DE102014117315A1 - Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einer Gehäuseöffnung eines metallischen Gehäuses - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus mindestens einer Gehäuseöffnung (2) eines zumindest teilweise metallischen Gehäuses (3) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (4) einer bestimmten Wellenlänge, umfassend eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (5) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (4), mindestens eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Primärantenne (6) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (4) der Sende-/Empfangseinheit (5) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (4) an die Sende-/Empfangseinheit (5), wobei das Gehäuse (3) dermaßen dimensioniert ist, dass das Gehäuse (3) als ein Resonator für die elektromagnetischen Wellen (4) der bestimmten Wellenlänge fungiert, und wobei der Abstand zwischen der Gehäuseöffnung (2) und einem der Maxima der Felddichte der elektromagnetischen Wellen (4) weniger als ein Achtel, bevorzugt weniger als ein Sechzehntel der Wellenlänge beträgt, so dass die elektromagnetischen Wellen (4) gebündelt aus der Gehäuseöffnung (2) austreten.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus mindestens einer Gehäuseöffnung eines zumindest teilweise metallischen Gehäuses mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge.
• In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung, Optimierung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. RFID-Systeme werden beispielsweise verwendet, um Feldgeräte zu identifizieren.
• Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, der sich in einem Gehäuse befindet und einen kennzeichnenden Code enthält, sowie einem Lesegerät zum Auslesen dieser Kennung. Ein NFC-System ermöglicht zusätzlich einen entgegengesetzten Informationsweg. Nachteilig an RFID- und NFC-Transpondern ist das Metallgehäuse oder das metallisch beschichtete Gehäuse der meisten Feldgeräte, welche für elektromagnetische Wellen im für RFID notwendigen Bereich im Wesentlichen nicht durchlässig sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Übertragung von Signalen mittels elektromagnetischer Wellen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse verbessert.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus mindestens einer Gehäuseöffnung eines zumindest teilweise metallischen Gehäuses mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge, umfassend
  eine in dem Gehäuse angeordnete Sende-/Empfangseinheit zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen,
  mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete Primärantenne zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen der Sende-/Empfangseinheit und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen an die Sende-/Empfangseinheit,
  dadurch gekennzeichnet,
  dass das Gehäuse dermaßen dimensioniert ist, dass
  das Gehäuse als ein Resonator für die elektromagnetischen Wellen der bestimmten Wellenlänge fungiert, und
  dass der Abstand zwischen der Gehäuseöffnung und einem der Maxima der Felddichte der elektromagnetischen Wellen weniger als ein Achtel, bevorzugt weniger als ein Sechzehntel der Wellenlänge beträgt, so dass die elektromagnetischen Wellen gebündelt aus der Gehäuseöffnung austreten.
• Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Bündelung der EM-Wellen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis durch gedämpfte Mehrfachreflexionen innerhalb des metallischen Gehäuses erreicht, wodurch sich eine größere Kommunikations-Reichweite der elektromagnetischen Wellen außerhalb des Gehäuses erreichen lässt.
