其是被实现为上级控制系统的系统，连接；和

被布置在变送器壳体内的第二接口，该第二接口连接变送器电路和天线，并且被实现为向天线提供无线电信号，或者通过天线接收无线电信号，该无线电信号具有中心波长λ，其中该天线包括辐射元件和至少一个金属镜元件，并且其中该辐射元件具有λ/8至3λ/8，特别是例如λ/4的长度。

无线电信号包括预定中心频率，将被发送的一个或多个数据信号能够被调制到该预定中心频率上。中心频率相应于中心波长λ，中心波长λ由光速与中心频率的商(λ＝c/f)产生。

液体或气体分析的传感器的过程接近或过程接触安装情况能够导致在测量操作中存在下列事实，即取决于传感器的测量任务，固定地或可松开地连接测量换能器的紧凑变送器暴露于多种电介质环境，或者在传感器的运行持续时间期间，暴露于可变电介质环境，例如由于湿度增大，在变送器壳体上形成的冷凝水，或者甚至是由于可伸缩组件的影响。紧凑变送器的电介质环境的变化影响中心波长的偏移，紧凑变送器的天线最初匹配该中心波长。例如，在引入电介质媒介中时，位于空气中并且被设计为2.45GHz的天线“失谐”至更小频率，这是因为在电介质材料中，有效波长更小。作为具有例如长度为四分之一中心波长的辐射元件的所谓λ/4天线的紧凑变送器的天线的实施例，使得能够在中心频率附近相对宽的频率窗口±300MHz内以足够的信号质量进行无线电传输。与其相比，在传统的紧凑芯片天线的情况下，不能实现这种“宽带性”，原则上，传统的紧凑芯片天线最初确保仅在中心频率附近的窄带窗口内，例如2.45GHz±30MHz内的足够信号质量。由于过程测量应用中预期量级(具有约例如5％)的变化电介质环境，中心频率，或者中心波长的失谐将在应用传统芯片天线的情况下导致无法容忍的信号退化。

有利地，辐射元件具有例如λ/4的长度，因而为中心波长的四分之一。然而，由于辐射元件相对于期望宽带性的最佳长度取决于辐射元件的电介质环境，所以能够根据辐射元件的电介质环境，例如针对辐射元件被嵌入灌封材料中，这导致中心波长失谐的情况，或者当考虑到在操作期间包括紧凑变送器的传感器将被安装在可伸缩组件中，应从开始调谐天线时，在λ/8和3λ/8之间，因而在八分之一中心波长和八分之三中心波长之间选择辐射元件的长度。

在例如为2.45GHz的中心频率的情况下，中心波长例如为12.3cm，因而，辐射元件的长度处于1.5至4.6cm范围内，优选地例如2.5至3.5cm，尤其优选例如3cm。

第二接口能够被实现为，根据蓝牙标准，尤其是根据节能模式(HOLD、SNIFF、PARK)或根据蓝牙低功耗协议，或根据无线HART，向天线提供无线电信号，或者从天线接收该无线电信号，并且将该信号转发至变送器电路。第二接口尤其能够被实现为，向天线提供从变送器电路获得的无线电信号数据，尤其是从测量换能器的测量信号确定的测量值，传感器参数或传感器的状态信息。作为补充，第二接口能够被实现为，根据其中一个所述协议或标准，从上级数据单元接收传感器参数，交互命令，或作为无线电信号的其它运行数据，并且将这些数据发送至变送器电路。

测量换能器和紧凑变送器能够通过可插连接器耦接彼此可分离地连接，其中紧凑变送器包括第三接口，第三接口被实现为，当测量换能器和紧凑变送器通过可插连接器耦接而连接时，将从变送器电路获得的数据信号发送至测量换能器的互补接口，并且从测量换能器的所述接口接收数据信号，尤其是测量信号，并且将数据信号发送至变送器电路。作为补充，第三接口能够用于通过将信号发送至测量换能器的接口，向测量换能器提供能量。

在优选实施例中，测量换能器为杆状，并且在前端区域中包括换能机构，以记录将被监控的被测变量，并且将被测变量转换为电信号，原则上为模拟信号。相反，在该实施例中的测量换能器的后端布置变送器壳体，其中连接电缆被从后端，即从背向测量换能器的变送器壳体的一端引出。优选地，天线，尤其是辐射元件，被布置在变送器壳体的后端区域中，并且能够具有从变送器壳体凸出的部分。在该实施例中有利的是，天线与将被监控的过程具有最大的分离，因而最小化了过程对天线的电介质环境的影响。同样地，在该实施例的情况下，传感器能够被这样布置在可伸缩组件中，即天线从可伸缩组件凸出，以便可伸缩组件也不对天线的电介质环境有影响，或仅有少量影响。

