CN113678180A - 从设计用在易爆区域的至少部分金属外壳传送信号的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于特定波长(λ)的电磁波(3)从被设计用于在易爆区域中使用的至少部分金属外壳(2)传送信号的设备，包括：‑外壳(2)；‑发射/接收单元(11)，该发射/接收单元(11)用于产生和/或接收电磁波(3)；‑至少一个主天线(4)，该至少一个主天线(4)用于电磁波(3)的外耦合和/或内耦合；‑至少一个狭槽形外壳开口(5)；‑成型部件，该成型部件由介电数显著大于1的材料制成，并且该成型部件最多以指定深度(T_波导件)在外壳开口中接合。

Description

从设计用在易爆区域的至少部分金属外壳传送信号的设备

技术领域

本发明涉及一种使用特定波长的电磁波从至少部分金属的外壳传送信号的设备，一种用于无线数据传送的现场设备适配器和自动化技术的现场设备。

背景技术

在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中，经常应用现场设备，其用于确定、优化和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是传感器，例如填充水平测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、电导率测量设备等，它们记录对应的过程变量、填充水平、流量、压力、温度和电导率。用于影响过程变量的是致动器，例如阀或泵，通过致动器可以改变管道段中的液体流量或容器中的填充水平。原则上，现场设备是指应用在过程附近并传送或处理过程相关信息的所有设备。就本发明而言，术语现场设备，因此也指远程I/O，并且通常指布置在现场级别的设备。大量此类现场设备由Endress+Hauser公司生产和销售。

目前，在大量现有的自动化工厂中，通过双导体线路连接到上级单元(例如控制单元PLC)的双导体现场设备仍然很常见。双导体现场设备被实现为使得测量值或致动值作为主要过程变量通过双导体线路或双导体电缆以模拟方式以4mA(毫安)-20mA信号的形式进行通信，即发送或传送。对于发送所有其他数据，HART协议已获得认可，在这种情况下，4mA-20mA的模拟电流信号与数字双导体信号的频率信号叠加以用作数据传送。在HART协议中，数据传送基于1200Hz(赫兹)和2400Hz之间的切换，其中较低频率为逻辑“0”，而较高频率为逻辑“1”。以此方式，缓慢可变的模拟电流信号保持不受频率叠加的影响。通过这种方式，HART协议将模拟和数字通信结合在一起。

但是，在增加数字化的过程中，期望数据不仅能够通过双导体线路传送，即，纯粹通过有线，而且还可以通过电磁波无线通信。例如，可能期望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，或者在现场设备和移动服务单元之间无线传送数据，例如，以通过移动服务设备无线地参数化或配置现场设备。

经常用于无线数据传送的是现场设备适配器，现有的现场设备通过这些适配器进行改造以进行无线数据传送。在这种情况下，这些现场设备适配器可以直接并入双导体线路中。即现场设备适配器实际上作为独立单元连接在上级单元和现场设备之间。替代地，现场设备适配器也可以直接连接在现场设备中，例如通过电缆密封套机械连接并且用现场设备的电子设备来电连接。

通常，现场设备适配器和现场设备应用于存在爆炸危险的区域。通常，在许多工业领域中都可能出现气体、蒸汽、雾或粉尘形式的可燃且爆炸性材料。在这种情况下的重要的领域例如有煤炭开采、化工和石化行业，但也包括食品行业、碾磨操作、废水领域和沼气生产。这些可燃材料与氧气混合后会形成爆炸性气氛。

爆炸发生的三个先决条件：可燃气体或粉尘、氧气和点火源。对于设备和保护系统的制造商而言，这意味着其设备和工厂必须被开发与建立成确保它们不会构成点火源——即使在可能出现的故障的情况下也是如此。为此，已经定义了所谓的点火保护类型，该点火保护类型为爆炸危险应用的设备建立了结构和电路技术。

例如，必须至少使用部分金属外壳。但是，这有一个缺点，即通常不可能有用于无线数据传送的波辐射。此外，诸如例如外部杆状天线，可能附加到现场设备适配器或现场设备以仍然实现波传播的附加物，代表了外壳的弱点，因此应该避免这种情况。

此外，如果天线折断，则必须防止基座处的高场强，这可能会超过自动化工厂爆炸危险区域中允许的能量密度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种设备，该设备能够在爆炸危险区域中使用并且仍然具有高无线电范围，优选地在所有“天空方向”，即尽可能少地将无线电能量集中在某些方向上。此外，该装置的生产应该是成本有效的。

根据本发明，通过如权利要求1所定义的设备、如权利要求18所定义的用于无线数据传送的现场设备适配器以及如权利要求19所定义的自动化技术的现场设备来实现该目的。

本发明的设备用于使用特定波长的电磁波传送信号基于用于在爆炸危险区域中使用的至少部分由金属形成的外壳的设备，包括：

-外壳，所述外壳具有限定的厚度和基本旋转对称的、优选为圆柱形的外轮廓，

-发射/接收单元，所述发射/接收单元被布置在所述外壳中用于产生和/或接收所述电磁波，

-至少一个主天线，所述至少一个主天线被布置在所述外壳中，用于所述电磁波的外耦合和/或内耦合并将所述电磁波传送到所述发射/接收单元和从所述发射/接收单元传送，

-至少一个狭槽形外壳开口，所述至少一个狭槽形外壳开口被实现为，使得所述至少一个狭槽形外壳开口在与所述主天线相互作用时，所述信号通过所述电磁波传入和传出所述外壳，以及

