EP3850703B1

EP3850703B1 - Vorrichtung zur übertragung von signalen aus einem zumindest teilweise metallischen gehäuse

Info

Publication number: EP3850703B1
Application number: EP19753076.9A
Authority: EP
Inventors: Harald SCHÄUBLE; Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2025-10-29
Anticipated expiration: 2039-08-13
Also published as: CN112673523A; US20220037760A1; CN112673523B; EP3850703A1; WO2020052885A1; US12288925B2; DE102018122423A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge, ein Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung und einem Feldgerät der Automatisierungstechnik.
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 bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Gegenwärtig sind in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen noch Zweileiterfeldgeräte, die über eine Zweidrahtleitung zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS, verbunden sind, gängig. Die Zweileiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Signals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Zur Übertragung aller anderen Daten hat sich insbesondere das HART Protokoll bewährt, bei welchem dem analogen Stromsignal von 4-20 mA ein Frequenzsignal als digitales Zweileitersignal zur Datenübertragung überlagert wird. Gemäß dem HART Protokoll wird zwischen 1200 Hz und 2400 Hz zur Datenübertragung umgeschaltet, wobei die niedrigere Frequenz für eine logische "0" und die höhere Frequenz für eine logische "1" steht. Auf diese Weise bleibt das sich nur langsam veränderliche analoge Stromsignal von der Frequenzüberlagerung unberührt, sodass mittels HART analoge und digitale Kommunikation vereint wird.
Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung ist es jedoch wünschenswert, dass die Daten nicht nur über die Zweidrahtleitung, also rein drahtgebunden, übertragen werden können, sondern dass die Daten auch drahtlos mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen kommuniziert werden. Sei es um die Daten drahtlos zu einer Datenbank, bspw. einer Cloud-Datenbank, zu übertragen und dort verfügbar zu machen oder um Daten zwischen dem Feldgerät und einer mobilen Bedieneinheit drahtlos zu übertragen, um bspw. das Feldgerät über das mobile Bediengerät drahtlos zu parametrieren bzw. konfigurieren.
Hierfür werden immer häufiger sogenannte Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung eingesetzt, mit deren Hilfe es möglich ist, die bestehenden Feldgeräte für die drahtlose Datenübertragung nachzurüsten. Derartige Feldgeräteadapter können dabei direkt in die Zweidrahtleitung eingebunden werden. D.h. der Feldgeräteadapter wird quasi als selbstständige Einheit zwischen die übergeordnete Einheit und dem Feldgerät geschaltet. Alternativ kann der Feldgeräteadapter mechanisch auch direkt an das Feldgerät, bspw. über eine Kabelverschraubung angeschlossen und elektrisch mit einer Feldgeräteelektronik verbunden werden.
Da die Feldgeräteadapter bzw. die Feldgeräte oftmals in Bereichen eingesetzt werden, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht, ist der Einsatz von metallischen Gehäusen bzw. Metallgehäusen vorgeschrieben. Diese lassen jedoch im Allgemeinen keine Wellenabstrahlung für die drahtlose Datenübertragung zu. Eventuelle Anbauten an den Feldgeräteadaptern bzw. den Feldgeräten, wie beispielsweise externe Stabantennen, stellen Schwachstellen für das Gehäuse dar, sodass diese vermieden werden.
Aus dem Stand der Technik sind die US 2016/079677 A1 , die US 2012/268343 A1 , die EP 3 016 201 A1 , die US 6 798 385 B2 und die DE 10 2009 047535 A1 bekannt geworden. Die US 2016/079677 A1 offenbart ein System und ein Verfahren für drahtlose Kommunikation in einem Schweißsystem. Die US 2012/268343 A1 offenbart eine Antennenvorrichtung mit einem Gehäuse aus einem leitenden Material mit einem in einer ersten Oberfläche ausgebildeten Schlitz. Die EP 3 016 201 A1 offenbart eine Antennenvorrichtung mit zumindest zwei Schlitzantennen zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Die US 6 798 385 B2 offenbart ein Gerät der Unterhaltungselektronik, welches ein Metallgehäuse als Antenne verwendet. Die DE 10 2009 047535 A1 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln einer Anschlusskonfiguration eines Feldgerätes an einem Wireless-Adapter.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die Übertragung von Signalen mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen auch bei metallischen Gehäusen möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, dem Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung gemäß Patentanspruch 8 und dem Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 9.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse mit Hilfe elektromagnetischer Wellen einer bestimmten Wellenlänge, umfassend:

eine in dem Gehäuse angeordnete Sende-/Empfangseinheit zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen,
mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete Primärantenne zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen der Sende-/Empfangseinheit und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen an die Sende-/Empfangseinheit,
mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung die derartig ausgebildet ist, das eine Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung einem ganzzahligen Vielfachen einer viertel Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge, vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge entspricht, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung im Zusammenspiel mit der Primärantenne die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen in bzw. aus dem Gehäuse überträgt.

Erfindungsgemäß wird zum Aussenden bzw. Empfangen von elektromagnetischen Wellen aus bzw. in einem metallischen Gehäuse eine Antenne, die eine Primärantenne bzw. Primärstrahler und eine Sekundärantenne bzw. Sekundärstrahler umfasst, vorgeschlagen, wobei die Sekundärantenne bzw. der Sekundärstrahler in Form einer schlitzförmigen Gehäuseöffnung, die die wenigstens teilweise mit einem anderen elektrisch nichtleitenden Material als Luft gefüllt ist,ausgebildet ist, und deren Länge folgender Bedingung entspricht: $L = n \cdot λ / (4 \cdot \sqrt (DK)),$ wobei gilt:

λ = Wellenlänge der elektromagnetischen Welle mit deren Hilfe die Signale übertragen werden,
DK = Dielektrizitätskonstante und
n ∈ N.

