CN104769613A - 从金属外壳发射信号的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从至少部分地由金属制造的外壳外发射信号的设备，用于使用电磁波(RFID)来达到鉴别的目的，包括至少第一外壳开口(10)，以及设置在外壳中用于产生磁场的线圈装置(12)。进入或离开线圈装置(12)的磁通密度有具有最大幅值的矢量(Bmax)，所述矢量(Bmax)或它的相反的矢量(-Bmax)指向第一外壳开口(10)。

Description

从金属外壳发射信号的装置
技术领域
本发明涉及一种用于从至少部分地由金属形成的外壳发射信号的装置。优选地，该装置用于在电磁波的帮助下在存储介质中传输数据(RFID)。
背景技术
在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，现场设备经常被应用于确定、优化和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是传感器，例如，料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、电导率测量设备等，其分别记录对应的过程变量、料位、流量、压力、温度以及电导率。用于影响过程变量的是驱动器，诸如，阀或泵，通过其在管道部分中的液体的流量、容器中的料位分别可被改变。作为现场设备是，原则上，被应用到靠近该过程，以及传送或处理涉及该过程的信息的所有设备。结合本发明，术语现场设备，因此包括远程I/O、无线电适配器以及布置在现场级别的基本上所有设备。大量的这样的现场设备由恩德斯豪斯(Endress+Hauser)公司制造和出售。RFID系统被使用来，例如，以便识别现场设备。
RFID系统由位于外壳中并包括识别码的应答器以及用于读出标识的读取设备组成。NFC系统使在相反的方向上能够提供信息通路。RFID和NFC应答器的例子的缺点是大部分现场设备的金属，例如金属包覆，的外壳。这样的外壳在需要RFID的区域中基本上不受电磁波的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善从金属外壳发射RFID或NFC信号的装置。
这个目的是通过在权利要求1中定义的装置实现的。这种用于从至少部分地由金属形成的外壳发射信号，特别是用于在电磁波的帮助下鉴别(RFID)的装置，包括至少第一外壳开口，以及设置在外壳中用于产生磁场的线圈装置，其中进入或离开线圈装置的磁通密度有具有最大幅值的矢量，并且该矢量或它的相反的矢量指向第一外壳开口。
外壳开口可以是，例如，电缆接头开口或电缆压盖。该线圈装置包括具有至少一个但优选多个绕组的一个或多个线圈，其中每个线圈可以包括零个，一个或多个线圈芯。如果是通过提供电压到该线圈装置来产生磁场，则磁场发生在线圈装置的确定位置处。例如，如果线圈装置没有线圈芯，则该磁场通过该线圈装置的两个线圈开口。例如，如果线圈装置有一个线圈芯，则该磁场在该线圈装置的线圈芯的表面处。矢量磁场具有在磁场通过线圈装置的位置处的最大矢量。根据本发明的通过外壳开口的这个矢量或它的相反的矢量被拉伸。此处，拉伸意味着矢量乘以大于一的标量。
该信号可以是发送给读取设备关于某些过程变量的信息的数据。此外，读取设备可以以这种方式获得关于应答器是否已经完整地发送数据或干扰作用是否出现在应答器的一部分上或部分地由金属墙引发的信息。
如果最大矢量或它的相反的矢量指向外壳开口，那么在外壳开口的固定大小的情形下，根据本发明，离开外壳的发射功率变得最大。因此，权利要求1的主题实现了本发明的目的。
在实施例的附加形式中，该外壳可以具有第二外壳开口，并且矢量或它的相反的矢量指向第一外壳开口或指向第二外壳开口。与该矢量相切的磁场线基本上延伸通过第一外壳开口和第二外壳开口。第二外壳开口使得从第一外壳开口离开的磁场线从第二外壳开口再次进入。通过这种方式，离开和进入的磁场线不必共享单独的外壳开口。通过这种方式，避免相互叠加和相互干扰。