• Gemäß einer günstigen Ausgestaltung weist das Gehäuse eine konische Form auf, wobei die Gehäuseöffnung an einer Spitze oder ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge von der Spitze des konischen Gehäuses entfernt angeordnet ist.
• Gemäß einer günstigen Ausführungsform ist das Gehäuse rund, quadratisch oder als ein n-Eck ausgebildet. Eine besonders günstige Ausgestaltung ist ein n-Eck, dessen Kantenlänge eine halbe Wellenlänge der Kommunikationsfrequenz beträgt.
• Gemäß einer günstigen Variante ist das Gehäuse zylinderförmig ausgestaltet, wobei eine erste Stirnfläche des zylindrischen Gehäuses offen ausgestaltet ist, und wobei die Gehäuseöffnung an einer zweiten Stirnfläche des zylindrischen Gehäuses angeordnet ist.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Gehäuseöffnung eine Bündelungsvorrichtung zur Bündelung der elektromagnetischen Wellen auf.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bündelungsvorrichtung als ein Hohlleiter mit mindestens einer Verengung ausgestaltet.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform überschreitet die Bündelungsvorrichtung in Richtung der Übertragung der elektromagnetischen Wellen eine Länge von einem Viertel, insbesondere einem Achtel der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen nicht.
• Gemäß einer vorteilhaften Variante ist das Innere der Bündelungsvorrichtung mittels eines dielektrischen Materials zumindest teilweise gefüllt. Das Material ist ein Material zur prozessfesten Dichtung, wie z.B. Glas. Es kann sich bei dem Material auch um eine Vergussmasse handeln.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Bündelungsvorrichtung eine erste und eine zweite Verengung auf, wobei die erste Verengung im Bereich der ersten Stirnfläche und die zweite Verengung im Bereich der zweiten Stirnfläche der zylinderförmigen Bündelungsvorrichtung angeordnet ist.
• Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist eine Patchantenne an der mindestens einen Gehäuseöffnung angeordnet, um die von der Primärantenne ausgesendeten elektromagnetischen Wellen durch die Gehäuseöffnung nach außen zu übertragen und die von außen empfangenen elektromagnetischen Wellen durch die Gehäuseöffnung in das Innere des Gehäuses zu übertragen.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Einkoppelpin der Patchantenne durch die mindestens eine Gehäuseöffnung hindurchgeführt.
• Gemäß einer günstigen Variante ist das Gehäuse dermaßen dimensioniert, dass ein Umfang des Gehäuses annähernd ein ganzzahliges vielfaches der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellenlänge ist.
• Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1a: einen Längsschnitt einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik, bei dem die Signale mittels geführten elektromagnetischen Wellen aus einem metallischen Gehäuse übertragen werden,
• 1b: einen Längsschnitt einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik, bei dem die Signale mittels freien elektromagnetischen Wellen aus einem metallischen Gehäuse übertragen werden,
• 2: einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Gehäuse mit zwei Gehäuseöffnungen,
• 3: einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als Feldmessgerät mit einem Sensor ausgestaltet ist und auf einem Behälter montiert ist,
• 4: eine Seitenansicht einer ersten Ausgestaltung einer Bündelungsvorrichtung, die an einem Punkt höchster Felddichte eine Öffnung aufweist,
• 5: einen Längsschnitt einer zweiten Ausgestaltung einer Bündelungsvorrichtung, die durch die Gehäuseöffnung hindurchgeführt ist,
• 6: einen Längsschnitt eines Hohlleiters mit einer mittig in dem Hohlleiter angeordneten Verengung,
• 7a: einen Längsschnitt eines Hohlleiters mit zwei Verengungen, die an der Stirnfläche des Hohlleiters angeordnet sind,
