CN111096093B - 测量和自动化技术中包括电流隔离设备的现场设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量和自动化技术的现场设备(1)，包含具有壳体壁的壳体；数据传输装置(14)，其被布置在壳体壁的外部上；和电子操作电路(70)，其被布置在壳体腔(10.1)中，且适合于操作数据传输装置，其中，数据传输装置和电子操作电路经由电信号线(20)连接，其中信号线具有多个电导体，其中第一电导体(21)适合于引导数据信号，且其中至少一个第二电导体(22)适合于屏蔽第一电导体，其中，信号线具有隔离设备(26)，该隔离设备(26)适合于至少部分将数据传输装置侧的第一信号线段(20.1)与操作电子器件侧的第二信号线段(20.2)电流隔离，特征在于隔离设备包括具有第一横向表面(26.21)和与第一横向表面平行的第二横向表面(26.22)的电磁透明板(26.1)。

Description

测量和自动化技术中包括电流隔离设备的现场设备
技术领域
本发明涉及一种用于在测量和自动化技术中应用的现场设备。该现场设备包含电子操作电路以及数据传输装置。这些电子操作电路和数据传输装置借助于信号线连接，其中信号线具有用于电流隔离的隔离设备。在含有爆炸性气体的环境中，这种信号线的隔离设备是必要的，以满足可适用的Ex-i标准或Ex-d标准的规定。
背景技术
例如，如公开专利EP3029782A1所述，现有技术提出了以具有高频能力的导体结构的方式，使印刷电路板上的入口侧同轴线和出口侧同轴线的导体在一起，其中将隔离元件布置在印刷电路板的一侧上，以用于输入侧和输出侧的电气信号隔离。
在印刷电路板上设置附加的隔离元件使得制造复杂化且在交流电压信号传输特性方面可能具有缺点。
发明内容
因此本发明的目的是一种具有信号线的现场设备，在该情况下，以简单且鲁棒的方式满足安全标准要求。
通过如本申请中限定的现场设备实现该目的。
在测量和自动化技术中应用的本发明的现场设备包含：
壳体，其具有壳体壁以及至少一个壳体腔，其中至少一个壳体腔至少部分地被壳体壁限定；
测量电子器件，其适合于产生表示所测量变量的至少一个测量信号；
数据传输装置；和
电子操作电路，其被布置在第一壳体腔中且适合于操作数据传输装置和测量电子器件，以及适合于将测量信号转换成至少一个测量值；
其中，数据传输装置被布置在第一壳体腔外且适合于与现场设备的电子操作电路交换数据；
其中，数据传输装置和电子操作电路经由电信号线连接，
其中，信号线具有多个电导体，该多个电导体适合于在数据传输装置和电子操作电路之间传递数据信号，
其中，第一电导体适合于引导传输数据信号的第一电流，且其中至少第二电导体适合于引导传输数据信号的第二电流，其中，第二电流与第一电流相反，
其中，信号线具有隔离设备，该隔离设备适合于至少部分地将第一数据传输装置侧的第一信号线段与操作电子器件侧的第二信号线段电流隔离。
其中，每个电导体具有数据传输装置侧的第一导体段和操作电子器侧的电流隔离的第二导体段，其中导体段被布置在隔离设备上，
其中，在至少一个电导体的情况下，第一导体段和第二导体段电流隔离，
特征在于：
隔离设备包括具有第一横向表面和与第一横向表面平行的第二横向表面的电磁透明板，
其中，在隔离设备的区域中，第一信号线段的导体段被布置在第一横向表面上，且其中第二信号线段的导体段被布置在第二横向表面上，其中每个第一导体段沿着横向表面的法向与对应的第二导体段相对，和
其中，该板至少具有安全标准所要求的最小厚度或介电强度。
在电导体没有隔离的情况下，第一信号线段可例如借助于布置在电磁透明板中的导通孔(via)与第二信号线段电连接。在第一导体的情况下或者在至少一个第二导体的情况下或者在所有导体的情况下提供电流隔离，且该电流隔离用于在数据传输装置和电子操作电路之间阻断直流或者具有电网电压的常用频率的低频电流。
在这种情况下，信号线适合于使得能够在数据传输装置和电子操作电路之间实现高数据传输速率。尤其是，信号线应当适合于能够根据所建立的无线网络协议系列诸如，例如IEEE 802.11或者IEEE 802.15来传输数据。以这种方式，例如，可以传输诸如网页或者较大文件的内容。
电磁透明板例如可以是印刷电路板。
在实施例中，安全标准是来自以下列表的标准：
2007年的产品安全标准IEC 60664-1或者2014年的Ex-d标准IEC 60079-1，或者2011年的Ex-i标准IEC 60079-11或者2010年的IEC 61010-1。
在实施例中，壳体包括第二壳体腔，该第二壳体腔通过壳体的内壁与第一壳体腔分开，
其中，内壁具有第二信号馈通(feedthrough)，信号线穿过该第二信号馈通延伸。
