DE102018105903A1

DE102018105903A1 - Feldgerät mit einem Metallgehäuse, einer durch eine Kabeldurchführung geführten Anschlussleitung und einem Funkmodul mit einer Antenne

Info

Publication number: DE102018105903A1
Application number: DE102018105903.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Deck; Karl Griessbaum; Jürgen Motzer; Daniel Schultheiss
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019175051A1; CN111406241A; US11387543B2; US20210218122A1; EP3765931A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät (1) mit einem Metallgehäuse (3), einer durch eine Kabeldurchführung (5) geführten Anschlussleitung (7) und einem Funkmodul (9) mit einer Antenne (11), wobei die Antenne (11) wenigstens abschnittsweise außerhalb des Gehäuses (3), parallel zu der Anschlussleitung (7) und in der Kabeldurchführung (5) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einem Metallgehäuse, einer durch eine Kabeldurchführung geführten Anschlussleitung und einem Funkmodul mit einer Antenne.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung.
Häufig werden Feldgeräte mit metallischen Gehäusen aufgrund ihrer mechanischen Stabilität und Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen eingesetzt. Bei einem Einsatz von Feldgeräten in explosionsgefährdeten Umgebungen müssen diese bestimmte Anforderungen erfüllen, die den Einsatz von metallischen Gehäusen ebenfalls erfordern. Beispielsweise darf bei der Explosionsschutzart druckfeste Kapselung (Ex-d) das Gehäuse eines Feldgerätes bei einem Explosionsdruck innerhalb des Gehäuses nicht bersten, was üblicherweise durch Gehäuse in Metallausführung erreicht wird. Bei der Zündschutzart druckfeste Kapselung sind die Komponenten, die eine Zündung, bspw. eines entflammbaren Gases, auslösen können, in ein Gehäuse eingebaut, das dem Explosionsdruck standhält. Die Öffnungen des Gehäuses sind so beschaffen, dass eine Übertragung der Explosion nach außen verhindert wird. Sämtliche Verschlüsse und Durchführungen des Gehäuses sind entsprechend dieser Zündschutzart auszuführen und sind daher teilweise sehr aufwändig zu gestalten.
Aus dem Stand der Technik ist es bspw. bekannt, Funkmodule zur leichteren Bedienung und Parametrierung von Feldgeräten zu verwenden. Eine Bedienung und Parametrierung über Funkmodule erleichtert dem Bedienpersonal die Arbeit vor Ort, da das Feldgerät bspw. zur Parametrierung nicht geöffnet und dafür in explosionsgefährdeten Umgebungen ggf. vollständig außer Betrieb genommen werden muss.
Eine Verwendung von Funkmodulen steht aber im Widerspruch zu Gehäusen aus Metall. Befindet sich ein Funk-Sender/Empfänger zusammen mit der übrigen Sensorelektronik eines Füllstandsensors innerhalb des Sensorgehäuses, so verhindern metallische Gehäusewände die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und damit die gewünschte Funkverbindung.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, Metallgehäuse mit einem Glasfenster auszustatten, welches für die Ablesbarkeit eines eingebauten Displays verwendet wird und gleichzeitig auch eine Funkverbindung durch das Glasfenster hindurch erlaubt. Es wird allerdings als nachteilig empfunden, dass eine solche Funkverbindung einer starken Richtwirkung unterliegt und damit nur eingeschränkt nutzbar ist.
Ferner ist es bekannt, ein Kommunikationssignal über eine Koaxialleitung durch eine separate Kabeldurchführung durch das Gehäuse zu führen und eine dort angebrachte Außenantenne mit diesem Signal zu speisen. Hieran wird es als Nachteil empfunden, dass eine zusätzliche Kabeldurchführung benötigt wird und entsprechend explosionssicher ausgestaltet werden muss.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Feldgerät mit einem Metallgehäuse und einem Funkmodul weiterzubilden und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch ein Feldgerät mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät mit einem Metallgehäuse, einer durch eine Kabeldurchführung geführten Anschlussleitung und einem Funkmodul mit einer Antenne, zeichnet sich dadurch aus, dass die Antenne wenigstens abschnittsweise außerhalb des Gehäuses, parallel zu der Anschlussleitung und in der Kabeldurchführung verläuft.
Ausschlaggebend bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass sowohl die Anschlussleitung als auch die Antenne durch eine gemeinsame Öffnung des Gehäuses geführt sind. Es ist damit möglich und bevorzugt, dass das Gehäuse nur eine einzige Kabeldurchführung aufweist.
Die Antenne kann als Dipol-Antenne, insbesondere als A/4- oder λ/2-Dipol ausgebildet sein. Auch eine Ausgestaltung der Antenne als Stabantenne, insbesondere als A/4- oder A/2-Drahtstummelantenne ist denkbar.
Unter einer Drahtstummel-Antenne wird ein aus einem Stück Draht oder einem anderen Leiter gebildete Antenne verstanden, die vorzugsweise eine Länge von A/4 aufweist.
Bei Frequenzen von mehreren GHz ist es damit möglich, dass die Antenne vollständig in der Kabeldurchführung angeordnet ist. Hierdurch wird eine kompakte Anordnung geschaffen, die keine zusätzlichen Anbauten benötigt.
Besonders einfach und kompakt ist die Ausgestaltung, wenn die Antenne mit der Kabeldurchführung umspritzt ist. Die Antenne kann dabei insbesondere bei der Herstellung der Kabeldurchführung bereits in diese eingebettet und mit Kunststoff umspritzt werden.
Alternativ zu einer Anordnung der Antenne in der Kabeldurchführung kann ein Teil, d.h. insbesondere eine Ader oder Schirmung, der Anschlussleitung mit dem Funkmodul verbunden sein und als Antenne verwendet werden. Es ist damit möglich, eine zusätzliche Ader der Anschlussleitung oder eine Schirmung der Anschlussleitung als Antenne zu verwenden.
Im Falle einer Verwendung der Schirmung ist es vorteilhaft, wenn die Schirmung über eine frequenzselektive Schaltung mit Masse, vorzugsweise dem Gehäuse verbunden ist. Durch eine frequenzselektive Schaltung kann die Funktion der Schirmung, bspw. elektromagnetische Störungen abzuschirmen und abzuleiten weiterhin genutzt werden und gleichzeitig die Antennenfunktion implementiert werden.