-成型部件，所述成型部件由相对介电数显著大于1的材料制成，并且所述成型部件具有与狭槽形外壳开口相匹配的突出的狭槽形区域，成型部件通过所述狭槽形区域延伸到所述外壳开口中的预定最大深度，其中所述预定深度被选择使得球体或半球体(MK)具有为在设置在所述至少一个狭槽形外壳开口上的情况下不接触所述成型部件的直径，其中所述成型部件还具有与所述狭槽形区域邻接并包围所述狭槽形区域的最小宽度的区域，其中具有所述包围区域的所述成型部件在包围所述至少一个狭槽形外壳开口的区域中被压靠在所述外壳的内侧上，并且所述包围区域的最小宽度被实现为使得对于符合标准IEC60079-1(2014年6月27日版本)的气体，当体积V≤10cm³时，从所述金属外壳内部穿过所述至少一个狭槽形外壳开口到所述金属外壳外侧的最短路径是至少3mm，或者当10cm³<V≤100cm³时所述最短路径是至少6mm，或者当V>100cm³时，所述最短路径是至少10mm，其中体积V被定义为由整个外壳封闭的自由空间。

根据本发明，在下文中也称为波导件的优选为塑料的成型部件受到特别保护，其中波导件的延伸到狭槽形外壳开口中的部分被缩回，使得根据抗冲击测试的规范而允许落在狭槽形外壳开口上的球体不会损坏该波导件。

本发明设备的一个有利实施例进一步包括密封件，所述密封件被引入在所述成型部件的所述狭槽形区域和外壳壁段之间，其中所述成型部件的所述狭槽形区域被设置在所述至少一个狭槽形外壳开口中，所述外壳壁段限定所述狭槽形外壳开口，从而防止灰尘和/或水的渗透。特别地，该实施例可以提供，所述密封件被引入到所述外壳壁段的侧向座中和/或所述狭槽形区域的侧向座中。

本发明装置的另一有利实施例提供，所述成型部件由塑料制成，尤其是由聚乙烯制成。

本发明装置的另一有利实施例，进一步包括弹簧钢固位器，所述弹簧钢固位器被布置在所述外壳的内部中，并且所述弹簧钢固位器被实现为将所述成型部件连同所述包围区域压靠在所述外壳的所述内侧上、在包围所述至少一个狭槽形外壳开口的区域中。特别地，该实施例可以提供，所述弹簧钢固位器具有从截面上看基本U形的中央区域，在所述中央区域的两端上分别实现优选地以大于45°的角度向外延伸的腹板，其中所述腹板的尺寸被设计成使得所述弹簧钢固位器抵靠在或支撑在外壳壁的至少两个位置或区域上，其中，所述弹簧钢固位器还具有切口，并且所述成型部件还具有两个边缘，其中每个边缘都实现在所述包围区域的长边上，并且所述切口和所述边缘被实现为使得所述成型部件能够被引入到所述切口中并且所述成型部件以所述边缘安置于所述弹簧钢固位器上，使得所述弹簧钢固位器将所述成型部件连同所述包围区域压靠在所述外壳的所述内侧上。

本发明的装置的另一有利实施例，进一步包括被布置在所述外壳内的电路板，所述电路板被实现为用于所述电磁波外耦合和/或内耦合的主天线，使得所述电磁波在电路板边缘处侧外耦合或内耦合，并且其中所述电路板被布置在所述外壳中使得电路板边缘朝向所述狭槽形外壳开口定位。特别地，该实施例可以提供，所述电路板由所述外壳中的电路板保持器保持和布置，使得所述电路板边缘朝向所述狭槽形外壳开口定位。

特别地，根据本实施例，主天线可以以平面结构的形式，特别是以导电迹线的形式实现在电路板上，并且布置在电路板的边沿，其中导电迹线可以由两个基本平行的子段组成，它们通过一个180°的弧段连接在一起。

进一步根据实施例，电路板可以包括HF屏蔽围栏，该HF屏蔽围栏优选地实现为至少一排通孔，其中，HF屏蔽围栏可以至少实现在电路板与主天线的同一侧上，并且优选地，可以在电路板边缘上形成邻接电路板的第一侧的矩形区域，主天线布置在该矩形区域中。