• 7b: einen Längsschnitt eines Hohlleiters mit einer Verengung, die an der einer Stirnfläche des Hohlleiters angeordnet ist,
• 8a: einen Längsschnitt eines Hohlleiters entsprechend 7b mit einer Patchantenne, und
• 8b: einen Längsschnitt eines Hohlleiters entsprechend 6 mit einem in der Verengung angeordneten Einkoppelpin,
• 9: eine Seitenansicht einer PG-Kabelverschraubung,
• 10: eine Draufsicht eines Gehäuses eines Feldgeräts der Produktserie Micropilot,
• 11: eine Draufsicht auf eine PG-Kabelverschraubung mit Einkoppelpin.
• 1a zeigt einen Längsschnitt einer Vorrichtung 1 aus dem Stand der Technik, die geeignet ist, um Signale mittels elektromagnetischer Wellen 4 (EM-Wellen 4) aus einem metallischen Gehäuse 3 zu übertragen. Außerhalb des Gehäuses 3 ist eine Antenne 14 vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 15 mit einer Leiterplatte 16 innerhalb des Gehäuses 3 verbunden ist. Hierbei dient zumeist ein Teil des metallischen Gehäuses 3 sowohl als Reflektor als auch als Bezugsmasse der Antenne 14. Nachteilig an solch einer Vorrichtung 1 ist, dass zusätzliche Bauteile am Gehäuse 3 notwendig sind.
• 1b zeigt einen Längsschnitt einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik, bei dem die Signale mittels freien EM-Wellen aus einem metallischen Gehäuse übertragen werden. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 und eine konventionelle Antenne 14 aus dem Stand der Technik auf, wobei die Antenne 14 beispielsweise in einem Frequenzbereich von 2.4 GHz für WLAN oder Bluetooth betrieben wird. Hierbei kann es sich um eine Antenne 14 handeln, die in einer Leiterplatte 16 oder in einem Chip (nicht dargestellt) integriert ist, wobei die Leiterplatte 16 oder der Chip innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet sind. Ferner kann es sich bei der Antenne 14 um eine diskrete, aufgelötete einzelne Antenne 14 mit oder ohne Balun handeln.
• 2 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Gehäuse 3, in dem eine Leiterplatte 16 angeordnet ist. Auf der Leiterplatte 16 ist eine Primärantenne 6 angeordnet, die geeignet ist EM-Wellen 4 einer bestimmten Wellenlänge zu senden und zu empfangen.
• Die Primärantenne 6 sendet EM-Wellen 4 einer bestimmten Wellenlänge aus. Die EM-Wellen 4 treffen auf das metallische Gehäuse 3 und werden von dem Gehäuse 3 absorbiert. Das Gehäuse 3 weist im Inneren eine Struktur auf, die geeignet ist, um die von der Primärantenne 6 gesendeten EM-Wellen 4 zu absorbieren und in ungerichteter Form außerhalb des Gehäuses 3 auszusenden. Die ungerichtete Aussendung außerhalb des Gehäuses 3 ist notwendig, um eine Kommunikation in einem weiten Bereich und großer Reichweite außerhalb des metallischen Gehäuses 3 sicherzustellen. Umgekehrt werden von außen eintreffende EM-Wellen 4 auf die Leiterplatte 16 gebündelt, jedoch nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich, um eine geforderte elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen.
• 3 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die als Feldmessgerät 5 ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 1 weist weiterhin einen Sensor 17 auf, der über einen Flansch 18 mit einem Behälter 19 verbunden ist. Auf diese Weise ist eine große Reichweite der EM-Wellen zur drahtlosen Kommunikation innerhalb des Behälters 19 überflüssig.
• Aus diesem Grund wird das Gehäuse 3 dermaßen dimensioniert, dass das Gehäuse 3 als ein Resonator für die EM-Wellen der bestimmten Wellenlänge fungiert.
