DE102014118391A1 - Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem Metall-Gehäuse - Google Patents

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem Metall-Gehäuse Download PDF

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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) mindestens 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), eine erste Sekundärantenne (7) zum Empfangen der von der Primärantenne (6) ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen, wobei die erste Sekundärantenne innerhalb des Gehäuses (3) an der Gehäuseöffnung (2) angeordnet ist, eine zweite Sekundärantenne (8) zum Empfangen der von außerhalb des Gehäuses (3) übertragenen elektromagnetischen Wellen (4), wobei die zweite Sekundärantenne (8) außerhalb des Gehäuses (3) an der Gehäuseöffnung (2) angeordnet ist, wobei zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne (7, 8) eine Reflexionsstelle (9) angeordnet ist, so dass zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne (7, 8) ein Impedanzsprung zustande kommt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff in Anspruch 1.
  • 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 (elektrische Schnittstellen), 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 und beispielsweise die Übertragung eines oder mehreren Messwerte eines oder einer Zusammenschaltung von mehreren Feldgeräten. Nachteilig an RFID- und NFC-Transpondern ist, dass das leitfähige Gehäuse der Feldgeräte für elektromagnetische Wellen im für RFID notwendigen Bereich im Wesentlichen nicht durchlässig ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Übertragung von RFID- oder NFC-Signalen aus einem metallischen Gehäuse verbessert.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus mindestens einer Gehäuseöffnung eines zumindest teilweise metallischen Gehäuses mit Hilfe elektromagnetischer Wellen mindestens 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, eine erste Sekundärantenne zum Empfangen der von der Primärantenne ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen, wobei die erste Sekundärantenne innerhalb des Gehäuses an der Gehäuseöffnung angeordnet ist, eine zweite Sekundärantenne zum Empfangen der von außerhalb des Gehäuses übertragenen elektromagnetischen Wellen, wobei die zweite Sekundärantenne außerhalb des Gehäuses an der Gehäuseöffnung angeordnet ist, wobei zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne eine Reflexionsstelle angeordnet ist, so dass zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne ein Impedanzsprung zustande kommt.
  • Die von der Primärantenne ausgesendeten elektromagnetischen Wellen koppeln an die erste Sekundärantenne innerhalb des Gehäuses und anschließend von der ersten Sekundärantenne zu der zweiten Sekundärantenne außerhalb des Gehäuses übertragen und von der zweiten Sekundärantenne ausgekoppelt. Die Übertragung vom Gehäuseinneren nach dem Gehäuseäußeren erfolgt mittels geführten Wellen, deren Verluste geringer sind als freie Wellen.
  • Gemäß einer günstigen Ausgestaltung weist die Gehäuseöffnung eine Kabelverschraubung, insbesondere eine PG-Kabelverschraubung auf.
  • Gemäß einer günstigen Ausführungsform ist die Kabelverschraubung zumindest teilweise von einem dielektrischen Füllmaterial, insbesondere eine dielektrischen Vergussmasse gefüllt. Das dielektrische Füllmaterial schirmt die von der ersten oder zweiten Sekundärantenne ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen ab, wodurch die Verluste verringert werden. Ferner sorgt das Füllmaterial für eine Dichtigkeit des Gehäuses, beispielsweise als Ausführung mit Glas bei einem druckfesten Feldgerät. Gemäß einer günstigen Variante werden die erste und zweite Sekundärantenne innerhalb der Kabelverschraubung von dem Füllmaterial gehalten. Somit sind keine Haltemittel für die erste und zweite Sekundärantenne nötig.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist die Reflexionsstelle als eine sprunghafte Änderung vom Durchmesser der ersten zum Durchmesser der zweiten Sekundärantenne ausgestaltet. Eine sprunghafte Änderung des Durchmessers bewirkt eine Änderung der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen, die von ersten zur zweiten Sekundärantenne und umgekehrt übertragen werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Reflexionsstelle als ein gemeinsamer Antennenfuß der ersten und zweiten Sekundärantenne ausgestaltet. Der gemeinsame Antennenfuß entkoppelt die erste von der zweiten Sekundärantenne.