Die frequenzselektive Schaltung ist dafür vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie bei einer Sende- und Empfangsfrequenz des Funkmoduls hochohmig ist. Auf diese Weise werden die Funksignale auf der Sendefrequenz des Funkmoduls nicht zur Gehäusemasse abgeleitet sondern der Antenne, respektive der Schirmung der Anschlussleitung zur Abstrahlung zugeführt. Im Empfangsfall werden empfangene Funksignale ebenfalls nicht zur Gehäusemasse abgeleitet sondern dem Funkmodul zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Für elektromagnetische Störungen ist die frequenzselektive Schaltung vorzugsweise niederohmig, d.h. durchlässig und leitet diese zur Gehäusemasse ab.
Die Sende- und Empfangsfrequenz des Funkmoduls liegt vorzugsweise zwischen 400 MHz und 10 GHz. In diesem Frequenzband können alle gängigen Funkstandards für eine Datenkommunikation via Funk, insbesondere Bluetooth, Wireless HART, ZIGBEE, WLAN, Mobilfunk (GSM, LTE,...) und LoRa (Long Range Wide Area Network) abgedeckt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Feldgerätes gemäß der vorliegenden Anmeldung und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Feldgerätes gemäß der vorliegenden Anmeldung.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Feldgeräts 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Das Feldgerät 1 ist in 1 der Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt. Zur Erläuterung der Idee, die der vorliegenden Anmeldung zu Grunde liegt ist lediglich ein Metallgehäuse 3 des Feldgerätes 1 sowie ein in dem Metallgehäuse 3 angeordnetes Funkmodul 9 gezeigt. Eine Vielzahl weiterer Komponenten, insbesondere eine Elektronik, einer Energieversorgung und eine etwaig vorhandene Sensorik sind nicht dargestellt.
Das Metallgehäuse 3 weist eine Kabeldurchführung 5 auf, die eine Öffnung in dem Metallgehäuse 3 entsprechend der einzuhaltenden Vorschriften zum Explosionsschutz abdichtet. Eine Anschlussleitung 7 ist durch die Kabeldurchführung 5 von einer Außenseite des Metallgehäuses 3 ins Gehäuseinnere geführt.
Das Metallgehäuse 3 und die Kabeldurchführung sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Zündschutzart druckfeste Kapselung, die auch als Ex-d bezeichnet wird, ausgeführt.
Das Metallgehäuse 3 weise im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine einzige Kabeldurchführung 5 auf, durch die die Anschlussleitung 7 geführt ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da weitere Kabeldurchführungen jeweils einen hohen Abdichtungsaufwand bedeuten würden, der auf diese Weise vermieden werden kann.
Die Anschlussleitung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zweidrahtleitung mit einer Schirmung 13 ausgeführt. Das ist eine typische Ausgestaltung, die einerseits eine Messwertübermittlung an eine übergeordnete Einheit, bspw. einer Leitwarte über das 4-20 mA Protokoll und/oder eine bidirektionale Kommunikation mit dem Feldgerät über bspw. das HART-Protokoll ermöglicht, und andererseits das Feldgerät über die 4-20 mA Stromschleife mit Energie versorgt.
Das Funkmodul 9 ist an seinem Sende- und Empfangsanschluss über eine Kapazität C, die eine galvanische Trennung sicherstellt, mit einer Schirmung 13 der Anschlussleitung 7 verbunden. Die Schirmung 13 ist ferner über eine frequenzselektive Schaltung 15, bspw. ein Sperrfilter, mit dem Gehäuse 3, respektive der Gehäusemasse verbunden. Die frequenzselektive Schaltung 15 ist dabei so ausgestaltet, dass sie bei einer Sende- und Empfangsfrequenz f des Funkmoduls 9 hochohmig ist, und gleichzeitig andere Frequenzen, insbesondere im Bereich elektromagnetischer Störungen zur Gehäusemasse ableitet.
Es ist damit möglich, dass die Schirmung 13 weiterhin ihre ursprüngliche Aufgabe, nämlich die Abschirmung und Ableitung elektromagnetischer Störungen erfüllt und gleichzeitig im Bereich der Sende- und Empfangsfrequenz f des Funkmoduls 9 als Antenne benutzt wird.
Ein von dem Funkmodul 9 zur Verfügung gestelltes Sendesignal wird damit ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand durch die Kabeldurchführung 5 aus dem Metallgehäuse 3 geführt und kann dort ohne Beeinträchtigung abgestrahlt werden.
Alternativ zur Schirmung 13 der Anschlussleitung 7 kann auch eine zusätzliche, ansonsten nicht genutzte Ader der Anschlussleitung als Antenne 11 genutzt werden. Bei dieser Ausgestaltung kann auf die frequenzselektive Schaltung 15 verzichtet werden, da der Schirm 13 der Anschlussleitung 7 regulär mit dem Gehäuse verbunden werden kann. Zu beachten ist hierbei, dass die zusätzliche Ader, um eine Abstrahlung des Funksignals zu ermöglichen, nicht geschirmt sein darf, da die Schirmung eine Abstrahlung ansonsten verhindern würde.
In einer weiteren Alternative kann die Anschlussleitung 7 auch als Spezialkabel ausgestaltet sein. Bspw. kann ein mehrfach geschirmtes, bspw. doppelt geschirmtes, Kabel zum Einsatz kommen und eine äußere Schirmung für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung als Antenne 11 benutzt werden, während eine innere Schirmung mit dem Gehäuse verbunden ist. Auch in diesem Fall kann auf eine frequenzselektive Schaltung 15 verzichtet werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Feldgerätes gemäß der vorliegenden Anmeldung gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Funkmodul 9 über eine Kapazität C, die eine galvanische Trennung sicherstellt, mit einer Antenne 11 verbunden, die als Stabantenne, vorliegend als Drahtstummelantenne ausgebildet ist. Die Antenne 11 ist in eine modifizierte Kabeldurchführung 5 eingebettet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Antenne 11 in die Kabeldurchführung 5, die aus einem Kunststoff hergestellt ist, bereits bei der Herstellung der Kabeldurchführung 5 mit dem Kunststoff der Kabeldurchführung umspritzt worden, sodass lediglich eine elektrische Verbindung zum Funkmodul 9 hergestellt werden muss.
Die Antenne kann alternativ auch in einer Ausnehmung der Kabeldurchführung 7 angeordnet oder in eine in der Kabeldurchführung 7 angeordnete Dichtung eingebettet sein.
Ausschlaggebend für die der vorliegenden Anmeldung zu Grunde liegende Idee ist, dass durch eine Anordnung außerhalb des Metallgehäuses 3 eine Antenne 11 geschaffen wird, wobei zur Überführung des Funksignals aus dem Inneren des Metallgehäuses 3 nach außen eine vorhandene und anderweitig genutzte Kabeldurchführung herangezogen wird.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
3: Metallgehäuse
5: Kabeldurchführung
7: Anschlussleitung
9: Funkmodul
11: Antenne
13: Schirmung
15: frequenzselektive Schaltung
f: Sende- und Empfangsfrequenz

