具有无线电模块的现场设备和用于远程数据传输的方法与流程

本发明涉及一种具有容纳在壳体中的用于远程数据传输的无线电模块的现场设备以及一种通过容纳在现场设备的壳体中的无线电模块进行远程数据传输的方法。

背景技术：

1、在过程自动化技术中，现场设备通常用于检测和/或影响过程变量。这种现场设备的示例包括填充物位测量设备、极限物位测量设备、流量测量设备、压力测量设备、温度测量设备等，它们具有检测相应过程变量，即填充物位、极限物位、流量、压力、温度等的传感器。这种现场设备通常经由远程数据传输连接到更高级别的单元，诸如控制系统或控制单元。这些更高级别的单元用于过程控制、过程可视化和/或过程监控。远程数据传输可以通过有线和无线方式进行。

2、具有金属壳体的现场设备因其机械稳定性和对环境影响的耐受力而经常被使用。当在潜在爆炸性环境中使用现场设备时，现场设备必须满足某些要求，这些要求也需要使用金属壳体。壳体中的开口被设计成使得能防止爆炸从壳体中传出。因此，壳体的所有封闭件和衬套都必须进行相应的设计，因此有时设计起来非常复杂。

3、众所周知，使用无线电模块可以更容易实现现场设备的操作和参数化。通过无线电模块进行操作和参数化使得操作人员可以更容易在现场工作，因为例如，不必打开现场设备以进行参数化，并且可以使现场设备完全停止操作。无线电模块还可以用于与更高级别的单元进行无线远程数据传输。

4、然而，无线电模块的使用与金属壳体相矛盾。如果无线电发射器/接收器与现场设备的其他传感器电子器件(例如，填充物位或压力传感器)一起位于现场设备的壳体内，则金属壳体壁会阻止电磁波的传播，从而阻止所期望的无线电连接。

5、此外，无论选择何种壳体材料，电磁波的传播都可能被至少部分地包围现场设备的介质阻止或至少显著地干扰，其中现场设备例如浸没在该介质中。例如，介质可以是水、油等(即，可流动的)，其显著阻碍电磁辐射的传播。部分或完全包围现场设备的诸如金属或含金属的粉末、颗粒等散装介质或例如散装介质和可流动介质的组合也可能显著限制或完全阻止所期望的无线电连接。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明的目的是提供一种具有用于远程数据传输的无线电模块的现场设备以及一种通过这种现场设备进行远程数据传输的方法，其克服了现有技术中已知的缺点。特别地，现场设备和远程数据传输方法应当能够实现可靠的数据传输、高水平的操作可靠性、用户友好、只需低水平的维护，最后但同样重要的是，在生产或实施中具有成本效益。

2、该目的通过具有权利要求1的特征的现场设备和通过具有权利要求12的特征的方法来解决。此外，本发明的特别有利的实施方案揭示了相应的从属权利要求。

3、应当指出的是，权利要求中单独列出的特征可以以任何技术上合理的方式(甚至跨越例如方法和设备之间的类别界限)彼此组合，并且示出了本发明的其他实施方案。本说明书，特别是结合附图，进一步表征和详细说明了本发明。

4、还应当注意的是，本文在两个特征之间使用的并且将它们连接起来的连词“和/或”必须始终解释为如下的含义：在根据本发明主题的第一实施方案中，可以仅存在第一特征；在第二实施方案中，可以仅存在第二特征；并且在第三实施方案中，可以存在第一特征和第二特征两者。

5、此外，本文使用的术语“大约”旨在表示在本领域工作的本领域技术人员认为常见的公差范围。特别地，术语“大约”应理解为最大可达±20％，优选最大可达±10％的公差范围。

6、根据本发明，现场设备，例如填充物位测量设备、极限物位测量设备、流量测量设备、压力测量设备、温度测量设备等，包括壳体、经由电缆馈通件(cable feedthrough)引入到所述壳体中的电连接线以及容纳在所述壳体中的用于远程数据传输的无线电模块。所述无线电模块布置和设计成通过与所述连接线的位于所述壳体内的部分的场耦合而将远程数据传输信号发送到所述连接线的位于所述壳体外的部分和/或从所述连接线的位于所述壳体外的部分接收远程数据传输信号。

7、为了简单起见，将连接线的位于壳体内的部分也称为内线部分，并且将连接线的位于壳体外的部分也称为外线部分。

8、例如，电连接线可以用于向现场设备供电、将现场设备接地等。因此，连接线包括至少一根导电引线。

9、在最广泛的意义上，场耦合可以理解为电气非接触式耦合，即两个电子部件通过电场、磁场或电磁场(即，电磁辐射)的非电流连接式耦合，其中根据本发明的场耦合被设计成确保远程数据传输信号在无线电模块和连接线的内线部分之间的传输。在最简单的实例中，无线电模块可以设计成用于单向远程数据传输(即，仅发送或仅接收)。双向远程数据传输(即，既发送也接收)也是可能的。

