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WO2016091481A1 - Vorrichtung zur übertragung von signalen aus einem metall-gehäuse - Google Patents

Vorrichtung zur übertragung von signalen aus einem metall-gehäuse Download PDF

Info

Publication number
WO2016091481A1
WO2016091481A1 PCT/EP2015/075542 EP2015075542W WO2016091481A1 WO 2016091481 A1 WO2016091481 A1 WO 2016091481A1 EP 2015075542 W EP2015075542 W EP 2015075542W WO 2016091481 A1 WO2016091481 A1 WO 2016091481A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
secondary antenna
antenna
electromagnetic waves
cable gland
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/075542
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Blödt
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority to CN201580066804.4A priority Critical patent/CN107004941B/zh
Priority to EP15791280.9A priority patent/EP3231035B1/de
Priority to US15/534,724 priority patent/US10236555B2/en
Publication of WO2016091481A1 publication Critical patent/WO2016091481A1/de

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
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    • H01Q1/2208—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • H01Q1/2233—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in consumption-meter devices, e.g. electricity, gas or water meters
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    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
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    • H01Q1/1207—Supports; Mounting means for fastening a rigid aerial element
    • H01Q1/1214—Supports; Mounting means for fastening a rigid aerial element through a wall

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble in claim 1.
  • Process automation technology field devices are often used, which serve for the determination, optimization and / or influencing of process variables.
  • sensors such as
  • level gauges For example, level gauges, flow meters, pressure and temperature measuring devices, conductivity meters, etc., which the
  • actuators such as valves or pumps, on the flow of a liquid in a pipe section or the level in one
  • field devices are all devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information.
  • field devices are thus also understood as remote I / Os (electrical interfaces), radio adapters or in general devices which are arranged on the field level.
  • I / Os electrical interfaces
  • radio adapters or in general devices which are arranged on the field level.
  • a variety of such field devices is manufactured and sold by the company Endress + Hauser.
  • RFID systems are used to identify field devices.
  • An RFID system consists of a transponder, which is located in a housing and contains a distinctive code, and a reader for reading this identifier.
  • An NFC system additionally allows an opposite information path and, for example, the transmission of one or more measured values of one or an interconnection of several field devices.
  • a disadvantage of RFID and NFC transponders is that the conductive housing of the field devices for electromagnetic waves in the area necessary for RFID is substantially not permeable.
  • the invention has for its object to provide a device which the transmission of RFID or NFC signals from a
  • the object is achieved by the subject invention.
  • the invention relates to a device for transmitting signals from at least one housing opening of an at least partially metallic housing by means of electromagnetic waves of at least one specific wavelength, comprising a arranged in the housing transmitting / receiving unit for generating and receiving the
  • At least one primary antenna arranged in the housing for decoupling the generated electromagnetic waves of the transceiver unit and for coupling and transmitting received electromagnetic waves to the transceiver unit, a first secondary antenna for receiving the electromagnetic waves coupled out from the primary antenna, the first one
  • a second secondary antenna for receiving the transmitted from outside the housing electromagnetic waves, wherein the second secondary antenna outside of the housing at the
  • Housing opening is arranged, wherein between the first and second
  • Secondary antenna a reflection point is arranged so that between the first and second secondary antenna, an impedance jump is made.
  • the electromagnetic waves emitted by the primary antenna couple to the first secondary antenna within the housing and
  • Transmitted secondary antenna outside of the housing and coupled out from the second secondary antenna.
  • the housing opening has a
  • Cable gland in particular a PG cable gland on.
  • the cable gland is at least partially filled by a dielectric filling material, in particular a dielectric potting compound.
  • the dielectric filler shields the radiation emitted from the first or second secondary antenna
  • the filling material ensures a tightness of the housing
  • the reflection point is designed as a sudden change from the diameter of the first to the diameter of the second secondary antenna.
  • a sudden change in the diameter causes a change in the wavelength of the
  • the reflection point is designed as a common antenna base of the first and second secondary antenna.
  • the common antenna decouples the first from the second secondary antenna.
  • the common antenna base is plate-shaped, wherein the antenna defines a first plane, wherein a housing opening having wall of the housing defines a second plane, and wherein the first plane and the second plane are identical.
  • the first and / or second secondary antenna has / have a length which corresponds to an integer multiple of a quarter of at least one specific wavelength. This leads to a low-loss transmission from the first to the second secondary antenna and vice versa.
  • the first and / or second secondary antenna has / have a length that corresponds to a quarter of at least one specific wavelength. This leads to a low-loss