Claims

Feldgerät (1) mit einem Metallgehäuse (3), einer durch eine Kabeldurchführung (5) geführten Anschlussleitung (7) und einem Funkmodul (9) mit einer Antenne (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (11) wenigstens abschnittsweise außerhalb des Gehäuses (3), parallel zu der Anschlussleitung (7) und in der Kabeldurchführung (5) verläuft.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (11) als Dipol-Antenne, insbesondere als λ/4- oder λ/2-Dipol ausgebildet ist.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (11) als Stabantenne, insbesondere als λ/4- oder λ/2-Drahtstummelantenne ausgebildet ist.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (11) vollständig in der Kabeldurchführung (5) angeordnet ist.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (11) mit der Kabeldurchführung (5) umspritzt ist.
Feldgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Anschlussleitung (7) mit dem Funkmodul (9) verbunden ist und als Antenne (11) verwendet wird.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schirmung (13) der Anschlussleitung (7) mit dem Funkmodul (9) verbunden ist und als Antenne (11) verwendet wird.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (13) über eine frequenzselektive Schaltung (15) mit Masse, vorzugsweise dem Gehäuse (3) verbunden ist.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzselektive Schaltung (15) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Sende- und Empfangsfrequenz (f) des Funkmoduls (9) hochohmig ist.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sende- und Empfangsfrequenz (f) des Funkmoduls (9) zwischen 400 MHz und 10 GHz, vorzugsweise zwischen 2 GHz und 8 GHz, liegt.