• Die Breitbandigkeit von Resonatoren wird durch deren Güte bestimmt und ist im Allgemeinen relativ hoch (z.B. Q = 100...10.000). Der Kehrwert der Güte bestimmt die Bandbreite, welche jedoch auch von weiteren Faktoren wie Wirkungsgrad, der jeweiligen Mode, Cut-Off-Frequenzen und Dimensionierung des Gehäuses 3 abhängt. Eine Verringerung der Güte lässt sich beispielsweise durch eine konische Form oder durch geeignete abgerundete Ecken und Kanten erreichen. Die Güte wird weiterhin verringert, falls das resonatorförmige Gehäuse 3 mehrere Signaleingänge und Signalausgänge aufweist. Ein resonatorförmiges Gehäuse 3 für eine Frequenz von beispielsweise 2441.5 MHz mit einer Güte von Q = 29, besitzt eine relative Bandbreite von 0.01229 oder 1.229%, welche einer aktiven Bandbreite von 84.2 MHz entspricht. Mit solch einem resonatorförmigen Gehäuse 3 lassen sich Frequenzen im Bereich 2399.4 MHz...2483.6 MHz ohne Einschränkung verarbeiten. Diese Frequenzen betreffen beispielsweise Bluetooth 4.0 low-energy im Bereich 2.400 MHz...2.482 MHz inklusive Toleranzen von Bluetooth und des resonatorförmigen Gehäuses 3.
• Das resonatorförmige Gehäuse 3 kann beispielsweise die Form eines regelmäßigen n-Ecks, beispielsweise eines Quadrats, aufweisen. Eine Seitenfläche dieses Resonators wird beinahe komplett geöffnet und dient als Gehäuseöffnung 2. Hierdurch verringert sich die Güte und die offene Seitenfläche kann zur Einkopplung der EM-Wellen 4 verwendet werden. Durch die relativ große Öffnung können Wellen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen und abgestrahlt werden.
• 4 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausgestaltung einer Bündelungsvorrichtung 8, die zylindrisch ausgestaltet ist. Eine erste Stirnfläche 27 der zylindrischen Bündelungsvorrichtung 8 ist offen. Die zweite Stirnfläche 28 und eine Mantelfläche 29 der zylindrischen Bündelungsvorrichtung 8 bestehen aus elektrisch leitfähigem Material, welches Metall oder eine Metallschicht umfasst. Durch die offene erste Stirnfläche 27 ist die für Hohlraumresonatoren mit einem kreisförmigen Querschnitt übliche Grundmode als TM₀₁₀-Mode bzw. H₀₁₀-Mode nicht anregbar, da für diese Moden beide Stirnflächen 28, 29 geschlossen sein müssen. Anstatt dessen wird die TM₀₁₁-Mode bzw. H₀₁₁-Mode angeregt oder eine andere geeignete passende Mode, wie beispielsweise die TM₁₂₁.
• Bei der Anregung einer TM₀₁₁-Mode in solch einem Gehäuse 3, befindet sich die im zeitlichen Mittel höchste Felddichte im Zentrum der zweiten Stirnfläche 28, an dem sich eine Öffnung 20 befindet.
• 5 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausgestaltungsvariante einer Bündelungsvorrichtung 8. An der Öffnung 20 ist ein Hornstrahler 39 angeordnet, der die EM-Wellen 4 auf die Primärantenne 6 der Leiterplatte 16 bündelt. Je nach Wellenlänge der EM-Wellen 4 ist es vorteilhaft, wenn der Hornstrahler 39 kurz, und mit einem Material (nicht dargestellt) gefüllt ist, um die Druckfestigkeit zu erhöhen. Das Material kann beispielsweise Glas und/oder Keramik umfassen. Eine Länge des Hornstrahlers 39 sollte kleiner als ein Viertel, insbesondere kleiner als ein Achtel der Wellenlänge der EM-Wellen 4 sein.
• 6 zeigt einen Längsschnitt eines Hohlleiters 9, der ein Außengewinde 17 aufweist und mit Hilfe des Außengewindes 17 in die Gehäuseöffnung 2 des Gehäuses 3 eingeschraubt ist. Innerhalb des Hohlleiters 9 ist mittig eine blendenförmige erste Verengung 10 angeordnet, welche den Hohlleiter 9 in eine erste Kammer 22 und eine zweite Kammer 23 einteilt, wobei die erste Kammer 22 in Richtung des Gehäuseinneren und die zweite Kammer 23 in Richtung des Gehäuseäußeren geöffnet ist.