Die mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung ist insbesondere derart klein gewählt, dass eine Transmission von elektromagnetischen Wellen mit einer sehr kleinen Frequenz, d.h. Frequenzen deutlich kleiner 1GHz, vorzugsweise von Frequenzen im Bereich von 1kHz - 100 MHz, welche zu EMV Störungen führen können, nicht durchgelassen werden. Dies bedeutet, dass die schlitzförmige Gehäuseöffnung quasi als Hochpass-Filter für elektromagnetische Wellen fungiert und nur Wellen passieren lässt, die zur Übertragung von Signalen gedacht sind. Zur Übertragung von Signalen mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen sind üblicherweise Wellen mit einer Frequenz bzw. einem Frequenzband von 2,4 GHz vorgesehen. WLAN gemäß IEEE 802.11b und g, Bluetooth (IEEE 802.15.1) und ZigBee (IEEE 802.15.4) gehören hierbei zu den prominentesten Vertretern der 2,4 GHz Kategorie. Weitere auf der Spezifikation IEEE 802.15.4 aufsetzende Kommunikationstechnologien sind bspw. 6 LoWPAN, 6TiSCH oder ANT bzw. ANT+. Unter diesem Gesichtspunkt ergibt sich für elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 2,4 GHz eine bevorzugte Länge der mindestens einen schlitzförmigen Gehäuseöffnung einer halben Wellenlänge von 2 λ/4 = λ/2 ≅ 12,43 cm.
Um Störungen, insbesondere EMV Störungen einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektronik zu verhindern, kann die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L insbesondere derart gewählt sein, dass ferner die Bedingung n·λ auf eine Frequenz der Störung der Elektronik (fStör = c/λStör, wobei c der Lichtgeschwindigkeit entspricht), insbesondere eine EMV Störung nicht zutrifft, jedoch auf die zur Übertragung verwendete bestimmte Wellenlänge λ. Ferner kann, um eine stärke Störung, d.h. eine Störung die einen Geräteausfall nach sich zieht, die Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung L insbesondere auch derart gewählt sein, dass die Bedingung (n+0,5)·λ/4 auf eine Frequenz der starken Störung nicht zutrifft.
Bei dem Gehäuse handelt es sich um ein im wesentlichen metallisches Gehäuse. Das Gehäuse kann bspw. eine metallische Gehäuseoberflächenabschnitt von mindestens 85%, vorzugsweise mindestens 90%, besonders bevorzugt von mindestens 95%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 99% bezogen auf eine Gesamtoberfläche des Gehäuses aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Gehäuse mit Ausnahme der mindestens einen schlitzförmigen Gehäuseöffnung und möglicher Kabelzu- und/oder abführungen eine äußerlich in sich geschlossene Gehäuseform aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Gehäuse zumindest in einem Abschnitt im Querschnitt runde Kanten, bevorzugt eine rundliche Gehäuseform aufweist, wobei die mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung in dem Abschnitt angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung ist das Gehäuse derartig ausgebildet ist, dass zumindest zwei in zwei Raumrichtungen gemessene Umfänge jeweils einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge entspricht, wobei die gemessenen Umfänge jeweils durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung, vorzugsweise einem Mittelpunkt der Gehäuseöffnung verlaufen. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Gehäuses wird erreicht, dass sich die HF-Energie derart auf die einzelnen "Umfänge" des Gehäuses aufteilt, dass in Summe ein gleichmäßiges Abstrahlbild entsteht. Insbesondere kann, um die Umlaufzeit einer Welle lokal zu Verzögern und hiermit das Abstrahlbild deutlich in fast alle Raumrichtungen zu verbessern, die Ausgestaltung vorsehen, dass an einer äußerlichen Oberfläche des Gehäuses zumindest ein Umlaufverzögerungselement um eine Umlaufzeit der elektromagnetischen Wellen zu verzögern ausgebildet ist und/oder das zumindest eine Umlaufverzögerungselement eine rillenförmige oder eine punktförmige Struktur aufweist oder aus einem anderen Material als das Gehäuse, vorzugsweise einem dielektrischen Material oder einem hochfrequenten Metamaterial ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das zumindest teilweise metallische Gehäuse im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist.