替代地或补充地，根据该实施例，还可以提供，所述电路板包括HF屏蔽金属片，所述HF屏蔽金属片优选地具有包含金属的电气部件，例如线圈、电容器、变压器、端子等，并且其中所述HF屏蔽金属片被实现所述电路板的与所述主天线相反的一侧上，和/或所述HF屏蔽金属片和/或HF屏蔽围栏被布置成在所述电路板上使得所述主天线被布置在所述HF屏蔽金属片或所述HF屏蔽围栏与所述电路板边缘之间。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述成型部件具有用于保持和/或定位所述电路板的装置，尤其是一个或多个腹板。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述成型部件和/或所述电路板保持器进一步被实现为使得具有与所述主天线接界(bordering)的所述电路板边缘的所述电路板被布置在所述至少一个狭槽形外壳开口的纵向方向上，基本上平行于所述至少一个狭槽形外壳开口的中心线，并且所述电路板边缘优选地在狭槽形外壳开口的横向方向上基本上居中。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述电路板保持器和所述弹簧钢固位器相对于彼此被实现为使得所述电路板保持器将所述弹簧钢固位器支撑在所述外壳中，以避免打滑和/或移位。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述电路板具有至少一个发光装置，尤其是LED，所述至少一个发光装置被布置在所述电路板边缘上，并且其中优选地，所述狭槽形外壳开口的长度遵循L_狭槽＝λ/2+n_LED·L_LED，其中n_LED为发光装置的数量，L_LED为小于或等于2mm的值。特别地，该实施例可以提供，所述至少一个发光装置被布置在所述电路板边缘上，在所述电路板区域的外侧，尤其是其右侧或左侧，直接定位在所述狭槽形外壳开口后方，并且所述成型部件具有光波导，所述光波导集成并实现在所述成型部件中，使得从所述发光装置发射的光学信号被引导到所述狭槽形外壳开口。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述至少一个狭槽形外壳开口被实现为使得所述狭槽形外壳开口的长度L_狭槽＝λ/2±λ/25，并且所述狭槽形外壳开口的宽度B_狭槽<25mm，优选地B_狭槽≤10mm，特别优选地B_狭槽≤6mm，非常特别优选地B_狭槽≤4mm。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述外壳被实现为使得所述外壳的长度L_外壳＜λ，优选地L_外壳＜0.95·λ，特别优选地L_外壳＜0.90·λ。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述狭槽形外壳开口的宽度B_狭槽≥1/100·λ。

本发明设备的另一有利实施例提供，所述外壳的旋转对称的、优选为圆柱形的外轮廓的周边或周长U_外壳＝n·λ/4，其中n∈N。

本发明还涉及一种现场设备适配器，所述现场设备适配器用于无线地将数据传送到爆炸危险区域或从爆炸危险区域传送数据，所述现场设备适配器包括根据上述实施例中的一个的设备。

本发明还涉及一种自动化技术的现场设备，所述自动化技术的现场设备包括根据上述实施例的现场设备适配器，其中所述外壳在第二端处具有机械连接元件，用于将所述现场设备适配器连接到，尤其是拧到，所述现场设备的电缆密封套上。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图的图如下示出：

图1为使用特定波长的电磁波传送信号的设备的示意图，

图2是图1所示的设备的纵向截面图，

图3是设备的截面和狭槽形外壳开口的详细视图，

图4是狭槽形外壳开口与电路板的示意图，以说明两者的相对布置，

图5是设备的附加实施例的示意图，

图6是在图5中透视地示出的HF电路路径U1和U2，在这种情况下在平面中示出以阐明延迟元件的操作，

图7是本发明设备的透视图，

图8是本发明设备的透视图，其中移除了外壳的一些部分，

图9是本发明设备的截面，

图10是狭槽形外壳开口的详细视图，以说明根据本发明的波导件的实施例，并且

图11是成型部件或波导件的截面。

具体实施方式

图1所示的设备包括外壳2，该外壳基本上由金属制成，优选由不锈钢制成。但是，外壳2也可以替代地由塑料制成并且优选在其内部衬有金属层。在这种情况下，外壳2在几何上被实现为使得它在外部具有基本旋转对称的封闭形式。例如，如图1所示的外壳可以具有基本上圆柱形的外轮廓。当然，外壳可以具有开口，例如电通路13、14以及狭槽形开口5。因此，圆柱形外壳2的端部21、22可以提供电缆通路13、14，通过该电缆通路13、14，各自具有至少一个信号线路的电缆1a、1b延伸到外壳2中或从外壳2延伸出来。电缆1a、1b可以包括例如在过程和/或制造自动化中常用的双导体线路。替代地，在两个端面之一中，可以提供机械连接元件，用于将设备连接，尤其是拧到现场设备7的电缆密封套。

在外壳2中布置有电路板6，具有信号线路的电缆1a、1b通向该电路板或从该电路板引入或引出。电路板6包括用于产生和接收电磁波的发射/接收单元11。发射/接收单元11可以是例如以芯片形式实现的HF调制解调器。电路板6还包括主天线4，用于外耦合产生的电磁波以及用于内耦合和传送接收的电磁波，并且还可以补充地包括匹配结构15。匹配结构15可以实现为发射/接收单元的一部分和/或主天线的一部分。替代地，匹配结构15也可以实现为电路板6的独立部件。

发射/接收单元11适于产生和接收频带为2.4GHz的电磁波，使得通过电缆或双导体线路传送的信号也可以由设备通过蓝牙(在给定情况下，也通过蓝牙低功耗)以无线方式传送或上述变体之一。

