CN111758037A - 包括第一部分和与该第一部分电绝缘的第二部分的电气装备 - Google Patents

Abstract

包括第一部分和与该第一部分电绝缘的第二部分的电气装备，该第一部分包括前端组件(10)、二极管(12)、光电二极管(13)和处理模块(15)，该第二部分包括第一连接器(20)和容纳空间(25)，该第一连接器(20)在连接到该前端组件的同时与该前端组件电绝缘，该容纳空间(25)被布置成容纳能够被连接到该第一连接器的第二连接器，该处理模块被布置成向发光二极管(12)供电以使该发光二极管(12)产生经发射的光信号，以便获取由该光电二极管(13)产生并表示由该光电二极管接收的光信号的检测电信号，以及以便取决于该检测电信号来检测该第二连接器存在于或不存在于该容纳空间中。

Description

包括第一部分和与该第一部分电绝缘的第二部分的电气装备

本发明涉及电气装备领域，该电气装备包括第一部分和与该第一部分电隔离的第二部分。

背景技术

某些现代仪表，例如电仪表、水仪表或燃气仪表，配备有射频(RF)通信模块。借助RF通信模块，仪表可以直接地或经由数据集中器与电、水或燃气的供应商进行通信，或者甚至与网络经营者或分销商进行通信。

作为示例，由此类仪表传送或接收的数据可以包括与电、水或燃气的消耗、定价政策、订阅、监测仪表、命令打开或关闭仪表(如果是电仪表)的切断构件等相关的数据。

此类仪表的RF通信模块然后被连接到位于仪表壳体内的内部天线。有时，特别是当仪表位于与最近的数据集中器隔离或远离最近的数据集中器的地理区域时，RF通信很困难，并且将外部天线连接到仪表以改善数据传输和接收是有利的。

当仪表内的电压相对较低时，使用外部天线不会造成任何问题。此类电压有时会被称为“安全特低电压”(SELV)。

然而，当仪表内的电压可能为高时，该情况就成问题了。此类电压有时会被称为电信网络电压(TNV)。

具体地，在此类情况下，为了使仪表能够符合通常的电气标准，应确保外部天线和将其连接到仪表的电缆与仪表的内部电隔离。对电隔离的这种要求使得设计外部天线和仪表之间的电气接口变得更加复杂，并且还使得设计内部天线和外部天线之间的切换功能变得更加复杂。

发明目的

本发明的目的是解决上文描述的问题。

发明内容

为了实现这一目的，提供了一种电气装备，该电气装备包括第一部分和与该第一部分电隔离的第二部分，该第一部分包括前端组件、发光二极管(LED)、光电二极管和处理器模块，该第二部分包括第一连接器和容纳空间，该第一连接器在连接到该前端组件的同时与该前端组件电隔离，该容纳空间面向该第一连接器延伸并且被布置成容纳适于连接到该第一连接器的第二连接器，该LED和该光电二极管被布置在该容纳空间的两侧，该处理器模块被布置成向该LED供电以使该LED发射光信号，以便获取由该光电二极管产生并表示由该光电二极管接收的光信号的电检测信号，以及以便因变于该电检测信号来检测该第二连接器存在于或不存在于该容纳空间中。

电气装备的第一部分中可能存在高电压。当操作员或用户将外部天线连接到电气装备时，所述外部天线经由电缆被链接到该第二连接器，操作员或用户将该第二连接器连接到该电气装备的第二部分的第一连接器，该第二部分与该第一部分电隔离。

因此，在第二部分中不会存在高电压，并且操作员或用户可以无风险地处理外部天线和电缆。

LED和光电二极管使得当光信号被连接器或其电缆中断时，能够检测到第二连接器存在，因此，在上述上下文中，它们使得检测外部天线被连接到电气装备成为可能。此检测使得能够有效地管理电气装备的内部天线和外部天线之间的潜在切换。可能受到高电压影响的LED和光电二极管两者都与第二部分隔离。因此，执行检测不会给处理电缆的外部天线的操作员或用户带来风险。