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der gemeinsame Antennenfuß plattenförmig ausgestaltet, wobei der Antennenfuß eine erste Ebene definiert, wobei eine die Gehäuseöffnung aufweisende Wandung des Gehäuses eine zweite Ebene definiert, und wobei die erste Ebene und die zweite Ebene identisch sind. Auf diese stören sich die Verteilungen der elektromagnetischen Felder der ersten und zweiten Sekundärantenne lediglich minimal.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen/weist die erste und/oder zweite Sekundärantenne eine Länge auf, die ein ganzzahliges Vielfaches von ein Viertel mindestens einer bestimmten Wellenlänge entspricht. Dies führt zu einer verlustarmen Übertragung von der ersten zur zweiten Sekundärantenne und umgekehrt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen/weist die erste und/oder zweite Sekundärantenne eine Länge auf, die ein Viertel mindestens einer bestimmten Wellenlänge entspricht. Dies führt zu einer verlustarmen Übertragung von der ersten zur zweiten Sekundärantenne und umgekehrt. Auf diese Weise können von der ersten bzw. zweiten Sekundärantenne elektromagnetische Wellen mehrerer Wellenlängen empfangen und ausgesendet werden, die auch in verschiedenen Frequenzbändern liegen können. Hierfür müssen die Wellenlängen in einem geradzahligen Verhältnis zueinander stehen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind/ist die erste und/oder zweite Sekundärantenne jeweils an einem der Reflexionsstelle gegenüberliegendes offenes Ende abgerundet. Auf diese Weise ist es möglich die Wellenlängen eines Frequenzbandes, die in die erste und/oder zweite Sekundärantenne passen zu erzeugen und dadurch eine Breitbandigkeit zu erreichen.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: zeigt einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem metallischen Gehäuse,
  • 2: einen schematischen Längsschnitt einer ersten oder zweiten Sekundärantenne an einem abgerundeten offenen Ende,
  • 3: eine Seitenansicht einer PG-Kabelverschraubung in der Explosionsdarstellung und in der zusammengesetzten Darstellung,
  • 4: eine Seitenansicht eines Gehäuses eines Feldgeräts mit drei verschiedenen Arten von Blindstopfen, und
  • 5: einen schematischen Längsschnitt eines Gehäuses mit aus- und eintretenden Feldlinien eines elektrischen Feldes.
  • 1 zeigt einen Längsschnitt einer Vorrichtung 1 zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen aus einem metallischen Gehäuse (nicht dargestellt). Eine Wandung 13 des Gehäuses weist eine Gehäuseöffnung 2 auf, in der eine Kabelverschraubung 10 angeordnet ist. Die Kabelverschraubung 10 ist hohlzylinderförmig ausgestaltet und ist zu einem größeren Teil außerhalb des Gehäuses angeordnet. Eine Gummidichtung 16 dichtet die Kabelverschraubung 10 gegen die Wandung 13 wasserfest ab. Innerhalb der Kabelverschraubung 10 ist ein plattenförmiger Antennenfuß 12 angeordnet, der eine erste und zweite Seitenfläche aufweist. Eine erste Seitenfläche, die nach außerhalb des Gehäuses weist, definiert eine erste Ebene 14. Eine Außenfläche des Gehäuses definiert eine zweite Ebene 15. Die erste und zweite Ebene 14, 15 können identisch sein. Dies wird mittels eines Füllmaterials 11 erreicht, welches einen Innenraum der Kabelverschraubung 10 füllt und den Antennenfuß 12 in einer Position hält, in dem die erste und zweite Ebene 14, 15 identisch sind. Ferner verschließt das Füllmaterial 11 die Gehäuseöffnung 2 wasserdicht. Das Füllmaterial 11 umfasst ein dielektrisches Material, wie beispielsweise Kunststoff, Glas oder Keramik.
  • Eine erste stabförmige Sekundärantenne 7 (Durchmesser ca. 1,5 mm) ist auf der ersten Seitenfläche des Antennenfußes 12 angeordnet und weist in Richtung des Gehäuseäußeren. Eine zweite stabförmige Sekundärantenne 8 ist auf der zweiten Seitenfläche des Antennenfußes 12 angeordnet und weist in Richtung des Gehäuseinneren. Auf diese Weise, weisen die erste und zweite Sekundärantenne 7, 8 den Antennenfuß 12 als einen gemeinsamen Antennenfuß 12 auf. Der Antennenfuß 12 fungiert als eine Reflexionsstelle zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8, so dass ein Impedanzsprung zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 entsteht.
  • Die Längen der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 sind dermaßen gewählt, dass die Längen einen Vielfachen von einem Viertel einer Wellenlänge der zu übertragenen elektromagnetischen Wellen entspricht (z.B. 2.44 GHz bei Bluetooth 4.0 low energy). Die Länge der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 können jedoch exakt ein Viertel der elektromagnetischen Wellenlänge betragen, mittels deren die Signale aus dem metallischen Gehäuse übertragen werden sollen. Dies ist für elektromagnetische Wellen der Wellenlänge in einem Bereich 2.4 GHz (ANT, ANT+, Bluetooth, WLAN) besonders günstig.