在实施例中，每个电导体包括数据传输装置侧的第一导体段和操作电子器件侧的电流隔离的第二导体段。
在实施例中，数据传输装置包括适合于接收和/或发送高频信号的天线装置，
其中，天线装置被布置在壳体壁的外部，
其中，信号线穿过壳体壁中的第一信号馈通延伸。
在实施例中，第一电导体和第二电导体彼此平行地在横向表面上延伸，
和/或其中第一横向表面上的第一信号线段的导体段与第二横向表面上的第二信号线段的导体段平行地延伸。
在实施例中，根据Ex-d标准，尤其是IEC 60079-1，壳体和第一信号馈通(feedthrough)和第二信号馈通被实现为耐压，
其中隔离设备被布置在第一信号馈通和/或第二信号馈通中，并且是耐压浇铸的。
在壳体腔中发生的爆炸由此能够被保持在壳体腔中或者至少被保持在壳体中。
在实施例中，两个第二电导体与第一电导体相关联，且第二电导体被布置在第一电导体的相对侧上。以这种方式，更好地抑制了信号辐射，从而显著改善了信噪比。
在实施例中，板由介电材料组成，其中该材料尤其包含来自以下材料组的至少一种材料：
陶瓷、塑料、玻璃。
在实施例中，借助于印刷或蚀刻方法在板的横向表面上制备隔离设备的区域中的电导体。
在实施例中，横向表面上的电导体是金属的，且尤其包括以下材料中的至少一种：
铜、银、铝、铁或者含有这些元素中的至少一种合金。
在实施例中，重叠区域中的隔离设备的区域中的导体段的长度至少为5mm，且特别是至少为10mm，且优选至少为20mm，和/或至多为150mm，且特别是至多为120mm，且优选至多为100mm。
特别是，导体段的长度适合于数据信号的频率。
在实施例中，数据信号具有至少0.25GHz的频率，且特别是至少0.4GHz，且优选至少1GHz，和/或具有至多10GHz的频率，且特别是至多8GHz，且优选至多6GHz。
在实施例中，数据信号波长比电流隔离设备区域中导体段的长度大F倍，
其中F大于1，且特别是大于2，且优选大于3.5，和/或其中F小于5.5，且特别是小于5.0，和优选小于4.5。
在实施例中，现场设备包括隔离设备的包封(enclosure)，隔离设备被布置在该包封中，其中该包封被布置在第一信号馈通中或者在第二信号馈通中，其中包封外部与第一信号馈通或者与第二信号馈通牢固地连接，其中隔离设备尤其是借助于灌封材料耐压地浇铸在包封中。
在实施例中，现场设备是液位计或流量计。
附图说明
在以下中，将基于附图中所示的实施例的示例描述现场设备，其附图示出如下：
图1a)、1b)本发明的现场设备的示例的示意性构造；
图2本发明的隔离设备的示例的不同视图；和
图3a)、3b)在现场设备的信号馈通中安装本发明的隔离设备的两个示例。
具体实施方式
图1a)示出了现场设备1，其具有壳体10、电子操作电路70、测量电子器件60、数据传输装置14、信号线20和隔离设备26。该电子操作电路被布置在壳体的第一壳体腔10.1中，且经由电连接与测量电子器件耦合。信号线20适合于将布置在壳体10外部上的数据传输装置14与电子操作电路70连接，其中信号线通过壳体壁11中的第一信号馈通13.1延伸。隔离设备26被布置在第一信号馈通13.1中，其中图示正是示意性的且无法得出有关实际几何实施例的结论。第一信号线段20.1连接数据传输装置14和隔离设备，且第二信号线段20.2连接电子操作电路70和隔离设备。
图1b)中示出的现场设备1的变体具有附加的第二壳体腔10.2，其中电子操作电路70被布置在第一壳体腔中。信号线20穿过第二腔延伸，并且一方面，被引导穿过壳体10的内壁12中的第二信号馈通13.2到电子操作电路70，且另一方面，被引导穿过第一信号馈通13.1到数据传输装置。在这种情况下，隔离设备被布置在第二信号馈通中；然而，该隔离设备也可以可替选地被布置在第一信号馈通中。
在这种情况下，数据传输装置优选在至少0.25GHz的频率范围内操作，且特别是至少0.4GHz，且优选至少1GHz，和至多在10GHz的频率范围内操作，且特别是至多8GHz，且优选至多6GHz。
图1a)和1b)中示出的电子操作电路适合于操作数据传输装置和测量电子器件并且适合于将由测量电子器件产生的测量信号转换成测量值。
图2示出了隔离设备26的平面图(上部略图)、侧视图以及底部视图。隔离设备包括具有第一横向表面26.21和第二横向表面26.22的电磁透明板26.1，其中有被布置在第一横向表面导体段20.11上的信号线段20.1，以及被布置在第二横向表面导体段20.21上的第二信号线段20.2。在这种情况下，信号线20优选是具有内部导体和外部导体或者屏蔽的同轴电缆。
这种情况下，每个横向表面的一个导体段是第一导体21，该第一导体21与信号线20连接，例如与同轴电缆的内部导体连接。每个横向表面的两个导体段是第二导体22，该第二导体与信号线20连接，例如与同轴电缆的屏蔽或者外部导体连接。第二导体被布置在第一导体的相反侧上。
