EP4324309A1 - Steckverbindung für hochfrequenzbasierte feldgeräte - Google Patents

Steckverbindung für hochfrequenzbasierte feldgeräte

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EP4324309A1
EP4324309A1 EP22722144.7A EP22722144A EP4324309A1 EP 4324309 A1 EP4324309 A1 EP 4324309A1 EP 22722144 A EP22722144 A EP 22722144A EP 4324309 A1 EP4324309 A1 EP 4324309A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
socket
plug
frequency
sockets
plugs
Prior art date
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Pending
Application number
EP22722144.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Beissert
Frank Voigt
Thilo Ihringer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP4324309A1 publication Critical patent/EP4324309A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1462—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack for programmable logic controllers [PLC] for automation or industrial process control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/10—Sockets for co-operation with pins or blades
    • H01R13/11—Resilient sockets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors
    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01R24/60—Contacts spaced along planar side wall transverse to longitudinal axis of engagement
    • H01R24/62—Sliding engagements with one side only, e.g. modular jack coupling devices
    • H01R24/64—Sliding engagements with one side only, e.g. modular jack coupling devices for high frequency, e.g. RJ 45
    • G—PHYSICS
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    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R2201/00—Connectors or connections adapted for particular applications
    • H01R2201/02—Connectors or connections adapted for particular applications for antennas

Definitions

  • the invention relates to a plug connection for high-frequency-based field devices.
  • field devices are often used, which are used to record various measured variables.
  • the measured variable to be determined can be, for example, a fill level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pFI value, the redox potential, a conductivity or the permittivity of a medium in a process plant.
  • the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement methods. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Field devices are increasingly of modular design in order to be able to use individual modules in different types of field devices in accordance with the platform principle, and to enable defective modules to be replaced.
  • high-frequency-based field devices such as humidity measuring devices and level measuring devices
  • this is challenging in that high-frequency connections, such as between the antenna arrangement and the high-frequency module, must be shielded.
  • high frequency in the context of this patent application refers to corresponding signals with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz.
  • the necessary shielding of the high-frequency connections requires comparatively large and inflexible connections, for example in the form of SMA or SMB connectors.
  • SMA or SMB connectors For example, there is a risk of tilting, especially when plugging in, if several plug connections are arranged next to each other: At least the sockets of the plug connections are often arranged directly on a circuit board of the corresponding module, e.g. by means of reflow soldering together with the other components on the circuit board, with the actual distance between the bushes due to manufacturing tolerances due to the target distance may vary. This leads to tilting when plugging in or unplugging and thus potentially destroying the entire high-frequency module.
  • the invention is therefore based on the object of providing a high-frequency module that can be easily and safely installed in the field device.
  • the invention solves this problem with a high-frequency-based field device for determining a process variable of a medium in a container, which includes the following components:
  • At least one transmitting and/or receiving antenna which can be attached to the container in such a way as to emit a high-frequency signal towards the medium and/or to receive the high-frequency signal after interaction with the medium
  • a device neck that can be arranged on the container in order to contact the at least one antenna, - a socket that resiliently encloses at least one plug in such a way that this/these plugs can be moved radially to its/their plug-in axis, the socket being positioned in such a way in Device neck is used, that the at least one plug is contacted in each case to the at least one antenna, and - a high-frequency module, with o a printed circuit board substrate, on which at least one socket corresponding to the plug is arranged, and o an electronic module arranged thereon Unit designed to generate the high-frequency signal to be coupled in, and to use the received high-frequency signal to
  • the electronics unit being connected to this in each case with the at least one socket.
  • the printed circuit board substrate can be fastened to the socket in such a way that the at least one plug is plugged into the at least one socket.
  • the plug(s) and the corresponding sockets can be designed as commercially available SMA or SMB plugs. In the context of the invention, it is also not strictly prescribed whether the plug is the “male” or “female” component of the high-frequency plug connection represents, or whether the socket represents the corresponding "female” or “male” component of the high-frequency connector.
  • the high-frequency plug-in connection is characterized in that the socket elastically encloses at least one plug in such a way that this/these plug(s) is/are movable radially to its/their plug-in axis within a defined range. Due to the spring-loaded edging of the plug according to the invention, the plug is flexible so that it does not tilt when plugged in.
  • the socket can enclose the connector(s) in a resilient manner, for example by means of an elastic casing and/or by means of, in particular, three snap-in hooks, although other suitable designs are also conceivable.
  • the invention is particularly advantageous when more than one socket is arranged on the printed circuit board substrate at a defined distance from one another and is aligned parallel to its plug-in axis, and when at least two plugs correspond to the sockets at the defined distance are bordered parallel to each other and in relation to the plug-in axis. Since in this case at least one of the plugs is arranged flexibly according to the invention, when the plugs are plugged into the sockets, any manufacturing tolerances with regard to the nominal socket spacing on the substrate are compensated for, which would otherwise result in damage to the socket attachment (usually soldering) due to stress when plugging in. on the substrate. Security against tilting when plugging in can be further increased if a corresponding guide element for plugging in the plugs or sockets in the direction of the plug-in axis is formed on the printed circuit board substrate or in the socket.