还提供如上所述的电气装备，进一步包括位于该第一部分中的内部天线、RF通信模块和开关组件，该开关组件具有连接到该RF通信模块的输入、连接到该内部天线的第一输出、以及连接到该第一连接器的第二输出，该处理器模块被布置成当检测到该第二连接器不存在于该容纳空间时将该输入连接到该第一输出，并且当检测到该第二连接器存在于该容纳空间时将该输入连接到该第二输出。

还提供了在如上所述的电气装备中执行的配置方法，该配置方法包括以下步骤：

·发射该光信号；

·获取该电检测信号；

·如果检测到该第二连接器不存在，则将该开关组件的该输入连接到该开关组件的该第一输出；

·如果检测到该第二连接器存在，则将该开关组件的该输入连接到该开关组件的该第二输出。

还提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于使电气装备的微控制器能够执行如上文描述的配置方法的指令。

还提供了存储装置，其特征在于，它们存储计算机程序，该计算机程序包括用于使电气装备的微控制器能够执行如上文描述的配置方法的指令。

在阅读了以下对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特性及优点将变得显而易见。

附图简述

参考附图，其中：

·图1是从本发明的电气装备下方的透视图，该电气装备为电仪表；

·图2是仪表的电路图。

具体实施方式

参考图1和2，在此示例中，本发明的电气装备是电仪表1。

仪表1包括壳体2，壳体2包括盒3，盖4和端部覆盖(图1中未示出)。盒3的后表面5被用于固定到住宅或任何建筑物的墙壁上。当仪表1运行时，盖4被密封到盒3，而端部覆盖被密封到盖4。在此示例中，盖通过热铆接密封在盒上。因此，当仪表1运行时，任何未经授权的人员进入仪表1内部的行为都可以被检测到并被惩罚。

仪表1包括第一部分和与该第一部分电隔离的第二部分。

仪表1的第一部分占据电路板7的第一分块(fraction)6。电路板7包括印刷电路。印刷电路在壳体2内平行于盒3的后表面5延伸。

仪表1的第一部分包括电气和光电组件，它们被安装在电路板7的第一分块6上。

在此示例中，电气和光电组件包括处理器模块、RF通信模块9、开关组件、内部天线11、LED 12、光电二极管13和RF耦合器14的第一部分。

处理器模块包括处理器组件。处理器组件被适配成执行程序的指令以便执行专用于其的任务。在此示例中，处理器组件是微控制器15，但是它也可以是某种其他组件，例如处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。

微控制器15被布置成控制RF通信模块9和开关组件。微控制器15还被布置成既向LED 12供电以使LED发射光信号，又获取由光电二极管13产生的电检测信号。

RF通信模块9包括发射器和接收器。发射器将由微控制器15产生的传出数据信号转换为被适配成要作为输入被应用到内部天线11(和外部天线，如下所述)的传出射频信号，以便由内部天线11(或由外部天线)发射。接收器转换由内部天线11(或由外部天线)接收的传入射频信号，并将其转换为被适配成要由微控制器15接收的传入数据信号。

开关组件是RF开关10，该RF开关10包括连接到RF通信模块9的输入E、连接到内部天线11的第一输出S1和连接到RF耦合器14的第一部分的第二输出S2。

在此示例中，内部天线11被印刷在电路板7的印刷电路上。

RF耦合器14包括彼此电隔离的第一部分和第二部分。RF耦合器14的第一部分被包括在仪表1的第一部分中，并且其被连接到RF开关10的第二输出S2，而RF耦合器14的第二部分被包括在仪表1的第二部分中。

LED 12被布置成发射红外范围内的光信号。选择不位于人眼可见光谱中的波长是有利的。因此，所发射的光信号不会吸引用户的注意。在此示例中，所使用的LED 12发射处于近红外光谱中的光信号，即呈现通常在850纳米(nm)到1000nm范围内的波长。

LED 12还被选择成相对定向的，即呈现尽可能小的孔径角，通常小于±30°(即，总孔径角小于60°)。同时还考虑LED 12所处的位置处的使用环境条件，特别是因变于仪表1中可能存在的温度范围，来选择LED 12。在此示例中，LED 12是“表面安装”型的组件，其取向为90°，即LED 12具有相对于电路板7的印刷电路垂直延伸的发射区。

