CN112673523A - 用于从至少部分金属性的外壳传送信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助特定波长(λ)的电磁波(3)从至少部分金属性的外壳(2)传送信号的装置，包括：发射器/接收器单元(11)，位于在外壳(3)中，用于生成和接收所述电磁波(3)；至少一个主天线(4)，位于外壳(2)中，用于从发射器/接收器单元(11)耦合输出所生成的电磁波(3)，并且用于耦合输入和传送所接收的电磁波(3)到发射器/接收器单元(11)；至少一个槽形外壳开口(5)，被设计成使得槽形外壳开口(5)的长度(L)是特定波长的四分之一的整数倍(n·λ/4)，优选地是特定波长的一半的整数倍(n·λ/2)，使得槽形外壳开口(5)与主天线(4)协作地借助电磁波(3)将信号传送到外壳中或从外壳传送出。

Description

用于从至少部分金属性的外壳传送信号的装置

技术领域

本发明涉及一种用于借助特定波长的电磁波从至少部分金属性的外壳传送信号的装置、一种用于无线数据传输的现场设备适配器以及一种自动化技术现场设备。

背景技术

在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，广泛使用了用于确定、优化和/或影响过程变量的现场设备。诸如料位测量设备、流量计、压力和温度测量设备、电导率测量设备等的传感器用于获取相应的过程变量，诸如料位、流率、压力、温度或电导率。为了影响过程变量，使用致动器(诸如阀或泵)，通过该致动器可以改变管道区段中的流体的流率或容器中的料位。原则上，现场设备是指在所述过程附近使用的、并且用于供应或处理过程相关信息的所有设备。在本发明的上下文中，现场设备也被理解为远程I/O设备，并且一般而言理解为被布置处于现场级别的设备。各种这样的现场设备由Endress+Hauser公司(恩德莱斯和豪瑟尔公司)制造和销售。

两线制现场设备(其经由两线制线路连接到更高级的单元，例如控制单元PLC)目前在大量现有自动化系统中仍然很常见。两线制现场设备以这样的方式构造：测量或控制值以模拟形式作为主要过程变量经由两线制线路或两线制线缆作为4至20mA信号被通信传送(即传输)。HART协议(在该协议中，在4至20mA的模拟电流信号上的频率信号被叠加作为用于数据传输的数字两线制信号)已被特别证明对于传输所有其他数据是成功的。根据HART协议，对于数据传输在1200Hz和2400Hz之间存在切换，其中较低的频率代表逻辑“0”，并且较高的频率代表逻辑“1”。以这样的方式，缓慢变化的模拟电流信号不受频率叠加影响，使得通过HART将模拟和数字通信相组合。

然而，在日益数字化的过程中，期望的是数据不仅能够通过两线制线路(即纯有线的连接)传送，而且能够借助电磁波无线通信。这可以用于将数据无线传送到数据库(例如云数据库)，并使其在那里可用，或者用于例如在现场设备和移动控制单元之间无线传送数据，例如以便通过移动控制设备无线地参数化或配置现场设备。

为此目的，越来越频繁地使用用于无线数据传输的所谓现场设备适配器，借助于该适配器，有可能改进用于无线数据传输的现有现场设备。这种现场设备适配器可以直接集成到两线制线路中。也就是说，现场设备适配器或多或少地作为独立单元连接在高级单元和现场设备之间。替换地，现场设备适配器也可以例如经由线缆密封套直接机械地连接到现场设备，并且电连接到现场设备电子装置。

由于现场设备适配器或现场设备经常用于存在潜在爆炸风险的行业，因此使用金属性的外壳或金属外壳是强制性的。然而，这些通常不允许发射波以用于无线数据传输。现场设备适配器或现场设备上可能的附加零件(诸如外部棒状天线)构成外壳的弱点，并且因此被避免。

发明内容

因此，本发明基于提出一种装置的目的，在所述装置中，即使在具有金属性的外壳的情况下，借助电磁波来传送信号也是可能的。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1的装置、根据权利要求12的用于无线数据传输的现场设备适配器以及根据权利要求14的自动化技术现场设备来实现。

根据本发明的用于借助特定波长的电磁波从至少部分金属性的外壳传送信号的装置，该装置包括：

传输/接收单元，所述传输/接收单元布置在外壳中，用于生成和接收电磁波，

至少一个主天线，所述至少一个主天线布置在外壳中，用于耦合输出传输/接收单元的所生成的电磁波，以及用于耦合输入和传送所接收的电磁波到传输/接收单元，

至少一个槽形外壳开口，其被构造成使得槽形外壳开口的长度对应于特定波长的四分之一波长的整数倍——优选地为特定波长的半波长的整数倍——使得槽形外壳开口与主天线协作地借助电磁波将信号传送到外壳中或从外壳传送出。