  • Durch den gemeinsamen Antennenfuß 12 der ersten und zweiten Antenne 7, 8 wird eine ausgeprägte Schmalbandigkeit der zu übertragenden elektromagnetischen Welle erreicht. Dadurch können Störungen vorgebeugt werden. Eine gute Impedanzanpassung der ersten Sekundärantenne 7 an die zweite Sekundärantenne 8 wird durch die Verwendung eines dicken Bolzens als erste bzw. zweite Sekundärantenne 7, 8 erreicht.
  • Werden die offenen Enden der ersten bzw. zweiten Sekundärantenne abgerundet, ergibt sich eine vergrößerte Oberfläche und somit eine verbesserte Ablösung des elektrischen Feldes.
  • 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer ersten oder zweiten Sekundärantenne 7 an einem abgerundeten offenen Ende. Werden die offenen Enden der ersten bzw. zweiten Sekundärantenne abgerundet, ergeben sich für den Abstand zwischen der Reflexionsstelle und den offenen Enden der ersten und zweiten Sekundärantenne verschiedene Längen. Dies führt dazu, dass nicht nur elektromagnetische Wellen einer bestimmten Wellenlänge in die jeweilige Sekundärantenne passen, sondern elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen, die einen fließenden Bereich eines Frequenzbandes definieren. Dies ergibt eine Breitbandigkeit der elektromagnetischen Wellen.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht einer Kabelverschraubung 10, die als PG-Kabelverschraubung ausgestaltet ist, einmal in der Explosionsdarstellung und einmal in der zusammengesetzten Darstellung. Die Kabelverschraubung 10 weist an einem äußeren Ende Zinken 17 auf, die zusammen mit einer Befestigungsmutter 18 zu einem sicheren Halt eines in der Kabelverschraubung 10 zu führenden Kabels führen ("Zugentlastung"). Eine zweite Gummidichtung 19 führt zu einer wasserdichten Kabelverschraubung 10.
  • Wird eine Kabeldurchführung 10 aus Kunststoff an einem Gehäuse aus Metall angebracht, so stellt diese eine Transmissionsmöglicheit für Wellen dar, falls in solch einer Kabeldurchführung 10 kein Kabel eingeschraubt ist. Gehäuse von Feldmessgeräten weisen üblicherweise mindestens eine Gehäuseöffnung auf, um PG-Kabeldurchführungen zu montieren. Mehrere Gehäuseöffnungen bieten den Vorteil, dass es mehrere Möglichkeiten gibt die Kabel in das Feldgerät einzuführen. Dies ist insbesondere bei Installationen in den USA wichtig, da die Verkabelung üblicherweise in einem Metallrohr (Panzerrohr) verlegt werden muss und diese sehr unflexibel sind. Weiterhin ist hiermit eine Kaskadierung von Feldmessgeräten möglich. Dies verringert den notwendigen Verkabelungsaufwand. In den Geräten sind beispielsweise geeignete Bussysteme vorgesehen, um Messdaten über andere Geräte hinweg zu übertragen. Hierzu weisen die Geräte Anschlüsse für mindestens zwei Kabel auf.
  • Vorteilhafterweise wird eine der ungenutzten Kabeldurchführungen zur Transmission von elektromagnetischen Wellen verwendet. Dies hat den Vorteil, dass die Gehäuseöffnungen in den bestehenden Gehäusen bereits vorhanden sind und die Gehäuse nicht verändert werden müssen. Nicht genutzte Kabeldurchführungen können mit einem sog. Blindstopfen wasserfest geschlossen werden.
  • 4 zeigt eine Seitenansicht eines metallischen Gehäuses eines Feldgeräts mit drei verschiedenen Arten von Blindstopfen 20 aus Kunststoff dargestellt.
  • Die Blindstopfen 20 sind jeweils auf einem metallischen Gehäuse der Geräte- bzw. Produktserie mit dem Handelsname Micropilot des Anmelders montiert.
  • Wird ein Blindstopfen 20 aus dielektrischem Kunststoff in eine Gehäuseöffnung eines metallischen Gehäuses angeordnet, so stellt die Gehäuseöffnung für elektromagnetische Wellen einen Rundhohlleiter dar. Bei einem Blindstopfens 20 mit einem Durchmesser von 19 mm liegt die untere Cutoff-Frequenz der durch die Gehäuseöffnung übertragenen elektromagnetischen Wellen bei ca. 79 GHz, d.h. niedrigere Frequenzen können die Gehäuseöffnung nicht passieren. Übliche Frequenzen für Nah- Kommunikation liegen üblicherweise bei 2.4 GHz (WLAN, Bluetooth, ANT) oder in der Größenordnung 433 MHz, 5.6 GHz ... Frequenzen, die deutlich drunter liegen (z.B. NFC / RFID bei 13.6 MHz), können die Gehäuseöffnung nicht passieren. Durch ein Kabel erhöht sich die untere Transmissionsfrequenz um einen Faktor 2...4 (bei geschirmten Kabeln deutlich mehr). Für elektromagnetische Wellen mit Frequenzen oberhalb der unteren Transmissionsfrequenz ist ein Durchlass durch die Gehäuseöffnung möglich, jedoch im Allgemeinen stark gedämpft und erst ab einer ca. 6...10 Mal höheren Frequenz (bei einer Gehäuseöffnung mit 19 mm Durchmesser ab 600 GHz) gut durchlässig.