作为示例，所选择的LED 12具有来自组件制造商Osram的参考编号SFH4045N。

光电二极管13对LED 12发出的光信号敏感。当光电二极管13接收到来自由LED 12发射的光信号的光信号时，光电二极管13产生表示接收到的光信号的电检测信号。

作为示例，所选择的光电二极管13具有来自制造商Osram的参考编号SFH325FA。

下面是对与第一部分电隔离的仪表1的第二部分的描述。

仪表1的第二部分占据电路板7的第二分块16，该第二分块16与电路板7的第一分块6电隔离。第二分块16呈现出呈矩形且小于第一分块6的面积的区域，并且第二分块16从印刷电路的边缘垂直地延伸到第一分块6中。

仪表1的第二部分既包括与RF耦合器14的第一部分隔离的RF耦合器14的第二部分，又包括第一连接器20。RF耦合器14的第二部分和第一连接器20被安装在电路板7的第二分块16上。

在仪表1的壳体2的盖4中形成有腔21。腔21的入口位于盖4的底面22中。腔21从盖4的底面22垂直于盖4的底面22在盖4内延伸。

第一连接器20位于腔21中。

第一连接器20的后部分被连接到RF耦合器14的第二部分。因此，第一连接器20经由RF耦合器14连接到仪表1的第一部分的前端组件，具体而言是RF开关10。

在此示例中，第一连接器20是超小型版本A(SMA)连接器。第一连接器20被选择为具有来自制造商radiall的参考编号R125680000W。

限定在腔21中的容纳空间25面向第一连接器20的前部延伸。容纳空间25被布置成容纳与第一连接器20互补的第二连接器。

具体而言，在此示例中，第二连接器位于电缆的第一端部，该电缆在其第二端部处具有外部天线。

第二连接器可以被拧到第一连接器20上，并且第二连接器可以用手或使用诸如SMA连接器扭矩扳手之类的工具从第一连接器20上拧下。

如果不存在端部覆盖，则可以在盖4被安装在壳体2的盒3上的同时执行这些拧紧和拧松操作。这些拧紧和拧松操作通常在安装仪表1时被执行。一旦该操作被执行，就将端部覆盖放好并然后将其密封到盖4上。

在仪表1的壳体2的盖4内限定有第一导管30和第二导管31。第一导管30和第二导管31形成仪表1的第二部分的一部件。

第一导管30和第二导管31两者均平行于盖4的底面22延伸，并且每个导管都有向外伸入仪表1的第一部分的第一端部开口，和向外伸入腔21的容纳空间25(邻近腔21的入口)的第二端部开口。第一导管30和第二导管31位于同一轴线上，并且它们位于腔21的两侧。

第一导管30和第二导管31是限定在形成盖4的单个部分中的隧道。在此示例中，第一导管30和第二导管31是具有盘形截面的圆柱形。

当电路板7位于壳体2中并且盖4安装在盒3上时，第一导管30和第二导管31中的每一者都部分地延伸到电路板7的第一部分6和第二部分16的上方。

盖4以及第一导管30和第二导管31通过模制制成，并且它们来自单个模具。具体地，模具包括可移除滑块，当制作不需要任何导管的盖时将这些可移除滑块留在模具中，而当制作需要导管的盖时将这些可移除滑块从模具中移除。由于同一模具可被用于制造两种不同类型的盖，因此这提供了在大量生产盖的成本方面的不可忽略的降低。