变送器壳体能够具有至少一个圆柱形部分。在实施例中，变送器壳体的圆柱形部分具有小于30mm，优选小于20mm，尤其优选小于16mm的外径。这允许在过程测量技术中使用的大多数可伸缩组件中布置包括变送器壳体的传感器。

例如，天线能够实现为λ/4单极天线或F天线。

在另外的实施例中，变送器壳体内的至少一部分辐射元件和一部分连接电缆彼此面对地延伸，在每种情况下，都与变送器壳体的圆柱形部分的圆柱轴线间隔隔开，尤其是彼此平行。在从现有技术已知的用于液体和气体分析的传感器的情况下，与上级单元的连接电缆基本上被从壳体中心引出，即原则上，与圆柱形壳体的圆柱轴线一致。由于辐射元件以及连接电缆都与圆柱轴线间隔隔开地延伸，并且彼此相背地布置，所以能够在连接电缆和辐射元件之间获得最大可能间隔。通过这种方式，即使是在紧凑变送器中可用的空间有限的情况下，也能最小化连接电缆导致的，对通过天线发送的无线电信号的信号质量的干扰。

辐射元件能够被实现为被施加在至少一个电路卡上的导电迹线结构，尤其是铜结构。同样地，辐射元件的实施例提供作为被焊接在电路卡上的一件弯曲片金属的辐射元件。与片金属部分相比，作为电路卡的导电迹线结构的辐射元件的实施例具有下列优点，即可以明显更大的精确度，因而长度公差更小地制造导电迹线结构。

在实施例中，辐射元件具有底部，辐射元件通过底部与第二接口连接，其中电路卡在底部的区域中具有铜结构，该铜结构起部分匹配网络的作用，尤其是具有感应阻抗，以补偿辐射元件和至少一个镜元件之间的电容耦合。

该至少一个镜元件能够包括被布置在电路卡的内层上的金属，尤其是铜的接地面。

第一接口能够被至少部分地布置在电路卡上，其中连接电缆能够通过至少一个焊接连接与电路卡固定地连接。第二接口能够包括HF电路部分，HF电路部分与第一接口被布置在同一电路卡上，其中HF电路部分和形成辐射元件的导体结构被布置在电路卡的上侧上，并且连接电缆的焊接连接被布置在与上侧相背的电路卡的下侧上。通过辐射元件和HF电路部分处于电路卡的一侧上，并且连接电缆的焊接连接处于电路卡的另一侧上的这种布置，电路卡的内层上的被布置在两者之间的镜元件的接地面能够同时屏蔽辐射元件和HF电路部分，使其不受连接电缆的不确定定位和不是始终同等焊接的个别股线的影响。

辐射元件、变送器电路、第一接口和第二接口能够被设置在同一电路卡上。该电路卡能够被实现为刚性电路卡，或者至少部分为刚性-柔性电路卡，或者柔性电路卡。

在实施例中，第二接口能够被至少部分地布置在另外的电路卡上，该另外的电路卡被布置成垂直于，并且优选地固定连接电路卡，在该电路卡上形成导体结构，该导体结构形成辐射元件。

第一接口和/或变送器电路能够被至少部分地布置在另外的电路卡上，其中连接电缆通过至少一个焊接连接与该另外的电路卡固定地连接，其中第二接口包括HF电路元件，该HF电路元件同样被布置在另外的电路卡上，并且其中HF电路部分和在电路卡和另外的电路卡之间的焊接连接被布置在该另外的电路卡的上侧上，在该电路卡上形成导体结构，所述导体结构形成辐射元件，并且连接电缆的焊接连接被布置在与上侧相背的另外的电路卡的下侧上。

在该实施例中，该至少一个镜元件能够包括被布置在另外的电路卡的内层上的导电材料，尤其是铜的接地面。

因而，在该实施例中，变送器电路、至少部分第二接口和至少部分第一接口被布置在第一电路卡上，而形成辐射元件的导电迹线结构被布置在垂直于第一电路卡的第二电路卡上。优选地，第二电路卡例如通过焊接连接，固定地连接第一电路卡。出于该目的，第二电路卡能够沿穿过至少一条通孔延伸的交叉线分段，并且该至少一条通孔能够用作焊接点。

在另外的实施例中，能够绕连接电缆同心、螺旋形地引导辐射元件。在该实施例中，第一接口能够被至少部分地布置在电路卡上，并且连接电缆能够通过至少一个焊接连接与电路卡连接，其中该至少一个镜元件由被布置在电路卡的内层上的金属，尤其是铜的接地面形成。

在连接电缆和包括第一接口的电路卡之间的焊接连接附近，连接电缆能够由管状、塑料部分围绕，该管状、塑料部分被布置成与连接电缆同轴，并且在其上螺旋形地缠绕辐射元件。塑料部分能够具有用于辐射元件的引导装置，尤其是进入塑料部分外部中的螺旋形凹槽。