  • the term “unit” within the scope of the invention means in principle any electronic circuit that is suitably designed for the intended application. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in act in concert with a program. The program is designed to carry out the corresponding procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. In this context, different electronic units of the measuring device within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit.
  • interaction in the context of the invention refers either to transmission through the medium along a defined measurement path (ie between the transmitting antenna and the receiving antenna) or to reflection on the medium.
  • the socket is attached to the neck of the device.
  • the socket can be attached to the neck of the device by means of a bayonet locking mechanism, for example.
  • the field device can be installed using fewer process steps:
  • Fig. 1 A high-frequency-based field device on a pipeline section
  • 2 a cross-sectional view of an embodiment of the high-frequency plug-in connection according to the invention between antenna and high-frequency module
  • Fig. 3 a side view of a possible interpretation of the version of the connector
  • Fig. 4 a top view of the socket mounted on the device neck.
  • a high-frequency-based field device 1 is shown in FIG.
  • the field device 1 is arranged on a pipe section 3 through which a gaseous medium 2 such as propane, nitrogen, etc., or a liquid medium 2 such as fuel, beverages or waste water with solid-like sediments flows.
  • a transmitting antenna 13 and a receiving antenna 13' of the field device 1 are arranged opposite one another on the inner wall of the pipeline section 3 and aligned with one another.
  • the transmitting antenna 13 serves to emit high-frequency signals SHF in the direction of the medium 2, while the receiving antenna 13' receives the high-frequency signals EHF after passing through the resulting measurement section.
  • the antennas 13, 13' can be designed to be structurally identical.
  • the high-frequency signal SHF is generated by a correspondingly designed high-frequency module of the field device 1, which is connected to the transmitting antenna 13 for this purpose.
  • the field device 1 Based on the received signal EHF, the field device 1 in turn determines the moisture or the solids content of the medium 2 as a process variable to determine the reception signal EHF. From this, the evaluation unit 12 can in turn determine the humidity/solids content of the medium 2, for example on the basis of corresponding calibration data.
  • This can be used to generate the high-frequency signal SHF High-frequency module include, for example, a PLL ("Phase Locked Loop").
  • the high-frequency module can comprise a network analyzer, for example.
  • one of the antennas 13, 13' of the field device 1 can also be designed as a combined transmission/reception antenna, while at the location of the other antenna 13, 13' there is a reflector for the high-frequency -Signal SHF, EHF is attached.
  • the high-frequency module for separating the high-frequency signal SHF to be transmitted from the received signal EHF must be connected to the transmit/receive antenna via a transmit/receive splitter.
  • the reflector can also be dispensed with, so that it is not the transmitted component EHF that is transmitted via the combined transmission/reception antenna, but rather that at the transmission/reception
  • Antenna reflected component of the generated high-frequency signal SHF is determined by the evaluation unit 12.
  • the humidity or the solids content of the medium 2 can be determined via the reflected portion of the generated high-frequency signal SHF.
  • the antennas 13, 13' are connected to the high-frequency module via a device neck 12 or high-frequency-capable cables (e.g. coaxial cables) running therein, in order to connect the high-frequency module and, if necessary, other electronic modules of the field device 1 to be spaced from the pipeline section 3.
  • the pipeline section 3 and the device neck 12 can be made, for example, monolithically from stainless steel.
  • the high-frequency module is arranged by means of a plug connection on that end area of the device neck 12 which faces away from the pipeline section 3 .
  • An enlarged view in the area of this connector is shown in Fig. 2:
  • the high-frequency module includes the connector two sockets 100 ', which are arranged at a defined distance a from each other on a printed circuit board substrate 10 of the high-frequency module, on which, for example, the network analyzer or the PLL can be located.
  • the high-frequency module can use one of the sockets 100' to transmit the
  • the high-frequency module can receive the high-frequency signal EHF via the other socket 100'. So that the high-frequency module can be plugged into corresponding plugs 100 of the plug-in connection on the side of the housing neck 12, the sockets 100' are arranged on the circuit board substrate 10 in such a way that their plug-in
  • the plugs 100 are included in a socket 11 for the purpose of being pluggable into the sockets 100' in such a way that - in relation to their plug-in axis A - the distance a from one another corresponds to the distance a between the modules -side sockets 100 'corresponds to the circuit board substrate 10, and so that the plug-in axes A of the connector 100 parallel to each other.
  • the socket 11 together with the plugs 100 and the corresponding sockets 100' on the printed circuit board substrate 10 of the high-frequency module 10 thus form the high-frequency plug-in connection.