• Um den Durchmesser des Hohlleiters 9 noch weiter zu verringern und die Druckfestigkeit des Gehäuses 3 noch weiter zu erhöhen, können die erste und zweite Kammer 22, 23 und die erste Verengung 10 mit einem druckfesten Material (nicht dargestellt) gefüllt sein. Je höher die Dielektrizitätskonstante (DK-Wert) des Materials, desto kleiner kann der Durchmesser der ersten Verengung 10 und der Durchmesser des Hohlleiters 9 gewählt werden. Daher bietet sich beispielweise Keramik (DK-Wert im Bereich 4...20) als Material an. Allerdings sollten Materialien mit sehr hohem DK-Wert (DW-Wert > 100) vermieden werden, um eine ungebündelte gleichmäßige Aussendung der EM-Wellen zu gewährleisten und einen DK-Sprung zwischen der Umgebung und dem Material zu reduzieren.
• Ist der Hohlleiter 9 dagegen mit Luft gefüllt, muss der Hohlleiter 9 größer dimensioniert werden als ein Hohlleiter 9, der mit Materialien gefüllt ist, da sich durch das Material die Ausbreitungsgeschwindigkeit (~ Lichtgeschwindigkeit) verringert und hierdurch die Wellenlänge verkürzt wird.
• 7a zeigt einen Längsschnitt eines Hohlleiters 9, bei dem die erste Stirnfläche 27 eine erste blendenförmige Verengung 10 und die zweite Stirnfläche 28 eine zweite blendenförmige Verengung 11 aufweist. In solch einem Hohlleiter 9 wird die TM₀₁₁-Mode anstelle der TM₁₂₁-Mode angeregt, wodurch die Höhe des zylinderförmigen Hohlleiters 9 auf ungefähr die Hälfte reduziert werden kann (abhängig von den verwendeten Dimensionierungen und Materialien).
• 7b zeigt einen Längsschnitt eines Hohlleiters 9, bei dem lediglich eine erste Stirnfläche 27 eine blendenförmige erste Verengung 10 aufweist. Solch ein Hohlleiter 9 weist lediglich eine erste Kammer 22 auf und führt dazu, dass die EM-Wellen nur innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs 24 ausgesendet bzw. empfangen werden. Folglich ist eine zweite Kammer 23 überflüssig.
• 8a zeigt einen Längsschnitt eines Hohlleiters 9 entsprechend 7b, die zusätzlich über eine Patchantenne 12 verfügt. Die Patchantenne 12 weist einen Einkoppelpin 25 auf, über den die Patchantenne 12 gespeist wird, wobei der Einkoppelpin 25 der Patchantenne 12 durch die Gehäuseöffnung 2 hindurchgeführt ist.
• 8b zeigt einen Längsschnitt eines Hohlleiters 9 entsprechend 8a, die ein Einkoppelpin 25 ohne Patchantenne aufweist. Der Einkoppelpin 25 ist dermaßen durch die Verengung 10 hindurchgeführt, dass der Einkoppelpin 25 zu gleichen Teilen in der ersten und zweiten Kammer 22, 23 angeordnet ist. Solch eine Anordnung des Einkoppelpins 25 führt zu einer relativ kleinen Verengung 10.
• Der Hohlleiter 9 weist ein aus dem Gehäuse 3 nach außen herausragendes Teil 7 auf. Bei solch einem Hohlleiter 9 ist die erste Stirnfläche 27 nicht in der Ebene der Wandung des Gehäuses 3, sondern außerhalb der Ebene der Wandung des Gehäuses 3. Ferner weist die erste Stirnfläche 27 eine Ringblende 26 auf, die im Vergleich zu der ersten Verengung 10 einen größeren Durchmesser aufweist. Hierdurch ergib sich eine Beugung der EM-Wellen 4, da im Nahfeld das Gehäuse 3 als „Bezugsmasse“ wirkt. Dies führt zu einer relativ gleichmäßigen Wellenverteilung 13 der EM-Wellen 4 außerhalb des Gehäuses 3. Wird ein Umfang des Gehäuses 3 als Vielfaches der Wellenlänge der EM-Wellen 4 gewählt (z.B. 12.5 cm bei 2.4 GHz), ergibt sich eine um das Gehäuse 3 laufende EM-Welle, die sich kugelförmig mit dem Gehäuse im Zentrum ausbreitet. Bei Erzeugung einer TM₁₂₁-Mode in dem Gehäuse 3 sind genau zwei Verengungen 10 notwendig.
• 9 zeigt eine Seitenansicht einer PG-Kabelverschraubung 31, umfassend einen Grundkörper 32, der in eine Gehäusewand (nicht dargestellt) geschraubt wird. Durch eine erste Gummidichtung 33 zwischen dem Gehäusewand und dem Grundkörper 32 wird die PG-Kabelverschraubung 31 wasserdicht ausgestaltet. Im Inneren des Grundkörpers 32 ist ein Kabel (nicht dargestellt) geführt. Zinken 34 am äußeren Ende des Grundkörpers 32 führen zusammen mit einer Befestigungsmutter 35 zu einem sicheren Halt des Kabels (Zugentlastung) und mit einer weiteren innenliegenden zweiten Gummidichtung 36 zu einer wasserdichten PG-Kabelverschraubung 31. Derartige PG-Kabelverschraubungen 31 umfassen Kunststoffe und Metalle.