在所有上述实施例中，第一接口能够被至少部分布置在电路卡上，并且连接电缆通过至少一个焊接连接固定地连接电路卡。被布置在焊接连接的区域中消除连接电缆的应变的能够为下列设备，优选地，该设备完全由电介质材料，尤其是合成材料，诸如塑料形成。例如，能够通过电缆扎带具体实施用于应变消除的设备。例如，用于该目的的能够为传统的塑料电缆扎带。在该实施例中，第一接口能够被至少部分地布置在其上的电路卡例如能够为相同的电路卡，或者为被布置为垂直于所述电路卡的另外电路卡，在相同的电路卡上以导电迹线结构的形式布置辐射元件，在另外的电路卡上以导电迹线结构的形式布置辐射元件。

变送器电路能够包括计算机系统，以及与计算机系统相关联的存储器，其中在存储器中存储计算机程序，计算机程序可由计算机系统执行，并且用于另外处理通过第三接口，从与紧凑变送器连接的测量换能器发送的测量信号，尤其是用于确定当前测量值，并且用于将进一步处理的测量信号通过第一接口传输至第一上级数据处理系统。此外，存储在关联计算机系统的存储器中的能够为下列计算机程序，该计算机程序可由计算机系统执行，并且用于传输进一步处理的测量信号和/或其它数据，尤其用于通过第二接口，经无线电将传感器参数发送至第二数据处理系统。

本发明的测量装置包括：

根据其中一个上述实施例的传感器；

通过第二接口连接紧凑变送器的第一上级数据处理系统，特别是实现为控制系统的系统；和

通过与第三接口的无线电连接，连接变送器电路的第二上级数据处理系统，尤其是实现为手持、智能电话、平板PC、笔记本电脑的上级数据处理系统，或者实现为与评估电路无线通信的显示系统。

变送器电路还能够被实现为处理测量换能器递送的测量信号，尤其是基于测量信号确定传感器测量的、被监控的变量的测量值，以将所计算的测量值转换为第一和/或第二数据处理系统可处理的根据通信协议的信号，并且将该信号转发给第一和/或第二数据处理系统。

第二上级数据处理系统能够被实现为，经由根据蓝牙标准，特别是根据节能模式(HOLD、SNIFF、PARK)或根据蓝牙低功耗协议的无线电连接，或经由通过紧凑变送器的第三接口的无线HART，与变送器电路通信。同样地，紧凑变送器的第三接口被实现为，根据其中一个所述标准，向天线提供无线电信号。例如，无线电信号能够包括变送器电路产生的数据，尤其是从测量信号确定的测量值，代表当前传感器状态或传感器的负载历史的传感器参数和/或状态信息。

例如，传感器能够为下列传感器，该传感器用于测量pH值、传导率、氧含量、离子浓度、氯含量、臭氧含量、液体的浊度或固体含量。

附图说明

现在将基于在附图中提出的实施例的例示示例，更详细地解释本发明，附图示出如下：

图1是具有带紧凑变送器的传感器，通过无线电与紧凑变送器连接的上级第一数据处理系统和第二上级数据处理系统的测量装置的实施例的第一示例的示意性表示图；

图2是图1中例示的测量装置的传感器和紧凑变送器的示意性细节图；

图3是根据实施例的第一示例的，具有用于连接紧凑变送器和第一上级数据处理系统的连接电缆，以及用于建立与第二上级数据处理系统的无线电连接的天线的紧凑变送器的示意性表示图；

图4是图3中例示的紧凑变送器的第一细节图，示出承载变送器电路的电路卡的前侧；

图5是图3中例示的紧凑变送器的第二细节图，示出承载变送器电路的电路卡的后侧；

图6是图3中例示的紧凑变送器的截面例示图；

图7是根据实施例的第二示例的，具有用于建立与上级数据处理系统的无线电连接的天线的紧凑变送器的截面例示图；

图8是图7中例示的紧凑变送器的细节图，示出天线的辐射元件；

图9是根据实施例的第三示例的，具有用于建立与上级数据处理系统的无线电连接的天线的紧凑变送器的截面例示图。

具体实施方式

图1是测量装置1的示意图。测量装置1包括具有测量换能器3的传感器2，测量换能器3包括例如实现为电位测量链的换能机构5，并且固定地连接换能机构5，以及封闭测量换能器电路6的壳体，壳体同时形成插头连接的测量换能器侧、初级耦接元件7。换能机构5用于产生代表被测变量的初级信号。通过测量换能器电路6记录初级信号，在给定情况下，进一步处理，并且通过测量换能器接口S1将初级信号传输至紧凑变送器9的第一接口S2。第一接口S2与测量换能器接口S1互补。在本示例中，紧凑变送器9同时用作与初级耦接元件7互补的次级耦接元件。紧凑变送器9包括变送器壳体，其中除了容纳第一接口S2之外，还容纳变送器电路。紧凑变送器9的变送器电路8用于处理和转发通过接口S2接收的换能机构5的测量信号。变送器壳体特别是液体密封地围绕变送器电路8，并且保护变送器电路8不受环境影响。同样地，测量换能器侧耦接元件7为液体密封，并且保护测量换能器电路6不受环境影响。变送器电路8被实现为电子电路，在变送器壳体中该电子电路能够被布置在电路卡上，尤其是多层电路卡，尤其是柔性电路卡或刚性-柔性电路卡上。