Eine hierzu alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das zumindest teilweise metallische Gehäuse aus einem Kunststoff ausgebildet ist und das Gehäuse, vorzugsweise an einer Innenfläche zumindest teilweise eine metallische Verkleidung aufweist.
Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Leiterplatte, die derartig als Primärantenne zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen der Sende-/Empfangseinheit und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen seitlich aus der Leiterplatte ausgekoppelt bzw. eingekoppelt werden. Die Ausgestaltung sieht vor, dass die Leiterplatte ferner derartig als Primärantenne ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen nur in einem Nahfeld ausgekoppelt bzw. eingekoppelt werden und erst in Kombination mit der mindestens einen schlitzförmigen Gehäuseöffnung in ein Fernfeld ausgekoppelt bzw. eingekoppelt werden. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass hier kein vollständige und somit aufwendige Antenne, wie sie bspw. aus dem Stand der Technik bei Vivaldi-Antennen bekannt ist, notwendig wird. Vielmehr genügt eine Primärantenne, die lediglich ins Nahfeld abstrahlt und die erst mit Hilfe der schlitzförmigen Gehäuseöffnung als Sekundärstrahler als vollständige Antenne wirkt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfassend eine Vorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, wobei ein Adaptergehäuse des Feldgeräteadapters das Gehäuse umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend eine Vorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltung, wobei ein Feldgerätegehäuse des Feldgerätes zumindest in einem Abschnitt das Gehäuse umfasst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass der Abschnitt wenigstens eine Kabeldurchführung des Feldgerätes umfasst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Gehäuse einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mehrere schlitzförmige Gehäuseöffnungen aufweist,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4: die in Fig. 3 perspektivisch dargestellten Umfänge U1 und U2 in einer Ebene zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Verzögerungselemente und/oder einer bevorzugten geometrischen Ausgestaltung eines Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 2, welches im Wesentlichen aus einem Metall, vorzugsweise einem Edelstahl gefertigt ist. Das Gehäuse 2 kann alternativ aber auch aus einem Kunststoff gefertigt sein und mit einer, vorzugsweise an seiner Innenfläche metallischen Schicht verkleidet sein. Das Gehäuse 2 ist dabei geometrisch derartig ausgebildet, dass es äußerlich eine in sich geschlossene Form aufweist. Es versteht sich von selbst, dass mögliche Kabelzu- und/oder abführungen 13, 14 sowie eine erfindungsgemäße ausgestaltete Gehäuseöffnung 5 davon unberührt bleiben. An den Stirnflächen des zylindrischen Gehäuses 2 gehen jeweils eine Kabelzuführung bzw. eine Kabelabführung ab, über die ein Kabel mit zumindest einer Signalleitung 2a, 2b in das Gehäuse bzw. aus dem Gehäuse 2 geführt wird. In der in Fig.1 dargestellten Ausgestaltung weist das Gehäuse 2 eine im Querschnitt im wesentlichen zylindrische Gehäuseform auf. Alternativ kann das Gehäuse 2 aber auch andere Formen aufweisen. Vorzugsweise kann das Gehäuse 2 eine wie in Fig. 2 dargestellte Gehäuseform mit runden Kanten aufweisen.
In dem Gehäuse 2 ist eine Leiterplatte 6 angeordnet, zu der bzw. von der das Kabel 1a, 1b mit der Signalleitung 2a, 2b führt bzw. abgeht. Die Leiterplatte 6 umfasst eine Sende-/Empfangseinheit 11 zum Erzeugen und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Die Sende-/Empfangseinheit 11 kann bspw. ein in Form eines Chips ausgebildetes HF-Modem sein. Die Leiterplatte umfasst ferner eine Primärantenne 4 zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen und zum Einkoppeln und Übertragen der empfangenen elektromagnetischen Wellen. Die in Fig. 1 dargestellte Sende-/Empfangseinheit 11 ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Wellen mit einem Frequenzband von 2,4 GHz zu erzeugen bzw. zu empfangen, sodass Signale die über die Signalleitung 2a, 2b übertragen werden, durch die Vorrichtung auch drahtlos mittels Bluetooth (ggfl. auch Bluetooth Low Energy) oder einer der zuvor genannten Varianten übertragen werden können.