10、本发明能够经由连接线的内线部分和外线部分与现场设备进行远程数据传输或数据通信，其中通信伙伴位于距现场设备一定空间距离的位置处。无论部分或完全包围现场设备的介质是什么，都可以经由连接线将远程数据传输从现场设备的壳体(也可能从介质)路由到外部。

11、远程数据传输信号可以从外部连接线的一部分中分接。这意味着可以实现电流(即，电接触)分接，以便检测(即，接收)连接线上的电信号或将电信号馈送到连接线上(即，发送电信号)。可替代地，可以通过外部连接线的分接部与空间上距离较远的接收器或发射器之间的场耦合以无电接触的方式实现分接，这意味着，在最广泛的意义上，通过使用电场、磁场或电磁场(即，经由电磁辐射)的信号或数据传输来实现分接。外线部分处的场耦合可以类似于无线电模块和内线部分之间的场耦合，但不一定限于此。外部场耦合也可以根据与内部场耦合不同的传输原理来设计。

12、如果外部连接线包括电缆绝缘体(例如，塑料绝缘体)，则无论远程数据传输信号到外部连接线的分出或馈入是以电流方式还是经由场耦合进行，连接线的旨在用于分接的部分都优选不绝缘。

13、外线部分还可以包括可以分出或馈入远程数据传输信号的多个部分。

14、远程数据传输信号的拦截应理解为是指来自连接线的信号的解耦(即，接收)以及来自壳体外部的发射器的远程数据传输信号的耦合(即，发送)，以在内线部分和外线部分之间传输远程数据传输信号。以这种方式，可以实现现场设备外部的发射器/接收器与无线电模块或现场设备之间的双向数据传输。

15、除此之外，本发明使得能够经由无线电模块进行现场设备的用户友好和应用友好的操作和参数化，因为不必打开现场设备，并且在适用的情况下，也不必为此目的而使现场设备停止操作。现场设备可以在操作或参数化过程中保持在原位。现场设备是否已经浸没在介质(例如，水、油、颗粒、粉末等)中或被介质包围或尚未与介质接触都是无关紧要的。同样地，现场设备的壳体可以由金属材料制成，而不会显著干扰远程数据传输。这是本发明的特定优点。然而，也绝不排除现场设备的壳体由诸如塑料等非金属材料制成，并且这种壳体可以用作金属壳体的替代方案或补充方案。同样地，现场设备可以在预期的操作期间借助于本文公开的远程数据传输将测量值传输到外部接收器/发射器(例如，更高级别的控制中心等)。

16、此外，本发明提供了一种其中无线电模块可以完全集成的小型现场设备，并且远程数据传输信号经由连接线传输。

17、应当理解的是，设计为填充物位测量设备、极限物位测量设备、流量测量设备、压力测量设备或温度测量设备的现场设备还包括用于检测填充物位、极限物位、流量、压力或温度的相应测量值变换器。

18、根据本发明的优选实施方案，场耦合可以开发为电容耦合和/或电感耦合和/或电磁辐射耦合。

19、电容耦合是指电场对所涉及的电气/电子部件的影响，例如，与电缆中的平行导体或印刷电路板上的平行引导的导体路径的耦合。例如，可以在具有高阻抗终端阻抗(high-impedance terminating impedance)的平行布线线路之间利用这种效应。

20、电感耦合是指磁场对所涉及的电气/电子部件的影响。电感耦合通过通常在导体回路中(例如，在平行引导的导体回路之间)的磁场耦合来实现，每个导体回路可以包括低阻抗终端阻抗。

21、辐射耦合是指电磁场作用于耦合所涉及的电气/电子部件的过程，如在无线电传输中一样。电缆或印刷电路板上的电导体可以充当天线并接收或发射无线电信号。辐射耦合可以发生在电缆-电缆、场-电缆或天线-天线之间，并且在本文公开的意义上，辐射耦合可以用于在无线电模块和连接线的内线部分之间传输远程数据传输信号。

22、无线电模块和连接线的内线部分之间的场耦合提供了如下特殊的优点：包括用于无线数据传输的天线的无线电模块可以完全布置和容纳在现场设备的壳体中。可以通过天线和内线部分的适当布置和设计来实现场耦合(即，电容、电感或电磁辐射)。因此，可以实现场耦合，而无需附加的部件并且无需特殊的耦合电路(例如，具有电阻器、电容器、线圈等的电路网络)。

