Результат интеллектуальной деятельности: АНТЕННЫЙ БЛОК ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВО ВЗРЫВООПАСНОЙ СРЕДЕ

Уровень техники

Изобретение относится к антенному блоку для беспроводной связи во взрывоопасных средах и, более конкретно, к антенному блоку, конец которого инкапсулирован в зоне основания корпуса.

Уровень техники

Объемы помещений и емкостей для изготовления, хранения, транспортирования или использования горючих материалов, таких как углеводороды, являются опасными средами из-за возможности случайного воспламенения в результате возникновения в подобных средах пламени или искры. Поэтому конструкции зданий и использование оборудования, например взрывозащищенного оборудования, в подобных опасных средах определяются соответствующими правилами и стандартами, чтобы минимизировать опасность пожаров или взрывов. Эти правила и стандарты включают требования по герметизации и/или ограничению доступа с тем, чтобы опасные газы не могли достичь зоны электрического разряда или чтобы искра не могла инициировать пожар или взрыв в опасной окружающей среде. Термин “взрывозащищенный” используется как указание на то, что оборудование или сооружение не допустит проникновения инициатора взрыва, такого как искра или пламя, в атмосферу, а если взрыв произойдет внутри оборудования или сооружения, он будет безопасно локализован в замкнутом пространстве и давление от взрыва не причинит ущерба.

Для передачи и/или приема сигналов беспроводной связи в опасных средах используются взрывозащищенные антенные блоки. Антенна может быть помещена в радиопрозрачный колпак (обтекатель), чтобы изолировать ее от окружающей опасной среды. В типичном варианте антенна подсоединена к проводу или кабелю, который проходит через кожух (фитинг) на конце обтекателя. Данный кожух должен обеспечивать пламянепроницаемый контакт с проводом (или кабелем) и обтекателем, чтобы искра или взрыв не могли проникнуть за пределы обтекателя.

Раскрытие изобретения

Антенный блок по изобретению для использования во взрывоопасной среде содержит корпус, основание, расположенное у одного конца корпуса, антенну, проходящую через основание внутрь корпуса, и герметизирующую мастику, заключенную внутри основания. При этом антенна проходит через герметизирующую мастику, инкапсулирующую антенну для обеспечения герметичного сопряжения антенны с основанием.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично, в разрезе иллюстрируется вариант антенного блока для использования во взрывоопасной среде.

На фиг.2 схематично, в разрезе иллюстрируется другой вариант антенного блока для использования во взрывоопасной среде.

На фиг.3 на частичном виде схематично показан вариант антенны, инкапсулированной в герметизирующей мастике в зоне основания.

На фиг.4 схематично изображен вариант антенного блока для использования во взрывоопасной среде, содержащего антенну с закрепленной на ней интегральной схемой.

На фиг.5 представлен частичный вид другого варианта антенного блока для использования во взрывоопасной среде.

На фиг.6 представлен частичный вид еще одного варианта антенного блока для использования во взрывоопасной среде.

На фиг.7 представлен частичный вид следующего варианта антенного блока для использования во взрывоопасной среде.

Осуществление изобретения

Варианты антенных блоков для беспроводной связи во взрывоопасных средах согласно изобретению могут быть использованы для осуществления связи (коммуникации) с применением устройств различных типов и в различных средах. Кроме того, хотя приводимые примеры рассматриваются применительно к взрывозащищенной беспроводной связи во взрывоопасных средах, таких как имеющие место при промышленной переработке углеводородов, предлагаемые варианты могут быть использованы также при осуществлении различных типов связи для различных целей.

На фиг.1 схематично, в разрезе иллюстрируется вариант антенного блока 100 для использования во взрывоопасной среде. Антенный блок 100 содержит корпус (обтекатель) 110, в типичном варианте изготовленный из пластика, например из пластика Noryl®, поставляемого фирмой General Electric Company (США), антенну 120 в виде печатной платы (или содержащую печатную плату), металлическое основание 130, герметизирующую мастику (т.е. взрывобезопасный инкапсулирующий материал) 140, находящуюся внутри основания 130, и коаксиальный кабель 150, подсоединенный к антенне 120. Герметизирующая (заливочная) мастика 140 может содержать любой подходящий электроизоляционный компаунд, например на основе эпоксидных смол Stycast®, поставляемых фирмой Emerson & Cuming, Inc. (США).