外壳2包括具有长度L_狭槽的狭槽形开口5，其中长度L_狭槽可以对应于电磁波的大约一半波长λ/2。狭槽形开口5的宽度B_狭槽可以选择为<25mm，优选地B_狭槽≤10mm，特别优选地B_狭槽≤6mm，非常特别优选地

在频率为2.4GHz且波长约为λ＝122.36mm的情况下，狭槽形外壳开口5可具有例如范围在

的长度和宽度约

狭槽形开口5没有到电路板6的电连接，并由安置在外壳2内的主天线4辐射。此外，外壳长度L_外壳可以选择为小于波长1·λ。优选地，外壳长度L_外壳可以<0.95·λ，特别优选地L_外壳<0.90·λ。这样，一方面，外壳在工作频率下不用作谐振器，另一方面，在圆柱形外壳2内不可能有空心导体传播。

图2示出了图1所示设备的截面。图2包括电路板6的侧视图，电路板6布置在外壳2中。外壳包括两个端面21、22，其中，在每个端面中，可以放置电缆通路13、14(包括电缆和固位器)。为了没有高频能量侧向辐射，可以选择电通路的直径D_电缆<1/4·λ。图2另外示出了主天线4，该主天线也被称为辐射结构。主天线4与狭槽形外壳开口5和外壳2一起形成天线。此外，为了能够在安装之前测试电路板6，主天线4还可以被实现为使得即使在没有外壳的情况下，其至少在近场8中具有至少轻微的天线效应。

图3在左侧示出了图1和图2所示的设备的截面，在图1和图2的情况下，电路板6可以优选地被实现为使得电路板厚度D_PCB>B_狭槽/2，使得当具有电路板边缘61的电路板6定向在圆柱形外壳2的直径的中点MP上时，电路板6至少部分地桥接狭槽形外壳开口5，特别是至少一半，其中主天线4在电路板边缘61上接界。

图3在右侧进一步示出了详细视图，以说明电路板6和狭槽形外壳开口5之间的可能布置。此外，电路板6可以布置为使得电路板边缘61与主天线4相邻，平行于狭槽形外壳开口5的中心线CL。

图4同样示出了狭槽形外壳开口5和电路板6的示意图，以便更详细地描述电路板6的实施例。

因此，电路板6可以包括由通孔17组成的HF屏蔽围栏16。在这种情况下，通孔17可以实现为它们从电路板的第一侧(顶部)63延伸到电路板的第二侧(底部)64。这意味着通孔17可以延伸穿过电路板6的所有层。替代地，通孔17也可以实现为仅从电路板63的第一侧延伸到中间电路板层。HF屏蔽围栏16可以优选地实现为两排，以便在小的、成本有效地下生产的通孔的情况下也实现最大的围栏效应，并极大地降低外壳中其他元件(诸如，拧入的电缆)的影响。由于HF屏蔽围栏16，可以在电路板63的第一侧上限定基本上矩形的区域65，该基本上矩形的区域限于电路板边缘61的一侧。

此外，HF屏蔽围栏16可以由HF屏蔽金属片18补充，该HF屏蔽金属片布置在电路板的第二侧(背面)64上。图4用虚线表示HF屏蔽金属片在电路板背面上的布置。HF屏蔽金属片18除了屏蔽HF波之外还可以实现电路板6上的另一功能。例如，HF屏蔽金属片18可以包括包含金属的电气部件，诸如例如，线圈、电容器、变压器、端子等，其中HF屏蔽金属片18优选地与HF屏蔽围栏16电连接。替代地电路板6上的其他金属部件、具有高金属含量的部件(诸如线圈)或具有高DK的材料部件(诸如扁平SMD电容器)可以用作HF屏蔽金属片18。

此外，如图4所示，电路板6可以包括发射和/或接收单元11、主天线4、用于发射和/或接收单元11与主天线4之间的阻抗匹配的匹配结构15以及两个LED 19。这些LED可以用于发射光信号，以便例如用信号通知设备的状态。为了能够在外壳2的外部看到LED，狭槽形外壳开口的长度可以以特定于LED的范围扩大。例如，狭槽形外壳开口的长度可以左右加长一毫米(1mm)。这意味着，在这种情况下，狭槽形外壳开口的长度

其中n_LED＝2mm且L_LED＝1mm。由于外壳厚度的干涉效应，细长的狭槽形外壳开口不像一个细长的切口那样表现，而是在HF技术上相当像椭圆形，使得它可以在没有重大影响的情况下，在两端加长1mm到2mm。

从图4明显看出，主天线4可以布置在矩形区域65中。主天线4可以优选地以导电迹线41、42、43、44的形式实现，这些导电迹线可以具有有源部分42和无源部分41。有源部分和无源部分41、42可以通过180°弧段43连接在一起，使得导电迹线具有特定的总长度，以便在中心频率下充当谐振器。最后，该长度可以由圆形区域44终止，以便降低谐振器的质量，并且实际上足以将瞬态振铃保持在特定发射和/或接收单元的维特比算法(Viterbialgorithm)的路径长度以下。