  • SMA or SMB plugs and sockets for example, can be used as plug types.
  • the socket 11 can be produced, for example, from a plastic processed by injection molding.
  • the high-frequency module and the device neck 12 are designed to be compatible with one another in such a form that the device neck 12 in the inserted state of the plug 100 or the
  • Sockets 100 ' forms an end stop for the printed circuit board substrate 10, or vice versa.
  • the plug-in connection 100, 100' assumes a stable state after it has been plugged in or when the high-frequency module is mounted.
  • the high-frequency module can, for example, by means of a Screw connection on the device neck 12 or on the version 11 are additionally fixed.
  • the distance a between the sockets 100' can deviate from the target value depending on the production technology. Irrespective of whether the corresponding distance a between the plugs 100 in the socket 11 deviates from the desired value, this can cause the plugs 100 and sockets to tilt when the high-frequency module is plugged in or attached
  • both plugs 100 are framed in the socket 11 according to the invention by three snap hooks 110 each, as shown in the perspective view of the socket in FIG.
  • the plugs 100 are elastically bordered in relation to their plug-in axis A, so that they can be moved with respect to the plug-in axis A within a defined radius of, for example, 20% of their diameter.
  • This flexible arrangement of the plugs 100 thus prevents tilting when plugging in.
  • the movable mount can also be achieved by an elastic sheathing of the plug in the mount 11 .
  • FIG. 3 It is also clear in FIG. 3 that the two plugs 100 in the socket 11 are enclosed by a guide element 101 with—in relation to the plug-in axis A—a circular cross-section.
  • This guide element 101 engages, as can be seen primarily in FIG. Module is arranged. This further reduces the risk of tilting when plugging in. As can be seen from Fig. 3 and Fig.
  • the socket 11 in the embodiment variant shown can be fastened, for example by means of a bayonet locking mechanism, to the end region of the device neck 12 which faces away from the pipe section 3:
  • Flierzu includes the - in relation to the plug -Axes A - basically round socket 11, four laterally arranged cams 111, which can be inserted into four corresponding grooves 120 in the device neck 12 and allow locking after a rotation of the socket 11 by approx. 45° in a clockwise direction (seen towards the device neck 12). .
  • the two opposing cams 111 and grooves 120 have a geometry or width that differs from the other two pairs of cams 111 and grooves 120 .
  • two opposing cams 111 each additionally comprise a radially gripping snap-in hook 1201, which snap into corresponding snap-in notches of the corresponding grooves 120 when the socket 11 is rotated 45° clockwise.
  • the two plugs 100 To assemble the high-frequency module, before inserting the socket 11 on the device neck 12, the two plugs 100, to which the coaxial cables to the antennas 13, 13' are connected, snap into the socket 11 or the corresponding snap hooks 110. After attachment or
  • the printed circuit board substrate 10 can be attached to the socket 11 by plugging the plugs 100 into the sockets 100' in a quasi-synchronous manner. It is not relevant here whether the device neck 12 and the antennas 13, 13' are already arranged on the pipeline section 3 or not.
  • the embodiment variant of the plug connection there comprises two plugs 100 and two sockets 100'. It is also conceivable within the meaning of the invention that the plug-in connection also includes more or fewer pairs of plugs 100, 100', depending on the requirement.
  • a axis a distance

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Steckverbindung für Hochfrequenzbasierte Feldgeräte (1), bestehend aus Steckern (100) und entsprechenden Buchsen (100'). Dabei zeichnet sich die Hochfrequenz-Steckverbindung dadurch aus, dass der zumindest eine Stecker (100) von einer Fassung (11) derart federnd eingefasst wird, dass dieser/diese Stecker (100) radial zu seiner/ihrer Steck-Achse (A) beweglich ist/sind. Vorteilhaft hieran ist, dass beim Befestigen des Leiterplatten-Substrates (10), auf welchem die Buchsen (100') angeordnet sind, an der Einfassung (11) beim Einstecken der Stecker in (100) in die entsprechenden Buchsen (100') die Gefahr des Verkantens verringert wird. Hierdurch werden eine modulare Auslegung des hochfrequenzbasierten Feldgerätes (1) sowie dessen Fertigbarkeit vereinfacht.

Description

Steckverbindung für hochfrequenzbasierte Feldgeräte
Die Erfindung betrifft eine Steckverbindung für Hochfrequenz-basierte Feldgeräte.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pFI-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder die Permittivität eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Feldgeräte sind zunehmend modular aufgebaut, um gemäß des Plattform- Prinzips einzelne Module in verschiedenen Feldgeräte-Typen einsetzen zu können, und um einen Austausch defekter Module zu ermöglichen. Zumindest bei Hochfrequenz-basierten Feldgeräten, wie Feuchte-Messgeräten und Füllstands-Messgeräten, ist dies jedoch insofern herausfordernd, als dass Hochfrequenz-Verbindungen, wie zwischen der Antennen-Anordnung und dem Hochfrequenz-Modul, geschirmt sein müssen. Diesbezüglich bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz“ im Kontext dieser Patentanmeldung auf entsprechende Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz.