变送器电路8连接第一上级数据处理系统11，例如，第一上级数据处理系统11能够为过程控制系统，尤其是包括PLC的过程控制系统。例如，能够通过现场总线13具体实施连接。为了通过现场总线13将数据从变送器电路8传输至第一上级数据处理系统11，或者从上级数据处理系统11通过变送器电路8接收数据，变送器电路8包括总线接口S3。通过接口S3，由第一上级数据处理系统11向包括测量换能器电路6和变送器电路8的测量换能器3提供能量。

通过上级数据处理系统11能够处理的通信协议发生变送器电路8和上级第一数据处理系统11之间的数据通信，例如通过标准现场总线通信协议，诸如HART、PROFIBUS PA、PROFIBUS DP、Foundation现场总线、ModBus。在本示例中，接口S3被实现为，使得评估电路能够通过4..20mA HART信号与上级单元通信，并且包括双导体、电流输出。同样地，然而本文所述的发明也能够通过下列测量装置具体实施，在该情况下，评估电路使用四导体、电流输出，并且在该情况下，通过4..20mA HART信号，或者通过一种其它所述标准现场总线通信协议发生通信。

在本示例中，通过耦接元件7和用作次级侧耦接元件的紧凑变送器9形成的可插连接器耦接被实现为感应耦接。在每种情况下，两个耦接部分的接口S1、S2都包括线圈，能够在线圈之间感应地传输能量和数据。这具有下列优点，即可插连接器耦接同时确保测量换能器3与上级数据处理系统11，或者与变送器电路8的电流隔离。然而，可选地，可插连接器耦接也能够被实现为电流耦接、插头连接。在该情况下，在测量换能器电路6中或在变送器电路8中提供电流隔离是有利的。

紧凑变送器9包括光学显示器21，光学显示器21包括例如LED，以视觉显示通过可插连接器耦接的通信连接的状态。例如，显示器能够被实现为多色LED。在该情况下，颜色相应于通信连接的一种特定状态。在一种变体中，光学显示器21也起指示传感器状态的作用，例如传感器缺陷，或其它系统状态。也可能仅使用单一颜色的LED。在该情况下，互相不同的闪烁频率能够用于视觉显示多种系统状态或通信状态。

变送器电路8包括另一接口S4，在本示例中，接口S4被实现为无线电接口。接口S4包括无线电收发器，无线电收发器被实现为，向天线提供无线电信号，从而与第二上级数据处理系统15通信，例如根据蓝牙或蓝牙LE协议的无线电信号，或者通过天线从第二上级数据处理系统15接收无线电信号，例如根据其中一个所述标准的无线电信号。在本示例中，第二上级数据处理系统15被实现为智能电话。除了实现为与变送器电路8的接口S4无线电通信的无线电接口之外，第二上级数据处理系统15还包括例如根据蓝牙或蓝牙LE标准的无线电接口，因特网接口，能够通过该接口，例如经WLAN、GSM或UMTS与无线电网络17，特别是企业内部互联网或因特网通信。通过接口发送的，或者从第二上级数据处理系统15接收的无线电信号具有中心波长λ，用于传输，或者接收的无线电接口和天线最初匹配该中心波长λ。

用作第二上级数据处理系统15的智能电话包括显示器和输入设备19，在本示例中，输入装置19被实现为触控屏。存储在数据处理系统15的存储器中的是服务软件，服务软件可由数据处理系统15执行。服务软件被实现为提供HMI，HMI通过一个或多个菜单显示测量和传感器数据和/或测量点数据，并且向用户提供输入或选择参数的机会，并且用于输入和选择用于变送器电路8的命令。

图2示意性示出具有测量换能器3和紧凑变送器9的传感器2。测量换能器电路6包括模拟测量电路SU，模拟测量电路SU与换能机构5相互作用，产生测量电压或测量电流形式的模拟测量信号。测量信号被模拟/数字转换器A/D1数字化，并且输出至第一微处理器μC1，第一微处理器μC1被实现为准备测量信号，以通过接口S1传输至变送器电路8的接口S2。第一微处理器μC1包括内部存储器。此外，测量换能器电路6能够包括第一微处理器μC1能够访问的至少一个另外的存储器(未示出)。该存储器中特别能够包含传感器特定参数，例如最新校准参数，例如，特征化传感器特征曲线的参数、零点和斜率。这种存储器也能够包括计数器的当前内容。