在这种情况下，有源部分42用作实际的“辐射器”，其中无源部分41的能量可以通过HF屏蔽金属片18的接地区域181导出，其中HF屏蔽金属片18从HF屏蔽围栏16延伸到电路板底面64，以便使无源部件41不充当“辐射器”。有源部分41和无源部分42的相互作用能够形成辐射器，否则该辐射器将在狭槽形外壳开口5的整个宽度上延伸至比狭槽形外壳开口5稍窄的宽度。以这种方式，在狭槽形外壳开口的外边缘上的干涉效应只能以限定的方式部分地影响辐射器，并且通过狭槽形外壳开口的辐射仍然是可能的。接地区域181可以在侧轮廓中特别具有L形结构。此外，为了提高排离(draining away)的效率，可以在电路板64的底部放置结构。该结构还可以包括例如HF屏蔽金属片或其他金属部件。通过这种方式，剩余功率可以被偏转并辐射到狭槽形外壳开口5。这补充地导致更好的天线匹配(-20…30dB，在中心频率周围+-5％的范围内)，并且，此外，导致生产公差的额外稳定性。必要的180°弧段43的辐射可以与同样可以布置在电路板的矩形区域65中的结构20匹配到刚好在零欧姆以上的阻抗值，以便然后传递到HF屏蔽围栏16。例如，该结构在电路板的平面图中可以具有锯齿形轮廓。

电路板6可以在外壳2中被定向成使得延续到电路板边缘61的外通孔可以分别在纵向方向上的狭槽宽处与狭槽形外壳开口的边缘具有大约1mm的分离。

图5示出了设备的另一个实施例的示意图，在该实施例中，外壳2可以具有4倍旋转对称的外轮廓。为了能够在存在爆炸危险的区域(所谓的爆炸危险区域，简称“Ex区域”)中应用该装置，狭槽形开口5填充有不同于空气的另一种材料，特别是非导电材料，如，玻璃。塑料，尤其是聚乙烯，已被证明特别适合作为不导电材料。

作为补充或替代，例如图5中所示，外壳可以在几何形状上实现为使得在两个大尺度空间方向上测量的至少两个外部HF电路路径U1、U2(优选在外壳的每个空间方向上测量的外部HF电路路径)都对应于电磁波的半波长λ/2的整数倍，其中信号以该电磁波发射。在这种情况下，可以测量或建立HF电路路径，使得它们分别穿过狭槽形外壳开口。优选地，可以建立HF电路路径，使得它们延伸穿过狭槽形外壳开口的中心。

为了进一步详述在图5中透视地说明的HF电路路径U1和U2，将它们再次在图6中示出，这次是在一个平面中示出。图6示出了每个HF电路路径U1和U2穿过狭槽形外壳开口5。

为了局部地延长波的往返时间，即引入延迟，可以在外壳2的外表面上实现一个或多个电路延迟元件10。图5中以示例的方式示出了两个延迟元件10放置在外壳外表面上。图5中所示的延迟元件10可以实现为沟槽形元件。但是，另一种选项也是点形的一个或多个元件，其可以由不同于外壳2的另一种材料实现，尤其是介电材料或高频超材料。通过适当的定位，HF电路路径可以在一个或多个空间方向上被有意地改变，尤其是扩大。应当注意的是，取决于电路延迟元件的结构尺寸，HF电路路径通常略小于(机械)路径，诸如U_外壳，因为电磁波部分跳过特别小的结构，并且通过E和H场的相互作用，总体上会产生轻微的缩短。

图7示出了本发明的设备的示意图。该设备包括：金属外壳(其中外壳关于外轮廓并且除了狭槽形外壳开口5以外优选地关于中心轴线基本上旋转对称)；该金属外壳具有限定的厚度D_外壳；狭槽形外壳开口5；以及电缆通路13、14。此外，外壳2被实现为使得其能够用于爆炸危险区域，特别是气体爆炸危险区域。为此，外壳的设计满足国际标准IEC 600798-1(2014年6月27日版本)的点火保护类型“耐压封装”(指定为Ex-d)的要求。在这种点火保护类型的情况下，可以防止爆炸的传播。在这里，保护主要依靠结构措施，因此实际上并不能阻止气体的渗透，并且在外壳内部发生点火的情况下，外壳能够承受爆炸的压力并且点火不会传播到外部。为了满足点火保护类型“耐压封装”的要求，金属外壳2在最简单的情况下具有对应的最小厚度，例如3mm。但是，狭槽形外壳开口5的存在代表着增加了满足点火保护类型“耐压封装”要求的结构挑战。