LED 12位于第一导管30的第一端部。光电二极管13位于第二导管31的第一端部。因此，LED 12和光电二极管13彼此相对放置在容纳空间25的两侧。

因此，第一导管30和第二导管31形成用于由LED 12发射的光信号以及用于由光电二极管13接收并由经发射的光信号产生的光信号的波导。

在此示例中，相应的会聚透镜27被置于第一导管30和第二导管31中的每一者内，在第一导管30和第二导管31中的每一者的第二端部附近。

会聚透镜27用于将由LED 12发射的光信号更有效地导向光电二极管13。

可以使用任何类型的会聚透镜：双凸、平凸等。

相应的透明塑料挡块28被置于第一导管30和第二导管31中的每一者的第二端部处。透明塑料挡块28用于避免灰尘经由第一导管30或经由第二导管31进入仪表1中。

LED 12和光电二极管13如下使用。

微控制器15以规则的间隔向LED 12供电(可选地经由处理器模块中包括的驱动器电路)。LED 12然后发射光信号。

当没有外部天线被连接到仪表1时，将被仪表1用于传送或接收数据的天线是仪表1的第一部分的内部天线11。

由于在面向第一连接器20的容纳空间25中不存在第二连接器，所以经发射的光信号沿着第一导管30，跨过容纳空间25并沿着第二导管31行进，而没有遇到任何障碍。光电二极管13然后接收光信号。基于接收到的光信号，光电二极管13产生代表该接收到的光信号的电检测信号。

由于经发射的光信号没有遇到任何障碍，因此接收到的光信号具有大于或等于预定光强度阈值的光强度，并因此电检测信号呈现出大于或等于预定电阈值(基于预定光强度阈值定义)的电流或电压。

微控制器15获取电检测信号，并因此检测到第二连接器不存在于容纳空间25中。微控制器15将RF开关10的输入E连接到RF开关10的第一输出S1，使得RF通信模块9被连接到仪表1的内部天线11。

相反，当外部天线被连接到仪表1时，将被仪表1用于传送或接收数据的天线是外部天线。此外部天线被专门设计成改善对传出RF信号的传输以及对传入RF信号的接收。

然后，第二连接器被连接到第一连接器20，并因此被置于容纳空间25中。

由LED 12发射的光信号沿着第一导管30行进，但是被第二连接器阻挡。

光电二极管13然后以非常低的光强度或实际上以零强度接收光信号。因此，接收到的光信号的光强度小于预定光强度阈值，并因此电检测信号呈现出小于预定电阈值的电流或电压。

微控制器15获取电检测信号，并因此检测到第二连接器存在于容纳空间25中。微控制器15将RF开关10的输入E连接到RF开关10的第二输出S2，使得RF通信模块9被连接到仪表1的外部天线。

避免对外部天线的任何错误检测是至关重要的。具体地，在错误检测的情况下，微控制器15会将RF开关10的输入E，并进而将RF通信模块9连接到RF开关10的第二输出S2，而它并没有被连接到外部天线。然后，RF通信模块9将不被连接至任何天线，这将阻止仪表1通过使用RF通信进行通信。

因此，预定光强度阈值被选择为相对较低，并且因此预定电阈值被选择为相对较低，以便避免错误检测外部天线的任何风险。

为了确保检测安全并避免任何错误检测，在经发射的光信号中引入签名(即独特的信号特性)，使得能够将仪表1的LED 12发射的光信号与可能由仪表1外部的源(有意或无意)发射的任何干扰光信号区分开。

在此示例中，独特的特性包括对经发射的光信号进行斩波(chop)。由微控制器15提供给LED 12的功率使得LED在第一预定持续时间期间发射光信号，而在第二预定持续时间期间不发射，该第一预定持续时间和该第二预定持续时间彼此交替并且被周期性地重复。在此示例中，第一和第二预定持续时间均等于0.5秒(s)，并且因此以1赫兹(Hz)的频率执行斩波。

为了优化仪表1的电力消耗，应该观察到，只有当光电二极管13已经检测到未被斩波的光信号时，才有可能执行此类斩波。然后，斩波用于确认接收到的光信号确实来自LED12。

可以理解，第一和第二导管在仪表1的第一部分和外部之间执行隔离功能。这也适用于第一连接器20与电路板7的第一分块6的边缘之间的隔离距离D。

具体地，第一导管30和第二导管31将LED 12和光电二极管13与外部隔离。由于LED12和光电二极管13位于可能潜在地承受高电压和危险电压的区域中，因此第一导管30和第二导管31的尺寸应适合于确保此隔离符合适用的安全标准中阐述的建议。

在欧洲使用时，电仪表必须满足欧洲指令的要求，尤其是以下标准：

·EN 61010-1；

·EN 62052-31；

·EN 62368-1；

·EN 50470-1.