此外，线圈装置可以假定不规则的形状，例如，曲折的、分形的或类似分形的。这些形式出于制造的原因是有益的。可替代地，线圈装置的截面也可以是正方形、圆形、椭圆形。其它截面也是可能的。
在进一步的扩展中，存在被布置在外壳中的电子单元，其与线圈装置通过高频导体，特别是同轴电缆相连。使用高频导体特别是同轴电缆的情况的益处在于要被发射的信号不能被电和/或磁场干扰。
在实施例的附加形式中，该电子单元包括高频和/或低频接口(HF接口)，其中该HF接口经由阻抗匹配装置和/或平衡不平衡变换器与线圈装置相连。在这种情况下，平衡不平衡变换器可以充当阻抗变换器用于功率匹配。
在实施例的附加形式中，线圈装置包括至少一个线圈和至少一个线圈芯，其中线圈以关于线圈芯非对称的方式被布置使得产生的磁场是不对称的。如果线圈离线圈芯的第一端部区域具有比离线圈芯的第二端部区域的小的距离，则在该第一端部区域处的磁场磁通密度大于在第二端部区域处。然而，在该第二端部区域处的磁场扩展宽度比线圈芯的第一端部区域处大。
在实施例的附加形式中，线圈装置的至少一个线圈芯包括其表面上的结构特征，其被这样实现来影响离开线圈装置的磁场的场分布。这样的结构特征可以是，例如，收缩、加宽、挖槽、粗糙化、漏斗和/或其它材料。线圈芯的表面上的这样的结构使得磁场被放大、集中、扩展、旋转或被带到优选的方向或大部分磁场分布留在外壳内。
在实施例的附加形式中，线圈芯由铁磁和/或抗磁和/或顺磁性的材料制作，诸如例如PVC和/或合成材料，诸如塑料。有利的是，在这样的情况下，广泛的材料产品面板可用于选择作为线圈芯。
在实施例的附加形式中，线圈装置包括多个子线圈，其相互电连接和/或与电子单元的信号地线和/或信号地线电连接。线圈装置具有多个接地子线圈的情况的益处在于每个子线圈产生其自身对电压的贡献。子线圈的电压然后相加形成总电压。
在实施例的附加形式中，线圈装置包括至少一绕组，且实施为电开路电路。线圈装置的电流电路的开口端部区域之间形成电容，其被利用来产生电磁波。
在实施例的附加形式中，线圈装置经由连接线电连接到外壳壁。如果线圈装置的一个连接线的开口端部区域连接到外壳壁，那么外壳壁形成电容的一个电极，并且线圈装置的连接线的另一个开口端部区域形成该电容的反电极。
在实施例的附加形式中，外壳开口中的至少一个由塑料和/或玻璃盘封闭，和/或该线圈装置被布置在朝向外壳开口中的至少一个打开的单独的腔室中。
本发明的目的进一步通过一种RFID系统来实现，其包括本发明的装置。带有本发明的装置的RFID系统使得可通过读取设备从金属外壳中读取数据。
此外，本发明的目的还通过具有读取设备与本发明的RFID系统的现场设备来实现。具有本发明的RFID系统的现场设备使得通过金属壁进行数据传输成为可能。
本发明的目的还通过使用用于蓝牙(IEEE 802.15.1)、无线局域网(IEEE 802.15.1)、HIPERLAN、IWLAN、无线HART或NFC的一些形式的本发明的装置来实现。通过使用本发明的装置，上述无线电网络的数据也能够部分地通过金属壁被传输。
附图说明
现在将要基于附图来解释本发明，这些图显示如下：
图1具有缠绕着电子单元的线圈装置的RFID应答器(现有技术)；
图2具有细长的线圈装置的RFID应答器(现有技术)；
图3 RFID应答器(现有技术)；
图4金属外壳中的带有线圈装置的电子单元；
图5金属外壳中的线圈装置；
图6设置在金属外壳中并且通过同轴电缆或高频导体与电子单元电连接的线圈装置；
图7带有设置在单独的腔室中并在盘后的线圈装置的电子单元；
图8具有非对称地位于线圈芯并被设置在具有两个外壳开口的外壳中的线圈的线圈装置；
图9具有非对称地位于弯曲的线圈芯并被设置在具有两个外壳开口的外壳中的线圈的线圈装置；