这种情况下，重叠区域
Figure GDA0002945394100000071
中的导体长度L适合于数据信号的频率范围。
由于第一导体的电流相对于至少一个第二导体的电流的方向相反，导致由该导体产生的电磁场破坏性地叠加在远场中，由此，这意味着使得电磁场难以向远场中辐射，从而减少了数据信号衰减。
出于图示目的选择图中所示特征的尺寸。尤其是，导体段20.11和20.21的垂直尺寸相对于电磁透明板26.1被大大地增大。
作为图2中所示的隔离设备的变体的替代，隔离设备也可以每个横向表面仅具有一个第二导体22，其中第二导体与对应的第一导体21并排布置。同样在这种情况下，使得导体的电磁场实际上难以向远场辐射。
可替选地，根据本发明的印刷电路板还可以适合用于多条信号线的电流隔离。
图3通过示例示出了用于将隔离设备26放置在壳体壁11或者内壁12中的概念。图3a)示出了隔离设备，该隔离设备借助于灌封材料27被牢固地保持在壳体壁11或者内壁12中。可替选地，诸如图3b)中所示，隔离设备还可以被布置在包封U内，该包封U被固定在壳体壁11或者内壁12中。可以例如借助于粘接、焊接、压入、螺丝接合或钎焊实现包封固定。
作为实施例的两个所示实例的替代，隔离设备还可以被固定在壳体壁11或者内壁12中，或者借助于其他固定装置27而无需灌封材料被固定于包封U中。
而且，图3a)和3b)中，所示的特征的几何尺寸和布置仅用于图示目的。示意性示出了隔离设备26和第一信号线段20.1以及第二信号线段20.2之间的电连接。
附图标记：
1 现场设备
10 壳体
10.1 第一壳体腔
10.2 第二壳体腔
11 壳体壁
12 内壁
13.1 第一信号馈通
13.2 第二信号馈通
14 数据传输装置
20 信号线
20.1 第一信号线段
20.11 第一信号线段的导体段
20.2 第二信号线段
20.21 第二信号线段的导体段
21 第一电导体
22 第二电导体
26 隔离设备
26.1 电磁透明板
26.21 第一横向表面
26.22 第二横向表面
27 灌封材料
60 测量电子器件
70 电子操作电路
L 导体段的长度
U 包封
Figure GDA0002945394100000091
重叠区域

Claims (24)

1.一种测量和自动化技术的现场设备(1)，包含：
壳体(10)，所述壳体(10)具有壳体壁(11)和至少一个壳体腔，其中所述壳体腔至少部分地由所述壳体壁限定；
测量电子器件(60)，所述测量电子器件(60)适合于产生表示所测量的变量的至少一个测量信号；
数据传输装置(14)；和
电子操作电路(70)，所述电子操作电路(70)被布置在第一壳体腔(10.1)中，且适合于操作所述数据传输装置和所述测量电子器件，以及适合于将所述测量信号转换成至少一个测量值；
其中，所述数据传输装置被布置在所述第一壳体腔外部，且适合于与所述现场设备的所述电子操作电路交换数据；
其中，所述数据传输装置和所述电子操作电路经由电信号线(20)连接，
其中，所述信号线具有多个电导体，所述多个电导体适合于在所述数据传输装置和所述电子操作电路之间传递数据信号，
其中，第一电导体(21)适合于引导传输所述数据信号的第一电流，且其中至少第二电导体(22)适合于引导传输所述数据信号的第二电流，其中所述第二电流与所述第一电流相反，
其中，所述信号线具有隔离设备(26)，所述隔离设备适合于至少部分地将数据传输装置侧的第一信号线段(20.1)和操作电子器件侧的第二信号线段(20.2)电流隔离，
其中，每个电导体具有数据传输装置侧的第一导体段(20.11)和操作电子器件侧的电流隔离的第二导体段(20.21)，其中，所述第一导体段和第二导体段被布置在所述隔离设备上，
其中，在至少一个电导体的情况下，所述第一导体段(20.11)和所述第二导体段(20.21)被电流隔离，
特征在于
所述隔离设备包括具有第一横向表面(26.21)和与所述第一横向表面(26.21)平行的第二横向表面(26.22)的电磁透明板(26.1)
其中，在所述隔离设备上，所述第一信号线段的所述第一导体段和第二导体段被布置在所述第一横向表面上，且其中所述第二信号线段的所述第一导体段和第二导体段被布置在所述第二横向表面上，其中每个第一导体段沿着横向表面法向与对应的第二导体段相对，且
其中，所述电磁透明板至少具有安全标准所要求的最小厚度或介电强度。
2.根据权利要求1所述的现场设备，
其中所述安全标准是来自以下列表的标准：
2007年的产品安全标准IEC 60664-1或者2014年的Ex-d标准IEC 60079-1，或者2011年的Ex-i标准IEC 60079-11或者是2010年的IEC 61010-1。