根据本发明，为了从金属性的外壳或在金属性的外壳中发射或接收电磁波，提出了一种天线，所述天线包括主天线或主辐射器和辅助天线或辅助辐射器，其中辅助天线或辅助辐射器被构造成呈槽形外壳开口的形式，其长度对应于以下条件：

L＝n·λ/4,

其中下列情况成立：

λ＝利用其来传送信号的电磁波的波长，以及

n∈N。

至少一个槽形外壳开口特别地被选择为较小，使得具有非常低频率(即，明显小于1GHz的频率——优选地在1kH至100MHz范围内的频率——其会导致EMC干扰)的电磁波的传输不会被传输。这意味着槽形外壳开口或多或少地充当电磁波的高通滤波器，并且只允许旨在用于信号传输的波通过。为了借助电磁波传送信号，通常提供频率或频带为2.4GHz的波。根据IEEE 802.11b和g的WLAN、蓝牙(IEEE 802.15.1)和ZigBee(紫蜂)(IEEE 802.15.4)在本文的上下文中属于2.4GHz类别的最突出的代表。基于IEEE 802.15.4规范的另外的通信技术是例如6LoWPAN、6TiSCH或ANT或ANT+。从这个观点来看，对于频率为2.4GHz的电磁波，导致所述至少一个槽形外壳开口的优选长度为半波长2/4λ＝λ/2≌12.43cm。

为了防止布置在外壳内的电子设备的干扰，特别是EMC干扰，可以特别选择槽形外壳开口L的长度，使得条件n·λ不适用于电子设备干扰(特别是EMC干扰)的频率(f_干扰＝c/λ_干扰，其中c对应于光速)，而是适用于所述用于传输的特定波长λ。另外，为了避免强干扰，即导致装置故障的干扰，槽形外壳开口的长度L也可以特别地被选择成使得条件(n+0.5)·λ/4不适用于强干扰的频率。

所述外壳基本上是金属性的外壳。例如，基于所述外壳的总表面，所述外壳可以具有至少85％、优选地至少90％、特别优选地至少95％、以及非常特别优选地至少99％的金属性的外壳表面区段。

根据本发明的装置的有利实施例提供了，至少一个槽形外壳开口至少部分填充有不导电材料，其中至少一个槽形外壳开口至少部分填充有不导电材料，其中槽形外壳开口优选地被构造成使得槽形外壳开口的长度对应于特定波长的四分之一波长的整数倍除以不导电材料的介电常数的平方根——优选地特定波长的半波长的整数倍除以该介电常数的平方根。

根据本发明的装置的另外的有利实施例提供了，除了至少一个槽形外壳开口和可能的线缆馈入口和/或馈出口之外，所述外壳具有在外部上的独立(self-contained)的外壳形状。

根据本发明的设备的另外的有利实施例提供了，至少在一个区段中，所述外壳在横截面中具有圆形边缘，优选地圆形外壳形状，其中至少一个槽形外壳开口布置在该区段中。

根据本发明的装置的另外的有利实施例提供了以这样的方式构造外壳：在两个空间方向上测量的至少两个外周各自对应于特定波长的半波长的整数倍，其中所测量的外周各自穿过槽形外壳开口——优选地穿过外壳开口的中点。外壳的对应实施例确保了HF能量以这样的方式分布在所述外壳的各个“外周”上：总体上产生均匀的发射图案。特别地，为了局部延迟波的往返时间，并且从而显著改善几乎所有空间方向上的发射图案，该实施例可以提供，在所述外壳的外表面上，至少一个往返延迟元件被构造成将电磁波延迟一个往返时间，和/或至少一个往返延迟元件具有凹槽形或点状结构，或者由不同于所述外壳的材料(优选地介电材料或高频超材料)构造。

根据本发明的装置的另外的有利实施例提供了，至少部分金属性的外壳基本上由金属性材料构造。

作为上述实施例的替代，根据本发明的装置的实施例提供了，至少部分金属性的外壳由塑料构造，并且所述外壳至少部分具有金属性包覆物——优选地在内表面上。

根据本发明的装置的另一有利实施例还包括一种印刷电路板，该印刷电路板布置在外壳内，并且以这样的方式构造作为用于耦合输出传输/接收单元的所生成的电磁波以及用于耦合输入和传送所接收的电磁波的主天线：电磁波从印刷电路板横向地地耦合输出或耦合输入。特别地，该实施例可以提供为，所述印刷电路板还以这样的方式被构造为主天线：电磁波仅在近场中耦合输出或耦合输入，并且仅与至少一个槽形外壳开口相结合地在远场中耦合输出或耦合输入。这样的实施例提供这样的优点，即，在此不需要完整的并且因此复杂的天线，诸如从例如Vivaldi天线(维瓦尔第天线)方面的现有技术中已知的天线。相反，主天线是足够的，其仅辐射到近场中，并且仅借助于槽形外壳开口作为辅助辐射器来充当完整天线。