变送器电路8能够包括第二微处理器μC2，除了其它之外，第二微处理器μC2被实现为从测量信号计算被测变量的测量值。微处理器μC2包括内部闪存F1和内部RAM R。此外，微处理器μC2能够访问实现为大容量存储器的第一补充存储器SPI。存储在补充存储器SPI中，并且例如用于具体实施传感器的操作功能，例如传感器诊断的是许多程序模块，当需要时，能够将这些程序模块载入内部闪存F1中，以便由微处理器μC2执行。此外，微处理器μC2能够访问第二补充存储器F2，在第二补充存储器F2中持久地存储配置数据或其它传感器或测量点参考数据，这些数据能够在传感器3运行期间变化。此外，微处理器μC2连接至上级数据处理系统11的接口S3和接口S4，接口S4用于与第二上级数据处理系统15无线电通信。

在可替换实施例中(未示出)，也能够将变送器电路8与测量换能器电路6一起容纳在单一壳体中，在给定情况下，单一壳体固定地连接换能器机构。在该情况下，传感器的紧凑变送器固定地并且不可分离地连接测量换能器。

图3示出根据实施例的第一示例的，在根据图1和2的测量装置中应用的紧凑变送器109。图4示出紧凑变送器109的第一细节图，示出承载变送器电路108的电路卡129的前侧。图5示出电路卡129的后侧。图6示出沿图4的截面EE-E截取的紧凑变送器109的截面例示图。向图3至6中的相同部件提供相同的参考标记。

紧凑变送器109具有带限定圆柱轴线Z的圆柱形部分的基本上旋转对称的合成材料壳体125。在其测量换能器端上形成插座128，插座128能够连接测量换能器的互补插头，以在紧凑变送器109和测量换能器之间形成耦接。布置在塑料壳体125中的是电路卡129，在电路卡129上布置有变送器电路108，以及第一接口S2，用于与在测量操作中，与紧凑变送器109连接的测量换能器的互补接口S1(比较图2)形成感应耦接。

在与接口S2相反的其末端区域中，被布置在电路卡129上的变送器电路通过焊接连接131，经接口S3(未示出)与连接电缆113连接。在该末端区域中也布置有天线132的辐射元件133，在这里所示的实施例的示例中，辐射元件133被实现为被布置在电路卡129上的导电迹线结构。变送器电路108通过接口S4(也比较图2)连接天线132。变送器电路108被实现为向天线132，尤其是辐射元件133提供具有预定中心波长λ的无线电信号，将被发送的数据信号调制到该无线电信号上。此外，接口S4被实现为，对通过天线132接收的无线电信号解调，并且将解调的数据信号传输至变送器电路8。

天线132最初匹配中心波长λ。这样选择天线132的尺寸，即天线132起传统单极λ/4天线的稍微变型的作用，即下列天线，该天线由下列元件的组合形成，首先是辐射元件133，例如长度为λ/4(因而为中心波长λ的四分之一)的辐射元件133，以及其次起镜结构作用的配对元件：如果考虑为长度L的杆，就在几何意义上“正常地”布置在镜上，然后，外部观察者看起来该杆为长度2L的杆。基于该原理的是λ/4单极天线变体的操作，在例如仅λ/4的短特征长度的情况下近似实现明确更大的λ/2天线的特征。

在所示实施例形式中，基本上通过电路卡129的铜结构，尤其是有利地布置在电路卡129的内层上的接地面，形成镜表面。然而，在本文所示的特定形式的实施例中，值得注意的是，辐射元件133的HF信号也被电缆113反射，因而，电缆133同样为部分镜结构。

接口S4和/或辐射元件133可选地也包括一个或多个所谓的匹配网络，其中为了抑制来自或通往天线的信号路径中的HF波的反射，特别连接例如pi或T形拓扑结构的电容器或线圈。在本示例中，中心波长处于2.45GHz，所以辐射元件133的长度例如为3cm。在每种情况下，辐射元件133和连接电缆113都与圆柱轴线Z间隔隔开地，并且彼此平行并且平行于圆柱轴线Z(比较图3)地延伸。通过这种方式，在电缆变送器109的紧凑构造的情况下，实施天线132，或者辐射元件133与连接电缆113之间的最大间隔。

焊接连接131和辐射元件132被布置在电路卡129的相背侧上。电路卡129包括在其一个内层上向上延伸至辐射元件133的底部的接地面(图3-6中未示出)，诸如上文所述，接地面被用作单极λ/4天线132的镜表面。优选地，接地面也在被布置在电路卡129的前侧上的焊接连接131，以及与辐射元件133一起被布置在电路卡129的相背后侧上的接口S4的HF部件之间延伸。