图8省略了外壳，以示出图7设备的内部结构。原则上，该设备由单独的部件组成，这些部件聚集在一起，例如，插在一起，以便构成本发明的设备。

如图8所示，在狭槽形外壳开口5的区域中，存在由相对介电数(无量纲数)显著大于1(ε_r>1)的材料制成的成型部件，该成型部件对于可见范围内的电磁辐射特别透明，并且该成型部件因此在下文中也称为波导件23。例如，波导件23可以由塑料制成，尤其是由聚乙烯(PE)制成。替代地，波导件23也可以由玻璃制成。由于选择显著大于1的相对介电数ε_r，实现了波长λ的缩短。波导件23被实现为使得它具有突出的狭槽形区域231，在应用外壳2的情况下，该突出的狭槽形区域231延伸到狭槽形外壳开口5中至预定深度T_波导件。此外，波导件23包括区域232，该区域具有限定的最小宽度B_波导件并且在所有侧包围狭槽形区域231。在这种情况下，选择最小宽度，使得当体积V≤10cm³时，符合标准IEC 60079-1(2014年6月27日版本)的金属外壳的狭槽形外壳开口的从内部到外侧的最短路径是至少3mm，或者当体积在10cm³<V≤100cm³范围内时，该最短路径是至少6mm，或者当体积V>100cm³时，该最短路径是至少10mm，其中将被整个外壳封闭的自由空间定义为体积V。在一个特别优选的实施例中，所限定的最小宽度为6mm。

图9示出了本发明的设备的截面。从图9明显看出，包围区域232的外表面与外壳壁匹配，使得处于安装状态的包围区域232尽可能齐平地贴靠在外壳2的内部。根据波导件23的对应的实施例，该波导件23在平面图中具有基本上椭圆形的轮廓，其中为了将波导件23机械地连接到外壳2，还提供两个边缘233作为接触区域。该两个边缘233在波导件的长边上附加到包围区域232。通过边缘233，处于安装状态的波导件23可以被弹簧钢固位器24压靠在外壳内部。为了实现尽可能均匀的力分布以及波导件23面朝外壳2内部的面压靠，包围区域232的表面段与外壳内部的表面段围绕狭槽形外壳开口5相匹配。这意味着波导件23在截面上具有基本上弯曲的轮廓。

为了避免灰尘和/或水的渗入，波导件23的突出的狭槽形区域231包括，如图9所示，在安装状态下朝向外壳壁的侧表面上包括用于密封件26的座235。作为密封件提供的可以是例如包围的椭圆形环，其在安装状态下被引入到座235中。

图10示出了狭槽形外壳开口5的详细视图，以说明本发明的波导件23的实施例。根据本发明，波导件23的突出的狭槽形区域231被实现为使得该突出的狭槽形区域231在安装状态下延伸到狭槽形外壳开口5中的最大预定深度T_波导件，其中最大预定深度T_波导件被选择为使得球体或半球体MK在落在狭槽形外壳开口上的情况下，刚好不接触引入到狭槽形外壳开口5中的狭槽形区域。图10示意性地示出了用附图标记MK标明的球体。特别地，直径为25mm的硬化钢球适合作为球体或半球体。抗冲击测试特别根据国际标准IEC 60079-0(2017年12月13日版本)来执行。

为了将波导件23机械地固定在外壳2上，更具体地固定在外壳2的内表面上，提供了弹簧钢固位器24，该弹簧钢固位器用于将波导件23压靠在外壳2的内部。为此，弹簧钢固位器24在中央区域的截面基本上呈U形，在其两端处，腹板242以大约90°的角度突出，使得弹簧钢固位器至少在两个位置上支承在外壳壁上。为了安置波导件，弹簧钢固位器在中央区域包括一个切口，该切口被实现为使得波导件可以被引入到切口中，并且波导件23与两个边缘233齐平地位于切口243的边缘上。

为了尽可能少地影响波传播，弹簧钢固位器24的切口24被实现为使得切口的长度L_切口有意义地大于狭槽形外壳开口的宽度B_狭槽或当，在HF屏蔽围栏16的右侧和左侧的电路板上分别提供发光装置(例如LED)的情况下，切口的宽度足够大于该两个发光装置彼此之间的间隔。关于切口的宽度B_切口，弹簧钢固位器24被实现为使得该宽度与外壳2的内径匹配，其中宽度优选地选择为尽可能大。

弹簧钢固位器24被保持在外壳2中的塑料成型部件25上，该塑料成型部件同时用作电路板6的支撑。塑料成型部件25同样如此被实现为使得其具有与外壳内部的表面轮廓匹配的表面轮廓。塑料成型部件25被实现为使得在纵向方向上的安装状态下，具有与主天线4接界的电路板边缘61的电路板6，与狭槽形外壳开口5的中心线CL平行定位。此外，如图3所示，电路板可以布置在狭槽形外壳开口的横向方向上，使得电路板边缘61基本上居中。为了电路板边缘61的精确定位，波导件23可以具有一个或多个翅片237，该一个或多个翅片保持和/或定位电路板6。翅片237可以被实现为例如细长的、截面呈U形的沟槽的形式，电路板6可插入该翅片中。

图11示出了成型部件或波导件23的一部分的截面，以说明本发明的装置的另一个实施例。在这种情况下，波导件23被实现为使得其包含内部光波导236，通过该内部光波导236，为光信号提供从入口到突现(emergence)点或突现区域的光路径OP。作为示例，图11中示出了三个不同的光路。由于光波导236形成在波导件内，LED可以布置在电路板6上，使得这些LED不需要直接布置在狭槽形外壳开口5后方，而是可以布置在电路板6上的位于被狭槽形外壳开口遮蔽的区域之外。经由光波导，然后光信号从入射点或区域，直接通过发光装置被引导到突现点或突现区域。在这种情况下，突现点或突现区域可以位于，特别是狭槽形外壳开口的长度因LED而被增大的区域中。例如，如图11中示例所示，在电路板上提供两个发光装置的情况下，狭槽形外壳开口可以左右加长约一毫米(1mm)的长度，并且光信号可以从发光装置19经由光波导236被引导到这些区域。