本发明还涉及一种用于无线数据传输的现场设备适配器，其包括根据前述实施例中的一个的装置，其中现场设备适配器的适配器外壳包括所述外壳。

本发明还涉及一种自动化技术现场设备，其包括根据上述实施例中的一个的装置，其中所述现场设备的现场设备外壳至少在一个区段中包括所述外壳。

根据本发明的现场设备的有利实施例提供了，所述区段包括现场设备的至少一个线缆馈通。

附图说明

基于以下附图更详细地解释本发明。所示出的是：

图1：根据本发明的装置的第一实施例的示意性表示，

图2：根据本发明的装置的第二实施例的通过外壳的横截面的示意性表示，该外壳具有几个槽形外壳开口，

图3：根据本发明的装置的第三实施例的示意性表示，

图4a和4b：在平面中示出图3的透视图中的外周U1和U2，以阐明根据本发明的装置的外壳的优选几何实施例和/或延迟元件的工作原理，

图5：根据本发明的装置的第四实施例的示意性表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置的第一实施例的示意性表示。该装置包括基本上由金属制成(优选地由不锈钢制成)的外壳2。然而，替代性地，外壳2也可以由塑料制成，并且衬有金属层——优选地在其内表面上。外壳2在几何形状上以这样的方式构造：在外部上它具有独立的形状。不用说，这不涉及可能的线缆馈入口和/或馈出口13、14，以及根据本发明构造的外壳开口5。在圆柱形外壳2的端面处，线缆馈入口或线缆馈出口离开，具有至少一个信号线2a、2b的线缆经由该线缆馈入口或线缆馈出口被引导到外壳中或从外壳2中引导出。在图1中示出的实施例中，外壳2具有其横截面基本为圆柱形的外壳形状。然而，替代性地，外壳2也可以具有其他形状。如图2所示，外壳2可以优选地具有带有圆形边缘的外壳形状。

布置在外壳2中的是印刷电路板6，具有信号线2a、2b的线缆1a、1b连接到该印刷电路板或从其离开。印刷电路板6包括用于生成和接收电磁波的传输/接收单元11。传输/接收单元11例如可以是以芯片的形式构造的HF调制解调器。印刷电路板还包括主天线4，该主天线用于耦合输出所生成的电磁波，并用于耦合输入和传输所接收的电磁波。图1中示出的传输/接收单元11被配置成用于生成或接收具有2.4GHz频带的电磁波，使得经由信号线2a、2b传输的信号也可以由所述装置提供使用蓝牙(也可能是蓝牙低能量)或前述变型中的一个而被无线传输。

根据本发明，外壳2具有(未填充的)槽形开口5，该开口具有对应于电磁波的四分之一波长的整数倍n·λ/4的长度L。在这个实施例中，所述开口没有填充除空气之外的材料。在2.4GHz的频率下，槽形外壳开口5因此具有12.43cm的优选长度，这大约对应于电磁波的半波长(2·λ/4)。槽形开口5的宽度B被选择为尽可能小，并且基本上由适当的制造方法来确定。宽度B优选地小于3mm，特别优选地小于1mm。槽形开口5没有到印刷电路板6的电连接，并且被位于外壳2内部的主天线4辐射。

图1中示出的装置在一个端面处经由线缆1a连接到现场设备7，并且经由另一端面由线缆1b连接到更高级单元(未另外示出)，其中线缆1a、1b是两线制线路，并且两线制线路的一条线路包括信号线2a、2b。两线制线路的另一线路环路穿过印刷电路板6。例如，经由两线制线路，作为主要过程变量的测量或控制值以模拟形式作为4至20mA信号在现场设备和更高级单元之间传输。所有其他数据——特别是与参数化、诊断等等相关的数据——经由两线制线路使用HART协议传输。借助于结合在两线制线路中的装置，特别地，使用HART协议通过线进行传输的数据因此也可以借助电磁波而被无线传输，例如传输到云。在这种情况下，该装置因此代表用于无线数据传输的现场设备适配器。