Die nötige Schirmung der Hochfrequenz-Verbindungen erfordert vergleichsweise große und unflexible Verbindungen, beispielsweise in Form von SMA- oder SMB-Steckverbindungen. Hierdurch besteht insbesondere beim Einstecken die Gefahr einer Verkantung, wenn mehrere Steckverbindungen nebeneinander angeordnet sind: Zumindest die Buchsen der Steckverbindungen sind oftmals direkt auf einer Leiterplatte des entsprechenden Moduls angeordnet, bspw. mittels Reflow-Lötens zusammen mit den anderen Komponenten auf der Leiterplatte, wobei der tatsächliche Abstand zwischen den Buchsen durch Fertigungstoleranzen bedingt vom Soll- Abstand abweichen kann. Dies führt zum Verkanten beim Ein- bzw. Ausstecken und somit potenziell zur Zerstörung des gesamten Hochfrequenz- Moduls. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenz- Modul bereitzustellen, das einfach und sicher in das Feldgerät einbaubar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Hochfrequenz-basiertes Feldgerät zur Bestimmung einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
- Zumindest eine Sende- und/oder Empfangs-Antenne, die derart am Behälter anbringbar ist, um ein Hochfrequenz-Signal gen Medium auszusenden, und/oder um das Hochfrequenz-Signal nach Interaktion mit dem Medium zu empfangen,
- einen am Behälter anordbaren Gerätehals, um die zumindest eine Antenne zu kontaktieren, - eine Fassung, die zumindest einen Stecker derart federnd einfasst, dass dieser/diese Stecker radial zu seiner/ihrer Steck-Achse beweglich ist/sind, wobei die Fassung derart im Gerätehals eingesetzt ist, dass der zumindest eine Stecker jeweils an die zumindest eine Antenne kontaktiert ist, und - ein Hochfrequenz-Modul, mit o einem Leiterplatten-Substrat, auf dem zumindest eine zum Stecker korrespondierende Buchse angeordnet ist, und o einer hierauf angeordneten Elektronik-Einheit, die ausgelegt, um das einzukoppelnde Hochfrequenz-Signal zu erzeugen, und um anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals die
Prozessgröße zu bestimmen, wobei die Elektronik-Einheit hierzu jeweils mit der zumindest einen Buchse verbunden ist.
Das Leiterplatten-Substrat ist erfindungsgemäß derart an der Fassung befestigbar, dass der zumindest eine Stecker in die zumindest eine Buchse eingesteckt ist.
Dabei kann/können der bzw. die Stecker und die entsprechenden Buchsen als handelsübliche SMA- oder SMB-Stecker ausgelegt sein. Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem nicht fest vorgeschrieben, ob der Stecker das „männliche“ oder „weibliche“ Bauteil der Hochfrequenz-Steckverbindung darstellt, bzw. ob die Buchse das korrespondierende „weibliche“ oder „männliche“ Bauteil der Hochfrequenz-Steckverbindung darstellt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Hochfrequenz-Steckverbindung dadurch aus, dass die Fassung zumindest den einen Stecker derart federnd einfasst, dass dieser/diese Stecker radial zu seiner/ihrer Steck-Achse innerhalb eines definierten Bereichs beweglich ist/sind. Durch die erfindungsgemäß federnde Einfassung des Steckers ist dieser flexibel, um beim Einstecken nicht zu verkanten. Um den Stecker federnd einzufassen, kann die Fassung den/die federnd eingefassten Stecker beispielsweise mittels einer elastischen Ummantelung und/oder mittels insbesondere jeweils dreier Schnapphaken einfassen, wobei auch andere adäquate Ausführungen denkbar sind.
Die Erfindung wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn auf dem Leiterplatten-Substrat mehr als eine Buchse in einem definierten Abstand zueinander angeordnet und in Bezug zu ihrer Steck-Achse parallel ausgerichtet ist, und wenn korrespondierend zu den Buchsen zumindest zwei Stecker in dem definierten Abstand zueinander und in Bezug zu deren Steck- Achse parallel eingefasst sind. Da auch in diesem Fall erfindungsgemäß zumindest einer der Stecker flexibel angeordnet ist, werden beim Einstecken der Stecker in die Buchsen etwaige Fertigungstoleranzen bezüglich des Buchsen-Sollabstandes auf dem Substrat kompensiert, welche beim Einstecken ansonsten spannungsbedingt zu einer Beschädigung der Buchsen-Befestigung (üblicherweise Löten) auf dem Substrat führen könnte. Weiter erhöht werden kann die Sicherheit gegen Verkanten beim Einstecken, wenn auf dem Leiterplatten-Substrat bzw. in der Fassung jeweils ein korrespondierendes Führungs-Element zum Einstecken der Stecker bzw. der Buchsen in Richtung der Steck-Achse ausgebildet ist.