• Wird die PG-Kabelverschraubung 31 aus Kunststoff an einem Metallgehäuse (nicht dargestellt) angebracht, so stellt die PG-Kabelverschraubungen 31 eine Transmissionsmöglicheit für EM-Wellen dar, falls keine Kabel durch die PG-Kabelverschraubung 31 hindurchgeführt sind. Gehäuse von Feldmessgeräten weisen üblicherweise mindestens eine Öffnung mit einem Gewinde auf (nicht dargestellt), um PG-Kabeldurchführungen zu montieren.
• Weiterhin ist eine Kaskadierung von Feldmessgeräten möglich. Dies bedeutet, dass ein Kabel von einer Leitwarte zu einem Feldmessgerät geführt wird, und von diesem Feldmessgerät zum nächsten Feldmessgerät weitergeführt wird usw. Dies verringert den notwendigen Verkabelungsaufwand. In den Feldmessgeräten sind geeignete Bussysteme vorgesehen, damit Messdaten über andere Feldmessgeräte hinweg übertragbar sind. Dies bedarf des Anschlusses von mindestens zwei Kabeln an einigen Geräten.
• Beispielsweise wird einer der ungenutzten Kabeldurchführungen des Gehäuses zur Transmission von EM-Wellen verwendet. Dies hat den Vorteil, dass die Bohrungen in den bestehenden Gehäusen bereits vorhanden sind und die Gehäuse nicht verändert werden müssen.
• Dadurch, dass die PG-Kabelverschraubung 31 im Gegensatz zum Stand der Technik ohne eine Verbindungsleitung (siehe 1a) auskommt, lässt sich die wellendurchlässige PG-Kabelverschraubung 31 einfach von einer Gehäuseöffnung in eine andere umschrauben, ohne z.B. einen elektrischen Stecker verbinden zu müssen.
• 10 zeigt eine nicht genutzte Kabeldurchführung in einem Gehäuse eines Feldgeräts, die mit einem sog. Blindstopfen 37 wasserfest verschlossen ist. Es sind drei verschiedene Arten von Blindstopfen 37 aus Kunststoff dargestellt, die jeweils auf einem metallischen Gehäuse 3 montiert sind. Die Blindstopfen 37 unterscheiden sich beispielsweise durch Dichtigkeit und Zulassungen.
• Wird ein Blindstopfen 37 aus Kunststoff an einem Metallgehäuse 3 montiert, so stellt dieser für EM-Wellen einen Rundhohlleiter dar. Bei einem üblichen Innendurchmesser des Gewindes von 19 mm liegt die untere Cutoff-Frequenz dieses Hohlleiters bei ca. 79 GHz, d.h. niedrigere Frequenzen können dieses Loch im Metall ohne zusätzliche Maßnahmen nicht passieren. Übliche Nah-Kommunikationsfrequenzen liegen üblicherweise bei 2.4 GHz (WLAN, Bluetooth, ANT). In der Größenordnungen 433 MHz bis 5.6 GHz oder deutlich darunter (z.B. NFC / RFID bei 13.6 MHz) können die EM-Wellen die Öffnung nicht passieren. Durch ein Kabel erhöht sich die untere Transmissionsfrequenz um ein Faktor 2 bis 4. bei geschirmten Kabeln ist der Faktor deutlich größer. Oberhalb der unteren Transmissionsfrequenz ist eine Transmisson der EM-Wellen stark gedämpft, jedoch ab einer ca. 6...10 Mal höheren Frequenz wieder möglich.
• 11 zeigt eine geeignete Ausgestaltungsvariante einer PG-Kabelverschraubung 31. Innerhalb eines Grundkörpers 32 aus Kunststoff ist ein Material 38 angeordnet, das ein geringer DK-Wert aufweist und die Durchführung nach außen wasserfest abschließt. Ein geeignetes Material 38 ist beispielsweise Kunststoff, und je nach Druckfestigkeit auch Glas oder Keramik. Innerhalb dieses Materials 38 ist ein Einkoppelpin 25 angeordnet.
• Der Einkoppelpin 25 ist so dimensioniert, dass seine halbe Länge ein Vielfaches von einem Viertel einer Wellenlänge der Mittenfrequenz für die Kommunikation entspricht (z.B. 2.44 GHz bei Bluetooth). Im Bereich 2.4 GHz (ANT, ANT+, Bluetooth, WLAN...) beträgt die Länge des Einkoppelpins 25 exakt ein Viertel einer Wellenlänge. Der Einkoppelpin 25 ist als etwas dickerer Stab (Durchmesser 1.5 mm) ausgestaltet.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Gehäuseöffnung