23、例如，天线和连接线的内线部分可以设计为印刷电路板上的平行导体或平行引导的导体路径，但其不一定限于此。旨在用于耦合的天线和内线部分也可以设计为导体回路。

24、在此意义上，本发明主题的其他有利实施方案提供了，无线电模块包括布置在壳体中的天线，其中天线和连接线的位于壳体内的部分设计和布置成用于交变的场耦合。例如，优选地，无线电模块设计成用于nfc、rfid、dect、wi-fi/wlan或蓝牙等无线电传输技术，但不一定仅限于这些技术。应当理解的是，也可以使用其他无线电传输技术，并且以上列出的无线电传输技术应当被理解为仅是示例性的而不是详尽的。优选地，无线电模块的天线完全集成到壳体中。例如，天线和连接线的内线部分可以设计和布置为印刷电路板上的平行导体或平行引导的导体路径，其中不排除本质上实现相同目的的天线和内线部分的其他实施方案和布置。

25、在任何情况下，安装在现场设备中的无线电模块(例如，蓝牙模块)都会将无线电信号或远程数据传输信号耦合(即，发送)到连接线的内线部分或从连接线的内线部分解耦(即，接收)。例如，可以以本文公开的方式在连接线的开口的非绝缘端或连接线的无屏蔽的部分处分接信号。

26、为了使远程数据传输对外部干扰不太敏感，根据其他优选实施方案，连接线的位于壳体外的部分包括横向和/或纵向防水绝缘体。例如，绝缘体可以由塑料制成。

27、在横向防水绝缘体的情况下，例如，诸如水、油等液体介质不能渗入绝缘体，因此不能到达用于传输远程数据传输信号的连接线的导电电引线。例如，纵向防水防止诸如水、油等液体介质渗入绝缘体的自由端，或者在绝缘体损坏的情况下还防止液体介质渗入绝缘体之间的两个自由端部之间。纵向防水还防止液体介质渗透到连接线的其他区域。

28、在这两种情况下，即，在横向和/或纵向防水绝缘体的情况下，能防止由于连接线或电引线与液体介质接触而造成的连接线中的远程数据传输信号的衰减。

29、术语“防水”并不旨在限于仅针对水介质具有密封效果。相反，绝缘体的密封效果应被理解为与在现场设备的预期使用期间连接线可能接触的并且特别地对经由连接线的远程数据传输信号的传输性能造成不利(例如，衰减)影响的所有这些介质有关联。例如，这些介质可以是可流动的，诸如水、油等，但也可以是可倾倒的，诸如粒状或粉状介质等。

30、优选地，电缆馈通件可以设计为连接线与壳体的流体密封连接。

31、如在别处已经提到的，根据本发明的实施方案，连接线的位于壳体外的部分可以包括用于解耦和/或耦合远程数据传输信号的至少一个非绝缘部分。在此部分处，可以以电流、电容、电感耦合方式或通过电磁辐射耦合从现场设备外部的接收器获得远程数据传输信号或将远程数据传输信号馈送到外部发射器中。这意味着存在空间上分离的分接选项，或者如果设置多个非绝缘部分，则存在用于一个或多个外部发射器/接收器的多个分接选项。

32、在本发明主题的其他有利实施方案中，壳体包括电磁有效的壳体屏蔽件。一方面，壳体屏蔽件可以引起无线电模块(例如，天线)和连接线的内线部分之间的场集中。此外，壳体屏蔽件可以防止或至少显著抑制外部干扰场辐射到壳体中。壳体屏蔽件可以由导电材料制成。例如，塑料壳体可以包括金属涂层。壳体屏蔽件可以安装在壳体的外侧和/或内侧或者嵌入壳体壁中。

33、壳体还可以部分或全部由金属材料制成，作为壳体涂层的替代方案或补充方案，金属材料可以提供屏蔽功能。例如，壳体可以包括完全焊接的金属结构。

34、根据现场设备的具体设计和预期用途，例如，为了不屏蔽或不削弱待由测量值变换器检测的物理量，可能需要不完全封闭壳体和/或不将其形成为完全金属的壳体。

35、一般而言，测量值变换器应理解为直接对待测量的量作出反应的现场设备的一部分。

36、在本实例中，可以在现场设备的壳体中设置窗口，通过该窗口测量值变换器可以基本上不受干扰地检测物理量。为了实现上述屏蔽效果和/或场耦合集中，如果例如现场设备包括诸如陶瓷压力变换器等非金属测量值变换器，则该非金属测量值变换器可以在壳体的内侧覆盖有金属测量电极。该测量电极用于将测量值变换器检测的物理量转换成合适的电量(例如，电流、电压)。同时，测量电极以有利的方式用于电磁屏蔽和/或场集中。