Коаксиальный кабель 150 может быть подсоединен к другим электронным или электрическим компонентам антенного блока 100, например к интегральной схеме этого блока (не изображена). Корпус 110 может быть прикреплен к основанию 130 посредством любого из многочисленных подходящих типов соединений, например резьбового соединения, замкового соединения, запрессовывания и/или клеевого соединения. От своего конца 122, расположенного за пределами основания 130, антенна 120 проходит через основание 130 в корпус 110. Коаксиальный кабель 150 подсоединен, например посредством пайки, к схеме 124, напечатанной на антенне 120. Антенна 120 в зоне основания 130 инкапсулирована внутри герметизирующей мастики 140, чтобы зафиксировать положение антенны внутри корпуса 110. Как хорошо видно из фиг.1, антенна 120 проходит насквозь через основание 130 и герметизирующую мастику 140.

Вариант антенного блока 100, показанный на фиг.1, соответствует взрывозащищенному антенному блоку низкой стоимости. Антеннам, особенно высокочастотным антеннам, подключенным к некоаксиальному проводу, обычно свойственны нежелательные изменения импеданса, обусловленные различиями в свойствах материалов провода, основания и антенны. Чтобы обеспечить точный контроль импеданса антенны с целью согласования импедансов, обычно применяется коаксиальный кабель. Кроме того, когда провод или коаксиальный кабель проходит к антенне через герметизирующий (заливочный) материал, с этого провода или коаксиального кабеля обычно удаляют наружный слой изоляционного материала, чтобы предотвратить проникновение пламени по зазору между наружной изоляцией и внутренним элементом (проводом или кабелем). Однако антенный блок 100 содержит антенну 120 с печатной платой, проходящую через основание 130 и герметизирующую мастику 140, образуя конец 122 антенны, к которому подсоединяется коаксиальный кабель 150. Благодаря тому, что антенна 120 в виде печатной платы проходит насквозь через герметизирующую мастику 140, заключенную внутри основания 130, антенный блок 100 обеспечивает пламянепроницаемое уплотнение между антенной 120, герметизирующей мастикой 140 и основанием 130, устраняет необходимость в удалении изоляции с провода или коаксиального кабеля, проходящего через основание и герметизирующий материал, и существенно снижает изменения импеданса.

На фиг.2 схематично, в разрезе иллюстрируется вариант антенного блока 200 для использования во взрывоопасной среде. Данный антенный блок 200 содержит обтекатель (корпус) 210, в типичном варианте изготовленный из пластика, антенну 220 в виде печатной платы, имеющую верхнюю часть 225 и нижнюю часть 226, металлическое основание 230 с кольцевым выступом 231, упругий компонент 235 (в частности гибкую спиральную пружину), расположенный внутри основания 230 и охватывающий нижнюю часть 226 антенны 220, базовый компонент (т.е. второе основание) 237, герметизирующую мастику (взрывобезопасный инкапсулирующий материал) 240, находящуюся внутри основания 230, и коаксиальный кабель 250, подсоединенный к антенне 220. Коаксиальный кабель 250 может быть подсоединен к другим электронным или электрическим компонентам антенного блока 200, например к интегральной схеме этого блока (не изображена).

В представленном варианте антенного блока 200 корпус 210 предпочтительно прикреплен к базовому компоненту 237 посредством любого из многочисленных подходящих типов соединений, например резьбового соединения, замкового соединения, запрессовывания и/или клеевого соединения. У корпуса 210 имеется конец 211, который может быть нежестко связан с основанием 230, например, как показано на фиг.2, вставлен в кольцевой выступ 231 основания 230. Чтобы обеспечить возможность смещения корпуса 210 относительно основания 230, между концом 211 корпуса и кольцевым выступом 231 может быть установлено уплотнение 212, например уплотнительное кольцо.