  • the wavelengths must be in an even relationship to each other.
  • the first and / or second secondary antenna are each rounded off at an open end opposite the reflection point. In this way it is possible to generate the wavelengths of a frequency band that fit into the first and / or second secondary antenna and thereby achieve broadbandness.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of a device for the transmission of
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a first or second
  • FIG. 3 a side view of a PG cable gland in the
  • FIG. 4 shows a side view of a housing of a field device with three different types of blind plugs
  • 5 shows a schematic longitudinal section of a housing with outgoing and entering field lines of an electric field.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of an apparatus 1 for transmitting electromagnetic waves from a metallic housing (not shown).
  • a wall 13 of the housing has a housing opening 2, in which a cable gland 10 is arranged.
  • Cable gland 10 is designed as a hollow cylinder and is arranged to a greater extent outside of the housing.
  • a rubber seal 16 seals the cable gland 10 against the wall 13 waterproof.
  • a plate-shaped antenna base 12 is arranged, which has a first and second side surface.
  • a first side surface facing outwardly of the housing defines a first plane 14.
  • An outer surface of the housing defines a second plane 15.
  • the first and second planes 14, 15 may be identical. This is achieved by means of a filling material 1 1, which has an interior of the
  • the filler 1 1 comprises a dielectric material, such as plastic, glass or ceramic.
  • a first stabformige secondary antenna 7 (diameter about 1, 5 mm) is disposed on the first side surface of the antenna base 12 and points in the direction of the housing exterior.
  • a second stabformige secondary antenna 8 is disposed on the second side surface of the antenna base 12 and points in the direction of the housing interior. In this way, the first and second secondary antennas 7, 8 have the antenna base 12 as a common antenna base 12.
  • the antenna base 12 functions as a reflection point between the first and second secondary antennas 7, 8, so that a
  • Impedance jump between the first and second secondary antenna 7, 8 is formed.
  • the lengths of the first and second secondary antennas 7, 8 are chosen so that the lengths are multiples of one quarter of a
  • the length of the first and second secondary antennae 7, 8 can be exactly one quarter of the
  • electromagnetic waves of wavelength in a range 2.4 GHz ANT, ANT +, Bluetooth, WLAN
  • ANT, ANT +, Bluetooth, WLAN particularly favorable.
  • a good impedance matching of the first secondary antenna 7 to the second secondary antenna 8 is achieved by the use of a thick bolt as first and second secondary antenna 7, 8, respectively.
  • Fig. 2 shows a schematic longitudinal section of a first or second secondary antenna 7 at a rounded open end.
  • the open ends of the first and second secondary antennas are rounded, the lengths between the reflection point and the open ends of the first and second secondary antennas are different. This means that not only electromagnetic waves of a certain wavelength in the respective secondary antenna fit, but
  • FIG. 3 shows a side view of a cable gland 10, which is designed as a PG gland, once in the exploded view and once in the assembled representation.
  • the cable gland 10 has at an outer end prongs 17, which together with a
  • housings of field meters usually have at least one housing opening to mount PG cable glands. Several housing openings offer the advantage that there are several ways the cables are in there
  • Field device This is particularly important in installations in the USA, since the wiring usually has to be laid in a metal tube (armored tube) and these are very inflexible. Furthermore, a cascading of field measuring devices is possible hereby. This reduces the necessary cabling effort. In the devices are suitable, for example
  • Bus systems are provided to transmit measurement data across other devices.
  • the devices have connections for at least two cables.
  • one of the unused cable glands is used to transmit electromagnetic waves. This has the advantage that the housing openings are already present in the existing housings and the housings do not need to be changed. Unused cable glands can be closed with a so-called blind plug
  • FIG 4 shows a side view of a metallic housing of a field device with three different types of blind plugs 20 made of plastic.
  • the blind plugs 20 are each on a metallic housing of the Automaticcel. Product series with the trade name Micropilot of the applicant assembled.
  • Housing opening arranged a metallic housing, so represents the
  • Housing opening for electromagnetic waves is a circular waveguide.
  • the lower cutoff frequency of the transmitted through the housing opening is a circular waveguide.
  • Transmission frequency by a factor of 2 ... 4 (with shielded cables significantly more).
  • a passage through the housing opening is possible, but generally strongly attenuated and only at a 6 ... 10 times higher frequency (at a housing opening with 19 mm diameter from 600 GHz) well-permeable ,
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section of a housing 9 with outgoing and entering field lines 21 of an electric field.
  • a field distribution of the electric field lines 21 explains the effect of how the signals by means of the electromagnetic waves to one of the housing opening. 2
  • Fig. 6 shows a sketched longitudinal section of a first and second
  • Secondary antenna 7, 8 form a standing wave. That is an integer multiple of a quarter of the wavelength of the transmitted
  • electromagnetic wave must be the length 11 and 12 of the first and second Secondary antenna 7, 8 correspond.
  • the first and second secondary antenna 7, 8 have different lengths 11 and 12.