Im Zusammenhang mit dem Feldgerät wird unter dem Begriff „Einheit im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung, wie einem FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Der Begriff „Interaktion“ bezieht sich im Rahmen der Erfindung je nach Art und Funktionsweise des Feldgerätes entweder auf Transmission durch das Medium entlang einer definierten Messstrecke (also zwischen der Sende- Antenne und der Empfangs-Antenne), oder auf Reflektion am Medium.
Die Art der Befestigung der Fassung am Gerätehals ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Insbesondere, wenn der Gerätehals bzw. die Fassung mit einem runden Querschnitt ausgelegt sind, kann die Fassung beispielsweise mittels eines Bajonett-Verschlussmechanismus am Gerätehals befestigt werden.
Dank des erfindungsgemäßen Aufbaus kann das Feldgerät mittels weniger Verfahrensschritte montiert werden:
- Anordnen des Gerätehalses und der zumindest einen Antenne am Behälter, sofern die Antennen, der Gerätehals und der Behälter nicht bereits als integrale Baugruppe vorliegen,
- Einsetzen der Stecker in die Fassung,
- Einsetzen der Fassung in den Gerätehals, und
- Befestigen des Leiterplatten-Substrates an der Fassung mittels Einsteckens der Stecker in die Buchsen.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: Ein hochfrequenzbasiertes Feldgerät an einem Rohrleitungsabschnitt, Fig. 2: eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Steckverbindung zwischen Antenne und Hochfrequenz-Modul,
Fig. 3: eine Seiten-Ansicht auf eine mögliche Auslegung der Fassung der Steckverbindung, und
Fig. 4: eine Draufsicht auf die am Gerätehals montierte Fassung.
Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 als Schnitt-Ansicht ein Hochfrequenz-basiertes Feldgerät 1 dargestellt, das zur Messung einer Feuchte bzw. eines Feststoff-Anteils eines Mediums 2 dient. Hierzu ist das Feldgerät 1 an einem Rohrleitungsabschnitt 3 angeordnet, durch welchen ein gasförmiges Medium 2 wie Propan, Stickstoff etc., oder ein flüssiges Medium 2 wie Treibstoff, Getränke oder Abwässer mit feststoffartigen Sedimenten strömt. Zur Bestimmung der Feuchte bzw. des Feststoffanteils als spezifische Prozessgröße sind an der Innenwand des Rohrleitungsabschnittes 3 gegenüberliegend zueinander eine Sende-Antenne 13 und eine Empfangs- Antenne 13' des Feldgerätes 1 angeordnet und zueinander ausgerichtet. Die Sende-Antenne 13 dient zum Aussenden von Hochfrequenz-Signalen SHF in Richtung des Mediums 2, während die Empfangs-Antenne 13' die Hochfrequenz-Signale EHF nach Durchlaufen der resultierenden Messstrecke empfängt. Dabei können die Antennen 13, 13' prinzipiell baugleich ausgelegt sein.
Das Hochfrequenz-Signal SHF wird von einem entsprechend ausgelegten Hochfrequenz-Modul des Feldgerätes 1 generiert, welches hierzu mit der Sende-Antenne 13 verbunden ist. Anhand des Empfangs-Signals EHF bestimmt das Feldgerät 1 als Prozessgröße wiederum die Feuchte bzw. den Feststoffanteil des Mediums 2. Dazu ist das Hochfrequenz-Modul auch an die Empfangs-Antenne 13' angeschlossen, um die Phase, die Signallaufzeit und/oder die Amplitude des Empfangs-Signals EHF zu ermitteln. Hieraus kann die Auswertungs-Einheit 12 beispielsweise auf Basis von entsprechenden Kalibrierdaten wiederum die Feuchte/den Feststoffanteil des Mediums 2 bestimmen. Zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals SHF kann das Hochfrequenz-Modul beispielsweise eine PLL {„Phase Locked Loop“) umfassen. Insbesondere zur Ermittlung der Phase, der Signallaufzeit und/oder die Amplitude des Empfangs-Signals EHF kann das Hochfrequenz-Modul beispielsweise einen Netzwerk-Analysator umfassen.