图10被设置在具有两个外壳开口的外壳中的具有U形线圈芯的线圈装置，该线圈芯在其端面具有结构特征；
图11两个子线圈与信号地线相连接的线圈装置，其中该两个子线圈与连接到信号地线的电子单元电连接；
图12具有电开路线圈的线圈装置，其与电子单元电连接；
图13具有电开路线圈的线圈装置的截面，在该情形下线被设置为与绝缘材料隔开。
图14a具有无包层的电开路线圈的线圈装置的截面
图14b具有收缩套管的电开路线圈的线圈装置的截面
具体实施方式
从至少部分地由金属形成的外壳发射信号的装置包括RFID系统，根据现有技术该RFID系统由在其中存储有期望的数据的RFID应答器，以及读取设备组成。RFID应答器(图1)由电子单元1组成，它由线圈装置2包围。取决于线圈装置2的实现，跨接线3是必要的，以便电连接该电子单元1和该线圈装置2。
该电子单元1包括高频接口或HF接口4，其接收经由线圈装置2获得的读取设备的发射功率，并可经由线圈装置2输出调制信号。该调制信号可以包括存储在数据存储器7中的值，该数据存储器7可以是，例如，ROM或EPROM。读取设备的发射功率由HF接口4转发给电源5，并存储在那里。该电源单元5提供能源给电子单元。逻辑单元6被提供作为控制单元。
现有技术的另一个已知的实施例形式(图2)包括使用由两个开路线8、9组成的开路的偶极形式的线圈装置2。
图3示出现有技术的RFID天线的另一个实施例形式，其中线圈装置2具有特殊的形状。
本发明的线圈装置12(参照图4)被布置在外壳中，使得进入或离开线圈装置12的磁通密度有具有最大幅值的矢量并且该矢量指向第一外壳开口10。
为了这个目的，连接线11在线圈装置12和电子单元1之间延伸，即，电子单元1不是位于线圈装置12内而是在线圈装置12外部。线圈装置12包括线圈芯13。特别地，线圈装置12可被集成到塑料外壳中。位于第一外壳开口10中的接头电缆16以很小的措施辅助地降低范围(参照图4)；可以采用的是申请专用的进一步的用于电缆的电缆接头盖。
图5中的线圈装置12在两端上形成磁场线17、18。导电外壳壁14干扰封闭的磁场线。特别是在高频率下，薄的金属表面相当大地降低电磁波。在给定的情况下，电磁波可被金属表面完全反射。
可能的工作频率是，例如13.56MHz、6.78MHz和27MHz、125MHz。此外，更低的和更高的频率也是可能的，例如125kHz、433MHz、920MHz、或5.8GHz。
由于HF接口4或电子单元1以及线圈装置12之间的距离，导致本发明的变形(图6)使用高频导体19，其被实施为同轴电缆。为了这个目的，HF接口4直接连接到连接线11。结果是，在应用同轴电缆19的情况下，HF接口4和线圈装置12之间阻抗匹配20和/或平衡不平衡变换器20是必须的。以这种方式，HF接口4和阻抗匹配20之间的连接可以为特别合适的线路阻抗而被选择。通过使用现有的外壳开口10、15，本发明的变形特别适用于改进现有设备。
另一个变形是合成例如塑料和/或玻璃和/或单独的腔室21的材料的盘22，如图7所示。
另一个变形在图8中示出。在这个情况下，线圈装置12被布置在线圈芯13中使得磁场线18延伸通过导电外壳的第一和第二外壳开口10、15。
为了在外壳外面的均匀磁场分布，作为准则，线圈装置12的位置位于线圈芯13的中心是有益的。准确的磁场分布受(现场)设备的尺寸、形状和材料影响。可以使用数值模拟来设计外壳或外壳的区域来使得特定的场分布被实现或偏好。
如果线圈装置12位于朝线圈芯13的一端非常大程度不对称，则这导致靠近这一端的区域21b稍微更高的磁场密度，而在相对的区域21a稍微更低的磁场密度以及稍微更大的范围。在图8中，被实施为电缆压盖的第一外壳开口10和第二外壳开口15是不导电的。因此，磁场线穿透第一和第二外壳开口10、15。图8是二维截面；磁场线主要延伸穿透整个周围空间。