替代性地，与图1中示出的示例不同，该装置也可以直接机械地紧固到(现有的)现场设备上——例如，通过螺纹连接。紧固优选地通过现场设备外壳上的螺钉螺纹来实现，该螺纹最初被提供用于紧固线缆馈通或应变消除(所谓PG(螺纹配合(Panzergewinde)、或铠装螺纹))。在这种情况下，该装置用作适配器(也称为加密狗)(特别是蓝牙适配器)，通过该适配器，最初没有被设置用于无线数据传输的现场设备7可以随后被改进或补充用于此目的。

该装置(再次与图1中示出的示例不同)也可以被构造为现场设备7的一部分。在这种情况下，现场设备外壳至少在一个区段中具有至少一个槽形外壳开口5。例如，现场设备外壳可以以这样的方式构造：它具有至少一个突出的(特别是圆柱形的)延伸部，该延伸部的轮廓可以对应于例如图1中示出的外壳2，并且该延伸部具有根据本发明设计的至少一个槽形开口5。

图2示出了穿过第二实施例的外壳2的横截面，其中装置的外壳具有几个槽形开口。在这点上，已经证明外壳2中的两个或四个槽形开口5是特别优选的。为了实现来自外壳2的尽可能最均匀的发射，根据主天线4的安装位置和/或设计，槽形外壳开口5可以附加地各自具有不同的长度L1至L4，其中，对于每个槽形外壳开口的长度，独立于其他长度，以下适用：

L＝n·λ/4,

其中：

λ＝以2.4GHz的频率传输信号的电磁波的波长，以及

n∈N。

图3示出了根据本发明的装置的第三实施例的示意性表示，其中外壳2具有槽形开口5。为了也能够在存在潜在爆炸风险的区域(所谓的Ex区域)中使用该装置，槽形开口5填充有除空气之外的材料，特别是不导电的材料，诸如玻璃。不用说，在外壳2具有几个槽形开口5的情况下，每个开口都填充有不导电材料。再次应该注意的是，对于(填充的)槽形外壳开口的长度的配置，必须包括用于填充的不导电材料的介电常数DC或(材料相关的)相对电容率。这意味着(填充的)槽形外壳开口的长度L对应于特定波长的四分之一波长的整数倍除以介电常数DC的平方根(L＝n·λ/(4·√(DC)))——优选地，对应于特定波长的半波长的整数倍除以介电常数DC的平方根(L＝n·λ/(2·√(DC)))。当使用介电常数DC＝4的不导电材料时，例如因此导致长度L＝6.25cm，而不是未填充的槽形外壳开口的为L＝12.43cm的前面描述的长度。介电常数在约30至40的范围内的陶瓷已被证明特别适合作为不导电材料。

附加地或替代性地，如图3所示，外壳可以在几何形状方面以这样的方式构造：在外壳的两个延伸的空间方向上测量的至少两个外部外周(优选地，在外壳的每个空间方向上的外部外周)对应于利用其传输信号的电磁波的半波长λ/2的整数倍。在这种情况下，以这样的方式测量或确定外周：它们各自穿过槽形外壳开口。所述外周优选地行进穿过相应槽形外壳开口的中点。

为了阐明图3中以透视图示出的U1和U2的外周，它们再次在图4a)和4b)中的平面中示出。从图4可以可见，每个外周U1和U2穿过槽形外壳开口5。不用说，在外壳2具有几个槽形开口5的情况下，外周被限定为使得每个外周行进穿过外壳的每个槽形开口5。

为了局部延迟波的往返时间，可以在外壳2的外表面上构造一个或多个往返延迟元件10，这些延迟元件被构造成使得相对应的往返增加。在图3中，作为示例，两个延迟元件10安装在外壳表面上。图3中示出的延迟元件10被构造成凹槽形元件。然而，点状元件或由不同于外壳2的材料构造的元件——特别是介电材料或高频超材料——也是可以想到的。通过适当的定位，如图4b)可见，外周可以在一个或多个空间方向上以目标方式改变(特别地增加)。应该注意的是，根据往返延迟元件的结构尺寸，HF往返路径通常略小于(机械)外周，因为特别地电磁波部分地穿过较小的结构，并且E场和H场的相互作用导致总体上轻微的“缩短”。

图5示出了根据本发明的装置的第四实施例的示意性表示，其中，除了上述实施例之外或作为上述实施例的替代，印刷电路板6被构造成使得电磁波从印刷电路板横向地耦合输出或横向地耦合输入到印刷电路板中，使得印刷电路板或多或少地充当主天线。另外，印刷电路板以这样的方式构造：横向地耦合输出的电磁波仅被发射到近场8中，或者由此被耦合输入，使得横向地辐射的印刷电路板6仅结合槽形外壳开口5而充当“完整”天线。从图5可见，在这种情况下，近场8包括在印刷电路板6和其中形成槽形开口5的外壳表面之间的至少一个区域。