为了消除连接电缆113的应变，通过在毗邻焊料接头131的区域中，并且至少部分地仍在塑料壳体125内延伸的电缆扎带139确保应变消除。电缆扎带139接合在围绕该区域中的电路卡129的套管137的围绕凹槽中，并且轴向粘附连接电缆，以便在狭窄区域中确保焊料接头131处的被焊接到电路卡上的电缆线的应力消除。例如，为了支撑轴向固定，连接电缆能够具有塑料套管，塑料套管具有轴向承载电缆扎带的肩台，或者轴向抵靠电缆扎带的相应凸出体。

图3至6中所示的天线132的实施例形式的重要优点在于，天线结构，特别是辐射元件133是电路卡129的集成部分，并且需要无公差负担的焊料位置的电连接，或者相对于HF特性潜在有害的插头连接。该特征使得尤其是能够在电路卡129上的辐射元件133的底部区域中形成铜结构，铜结构起部分匹配网络的作用，例如具有感应阻抗，并且能够与其一起代替离散部件。本领域已知许多不同变体的起电容或电感作用的这种电路板结构，并且将辐射元件133集成(根据本发明)到电路卡129中给出一种用于细节设计的高度灵活性措施。特别地，图5中所示的类似于小写字母“h”的辐射元件133的实施例变为一种选项，在该情况下，起感应作用的接地支线侧向连接至辐射元件133的条状基本拓扑结构，以便产生下列结构，例如，该结构相应于小写字母“h”。具有支线的辐射元件133的“I”形基本拓扑结构延伸为“h”形基本拓扑结构的优点在于，例如需要的离散线圈少一个。

在实施例的可替换示例中，能够将紧凑变送器的天线具体实施为具有L形辐射元件的天线。图7示出尤其适合应用于根据图1和2的测量装置的这种紧凑变送器209的截面例示图。紧凑变送器209基本上被实现为与图3至6中所示的紧凑变送器109相同。图8示出图7的紧凑变送器209的详图，其包括天线242的辐射元件。相同的参考标记涉及相同的元件。

在该示例中，天线242被实现为λ/4单极天线拓扑结构的变体，即作为下列天线，该天线由例如长度为λ/4，因而为天线最初匹配的中心长度λ的四分之一的辐射元件，以及起镜表面作用的金属结构的组合形成。与传统的λ/4单极天线相比，辐射元件在镜元件上带有例如长度为λ/4的L形角度。在本示例中，在电路卡129的内层上形成接地面，该接地面起天线242的镜元件的作用。诸如在较早所述的实施例示例中，无线电接口S4的HF部件能够被布置在与天线243相背的电路卡129的后侧上。

与其中基于图3至6所述的实施例的第一示例的辐射元件133的情况相同，辐射元件243通过被布置在电路卡241上的导电迹线结构形成，由此获得电路卡的制造公差小的优点。电路卡241垂直于其上布置有变送器电路108以及属于紧凑变送器209的不同接口的部件的电路卡127延伸。有利地，在该情况下，相对于卡的材料厚度这样设计电路卡241，即电路卡241的末端具有用于在电路卡127上90°地安装电路卡241的大支承表面，该表面抑制非焊接状态中的倾斜。因此，电路卡241具有对于电路卡而言不寻常的3.5mm厚度。

例如，能够通过焊接连接将电路卡241粘附在电路卡129上。这能够以简单方式，通过沿一个或多个预先形成的通孔切割电路板241具体实施，以便内部金属化通孔能够被用作用于焊料接头的接触表面。

为了通过天线电连接接口S4的HF部件，基本上仅需要一个焊料接头。有利地，在电路卡129上的焊料接头的区域中设置所谓的匹配网络，该匹配网络执行从HF半导体电路的输出到天线底部上的阻抗转换。特别可推荐的是在底部处提供被接地的感应地起作用的补偿网络，该补偿网络用于补偿特别是由于辐射元件的L形角度导致的，位于电路卡241上的辐射元件与电路卡129上的接地面的寄生电容性耦合。在本领域中已知多种实施例形式的这种匹配网络，并且这种匹配网络特别包括下列网络，该网络特别是以所谓的pi或T拓扑结构连接线圈和电容器。

对于仅具有一个HF连接的该改进λ/4单极天线拓扑结构，有利地，在给定情况下，可选地也形成在电路卡242上以所谓的“F拓扑结构”布置的辐射元件243实施例，该实施例集成作为导电迹线结构的部分匹配网络，尤其是可对匹配网络推荐的，与地线的补偿感应。在图8中示出辐射元件243的这种实施例。对于该实施例，电路板241获得附接至原始L形的第二L形电连接，有利地，该第二L形电连接在电路卡127上连接接地面。已知这种结构为所谓的F拓扑结构，因为一旦以补偿支路补充L形基本拓扑结构(诸如图8中所示的)，就产生F形结构。也能够在该情况下采用通过天线设计中的其它情况已知的该结构性特征，以便在辐射元件的底部处使用用于匹配网络的较少部件，并且更紧凑地实现天线。