3.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，所述壳体包括第二壳体腔(10.2)，所述第二壳体腔(10.2)通过所述壳体的内壁(12)与所述第一壳体腔分开，
其中，所述内壁具有第二信号馈通(13.2)，所述信号线穿过所述第二信号馈通(13.2)延伸。
4.根据权利要求3所述的现场设备，
其中所述数据传输装置(14)包括适合于接收和/或发送高频信号的天线装置，
其中，所述天线装置被布置在所述壳体壁的外部上，
其中，所述信号线穿过所述壳体壁中的第一信号馈通(13.1)延伸。
5.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，所述第一电导体和所述第二电导体分别在所述第一横向表面和所述第二横向表面上彼此平行地延伸，和/或
其中，所述第一横向表面上的所述第一信号线段的所述导体段与所述第二横向表面上的所述第二信号线段的所述导体段平行地延伸。
6.根据权利要求4所述的现场设备，
其中，根据Ex-d标准，所述壳体和所述第一信号馈通和所述第二信号馈通被实现为耐压，
其中所述隔离设备被布置在所述第一信号馈通或第二信号馈通中，并且是借助于灌封材料(27)耐压地浇铸的。
7.根据权利要求6所述的现场设备，
其中，所述Ex-d标准是IEC 60079-1。
8.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，两个第二电导体(22)与所述第一电导体(21)相关联，且所述第二电导体被布置在所述第一电导体的相对侧。
9.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，所述电磁透明板由介电材料组成。
10.根据权利要求9所述的现场设备，
其中，所述介电材料包含来自以下材料组的至少一种材料：陶瓷、塑料、玻璃。
11.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，借助于印刷或蚀刻方法在所述电磁透明板的所述第一横向表面和所述第二横向表面上制备所述隔离设备的区域中的所述电导体。
12.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，所述第一横向表面和所述第二横向表面上的所述电导体是金属的。
13.根据权利要求12所述的现场设备，
其中，所述电导体包含以下材料中的至少一种：铜、银、铝、铁或者含有这些元素中的至少一种的合金。
14.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，在所述隔离设备(26)的区域中所述第一导体段(20.11)和第二导体段(20.21)的重叠区域
Figure FDA0002945394090000041
的长度(L)至少为5mm，和/或至多为150mm。
15.根据权利要求14所述的现场设备，
其中，所述长度(L)至少为10mm，和/或至多为120mm。
16.根据权利要求15所述的现场设备，
其中，所述长度(L)至少为20mm，和/或至多为100mm。
17.根据权利要求1或2所述的现场设备，
其中，所述数据信号具有至少0.25GHz的频率，和/或至多10GHz的频率。
18.根据权利要求17所述的现场设备，
其中，所述数据信号具有至少0.4GHz的频率，和/或至多8GHz的频率。
19.根据权利要求18所述的现场设备，
其中，所述数据信号具有至少1GHz的频率，和/或至多6GHz的频率。
20.根据权利要求14所述的现场设备，
其中，所述数据信号的波长比所述隔离设备的区域中的所述第一导体段(20.11)和第二导体段(20.21)的重叠区域
Figure FDA0002945394090000051
的长度(L)大F倍，
其中F大于1，和/或
其中F小于5.5。
21.根据权利要求20所述的现场设备，
其中F大于2，和/或
其中F小于5.0。
22.根据权利要求21所述的现场设备，
其中F大于3.5，和/或
其中F小于4.5。
23.根据权利要求4所述的现场设备，
其中，所述现场设备包括所述隔离设备的包封(U)，所述隔离设备被布置在所述包封(U)中，
其中，所述包封被布置在所述第一信号馈通中或所述第二信号馈通中，
其中，所述包封的外部与所述第一信号馈通或者与所述第二信号馈通牢固地连接，
其中，所述隔离设备耐压地浇铸在所述包封中。
24.根据权利要求23所述的现场设备，
其中，所述隔离设备借助于灌封材料(27)耐压地浇铸在所述包封中。
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