Alternativ zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante des Feldgerätes 1 kann eine der Antennen 13, 13' des Feldgerätes 1 auch als kombinierte Sende-/Empfangs-Antenne ausgelegt werden, während am Ort der anderen Antenne 13, 13' ein Reflektor für das Hochfrequenz-Signal SHF, EHF angebracht wird. In diesem Fall ist das Hochfrequenz-Modul zur Trennung des auszusendenden Hochfrequenz-Signals SHF vom Empfangs-Signal EHF über eine Sende-/Empfangs-Weiche mit der Sende-/Empfangs-Antenne zu verbinden. In einer weiteren Abwandlung hiervon kann auch auf den Reflektor verzichtet werden, so dass über die kombinierte Sende-/Empfangs-Antenne nicht der transmittierte Anteil EHF, sondern der an der Sende-/Empfangs-
Antenne reflektierte Anteil des erzeugten Hochfrequenz-Signals SHF durch die Auswertungs-Einheit 12 bestimmt wird. Analog zum transmittiven Verfahren kann im Falle dieses reflektiven Verfahrens die Feuchte bzw. der Feststoffanteil des Mediums 2 über den reflektierten Anteil des erzeugten Hochfrequenz-Signals SHF bestimmt werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Antennen 13, 13' über einen Gerätehals 12 bzw. darin verlaufende, hochfrequenztaugliche Kabel (beispielsweise Koaxialkabel) mit dem Hochfrequenz-Modul verbunden, um das Hochfrequenz-Modul und ggf. weitere elektronische Module des Feldgerätes 1 vom Rohrleitungsabschnitt 3 zu beabstanden. Dabei können der Rohrleitungsabschnitt 3 und der Gerätehals 12 bspw. monolithisch aus einem Edelstahl gefertigt sein. Hierdurch wird das Hochfrequenz-Modul unter anderem vor thermischen Einflüssen des ggf. heißen Mediums 2 geschützt.
Zur Montage, bzw. damit das Hochfrequenz-Modul bei Bedarf ausgetauscht werden kann, ist das Hochfrequenz-Modul mittels einer Steckverbindung an demjenigen Endbereich des Gerätehalses 12 angeordnet, der dem Rohleitungsabschnitt 3 abgewandt ist. Eine vergrößerte Darstellung im Bereich dieser Steckverbindung wird in Fig. 2 dargestellt: Auf Seiten des Hochfrequenz-Moduls umfasst die Steckverbindung zwei Buchsen 100‘, die in einem definierten Abstand a zueinander auf einem Leiterplatten-Substrat 10 des Hochfrequenz-Moduls angeordnet sind, auf dem sich beispielsweise auch der Netzwerkanalysator bzw. die PLL befinden können. Dabei kann das Hochfrequenz-Modul über eine der Buchse 100' das auszusendende
Hochfrequenz-Signal SHF übertragen, über die anderen Buchse 100' kann das Hochfrequenz-Modul das Hochfrequenz-Signal EHF empfangen. Damit das Hochfrequenz-Modul in entsprechende Stecker 100 der Steckverbindung auf Seiten des Gehäusehalses 12 gesteckt werden kann, sind die Buchsen 100' derart auf dem Leiterplatten-Substrat 10 angeordnet, dass deren Steck-
Achsen A orthogonal zur Leiterplatte 10 und somit auch parallel zueinander verlaufen.
Auf Seiten des Gehäusehalses 12 münden die zwei von den Antennen 13, 13' herführenden Koaxialkabel, welche das einzelne Hochfrequenz-Signal SHF,
EHF übertragen, jeweils in einen der Stecker 100. Dabei sind die Stecker 100 zwecks Einsteckbarkeit in die Buchsen 100' derart in eine Fassung 11 eingefasst, so dass - in Bezug zu deren Steck-Achse A - der Abstand a zueinander dem Abstand a der Modul-seitigen Buchsen 100' auf dem Leiterplatten-Substrat 10 entspricht, und so dass auch die Steck-Achsen A der Stecker 100 parallel zueinander verlaufen. Somit bilden die Fassung 11 mitsamt den Steckern 100 und die korrespondierenden Buchsen 100' auf dem Leiterplatten-Substrat 10 des Hochfrequenz-Moduls 10 die Hochfrequenz- Steckverbindung aus. Als Steckertyp können beispielsweise SMA- oder SMB- Stecker und Buchsen eingesetzt werden. Dabei kann die Fassung 11 bspw. aus einem per Spritzguss verarbeiteten Kunststoff hergestellt werden.
Wie in Fig. 2 außerdem dargestellt wird, sind das Hochfrequenz-Modul und der Gerätehals 12 in solch einer Form kompatibel zueinander ausgelegt, dass der Gerätehals 12 im eingesteckten Zustand der Stecker 100 bzw. der
Buchsen 100' einen Endanschlag für das Leiterplatten-Substrat 10 ausbildet, bzw. umgekehrt. Hierdurch nimmt die Steckverbindung 100, 100' nach Einstecken bzw. bei montiertem Hochfrequenz-Modul einen stabilen Zustand ein. Dabei kann das Hochfrequenz-Modul beispielsweise mittels einer Schraubverbindung am Gerätehals 12 oder an der Fassung 11 zusätzlich fixiert werden.