Landscapes

  • Details Of Aerials (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

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

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem Metall-Gehäuse
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:
Fig. 1 : zeigt einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur Übertragung von
Signalen aus einem metallischen Gehäuse,
Fig. 2: einen schematischen Längsschnitt einer ersten oder zweiten
Sekundärantenne an einem abgerundeten offenen Ende, Fig. 3: eine Seitenansicht einer PG-Kabelverschraubung in der
Explosionsdarstellung und in der zusammengesetzten Darstellung,
Fig. 4: eine Seitenansicht eines Gehäuses eines Feldgeräts mit drei verschiedenen Arten von Blindstopfen, und Fig. 5: einen schematischen Längsschnitt eines Gehäuses mit aus- und eintretenden Feldlinien eines elektrischen Feldes.
Fig. 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 1 1 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 1 1 die Gehäuseöffnung 2 wasserdicht. Das Füllmaterial 1 1 umfasst ein dielektrisches Material, wie beispielsweise Kunststoff, Glas oder Keramik. Eine erste stabformige Sekundärantenne 7 (Durchmesser ca. 1 ,5 mm) ist auf der ersten Seitenfläche des Antennenfußes 12 angeordnet und weist in Richtung des Gehäuseäußeren. Eine zweite stabformige 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.
Fig. 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. Fig. 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.
Fig. 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 Gerätebzw. 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.
Fig. 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.
Fig. 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 11 und 12 der ersten und zweiten Sekundärantenne 7, 8 entsprechen. Dabei können die erste und zweite Sekundärantenne 7, 8 unterschiedliche Längen 11 und 12 aufweisen.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung
Gehäuseöffnung
Gehäuse
Elektromagnetischen Wellen
Sende-/Empfangseinheit
Primärantenne
Erste Sekundärantenne
Zweite Sekundärantenne
Reflexionsstelle
Kabelverschraubung
Dielektrisches Füllmaterial
Antennenfuß
Wandung des Gehäuses
Erste Ebene
Zweite Ebene
Gummidichtung
Zinken
Befestigungsmutter
Zweite Gummidichtung
Blindstopfen
Feldlinien
Wellenlänge

Claims

Patentansprüche
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 (1 1 ), 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 (1 1 ) 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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