3

Gehäuse

4

Elektromagnetische Wellen

5

Sende-/Empfangseinheit

6

Primärantenne

7

Herausragendes Teil

8

Bündelungsvorrichtung

9

Hohlleiter

10

Erste Verengung

11

Zweite Verengung

12

Patchantenne

13

Gleichmäßige Wellenverteilung

14

Antenne

15

Verbindungsleitung

16

Leiterplatte

17

Sensor

18

Flansch

19

Behälter

20

Öffnung

21

Außengewinde

22

Erste Kammer

23

Zweite Kammer

24

Winkelbereich

25

Einkoppelpin

26

Ringblende

27

Erste Stirnfläche

28

Zweite Stirnfläche

29

Mantelfläche

30

Gewinde

31

PG-Kabelverschraubung

32

Grundkörper

33

Erste Gummidichtung

34

Zinken

35

Befestigungsmutter

36

Zweite Gummidichtung

37

Blindstopfen

38

Material

39

Hornstrahler

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus mindestens einer Gehäuseöffnung (2) eines zumindest teilweise metallischen Gehäuses (3) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (4) einer bestimmten Wellenlänge, umfassend eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (5) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (4), mindestens eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Primärantenne (6) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (4) der Sende-/Empfangseinheit (5) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (4) an die Sende-/Empfangseinheit (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) dermaßen dimensioniert ist, dass das Gehäuse (3) als ein Resonator für die elektromagnetischen Wellen (4) der bestimmten Wellenlänge fungiert, und dass der Abstand zwischen der Gehäuseöffnung (2) und einem der Maxima der Felddichte der elektromagnetischen Wellen (4) weniger als ein Achtel, bevorzugt weniger als ein Sechzehntel der Wellenlänge beträgt, so dass die elektromagnetischen Wellen (4) gebündelt aus der Gehäuseöffnung (2) austreten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (3) eine konische Form aufweist, und wobei die Gehäuseöffnung (2) an einer Spitze oder ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge von der Spitze des konischen Gehäuses (3) entfernt angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Gehäuse (3) rund, quadratisch oder als ein n-Eck ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (3) zylinderförmig ausgestaltet ist, und wobei eine erste Stirnfläche (27) des zylindrischen Gehäuses (3) offen ausgestaltet ist, und wobei die Gehäuseöffnung (2) an einer zweiten Stirnfläche (28) des zylindrischen Gehäuses (3) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gehäuseöffnung (2) eine Bündelungsvorrichtung (8) zur Bündelung der elektromagnetischen Wellen (4) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Bündelungsvorrichtung (8) als ein Hohlleiter (9) mit mindestens einer Verengung (10) ausgestaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Bündelungsvorrichtung (8) in Richtung der Übertragung der elektromagnetischen Wellen (4) eine Länge von ein Viertel, insbesondere ein Achtel der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen (4) nicht überschreitet.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Innere der Bündelungsvorrichtung (8) mittels eines dielektrischen Materials zumindest teilweise gefüllt ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Bündelungsvorrichtung (8) eine erste und eine zweite Verengung (11) aufweist, und wobei die erste Verengung (10) im Bereich der ersten Stirnfläche (27) und die zweite Verengung (11) im Bereich der zweiten Stirnfläche (28) der zylinderförmigen Bündelungsvorrichtung (8) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei eine Patchantenne (12) an der mindestens einen Gehäuseöffnung (2) angeordnet ist, um die von der Primärantenne (6) ausgesendeten elektromagnetischen Wellen (4) durch die Gehäuseöffnung (2) nach außen zu übertragen und die von außen empfangenen elektromagnetischen Wellen (4) durch die Gehäuseöffnung (2) in das Innere des Gehäuses (3) zu übertragen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Einkoppelpin (25) der Patchantenne (12) durch die mindestens eine Gehäuseöffnung (2) hindurchgeführt ist.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (3) dermaßen dimensioniert ist, dass ein Umfang des Gehäuses (3) annähernd ein ganzzahliges vielfaches der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen (4) ist.

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