线圈装置12的另一种形式在图9中示出。线圈芯具有三个锐弯头，其中线圈关于线圈芯13被不对称布置。这样的线圈芯13例如可以是毛坯元件。
有利的变形在图10中示出。金属外壳壁14的区域内提供两个外壳开口10、15，其被实施为电缆压盖。线圈芯13是U形的，以便延伸到实施为电缆压盖的两个外壳开口10、15。线圈芯13上提供有线圈。线圈装置12提供磁场线18，其在外壳外的区域24中具有比只有一个外壳开口的图5中的实施例的例子高的磁场密度。基于所选的细节，例如尺寸、材料、圈数、工作频率以及其它影响，区域24可以扩大，例如，金属外壳壁14从5扩大到800mm。
在线圈芯13的端部区域处提供了用于影响外壳外的场分布的结构特征23a、23b。结构特征23a、23b在线圈芯的两个端部区域实施为变窄。在这个变形中示出的(图10)是两个以电缆接头形式的部分导电的外壳开口10、15，其被磁场线18一以可忽略的程度穿透(取决于频率)。
图11示出了由两个子线圈13a、13b组成的线圈装置12。通过这种方式，例如，可使用一个带有两个端部区域的线圈芯13以及多个电缆压盖达到适合的磁场分布，其中多个子线圈不需要对应于线圈芯13的端部区域的数量。子线圈也可以被分布在多个单独的线圈芯上。
此外，例如，根据使用两个子线圈13a、13b的图11，电子单元1和线圈装置12之间可发生对称的能量和数据传输。这是特别有利的是，在HF接口4是被电对称设计的情况下，平衡不平衡变换器20不是必需的。基于所选择的子线圈13a、13b的缠绕方向，电路25提供子线圈13a、13b的第一信号地线26和/或与电子单元1的第二信号地线30之间的连接。
所描述的线圈装置不仅可以使用不同的频率，而且还可以使用其它单向、以及双向数据连接，例如蓝牙(IEEE 802.15.1)、无线局域网(IEEE 802.11...)、HIPERLAN、IWLAN、无线HART和NFC。
特别是，适合于数据传输而不需要能量转移是根据(图12)的实施例。在这种情况下，传统的线圈芯13被附加另外的电缆29。这是笔直地沿着其它的电缆28或螺旋形地缠绕于其上，并用作线圈装置12来提供变形，其对于中低频率特别有利(例如，125kHz...30MHz)。
在这样的线圈装置12(图12)的情况下，HF接口4到金属外壳的电连接是有意义的。这可以要求电子设备27和HF接口4之间的电流隔离，其通过，例如，电容元件(电容器或相应的电路板结构)来实现。
在线圈芯13中的信号有重叠和/或HF接口4的频率的偶数因子和/或偶数倍数的情况下，电缆28的屏蔽是有意义的。在这种情况下，在电缆29和屏蔽32之间应当选择的小的间隔31，例如，0.1毫米(图13)。在这种情况下，电缆29(例如，铜导线)连接到HF接口4，具有距离屏蔽32的间隔31。该屏蔽可由，例如一个或多个导电膜或一个或多个金属编织网或其混合组成。在该屏蔽内是双线线路，其由两个导体和绝缘材料34组成。围绕着该绝缘材料34的该线圈装置12包括加固包层。
划算和容易实现的现场设备包括电缆29，其在第一步中被螺旋形地缠绕在双线线路33上(图14a)，其中该双线线路33包括两个导体和绝缘材料34，但是没有屏蔽。线圈装置12应当具有限定的长度，其取决于电缆的长度、工作频率以及发送和/或接收特性。在第二步中，长的收缩套管35被安放(图14b)，其具有使得它围绕被实施为铜线的电缆29的长度。
附图标记列表
1.电子单元
2.根据现有技术的线圈装置
3.跨接线
4.HF接口
5.电源
6.逻辑单元
7.数据存储器
8.开路线
9.开路线
10.非导电材料的第一外壳开口
11.连接线
12.本发明的线圈装置
13.13a)第一线圈芯，13b)第二线圈芯
14.外壳壁
15.非导电材料的第二外壳开口
16.接头电缆
17.磁场线
18.磁场线
19.高频导体
20.阻抗匹配
21.独立腔室
22.盘
23.结构特征23a和23b
24.区域
25.电路
26.第一信号地线