有利地，以第二焊料接头方式发生电路卡127上的电路卡241的机械安装，第二焊料接头仅用于将电路卡241机械粘附至电路卡127。有利地，这通过使用进一步锯出，或者磨出形成，与辐射元件底部处的连接相比，不通过其进行电连接。

能够以下列方式，与基于图3至6所述的示例中相同地，实现电路卡129和连接紧凑变送器209与上级数据处理系统的连接电缆113之间的连接，即电缆从变送器壳体125的圆柱轴线偏心地，并且与其平行地延伸。然而，连接电缆113也能够这样从变送器壳体延伸，即连接电缆113与圆柱轴线重合。

图9示出本发明实施例的另一可替换形式，该实施例结合了λ/4单极拓扑结构与所谓的螺旋状拓扑结构的特征。以电路卡129的前侧图的详图在图9中示出的紧凑变送器309另外基本上与图3至8中所示的紧凑变送器109和209相同地构成，其中相同的部件带有相同参考标记。在这种实施例形式中，例如，λ/4长的辐射元件351为绕连接电缆113的同心缠绕蜗杆或者螺杆形。这里，被设置在电路卡128中的接地面也用作镜元件。绕连接电缆113螺旋形引导辐射元件351减小实现共振频率所需的轴向长度。这里，例如，辐射元件351的绕开长度也为中心波长λ的四分之一，例如对于2.5GHz，约为3cm。

对天线结构的设计共同的是，在有利实施例中，决定所述天线的辐射元件和镜元件的尺寸的不必为真空中的中心波长λ，而是天线结构的电介质环境的相应波长。例如，如果壳体125充满灌封材料，大体上，这导致HF波的相关传播速度降低，这能够通过折射率加以估计，其中ε_r为介电常数。例如典型介电常数3导致传播速度，并且因此天线要求的长度测量降低约1.7的因子。

此外，在该情况下需要考虑的是，当壳体或灌封材料通过扩散，吸收约81的高介电常数的水时，在给定情况下，天线结构的折射率，以及最佳长度测量值改变。尤其有利的实施例形式在于，其中壳体填充有基于硅的灌封材料。这一类材料中的材料具有下列优点，即能够将它们制造成具有极小的水吸收性。可替换有利形式的实施例在于应用基于聚氨酯的灌封材料，因为虽然这些材料实际上比可比的硅材料吸收更多湿气，但是它们仍强烈限制水的扩散。

Claims (21)

1.用于液体和/或气体分析的传感器，包括：用于产生测量信号的测量换能器，以及尤其是可分离地与所述测量换能器连接的紧凑变送器，所述紧凑变送器被实现为接收和进一步处理所述测量信号，其中所述紧凑变送器包括：

-变送器壳体；

-被布置在所述变送器壳体内的变送器电路；

-被布置在所述变送器壳体内的第一接口，通过所述第一接口，所述变送器电路可通过连接电缆与第一上级数据处理系统，尤其是被实现为上级控制系统的系统，连接；和

-被布置在所述变送器壳体内的第二接口，所述第二接口连接所述变送器电路和天线，并且被实现为向所述天线提供无线电信号，或者通过所述天线接收无线电信号，所述无线电信号具有中心波长λ，

其中所述天线包括辐射元件和至少一个金属镜元件，并且其中所述辐射元件具有λ/8至3λ/8，特别是例如λ/4的长度。

2.根据权利要求1所述的传感器，

其中所述第二接口被实现为，根据蓝牙标准，尤其是根据节能模式(HOLD、SNIFF、PARK)或根据蓝牙低功耗协议，或根据无线HART，向所述天线提供无线电信号，和/或从所述天线接收所述无线电信号。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，

其中所述测量换能器和所述紧凑变送器通过可插连接器耦接彼此可分离地连接，并且其中所述紧凑变送器包括第三接口，所述第三接口被实现为，当所述测量换能器和所述紧凑变送器通过所述可插连接器耦接而连接时，就将从所述变送器电路获得的数据信号发送至所述测量换能器的互补接口，并且从所述测量换能器的所述接口接收数据信号，尤其是所述测量信号，并且将所述数据信号发送至所述变送器电路。

4.根据权利要求1至3任一项所述的传感器，

其中所述变送器壳体具有至少一个圆柱形部分，尤其是具有小于30mm的外径的圆柱形部分。

5.根据权利要求1至4任一项所述的传感器，

其中所述天线实现为λ/4单极天线或F天线。

6.根据权利要求4或5所述的传感器，

其中所述变送器壳体内的至少一部分所述辐射元件和一部分所述连接电缆彼此面对地延伸，在每种情况下，都与所述变送器壳体的圆柱形部分的圆柱轴线间隔隔开，尤其是彼此平行。

7.根据权利要求1至6任一项所述的传感器，

其中所述辐射元件被实现为被施加在至少一个电路卡上的导电迹线结构，尤其是铜结构。

8.根据权利要求7所述的传感器，

其中所述辐射元件具有底部，辐射元件通过所述底部与所述第二接口连接，并且其中所述电路卡在所述底部的区域中具有铜结构，所述铜结构起部分匹配网络的作用，尤其是具有感应阻抗，以补偿所述辐射元件和所述至少一个镜元件之间的电容耦合。