印刷电路板在外壳中可以通过适当的保持元件(诸如轨道)保持在外壳的槽形开口所需的位置。

附图标记列表

1a、1b 线缆

2 外壳

2a、2b 信号线

3 电磁波

4 主天线

5 槽形外壳开口(一个或多个)

6 印刷电路板

7 现场设备

8 近场

9 远场

10 往返延迟元件

11 传输/接收单元

12 不导电材料

13 线缆馈入口

14 线缆馈出口

L、L1至L4 槽形外壳开口的长度

B 槽形外壳开口的宽度

DC 不导电材料的介电常数或(材料相关的)相对电容率

λ 电磁波的波长

U1、U2 外壳的外部外周

Claims (14)

1.一种用于借助特定波长(λ)的电磁波(3)从至少部分金属性的外壳(2)传送信号的装置，所述装置包括：

传输/接收单元(11)，所述传输/接收单元被布置在所述外壳(3)中，用于生成和接收所述电磁波(3)，

至少一个主天线(4)，所述至少一个主天线被布置在所述外壳(2)中，用于耦合输出所述传输/接收单元(11)的所生成的电磁波(3)，以及用于耦合输入和传送所接收的电磁波(3)到所述传输/接收单元(11)，

至少一个槽形外壳开口(5)，所述槽形外壳开口被构造成使得所述槽形外壳开口(5)的长度(L)对应于所述特定波长的四分之一波长的整数倍(n·λ/4)——优选地为所述特定波长的半波长的整数倍(n·λ/2)——使得所述槽形外壳开口(5)与所述主天线(4)协作地借助所述电磁波(3)将所述信号传送到所述外壳中或从所述外壳传送出。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个槽形外壳开口(5)至少部分地填充有不导电材料(12)，其中所述槽形外壳开口(5)优选地被构造成使得所述槽形外壳开口(5)的长度(L)对应于所述特定波长的四分之一波长的整数倍除以所述不导电材料的介电常数DC的平方根(L＝n·λ/(4·√(DC)))——优选地所述特定波长的半波长的整数倍除以所述介电常数的平方根(L＝n·λ/(2·√(DC)))。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，除了所述至少一个槽形外壳开口(5)和可能的线缆馈入口和/或馈出口之外，所述外壳(2)具有在外部上的独立的外壳形状。

4.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述外壳(2)至少在一个区段中在横截面中具有圆形边缘(2a)，优选地具有圆形外壳形状，其中所述至少一个槽形外壳开口被布置在所述区段(5)中。

5.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述外壳(2)以这样的方式被构造：在两个空间方向上测量的至少两个外周(U1，U2)各自对应于所述特定波长的半波长的整数倍(n·λ/2)，其中所测量的外周(U1，U2)各自穿过所述槽形外壳开口(5)——优选地穿过所述外壳开口的中点。

6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，在所述外壳(2)的外表面上，至少一个往返延迟元件(10)被构造，以将所述电磁波(3)延迟一个往返时间。

7.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述至少一个往返延迟元件(10)具有凹槽形或点状结构，或者由与所述外壳不同的材料构造，优选地由介电材料或高频超材料构造。

8.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述至少部分金属性的外壳(2)基本上由金属性材料构造。

9.根据权利要求1至7中的一项所述的装置，其中，所述至少部分金属性的外壳(2)由塑料构造，并且所述外壳至少部分地具有金属包覆物—优选地在内表面上。

10.根据前述权利要求中的一项所述的装置，还包括印刷电路板(6)，所述印刷电路板被布置在所述外壳内，并且被构造为主天线(4)，用于耦合输出所述传输/接收单元(11)的所生成的电磁波(3)，并且用于耦合输入和传送所接收的电磁波(3)，使得所述电磁波(3)从所述印刷电路板(6)横向地被耦合输出或耦合输入。

11.根据前一权利要求所述的装置，其中，所述印刷电路板(6)还以这样的方式被构造为主天线(4)：所述电磁波仅在近场(8)中被耦合输出或被耦合输入，并且仅与所述至少一个槽形外壳开口(5)相结合地在远场(9)中被耦合输出或被耦合输入。

12.一种用于无线数据传输的现场设备适配器，所述现场设备适配器包括根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中所述现场设备适配器的适配器外壳包括所述外壳。

13.一种自动化技术现场设备，包括根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中所述现场设备的现场设备外壳至少在一个区段中包括所述外壳。

14.根据前一权利要求的现场设备，其中所述区段包括所述现场设备的至少一个线缆馈通。

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