Антенна 220 проходит от конца 222 своей нижней части 226, находящегося за пределами основания 230, через основание 230, герметизирующую мастику 240 и упругий компонент 235 к сегменту 227 антенны с малой шириной, поддерживающему гибкий контур 228 и верхнюю часть 225 антенны, находящуюся в корпусе 210. Коаксиальный кабель 250 подсоединен, например посредством пайки, к схеме 224, напечатанной на антенне 220. Нижняя часть 226 антенны инкапсулирована внутри герметизирующей мастики 240 у основания 230, чтобы позиционировать антенну 220 в корпусе 210.

Антенный блок 200 обеспечивает улучшенную гибкость антенны 220 внутри корпуса 210. Первый конец 236 упругого компонента 235 введен внутрь герметизирующей мастики 240 у основания 230, чтобы позиционировать упругий компонент 235 относительно основания. Упругий компонент 235 выступает вверх так, что его верхний конец 238 заходит в корпус 210, где он прикреплен к базовому компоненту 237. Упругий компонент 235 обеспечивает гибкую связь базового компонента 237 и корпуса 210 с основанием 230. Сегмент 227 антенны, имеющий малую ширину, поддерживает гибкий контур 228 и соединяет нижнюю часть 226 антенны с ее верхней частью 225. Сегмент 227 антенны изготовлен из гибкого материала, такого, например, как полиимидный материал Kapton® для гибких подложек. Поддерживаемый им гибкий контур 228 соединен со схемой 224. Упругий компонент 235, сегмент 227 антенны и гибкий контур 228 обеспечивают подвижность верхней части 225 антенны 220 относительно ее нижней части 226.

Антенный блок 200 по фиг.2 также соответствует взрывозащищенному антенному блоку низкой стоимости. Нижняя часть 226 антенны 220 в виде печатной платы проходит через основание 230 и герметизирующую мастику 240 и выступает за них, что позволяет присоединить коаксиальный кабель 250 к концу 222 антенны. Подобно тому, как это было описано применительно к антенному блоку 100 по фиг.1, антенный блок 200 также обеспечивает пламянепроницаемое уплотнение между антенной 220, герметизирующей мастикой 240 и основанием 230, устраняет необходимость в удалении изоляции с провода или коаксиального кабеля, проходящего в известных конструкциях через основание и герметизирующие материалы за пределы корпуса, и существенно уменьшает изменения импеданса. В дополнение, использование упругого компонента 235, сегмента 227 малой ширины и гибкого контура 228 придает повышенную гибкость верхней части 225 антенны, заключенной в корпусе 210. Повышенная гибкость этой части позволяет антенному блоку 200 лучше выдерживать воздействие взрыва внутри корпуса и/или иные ударные воздействия на корпус 210, основание 230, конец 222 антенны и/или коаксиальный кабель 250.

На фиг.3 на частичном виде схематично показан вариант антенны 320, инкапсулированной в герметизирующей мастике 340. Неполностью показанная на фиг.3 антенна 320 может содержать все или некоторые из конструктивных элементов или частей других антенных блоков, рассматриваемых в данном описании. Антенна 320 имеет нижнюю часть 326, доходящую до конца 322 антенны. Между верхним краем нижней части 326 антенны и ее концом 322 находятся металлическое основание 330 и герметизирующая мастика (взрывобезопасный инкапсулирующий материал) 340, т.е. антенна 320 проходит через схематично изображенные металлическое основание 330 и герметизирующую мастику 340. Специалисту в данной отрасли должно быть понятно, что герметизирующая мастика 340 может фиксироваться различными методами, включая использование шероховатой или текстурированной внутренней поверхности 331 металлического основания 330, благодаря чему эта мастика 340 может адгезивным образом или структурно связываться с данным основанием. Кроме того, чтобы способствовать закреплению или фиксации антенны 320 в объеме металлического основания 330 и герметизирующей мастики 340, у антенны 320 имеются один или более ориентированных в поперечном направлении выступов (расширений) 328 с острыми концами 329. Хотя на фиг.3 показана только пара подобных, противоположно направленных выступов 328, каждый из которых имеет острый конец 329, подобные выступы могут иметь различные профили и формы, например соответствующие частям прямоугольника, квадрата, круга, овала или иррегулярным паттернам, иметь расходящиеся концы и т.д. Эти выступы могут располагаться в согласованных или несогласованных положениях на одной или на нескольких сторонах антенны 320. Наличие одного или более поперечных выступов 328 улучшает фиксацию положения антенны 320 внутри металлического основания 330 и герметизирующей мастики 340.