  • 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Gehäuses 9 mit aus- und eintretenden Feldlinien 21 eines elektrischen Feldes. Eine Feldverteilung der elektrischen Feldlinien 21 erklärt den Effekt, wie die Signale mittels der elektromagnetischen Wellen an eine der Gehäuseöffnung 2 gegenüberliegende Seite des Gehäuses 9 übertragen werden können.
  • 6 zeigt einen skizzierten Längsschnitt einer ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 mit einer dazwischenliegenden Reflexionsstelle 9. Durch die erste und zweite Sekundärantenne 7, 8 werden lediglich elektromagnetische Wellen übertragen, die in der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 eine stehende Welle bilden. Das heißt ein ganzzahliges Vielfaches von ein Viertel der Wellenlänge der zu übertragenden elektromagnetischen Welle muss den Länge l1 und l2 der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 entsprechen. Dabei können die erste und zweite Sekundärantenne 7, 8 unterschiedliche Längen l1 und l2 aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Gehäuseöffnung
    3
    Gehäuse
    4
    Elektromagnetischen Wellen
    5
    Sende-/Empfangseinheit
    6
    Primärantenne
    7
    Erste Sekundärantenne
    8
    Zweite Sekundärantenne
    9
    Reflexionsstelle
    10
    Kabelverschraubung
    11
    Dielektrisches Füllmaterial
    12
    Antennenfuß
    13
    Wandung des Gehäuses
    14
    Erste Ebene
    15
    Zweite Ebene
    16
    Gummidichtung
    17
    Zinken
    18
    Befestigungsmutter
    19
    Zweite Gummidichtung
    20
    Blindstopfen
    21
    Feldlinien
    22
    Wellenlänge

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus mindestens einer Gehäuseöffnung (2) eines zumindest teilweise metallischen Gehäuses (3) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (4) mindestens 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), eine erste Sekundärantenne (7) zum Empfangen der von der Primärantenne (6) ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen, wobei die erste Sekundärantenne innerhalb des Gehäuses (3) an der Gehäuseöffnung (2) angeordnet ist, eine zweite Sekundärantenne (8) zum Empfangen der von außerhalb des Gehäuses (3) übertragenen elektromagnetischen Wellen (4), wobei die zweite Sekundärantenne (8) außerhalb des Gehäuses (3) an der Gehäuseöffnung (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne (7, 8) eine Reflexionsstelle (9) angeordnet ist, so dass zwischen der ersten und zweiten Sekundärantenne (7, 8) ein Impedanzsprung zustande kommt.
  2. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gehäuseöffnung (2) eine Kabelverschraubung (10), insbesondere eine PG-Kabelverschraubung aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kabelverschraubung (10) zumindest teilweise von einem dielektrischen Füllmaterial (11), insbesondere eine dielektrische Vergussmasse gefüllt ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste und zweite Sekundärantenne (7, 8) innerhalb der Kabelverschraubung (10) von dem Füllmaterial (11) gehalten werden.
  5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reflexionsstelle (9) als eine sprunghafte Änderung vom Durchmesser der ersten zum Durchmesser der zweiten Sekundärantenne (7, 8) ausgestaltet ist.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reflexionsstelle (9) als ein gemeinsamer Antennenfuß (12) der ersten und zweiten Sekundärantenne (7, 8) ausgestaltet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der gemeinsame Antennenfuß (12) plattenförmig ausgestaltet ist, wobei der Antennenfuß eine erste Ebene definiert, wobei eine die Gehäuseöffnung (2) aufweisende Wandung (13) des Gehäuses eine zweite Ebene definiert, und wobei die erste Ebene und die zweite Ebene identisch sind.
  8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Sekundärantenne (7, 8) eine Länge aufweist/aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches von ein Viertel der mindestens einen bestimmten Wellenlänge entspricht.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Sekundärantenne (7, 8) jeweils an einem der Reflexionsstelle (9) gegenüberliegendes offenes Ende abgerundet sind/ist.
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