37、此外，优选地，连接线的位于壳体外的部分可以包括电磁有效的线屏蔽件。该线屏蔽件可以设置在外线部分的整个长度上，以防止外部干扰信号直接耦合到外部连接线中。

38、连接线的位于壳体外的部分的长度可以是至少约2m，优选至少约3m，甚至更优选至少约5m。连接线的位于壳体外的部分的最大长度是至多几百米，例如，约100～500m，优选至多约50～100m，甚至更优选至多约15～50m。已经表明，以这种方式，可以在壳体内侧的无线电模块6和耦合到连接线5的外线部分10的发射器/接收器之间实现远程数据传输信号的可靠传输。特别地，外部连接线的上述长度表示用于传输远程数据传输信号的外部连接线的长度，即，实质上是从连接线的位于壳体外的部分的端部到连接线的距壳体最远的分接部分的长度。在非接触式分接的情况下，通过从连接线(即，从连接线的分接部分)到发射器/接收器的根据本发明的远程数据传输，可以实现几厘米(例如，10cm～50cm)直至几米(例如，达到约10m～15m)的传输距离。

39、此外，本发明主题的另一有利实施方案提供了，连接线设计为支撑电缆，当现场设备处于其操作状态时，壳体在支撑电缆上保持悬挂。例如，现场设备可以设计为通过连接线悬挂在使用点处的悬挂式压力计。当然，作为支撑电缆的实施方案不限于压力计。例如，填充物位或极限物位测量设备可以经由设计为支撑电缆的连接线悬挂在包括待监测的介质的容器中。同样地，诸如流量计、温度测量设备等其他现场测量设备也可以根据操作通过将连接线作为支撑电缆而被悬挂。

40、根据本发明的另一方面，公开了一种通过容纳在现场设备的壳体中的无线电模块借助于经由电缆馈通件引入到壳体中的电连接线进行远程数据传输的方法，其中通过无线电模块与连接线的位于壳体内的部分的场耦合而将远程数据传输信号发送到连接线的位于壳体外的部分和/或从连接线的位于壳体外的部分接收远程数据传输信号。

41、应当理解的是，关于术语的方法相关定义以及该方法的特征的效果和优点，可以完全参考根据本发明的设备的类似定义、效果和优点的公开内容。相应地，本文中关于根据本发明的设备的公开内容也可以在必要的修改后用于定义根据本发明的方法，因此在这一点上省略了对相同特征的类似特征、它们的效果和优点的重复说明，以利于更简洁的描述，但不能将这种省略解释为限制。

42、根据所述方法的有利实施方案，以电容性和/或电感性方式和/或通过电磁辐射实现场耦合。

43、在电磁辐射的情况下，在位于壳体中的无线电模块的天线与连接线的位于壳体内的部分之间实现场耦合，位于壳体中的无线电模块的天线与连接线的位于壳体内的部分设计和布置成用于交变的场耦合。

44、在本发明的其他优选实施方案之后，在连接线的位于壳体外的部分中的至少一个部分处经由电流、电容和/或电感耦合和/或经由电磁辐射耦合对远程数据传输信号进行解耦和/或耦合。

45、所述方法的又一优选实施方案提供了，当现场设备处于其操作状态时，壳体通过设计为支撑电缆的连接线而保持悬挂。

46、应当注意的是，在某些应用中，作为在无线电模块和连接线的位于壳体内的部分之间的根据本发明的远程数据传输信号的场耦合(例如，电容、电感或电磁辐射)的替代方案，远程数据传输信号与连接线的位于壳体内的部分的有线耦合也是可能的。这是电流耦合，即，电接触耦合。例如，电连接线可以设计为同轴电缆或者具有内导体和同轴地包围内导体的外导体的同轴电缆，或者也可以包括专门用于远程数据传输的这种同轴电缆。在任何情况下，例如，可以通过与同轴电缆的内导体的电流耦合来实现有线耦合。无线电模块和连接线的位于壳体内的部分之间的有线耦合可以证明连接线的长度更长是有利的，例如，连接线的长度大于10m，例如，20m、50m、100m和更长。有线耦合使得能够在无线电模块和连接线之间实现远程数据传输信号的低阻尼传输，当这种连接线长度与某些无线电传输标准(例如，蓝牙)组合时，可以以较少的构造和/或操作工作量来提供远程数据传输。在这些情况下，根据本发明的意义上的非接触式场耦合也是可能的。