27.电子设备
28.电线
29.电缆
30.第二信号地线
31.间隔
32.屏蔽
33.双线线路
34.绝缘材料
35.收缩套管

Claims (14)

1.一种从至少部分地由金属形成的外壳发射信号的装置，用于在电磁波的帮助下进行鉴别(RFID)，包括至少第一外壳开口(10)，以及
线圈装置(12)，所述线圈装置(12)设置在所述外壳中用于产生磁场，其中，进入或离开所述线圈装置(12)的磁通密度有具有最大幅值的矢量其中，所述矢量或它的相反的矢量指向所述第一外壳开口(10)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳具有第二外壳开口(15)，并且所述矢量或它的相反的矢量指向所述第一外壳开口(10)或指向所述第二外壳开口(15)，并且与所述矢量相切的磁场线基本上延伸通过所述第一外壳开口(10)和所述第二外壳开口(15)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，电子单元(1)被布置在所述外壳中，其中，所述电子单元(1)与所述线圈装置(12)通过高频导体(19)，特别是同轴电缆相连。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电子单元(1)包括高频和/或低频接口(4)，其中，所述接口(4)经由阻抗匹配装置(20)和/或平衡不平衡变换器(20)与所述线圈装置(12)相连。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述线圈装置(12)包括至少一个线圈和至少一个线圈芯(13)，并且所述线圈以关于所述线圈芯(13)非对称的方式被布置使得所产生的磁场是不对称的。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述至少一个线圈芯(13)包括其表面上的结构特征(23a，23b)，其被这样实现使得它们影响所述磁场的磁场分布。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的装置，其特征在于，所述线圈芯(13)由铁磁和/或抗磁和/或顺磁性的材料形成，诸如例如PVC和/或合成材料，诸如塑料。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述线圈装置(12)包括多个子线圈(12a，12b)，所述多个子线圈(12a，12b)相互电连接和/或与与所述电子单元(1)的第一信号地线(26)和/或第二信号地线(30)电连接。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述线圈装置(12)包括至少一个绕组，并且被实施为电开路电路。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述线圈装置(12)通过连接线(11)电连接到所述外壳壁(14)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳开口(10，15)中的至少一个由塑料和/或玻璃盘(22)封闭，和/或所述线圈装置(12)被布置在朝向外壳开口(10，15)中的至少一个打开的单独的腔室中(21)。
12.一种RFID系统，包括读取设备和根据权利要求1至11中至少一项所述的装置。
13.一种现场设备，包括根据权利要求12所述的RFID系统。
14.一种根据权利要求1至11中至少一项所述的装置的应用，用于蓝牙(IEEE 802.15.1)、WLAN(IEEE 802.15.1)、HIPERLAN、IWLAN、无线HART和NFC。
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