因变于考虑的电压浪涌类别和污染程度，这些标准定义：

·爬电距离(creepage distance)；

·空气间隙(air clearance)；

·介电耐压(dielectric withstand voltage)。

仪表1的设计以及因此各种组件、所使用的材料以及机械接口的选择必须使得仪表1能够符合这些标准。

在此示例中，仪表1的第一部分中可能会存在很高的电压，并因此很危险。作为示例，这些非常高的电压可以为230伏(V)(来自仪表1所连接的电网)。一旦仪表1安装完毕，且盖4在盒3上就位并密封，就必须确保与第二连接器、外部天线或与仪表1的壳体2的任何其他表面接触，从而直接或间接地与仪表1的第二部分接触的操作员或用户与高压保持隔离，并因此与仪表1的第一部分保持隔离。

为了确定第一导管30和第二导管31的长度以及隔离距离D，利用了通常用于制造盖4、电路板7的印刷电路的材料(例如FR4)的特性以及空气的特性。

因变于这些特性和隔离要求，已确定第一导管30和第二导管31的长度以及隔离距离D都应至少等于8毫米(mm)。这确保了6千伏(kV)的脉冲电压介电强度。

第一导管30和第二导管31中的每一者的长度都被选择为大于10mm。因此，第一导管30和第二导管31中的每一者都在电路板7的第一分块6上延伸一定长度，使得LED 12和光电二极管13可以紧靠第一导管30和第二导管31的相应的第一端部，或者实际上位于第一导管30和第二导管31的相应的第一端部内。

在此示例中，第一导管30和第二导管31的直径等于3mm，其对应于LED12的发射区的直径。第一导管30和第二导管31的直径小于将第二连接器连接到外部天线的电缆的直径，从而避免在安装第二连接器时造成任何混淆的风险。

当端部覆盖就位时，还应观察到，仪表1的壳体2应提供足以阻止灰尘和/或水(尤其经由第一连接器20)进入仪表1的进入保护(IP)评级，否则可能会使隔离屏障的有效性降级。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入如由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。

在以上描述中，在第一导管和第二导管的每一者中使用了相应的会聚透镜。自然可以仅使用一个透镜，然后最好将其放置在第一导管中，或者实际上根本不使用任何透镜。透镜也可以与透明塑料材料进行集成，从而形成单个部件。

虽然声明第一导管和第二导管是具有盘形截面的圆柱形。但每个导管的形状自然可以与所描述的形状不同。特别地，每个导管可以是具有某种其他截面的圆柱体的形式，或者实际上是部分空心的圆柱体的形式。

因此，其中一个导管(或每个导管)可以是被电路板封闭的空心的通道部分的形式。此类导管因此可以部分地覆盖二极管(或光电二极管)，使得波导的顶部部分则将由导管形成，而底部部分将由电路板形成。

第一导管和第二导管可以是装配到仪表壳体上的独立部件。

虽然声明导管被形成在壳体的盖中。但导管可以在壳体的任何其他元件中形成，无论其位置或名称如何：盒、覆盖、顶盖或底盖、端部覆盖等。

所有提到的组件(LED、光电二极管、连接器等)都可以是不同的，特别是可以呈现出上述以外的参考和电气和光学特性。

仪表的第一部分和第二部分不必一定是单个电路板的不同分块。仪表的第一部分和第二部分可各自包括相应的分区电路板。

本发明自然适用于任何类型的电气装备，并且作为示例，其可以在机顶盒、移动电话、平板、膝上型计算机等中实现。

在本说明书中，本发明在电仪表中实现。本发明自然适用于任何类型的仪表，尤其是水和燃气仪表。

本发明适用于具有第一部分和与该第一部分电隔离的(其上可能连接电缆的)第二部分的任何类型的电气装备。电气装备可以任选地包括内部天线，所讨论的电缆任选地被连接至外部天线。

如本说明书中所述，可以通过与由于电气装备中存在高电压或高电流而出现的有关人员和装备安全的问题来确定实现电气隔离的方式。电气隔离的实现可以由其他要求来确定，例如，保护在电气装备中使用或存储的计算机数据的要求，这些数据必须不能从电气装备外部访问或破坏。然后，第一连接器也必须与装备内部的任何其他连接器隔离。