На фиг.4 схематично изображен вариант антенного блока 400, содержащего антенну 420 с электрическим компонентом, таким как закрепленная на антенне интегральная схема 480. Антенна 420 находится внутри обтекателя (корпуса) 410, основания 430 и герметизирующей мастики (взрывобезопасного инкапсулирующего материала) 440, контуры которых показаны штриховыми линиями. Как это было описано со ссылками на фиг.1 и 2, каждый из коаксиальных кабелей 150 и 250 присоединен одним своим концом к концу 122, 222 антенны 120, 220 соответственно, а другим своим концом - к электрической системе, подсистеме или компоненту, например к микрочипу, микропроцессору или интегральной схеме. Однако, как показано на фиг.4, соответствующие электрические системы, подсистемы или компоненты могут устанавливаться на антенну 420 или крепиться к ней. Например, на фиг.4 показан электрический компонент, такой как интегральная схема 480, установленный на нижнюю часть 426 антенны 420 или прикрепленный к ней. Данная часть 426 содержит одну или более токопроводящих дорожек 482, проходящих между электрическими выводами интегральной схемы 480 и коннектором 423, имеющимся на конце 422 антенны, чтобы обеспечить электрическое соединение и коммуникацию между интегральной схемой 480 и другими электрическими системами, подсистемами или компонентами.

На фиг.5 представлен частичный вид варианта антенного блока 500 для использования во взрывоопасной среде. Данный антенный блок содержит неизображенный обтекатель (корпус), соединенный с основанием 530 аналогично тому, как это описано применительно к другим вариантам антенного блока. Корпус не изображен, чтобы была лучше видна антенна 520 в виде печатной платы. Антенный блок 500 содержит антенну 520, электрический компонент (такой, например, как интегральная схема 580), одну или более токопроводящих дорожек 582, выполненных на антенне 520, коннектор 523, металлическое основание 530 и герметизирующую мастику 540, заключенную внутри основания 530. Антенна 520 инкапсулирована внутри герметизирующей мастики 540 в зоне основания 530, чтобы позиционировать и удерживать нижнюю часть 526 антенны внутри основания 530. Основание 530 имеет фланец 531 с одним или более отверстиями 533, в каждое из которых может быть введен крепежный элемент 535, например винт, болт или заклепка. У антенны 520 имеется конец 522, расположенный на ее нижней части 526, проходящей через основание 530 и герметизирующую мастику 540 и выступающей за основание 530. Нижняя часть 526 антенны соединена с ее верхней частью 525 посредством сегмента 527 антенны, имеющего малую ширину. Контур 524 антенны расположен на ее верхней части 525. Коннектор 523, находящийся на конце 522 антенны, обеспечивает электрическое соединение и коммуникацию между антенной 520 и другими электрическими системами, подсистемами или компонентами.

Антенный блок 500 обеспечивает повышенную гибкость антенны 520 внутри ее корпуса (не изображен). В частности, сегмент 527 антенны, имеющий малую ширину, является более гибким, чем более широкие нижняя и верхняя части 526, 525 соответственно, так что он обеспечивает подвижность верхней части 525 антенны относительно ее корпуса.

Антенный блок 500 по фиг.5 соответствует взрывозащищенному антенному блоку низкой стоимости. Антенна 520 в виде печатной платы проходит через основание 530 и герметизирующую мастику 540 к коннектору 523 у ее конца 522. При этом антенный блок 500 обеспечивает пламянепроницаемое уплотнение между антенной 520, герметизирующей мастикой 540 и основанием 530, устраняет необходимость в удалении изоляции с провода или коаксиального кабеля, проходящего в известных конструкциях через основание и герметизирующие материалы за пределы корпуса, и существенно уменьшает изменения импеданса. В дополнение, использование сегмента 527 малой ширины придает повышенную гибкость верхней части 525 антенны 520. Повышенная гибкость этой части позволяет антенному блоку 500 лучше выдерживать различные ударные воздействия на корпус и/или основание 530.