Erfindungsgemäß weist das Gehäuse 2 eine (ungefüllte) schlitzförmige Öffnung 5 auf, die eine Länge L aufweist, welche einem ganzzahligen Vielfachen einer viertel Wellenlänge n·λ/4 der elektromagnetischen Welle entspricht. Die Öffnung ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit einem anderen Material als Luft gefüllt. Bei einer Frequenz von 2,4 GHz weist die schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 somit eine bevorzugte Länge von 12,43 cm auf, welches in etwa einer halben Wellenlänge (2·λ/4), der elektromagnetischen Wellen entspricht. Die Breite B der schlitzförmigen Öffnung 5 ist dabei so klein wie möglich gewählt und wird wesentlich durch ein entsprechendes Fertigungsverfahren bestimmt. Vorzugsweise ist die Breite B kleiner 3 mm, besonders bevorzugt kleiner 1 mm. Die schlitzförmige Öffnung 5 hat keine elektrische Verbindung zu der Leiterplatte 6 und wird von der innerhalb des Gehäuse 2 liegenden Primärantenne 4 angestrahlt.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist an einer Stirnseite über das Kabel 1a mit einem Feldgerät 7 und über die andere Stirnseite durch das Kabel 1b mit einer übergeordneten Einheit (nicht separat dargestellt) verbunden, wobei das Kabel 1a, 1b eine Zweidrahtleitung darstellt und eine Leitung der Zweidrahtleitung die Signalleitung 2a, 2b umfasst. Die andere Leitung der Zweidrahtleitung wird von der Leiterplatte 6 durchgeschleift. Über die Zweidrahtleitung werden bspw. die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable analog in Form eines 4-20 mA Signals zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit übertragen. Die Übertragung aller anderen Daten, insbesondere von Daten hinsichtlich der Parametrierung, Diagnose oder ähnliche, erfolgt über die Zweidrahtleitung mittels des HART Protokolls. Durch die in die Zweidrahtleitung eingebundene Vorrichtung können somit insbesondere die mittels des HART Protokolls drahtgebundenen übertragenen Daten auch drahtlos mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, bspw. zu einer Cloud, übertragen werden. Die Vorrichtung stellt in diesem Fall somit ein Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung dar.
Alternativ kann die Vorrichtung, abweichend zu dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, auch direkt an ein (bestehendes) Feldgerät mechanisch befestigt werden, bspw. durch Anschrauben. Die Befestigung erfolgt dabei vorzugsweise über ein am Feldgerätegehäuse befindliches Schraubgewinde, welches ursprünglich für eine Kabeldurchführungs-Befestigung bzw. Zugentlastung (sogenanntes PG (Panzergewinde)) vorgesehen war. Die Vorrichtung dient in diesem Fall als Adapter (auch Dongle genannt), insbesondere Bluetooth-Adapter mittels dem ein Feldgerät 7, welches ursprünglich nicht für die drahtlose Datenübertragung eingerichtet was, nachträglich dafür umgerüstet bzw. ergänzt werden kann.
Ebenfalls kann die Vorrichtung, wiederum abweichend zu dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, auch als ein Teil des Feldgerätes 7 ausgebildet sein. In diesem Fall weist das Feldgerätegehäuse zumindest in einem Abschnitt zumindest eine schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 auf. Beispielsweise kann das Feldgerätegehäuse derartig ausgebildet sein, dass es zumindest einen nach außenstehenden insbesondere zylindrischen Fortsatz aufweist, der in seiner Kontur bspw. dem in Fig.1 dargestellten Gehäuse 2 entsprechen kann und der zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete schlitzförmige Öffnung 5 aufweist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse 2 einer zweiten Ausgestaltung, bei der das Gehäuse der Vorrichtung mehrere schlitzförmige Öffnungen aufweist. Als besonders bevorzugt haben sich hierbei zwei oder vier schlitzförmige Öffnungen 5 in dem Gehäuse 2 herausgestellt. Um eine möglichst gleichmäßige Abstrahlung von dem Gehäuse 2 zu erzielen, können, je nach Einbauposition und/oder Auslegung der Primärantenne 4, die schlitzförmigen Gehäuseöffnungen 5 zusätzlich jeweils unterschiedliche Längen L1 bis L4 aufweisen, wobei für die Länge jeder schlitzförmigen Gehäuseöffnung unabhängig von den anderen Längen gilt: $L = n \cdot λ / 4,$ mit:

λ = Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, die die Signale mit einer Frequenz von 2,4 GHz übertragen, und
n ∈ N.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Gehäuse 2 eine schlitzförmige Öffnung 5 aufweist. Um die Vorrichtung auch in Bereichen einsetzen zu können, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht (sogenannte Ex-Bereiche), ist die schlitzförmige Öffnung 5 mit einem anderen Material als Luft, insbesondere einem elektrisch nichtleitenden Material, z.B. Glas, gefüllt. Es versteht sich von selbst, dass in dem Fall, dass das Gehäuse 2 mehrere schlitzförmige Öffnungen 5 aufweist, jede Öffnung mit einem elektrisch nichtleitenden Material gefüllt ist. Hierbei ist zu beachten, dass für die Ausgestaltung der Länge der (befüllten) schlitzförmigen Gehäuseöffnung eine Dielektrizitätskonstante DK bzw. (stoffabhängige) relative Permittivität von dem zur Füllung eingesetzten elektrisch nichtleitenden Material mit einbezogen werden muss. Dies bedeutet, dass die Länge L der (befüllten) schlitzförmigen Gehäuseöffnung einem ganzzahligen Vielfachen einer viertel Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge geteilt durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante DK (L = n·λ/(4·√(DK))), vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge geteilt durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante DK (L = n·λ/(2·√(DK))) entspricht. Bei der Verwendung eines elektrisch nichtleitenden Materials mit einer Dielektrizitätskonstante DK = 4 ergibt sich somit bspw. eine Länge L=6,25 cm statt der zuvor beschriebenen Länge von L=12,43 cm für eine ungefüllte schlitzförmige Gehäuseöffnung. Als besonders geeignete elektrisch nichtleitenden Materialen haben sich Keramiken mit einer Dielektrizitätskonstante im Bereich von ca. 30-40 erwiesen.
Ergänzend oder alternativ kann, wie in Fig. 3 dargestellt, das Gehäuse geometrisch derartig ausgebildet sein, dass zumindest zwei, in zwei großflächige Raumrichtungen gemessene äußere Umfänge des Gehäuses, vorzugsweise die äußeren Umfänge in jeder Raumrichtung des Gehäuses, einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge λ/2 der elektromagnetischen Welle mit der die Signale übertragen werden, entspricht. Die Umfänge werden hierbei derartig gemessen bzw. festgelegt, dass diese jeweils durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung gehen. Vorzugsweise laufen die Umfänge durch einen Mittelpunkt der jeweiligen schlitzförmigen Gehäuseöffnung.
Zur Verdeutlichung der in Fig. 3 perspektivisch dargestellten Umfänge U1 und U2 sind diese in Fig. 4 a) und b) nochmals in einer Ebene dargestellt. Aus Fig. 4 wird ersichtlich, dass jeder Umfang U1 und U2 durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung 5 geht. Es versteht sich von selbst, dass in dem Fall, dass das Gehäuse 2 mehrere schlitzförmige Öffnungen 5 aufweist, die Umfänge so festgelegt sind, dass jeder Umfang durch jede schlitzförmige Öffnung 5 des Gehäuses verläuft.
Um eine Umlaufzeit einer Welle lokal zu verzögern, kann an einer äußerlichen Oberfläche des Gehäuses 2 ein oder mehrere Umlaufverzögerungselemente 10 ausgebildet sein, die derartig ausgebildet sind, dass ein entsprechender Umlauf vergrößert wird. In Fig. 3 sind exemplarisch zwei Verzögerungselemente 10 auf der Gehäuseoberfläche angebracht. Die in Fig. 3 dargestellten Verzögerungselemente 10 sind als rillenförmige Elemente ausgebildet. Denkbar sind aber auch punktförmige Elemente oder Elemente die aus einem anderen Material als das Gehäuse 2, insbesondere einem dielektrischen Material oder einem hochfrequenten Metamaterial, ausgebildet sind. Durch entsprechende Positionierung kann, wie aus Fig. 4 b) ersichtlich wird, gezielt der Umfang in einer oder mehreren Raumrichtungen verändert, insbesondere vergrößert werden. Zu beachten gilt es, dass je nach Strukturgröße der Umlaufverzögerungselemente ein HF- Umlaufweg i.d.R. minimal kleiner als der (mechanische) Umfang ist, da die elektromagnetische Welle insbesondere kleine Strukturen teilweise überfliegt und sich durch das Zusammenwirken von E- und H-Feld eine insgesamt leichte "Abkürzung" ergibt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ergänzend oder alternativ zu den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, die Leiterplatte 6 derartig ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen seitlich aus der leiterplatte ausgekoppelt bzw. eingekoppelt wird, sodass die Leiterplatte quasi als Primärantenne dient. Die Leiterplatte ist ferner derartig ausgebildet, dass die seitlich ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen lediglich in ein Nahfeld 8 ausgestrahlt bzw. über dieses eingekoppelt werden, sodass die seitlich abstrahlende Leiterplatte 6 erst in Kombination mit der schlitzförmigen Gehäuseöffnung 5 als "vollständige" Antenne wirkt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, umfasst das Nahfeld 8 hierbei zumindest einen Bereich zwischen der Leiterplatte 6 und einer Gehäusefläche in dem die schlitzförmige Öffnung 5 ausgebildet ist.
Die Leiterplatte kann in dem Gehäuse durch entsprechende Haltelemente, bspw. Schienen, in einer zur schlitzförmigen Öffnung des Gehäuses notwendigen Position gehalten werden.