附图标记列表

1a，1b 电缆

2 外壳

201 外壳内部的自由空间

202 外壳内部

203 外壳壁段

204 外壳壁的区域，弹簧钢固位器支撑抵靠该区域

21 外壳的第一端

22 外壳的第二端

23 成型部件或波导件

231 狭槽形区域

232 包围区域

233 边缘

234 波导件的表面轮廓

235 侧密封座

236 光波导

237 用于固定和/或定位电路板的腹板

24 弹簧钢固位器

241 U形中心区域

242 腹板

243 切口

25 塑料成型部件，电路板保持器

26 密封件

3 电磁波

4 主天线

41 导电迹线的无源部分

42 导电迹线的有源部分

43 导电迹线的180°弧段

44 导电迹线的圆形区域

5 狭槽形外壳开口

6 电路板

61 电路板边缘

62 电路板边沿

63 电路板第一侧

64 电路板第二侧

65 矩形区域

7 现场设备

8 近场

9 远场

10 电路延迟元件

11 发射/接收单元

12 不导电材料

13 用于电缆通入的电缆通路

14 用于电缆通出的电缆通路

15 匹配网络，或结构

16 HF屏蔽围栏

17 通孔

18 HF屏蔽金属片

181 从屏蔽金属片延伸的接地区域

19 发光装置，特别是LED

20 阻抗匹配结构

T_波导件 波导件以其狭槽形区域延伸到狭槽形外壳开口

中的深度

D_电缆 电缆通路的直径

L_切口 波导件切口的长度

L_外壳 外壳长度

L_狭槽 狭槽形外壳开口的长度

B_切口 波导件切口的宽度

B_狭槽 狭槽形外壳开口的宽度

B_波导件 包围区域的最小宽度

D_外壳 外壳厚度

U_外壳 外壳周长

D_PCB 电路板厚度

λ 电磁波的波长

U1、U2 外壳周围的外部路径

MP 外壳的中心

MK 球体，或半球体

ML 狭槽形外壳开口的中心线

ε_r 相对介电数(无量纲单位)

α 延伸腹板的角度

U1、U2 HF电路路径

OP 光路

Claims (19)

1.一种用于使用特定波长(λ)的电磁波(3)并且基于用于在爆炸危险区域中使用的至少部分由金属形成的外壳(2)传送信号的设备，包括：

-所述外壳(2)，所述外壳(2)具有限定的厚度(D_外壳)和基本旋转对称的、优选为圆柱形的外轮廓，

-发射/接收单元(11)，所述发射/接收单元(11)被布置在所述外壳(2)中用于产生和/或接收所述电磁波(3)，

-至少一个主天线(4)，所述至少一个主天线(4)被布置在所述外壳(2)中，用于所述电磁波(3)的外耦合和/或内耦合并将所述电磁波(3)传送到所述发射/接收单元(11)和从所述发射/接收单元(11)传送，

-至少一个狭槽形外壳开口(5)，所述至少一个狭槽形外壳开口(5)被实现为，使得所述至少一个狭槽形外壳开口(5)在与所述主天线(4)相互作用时，所述信号通过所述电磁波(3)传入和传出所述外壳，以及

-成型部件(23、231、232、233、234、235、236)，所述成型部件(23、231、232、233、234、235、236)由相对介电数显著大于1的材料制成，并且所述成型部件具有与狭槽形外壳开口相匹配的突出的狭槽形区域(231)，成型部件通过所述狭槽形区域(231)延伸到所述外壳开口中的预定最大深度(T_波导件)，其中所述预定深度(T_波导件)被选择为使得球体或半球体(MK)具有在设置在所述至少一个狭槽形外壳开口上的情况下不接触所述成型部件的直径，其中所述成型部件还具有与所述狭槽形区域邻接并包围所述狭槽形区域的最小宽度(B_波导件)的区域(232)，其中具有所述包围区域的所述成型部件在包围所述至少一个狭槽形外壳开口的区域中被压靠在所述外壳的内侧(202)上，并且所述包围区域(232)的最小宽度被实现为使得对于符合标准IEC 60079-1(2014年6月27日版本)的气体，当体积V≤10cm³时，从所述金属外壳内部穿过所述至少一个狭槽形外壳开口到所述金属外壳外侧的最短路径是至少3mm，或者当10cm³<V≤100cm³时，所述最短路径是至少6mm，或者当V>100cm³时，所述最短路径是至少10mm，其中体积V被定义为由整个外壳封闭的自由空间。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括密封件(26)，所述密封件(26)被引入在所述成型部件的所述狭槽形区域(231)和外壳壁段(203)之间，其中所述成型部件的所述狭槽形区域(231)被设置在所述至少一个狭槽形外壳开口中，所述外壳壁段(203)限定所述狭槽形外壳开口，从而防止灰尘和/或水的渗透。