Beim Anbringen des Hochfrequenz-Moduls 10 am Gehäuse-Hals bzw. beim damit einhergehenden Einstecken der Stecker 100 in die Buchsen 100' ist es kritisch, dass der Abstand a der Buchsen 100' je nach Fertigungstechnologie vom Soll-Wert abweichen kann. Unabhängig davon, ob ggf. auch der korrespondierende Abstand a der Stecker 100 in der Fassung 11 zueinander vom Soll-Wert abweicht, kann dies beim Einstecken bzw. Anbringen des Hochfrequenz-Moduls zum Verkanten der Stecker 100 und Buchsen
100' führen. In der Folge kann dies beispielsweise zur Beschädigung des Hochfrequenz-Moduls 10 führen, indem beispielsweise die Lötverbindung zwischen den Buchsen 100' und dem Leiterplatten-Substrat 10 Schaden nimmt.
Um dies zu vermeiden, und um somit eine sichere Montage zu gewährleisten, sind beide Stecker 100 in der Fassung 11 erfindungsgemäß durch jeweils drei Schnapphaken 110 eingefasst, wie in der perspektivischen Ansicht der Fassung in Fig.3 dargestellt ist. Hierdurch sind die Stecker 100 in Bezug zu ihrer Steck-Achse A federnd eingefasst, so dass sie hinsichtlich der Steck- Achse A in einem definierten Radius von beispielsweise 20 % ihres Durchmessers beweglich sind. Durch diese flexible Anordnung der Stecker 100 wird somit beim Einstecken ein Verkanten verhindert. Dabei kann die bewegliche Einfassung im Gegensatz zu den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Schnapphaken 110 auch durch eine elastische Ummantelung der Stecker in der Fassung 11 erreicht werden.
In Fig. 3 wird außerdem deutlich, dass die zwei Stecker 100 in der Fassung 11 durch ein Führungs-Element 101 mit - in Bezug zur Steck-Achse A - kreisförmigem Querschnitt umschlossen sind. Dieses Führungs-Element 101 greift, wie vor allem in Fig. 2 zu erkennen ist, beim Einstecken konzentrisch in ein korrespondierendes Führungs-Element 101‘, welches mit entsprechend rundem Querschnitt um die Buchsen 100' herum auf dem Leiterplatten- Substrat 10 des Hochfrequenz-Moduls angeordnet ist. Hierdurch wird die Gefahr des Verkantens beim Einstecken zusätzlich reduziert. Wie aus Fig. 3 und Fig. 4 hervorgeht, kann die Fassung 11 in der gezeigten Ausführungsvariante beispielsweise mittels eines Bajonett- Verschlussmechanismus an dem Endbereich des Gerätehalses 12 befestigt werden, welcher dem Rohrleitungsabschnitt 3 abgewandt ist: Flierzu umfasst die - in Bezug zu den Steck-Achsen A - prinzipiell rund ausgelegte Fassung 11 vier seitlich angeordnete Nocken 111, welche in vier korrespondierende Nuten 120 im Gerätehals 12 einsetzbar sind und ein Verschließen nach einer Drehung der Fassung 11 um ca. 45° in Richtung Uhrzeigersinn (gen Gerätehals 12 gesehen) erlauben. Dabei zeigt die Draufsicht auf die Fassung 11 und den Rohrleitungsabschnitt 3 in Fig. 4 die in die Nuten 120 eingesetzte
Stellung der Fassung 11 , bei welcher die Fassung 11 jedoch noch nicht um 45° gen Uhrzeigersinn gedreht bzw. noch nicht verriegelt ist. Wie dort ebenfalls zu erkennen ist, weisen die jeweils zwei gegenüberliegenden Nocken 111 und Nuten 120 eine Geometrie bzw. Breite auf, die von den anderen zwei Paaren an Nocken 111 und Nuten 120 abweicht. Des Weiteren umfassen zwei gegenüberliegende Nocken 111 zusätzlich jeweils einen radial greifenden Einrast-Haken 1201, welche bei der um 45° im Uhrzeigersinn gedrehten Stellung der Fassung 11 in entsprechende Einrastkerben der korrespondierenden Nuten 120 einrasten. Hierdurch ist die Fassung 11 eindeutig und ohne Verwechslungsgefahr montierbar.
Zur Montage des Hochfrequenz-Moduls sind vor dem Einsetzen der Fassung 11 am Gerätehals 12 die zwei Stecker 100, an welche sich die Koaxialkabel zu den Antennen 13, 13' hin anschließen, in die Fassung 11 bzw. die entsprechenden Schnapphaken 110 einzurasten. Nach Befestigung bzw.
Sichern der Fassung 11 am Gerätehals 12 kann das Leiterplatten-Substrat 10 an der Fassung 11 angebracht werden, indem die Stecker 100 quasi synchron in die Buchsen 100' eingesteckt werden. Dabei ist es nicht relevant, ob der Gerätehals 12 und die Antennen 13, 13' bereits am Rohrleitungsabschnitt 3 angeordnet sind, oder nicht.