Bezugszeichenliste

1a, 1b: Kabel
2: Gehäuse
2a, 2b: Signalleitung
3: Elektromagnetische Wellen
4: Primärantenne
5: Schlitzförmige Gehäuseöffnung(en)
6: Leiterplatte
7: Feldgerät
8: Nahfeld
9: Fernfeld
10: Umlaufverzögerungselement
11: Sende-/Empfangseinheit
12: Elektrisch nichtleitendes Material
13: Kabelzuführung
14: Kabelabführung
L, L1-L4: Länge der schlitzförmigen Gehäuseöffnung
B: Breite der schlitzförmigen Gehäuseöffnung
DK: Dielektrizitätskonstante des elektrisch nichtleitenden Materials bzw. (stoffabhängige) relative Permittivität
λ: Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen
U1, U2: Äußere Umfänge des Gehäuses

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen aus einem zumindest teilweise metallischen Gehäuse (2) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (3) einer bestimmten Wellenlänge ( λ ) zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich, umfassend:
eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Sende-/Empfangseinheit (11) zum Erzeugen und Empfangen der elektromagnetischen Wellen (3),

mindestens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Primärantenne (4) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (3) der Sende-/Empfangseinheit (11) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (3) an die Sende-/Empfangseinheit (11),

mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5),

eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Leiterplatte (6) die derartig als Primärantenne (4) zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen (3) der Sende-/Empfangseinheit (11) und zum Einkoppeln und Übertragen von empfangenen elektromagnetischen Wellen (3) ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen (3) seitlich aus der Leiterplatte (6) ausgekoppelt bzw. eingekoppelt werden, wobei die Leiterplatte (6) ferner derartig als Primärantenne (4) ausgebildet ist, dass die elektromagnetischen Wellen nur in einem Nahfeld (8) ausgekoppelt bzw. eingekoppelt werden und erst in Kombination mit der mindestens einen schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) in ein Fernfeld (9) ausgekoppelt bzw. eingekoppelt werden,

wobei die mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) mit einem anderen elektrisch nichtleitenden Material (12) als Luft gefüllt ist, sodass die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) im Zusammenspiel mit der Primärantenne (4) die Signale mit Hilfe der elektromagnetischen Wellen (3) in bzw. aus dem Gehäuse überträgt, wobei die mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) derartig ausgebildet ist, dass eine Länge (L) der schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) einem ganzzahligen Vielfachen der viertel Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge geteilt durch eine Quadratwurzel einer Dielektrizitätskonstante DK des elektrisch nichtleitenden Materials (L = n·λ/(4·√(DK))), vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge geteilt durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante (L = n·λ/(2·√(DK))) entspricht und wobei das Gehäuse (2) derartig ausgebildet ist, dass zumindest zwei in zwei Raumrichtungen gemessene Umfänge (U1, U2) jeweils einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der bestimmten Wellenlänge (n·λ/2) entsprechen, wobei die gemessenen Umfänge (U1, U2) jeweils durch die schlitzförmige Gehäuseöffnung (5), vorzugsweise einem Mittelpunkt der Gehäuseöffnung verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (2) mit Ausnahme der mindestens einen schlitzförmigen Gehäuseöffnung (5) und möglicher Kabelzu- und/oder abführungen eine äußerlich in sich geschlossene Gehäuseform aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) zumindest in einem Abschnitt im Querschnitt runde Kanten (2a), bevorzugt eine rundliche Gehäuseform aufweist, wobei die mindestens eine schlitzförmige Gehäuseöffnung (5) in dem Abschnitt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer äußerlichen Oberfläche des Gehäuses (2) zumindest ein Umlaufverzögerungselement (10) um eine Umlaufzeit der elektromagnetischen Wellen (3) zu verzögern ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zumindest eine Umlaufverzögerungselement (10) eine rillenförmige oder eine punktförmige Struktur aufweist oder aus einem anderen Material als das Gehäuse, vorzugsweise einem dielektrischen Material oder einem hochfrequenten Metamaterial ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest teilweise metallische Gehäuse (2) im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zumindest teilweise metallische Gehäuse (2) aus einem Kunststoff ausgebildet ist und das Gehäuse, vorzugsweise an einer Innenfläche zumindest teilweise eine metallische Verkleidung aufweist.
Feldgeräteadapter zur drahtlosen Datenübertragung umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Adaptergehäuse des Feldgeräteadapters das Gehäuse umfasst.
Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Feldgerätegehäuse des Feldgerätes zumindest in einem Abschnitt das Gehäuse umfasst.
Feldgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Abschnitt wenigstens eine Kabeldurchführung des Feldgerätes umfasst.