3.根据前一权利要求所述的设备，其中，所述密封件(26)被引入到所述外壳壁段(203)的侧向座(235)中和/或所述狭槽形区域(231)的侧向座(235)中。

4.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，所述成型部件由塑料制成，尤其是由聚乙烯制成。

5.根据前述权利要求中的一项所述的设备，进一步包括弹簧钢固位器(24)，所述弹簧钢固位器(24)被布置在所述外壳的内部中，并且所述弹簧钢固位器(24)被实现为将所述成型部件连同所述包围区域压靠在所述外壳的所述内侧上、在包围所述至少一个狭槽形外壳开口的区域中。

6.根据前一权利要求所述的设备，其中，所述弹簧钢固位器(24)具有从截面上看基本U形的中央区域(241)，在所述中央区域(241)的两端上分别实现优选地以大于45°的角度(α)向外延伸的腹板(242)，其中所述腹板的尺寸被设计成使得所述弹簧钢固位器抵靠在或支撑在外壳壁(204)的至少两个位置或区域上，其中，所述弹簧钢固位器还具有切口(243)，并且所述成型部件还具有两个边缘(233)，其中每个边缘都实现在所述包围区域的长边上，并且所述切口和所述边缘被实现为使得所述成型部件能够被引入到所述切口中并且所述成型部件以所述边缘安置于所述弹簧钢固位器上，使得所述弹簧钢固位器将所述成型部件连同所述包围区域(232)压靠在所述外壳的所述内侧上。

7.根据前述权利要求中的一项所述的设备，进一步包括被布置在所述外壳(2)内的电路板(6)，所述电路板(6)被实现为用于所述电磁波(3)的外耦合和/或内耦合的主天线(4)，使得所述电磁波(3)在电路板边缘(61)处侧外耦合或内耦合，并且其中所述电路板被布置在所述外壳(2)中使得所述电路板边缘(61)朝向所述狭槽形外壳开口(5)定位。

8.根据前一权利要求所述的设备，其中，所述电路板(6)由所述外壳中的电路板保持器(25)保持和布置，使得所述电路板边缘(61)朝向所述狭槽形外壳开口(5)定位。

9.根据至少前一权利要求所述的设备，其中，所述成型部件(23)具有用于保持和/或定位所述电路板(6)的装置，尤其是一个或多个腹板(237)。

10.根据权利要求8或9中的一项所述的设备，其中，所述成型部件(23)和/或所述电路板保持器(25)进一步被实现为使得具有与所述主天线(4)接界的所述电路板边缘(61)的所述电路板(6)被布置在所述至少一个狭槽形外壳开口的纵向方向上，基本上平行于所述至少一个狭槽形外壳开口(5)的中心线(CL)，并且所述电路板边缘优选地在狭槽形外壳开口的横向方向上基本上居中。

11.根据权利要求8至10中的一项所述的设备，其中，所述电路板保持器(25)和所述弹簧钢固位器相对于彼此被实现为使得所述电路板保持器(25)将所述弹簧钢固位器支撑在所述外壳(2)中，以避免打滑。

12.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备，其中，所述电路板(6)具有至少一个发光装置(19)，尤其是LED，所述至少一个发光装置(19)被布置在所述电路板边缘(61)上，并且其中优选地，所述狭槽形外壳开口的长度遵循L_狭槽＝λ/2+n_LED·L_LED，其中n_LED为发光装置的数量，L_LED为小于或等于2mm的值。

13.根据前一权利要求所述的设备，其中，所述至少一个发光装置(19)被布置在所述电路板边缘(61)上，在所述电路板(6)区域的外侧，尤其是其右侧或左侧，直接定位在所述狭槽形外壳开口(5)后方，并且所述成型部件(23)具有光波导(236)，所述光波导(236)集成并实现在所述成型部件(23)中，使得从所述发光装置(19)发射的光学信号被引导到所述狭槽形外壳开口。

14.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备，其中，所述至少一个狭槽形外壳开口被实现为使得所述狭槽形外壳开口的长度L_狭槽＝λ/2±λ/25，并且所述狭槽形外壳开口的宽度B_狭槽<25mm，优选地B_狭槽≤10mm，特别优选地B_狭槽≤6mm，非常特别优选地B_狭槽≤4mm。

15.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，所述外壳被实现为使得所述外壳的长度L_外壳＜λ，优选地L_外壳＜0.95·λ，特别优选地L_外壳＜0.90·λ。

16.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备，其中，所述狭槽形外壳开口的宽度B_狭槽≥1/100·λ。

17.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备，其中，所述外壳的旋转对称的、优选为圆柱形的外轮廓的周边或周长U_外壳＝n·λ/4，其中n∈N。

18.一种用于到爆炸危险区域中或从爆炸危险区域的无线数据传送的现场设备适配器，包括根据前述权利要求中的一项所述的设备。

19.一种自动化技术的现场设备，所述现场设备包括根据前一权利要求所述的现场设备适配器，其中所述外壳(2)在第二端(22)处具有机械连接元件，用于将所述现场设备适配器连接到，尤其是拧到，所述现场设备的电缆密封套上。

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