Claims (14)

1.一种电气装备，所述电气装备包括第一部分和与所述第一部分电隔离的第二部分，所述第一部分包括前端组件(10)、发光二极管(LED-12)、光电二极管(13)和处理器模块(15)，所述第二部分包括第一连接器(20)和容纳空间(25)，所述第一连接器(20)在连接到所述前端组件的同时与所述前端组件电隔离，所述容纳空间(25)面向所述第一连接器延伸并且被布置成容纳适于连接到所述第一连接器的第二连接器，所述发光二极管和所述光电二极管被布置在所述容纳空间的两侧，所述处理器模块被布置成向LED(12)供电以使所述LED发射光信号，以便获取由所述光电二极管(13)产生并表示由所述光电二极管接收的光信号的电检测信号，以及以便因变于所述电检测信号来检测所述第二连接器存在于或不存在于所述容纳空间中。

2.如权利要求1所述的电气装备，其特征在于，所述LED位于第一导管(30)的第一端部，所述光电二极管位于第二导管(31)的第一端部，所述第一导管和所述第二导管形成用于经发射的光信号和用于接收到的光信号的波导，所述第一导管和所述第二导管中的每一者形成所述第二部分的一部分并具有向外伸入所述容纳空间(25)的相应的第二端部开口。

3.如权利要求2所述的电气装备，其特征在于，所述第一导管和所述第二导管是在所述电气装备的壳体(4)的元件中制造的。

4.如权利要求3所述的电气装备，其特征在于，所述壳体的所述元件以及所述第一导管和所述第二导管是通过模制制成，并且来自单个模具。

5.如权利要求2所述的电气装备，其特征在于，包括至少一个会聚透镜(27)，所述会聚透镜(27)位于所述第一导管的第二端部和/或所述第二导管的第二端部。

6.如权利要求2所述的电气装备，其特征在于，所述第一导管和所述第二导管具有限定为在所述第一部分和所述第二部分之间提供一定级别的电隔离的长度。

7.如前述权利要求中的任一项所述的电气装备，其特征在于，所述经发射的光信号包括签名，使得能够将所述经发射的光信号与可能由所述电气装备外部的源所发射的干扰光信号区分开。

8.如权利要求7所述的电气装备，其特征在于，所述签名包括对所述经发射的光信号进行斩波。

9.如前述权利要求中的任一项所述的电气装备，其特征在于，进一步包括位于所述第一部分中的内部天线(11)、RF通信模块(9)和开关组件(10)，所述开关组件具有连接到所述RF通信模块的输入(E)、连接到所述内部天线的第一输出(S1)、以及连接到所述第一连接器(20)的第二输出(S2)，所述处理器模块被布置成当检测到所述第二连接器不存在于所述容纳空间时将所述输入连接到所述第一输出，并且当检测到所述第二连接器存在于所述容纳空间时将所述输入连接到所述第二输出。

10.如前述权利要求中的任一项所述的电气装备，其特征在于，所述电气装备是电、水或燃气仪表。

11.一种系统，包括如前述权利要求中的任一项所述的电气装备、外部天线以及电缆，所述电缆在第一端部设置有连接至所述第一连接器的所述第二连接器，并在第二端部设置有所述外部天线。

12.一种在如权利要求9所述的电气装备中执行的配置方法，所述配置方法包括以下步骤：

·发射所述光信号；

·获取所述电检测信号；

·如果检测到所述第二连接器不存在，则将所述开关组件的所述输入连接到所述开关组件的所述第一输出；

·如果检测到所述第二连接器存在，则将所述开关组件的所述输入连接到所述开关组件的所述第二输出。

13.一种计算机程序，所述计算机程序包括用于使电气装备的微控制器能够执行如权利要求12所述的配置方法的指令。

14.存储装置，其特征在于，所述存储装置存储计算机程序，所述计算机程序包括用于使电气装备的微控制器能够执行如权利要求12所述的配置方法的指令。

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