9.根据权利要求7或8所述的传感器，

其中所述至少一个镜元件包括被布置在所述电路卡的内层上的金属，尤其是铜的接地面。

10.根据权利要求7至9任一项所述的传感器，

其中所述第一接口被至少部分地布置在所述电路卡上，并且所述连接电缆通过至少一个焊接连接与所述电路卡固定地连接，

其中所述第二接口包括HF电路部分，所述HF电路部分与所述第一接口被布置在同一电路卡上，并且其中所述HF电路部分和形成所述辐射元件的导体结构被布置在所述电路卡的上侧上，并且所述连接电缆的所述焊接连接被布置在与所述上侧相背的所述电路卡的下侧上。

11.根据权利要求7至9任一项所述的传感器，

其中所述第二接口被布置在另外的电路卡上，所述另外的电路卡被布置成垂直于所述电路卡，并且优选地与所述电路卡固定地连接，在所述电路卡上形成导体结构，所述导体结构形成所述辐射元件。

12.根据权利要求11所述的传感器，

其中所述第一接口和/或所述变送器电路被至少部分地布置在所述另外的电路卡上，并且其中所述连接电缆通过至少一个焊接连接与所述另外的电路卡固定地连接，

其中所述第二接口包括HF电路部分，所述HF电路部分同样被布置在所述另外的电路卡上，并且其中所述HF电路部分和在所述电路卡和所述另外的电路卡之间的焊接连接被布置在所述另外的电路卡的上侧上，在所述电路卡上形成所述导体结构，所述导体结构形成所述辐射元件，并且所述连接电缆的焊接连接被布置在与所述上侧相背的所述另外的电路卡的下侧上。

13.根据权利要求11或12所述的传感器，

其中所述至少一个镜元件包括被布置在所述另外的电路卡的内层上的导电材料，尤其是铜的接地面。

14.根据权利要求1至4任一项所述的传感器，

其中绕所述连接电缆同心并且螺旋形地引导所述辐射元件。

15.根据权利要求14所述的传感器，

其中所述第一接口被至少部分地布置在所述电路卡上，并且所述连接电缆通过至少一个焊接连接与所述电路卡固定地连接，

并且其中所述至少一个镜元件由被布置在所述电路卡的内层上的金属，尤其是铜的接地面形成。

16.根据权利要求1至15任一项所述的传感器，

其中所述第一接口被至少部分地布置在电路卡上，并且所述连接电缆通过至少一个焊接连接与所述电路卡固定地连接，并且其中在所述焊接连接的区域中，布置有所述连接电缆的应变消除设备，所述应变消除设备优选地由电介质材料，尤其是合成材料形成。

17.根据权利要求1至16任一项所述的传感器，

其中所述变送器电路包括计算机系统，以及与所述计算机系统相关联的存储器，其中在所述存储器中存储计算机程序，所述计算机程序可由所述计算机系统执行，并且用于另外处理通过所述第三接口，从与所述紧凑变送器连接的测量换能器发送的测量信号，尤其是用于确定当前测量值，并且用于通过所述第一接口，将进一步处理的测量信号传输至所述第一上级数据处理系统。

18.根据权利要求17所述的紧凑变送器，

其中在与所述计算机系统相关联的存储器中存储计算机程序，所述计算机程序可由所述计算机系统执行，并且用于传输进一步处理的测量信号和/或其它数据，尤其用于通过所述第二接口，经无线电将传感器参数传输至第二数据处理系统。

19.包括根据权利要求1至18任一项所述的传感器的测量装置，并且

还包括：

-通过所述第二接口与所述紧凑变送器连接的第一上级数据处理系统，特别是实现为控制系统的系统；和

-通过到所述第三接口的无线电连接，与所述变送器电路连接的第二上级数据处理系统，尤其是实现为手持、智能电话、平板PC、笔记本电脑的上级数据处理系统，或者实现为与评估电路无线通信的显示系统。

20.根据权利要求19所述的测量装置，

其中所述变送器电路被实现为处理从所述测量换能器递送的测量信号，尤其是基于所述测量信号确定由所述传感器监控的被测变量的测量值，以将所计算的测量值转换为第一和/或第二数据处理系统可处理的根据通信协议的信号，并且将所述信号转发给第一和/或第二数据处理系统。

21.根据权利要求19和20任一项所述的测量装置，

其中所述第二上级数据处理系统，经由根据蓝牙标准，特别是根据节能模式(HOLD、SNIFF、PARK)或根据蓝牙低功耗协议的无线电连接，或经由通过所述紧凑变送器的第三接口的无线HART，与所述变送器电路通信。