Wie in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt ist, umfasst die dortige Ausführungsvariante der Steckverbindung zwei Stecker 100 bzw. zwei Buchsen 100‘. Dabei ist es im Sinne der Erfindung ebenfalls denkbar, dass die Steckverbindung je nach Anforderung auch mehr oder weniger Steckerpaare 100, 100' umfasst. Bezugszeichenliste
1 Hochfrequenz-basiertes Feldgerät
2 Medium 3 Rohrleitungsabschnitt
10 Substrat
11 Fassung
12 Gerätehals
13, 13' Antennen 100 Stecker
100' Buchse
101,101' Führungs-Element
110 Schnapphaken
111 Nocken 120 Nut
1201 Einrast-Flaken
A Achse a Abstand
EHF Empfangenes Flochfrequenz-Signal SHF Flochfrequenz-Signal

Claims

Patentansprüche
1. Hochfrequenz-basiertes Feldgerät (1) zur Bestimmung einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (3), umfassend:
- Zumindest eine Sende- und/oder Empfangs-Antenne (13, 13‘), die derart am Behälter (3) anbringbar ist, um ein Hochfrequenz-Signal (SHF) gen Medium (2) auszusenden, und/oder um das Hochfrequenz-Signal (EHF) nach Interaktion mit dem Medium (2) zu empfangen,
- einen am Behälter (3) anordbaren Gerätehals (12), um die zumindest eine Antenne (13, 13‘) zu kontaktieren,
- eine Fassung (11 ), die zumindest einen Stecker (100) derart federnd einfasst, dass dieser/diese Stecker (100) radial zu seiner/ihrer Steck- Achse (A) beweglich ist/sind, wobei die Fassung (11) derart im Gerätehals (12) eingesetzt ist, dass der zumindest eine Stecker (100) jeweils an die zumindest eine Antenne (13, 13‘) kontaktiert ist,
- ein Hochfrequenz-Modul, mit o einem Leiterplatten-Substrat (10), auf dem zumindest eine zum Stecker (100) korrespondierende Buchse (100‘) angeordnet ist, und o einer hierauf angeordneten Elektronik-Einheit, die ausgelegt, um das einzukoppelnde Hochfrequenz-Signal (SHF) ZU erzeugen, und um anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals (EHF) die Prozessgröße zu bestimmen, wobei die Elektronik-Einheit hierzu jeweils mit der zumindest einen Buchse (100‘) verbunden ist, und wobei das Leiterplatten-Substrat (10) derart an der Fassung (11) befestigbar ist, dass der zumindest eine Stecker (100) in die zumindest eine Buchse (100‘) eingesteckt ist.
2. Feldgerät nach Anspruch 1 , wobei auf dem Leiterplatten-Substrat (10) zumindest zwei Buchsen (100‘) in einem definierten Abstand (a) zueinander angeordnet und in Bezug zu ihrer Steck-Achse (A) parallel ausgerichtet sind, und wobei korrespondierend zu den Buchsen (100‘) zumindest zwei Stecker (100) in dem definierten Abstand (a) zueinander und in Bezug zu deren Steck-Achse (A) parallel einfasst sind.
3. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stecker (100) und Buchsen (100‘) als SMA- oder SMB-Stecker ausgelegt sind.
4. Feldgerät nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Fassung (11 ) den/die federnd eingefassten Stecker (100) mittels insbesondere jeweils dreier Schnapphaken (110) einfasst.
5. Feldgerät nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Fassung (11 ) den/die federnd eingefassten Stecker (100) mittels einer elastischen Ummantelung einfasst.
6. Feldgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf dem Leiterplatten- Substrat (10) bzw. in der Fassung (11) jeweils ein korrespondierendes Führungs-Element (101, 101‘) zum Einstecken der Stecker (100) bzw. der Buchsen (100‘) in Richtung der Steck-Achse (A) ausgebildet ist.
7. Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gerätehals (12) im eingesteckten Zustand der Stecker (100) bzw. der Buchsen (100‘) einen Endanschlag für das Leiterplatten-Substrat (10) ausbildet.
8. Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fassung (11) mittels eines Bajonett-Verschlussmechanismus am Gerätehals (12) befestigbar ist.
9. Verfahren zur Fertigung des Feldgerätes (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Anordnen des Gerätehalses (12) und der zumindest einen Antenne (13, 13‘) am Behälter (3),
- Einsetzen der Stecker (100) in die Fassung (11 ), - Einsetzen der Fassung (11 ) in den Gerätehals (12), und
- Einstecken der Stecker (100) in die Buchsen (100‘) mittels Befestigen des Leiterplatten-Substrates (10) an der Fassung (11).
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