На фиг.6 представлен частичный вид варианта антенного блока 600 для использования во взрывоопасной среде. Данный антенный блок содержит неизображенный обтекатель (корпус), соединенный с основанием 630 аналогично тому, как это описано применительно к другим вариантам. Корпус на фиг.6 снова не изображен, чтобы была лучше видна антенна 620 в виде печатной платы. Антенный блок 600 содержит антенну 620, установленную внутри корпуса (не изображен), коаксиальный кабель 650, проходящий между контуром 624 на антенне 620 и электрическим компонентом (таким, например, как интегральная схема 680 на нижней платформе 626), одну или более токопроводящих дорожек 682, проходящих по нижней платформе 626 до коннектора 623 у нижнего конца 622 платформы, металлическое основание 630 и герметизирующую мастику 640, заключенную внутри основания 630. Нижняя платформа 626 инкапсулирована внутри герметизирующей мастики 640 в зоне основания 630, чтобы позиционировать и удерживать эту платформу внутри основания 630. Основание 630 имеет фланец 631 с одним или более отверстиями 633, в каждое из которых может быть введен крепежный элемент 635, например винт, болт или заклепка. Нижняя платформа 626 проходит от своего конца 622, находящегося вне основания 630, через основание 630 и герметизирующую мастику 640. Коннектор 623, находящийся на конце 622 нижней платформы, обеспечивает электрическое соединение и коммуникацию между интегральной схемой 680 и другими электрическими системами, подсистемами или компонентами.

Антенный блок 600 также обеспечивает гибкость антенны 620 внутри ее корпуса (не изображен). Коаксиальный кабель 650 обеспечивает гибкую связь между нижней платформой 626 и антенной 620, придавая антенне 620 подвижность относительно нижней платформы 626, положение которой внутри основания 630 и герметизирующей мастики 640 является фиксированным. Альтернативно, коаксиальный кабель 650 может представлять собой гибкий электрический провод, соединяющий интегральную схему 680 с контуром 624 на антенне 620.

Антенный блок 600 по фиг.6 соответствует взрывозащищенному антенному блоку низкой стоимости. Нижняя платформа 626 проходит через основание 630 и герметизирующую мастику 640 к коннектору 623 у ее конца 622. При этом антенный блок 600 обеспечивает пламянепроницаемое уплотнение между нижней платформой 626, герметизирующей мастикой 640 и основанием 630 и устраняет необходимость в удалении изоляции с провода или коаксиального кабеля, проходящего в известных конструкциях через основание и герметизирующие материалы за пределы корпуса. В дополнение, гибкость антенны 620 позволяет антенному блоку 600 лучше выдерживать различные ударные воздействия на корпус и/или основание 630.

На фиг.7 представлен частичный вид варианта антенного блока 700 для использования во взрывоопасной среде. Данный антенный блок содержит не изображенный обтекатель (корпус), соединенный с основанием 730 аналогично тому, как это описано применительно к другим вариантам. Антенный блок 700 содержит антенну 720, установленную внутри корпуса (не изображен), плоский гибкий ленточный кабель 750, соединяющий электрический компонент (электрическое устройство), например интегральную схему 780, на антенне 720 и одну или более токопроводящих дорожек 782 на нижней платформе 726, коннектор 723 у конца 722 нижней платформы, металлическое основание 730 и герметизирующую мастику (взрывобезопасный инкапсулирующий материал) 740, заключенную внутри основания 730. Подобно тому, как это было описано применительно к антенному блоку 600 по фиг.6, нижняя платформа 726 по фиг.7 инкапсулирована внутри герметизирующей мастики 740 в зоне основания 730, чтобы позиционировать и удерживать эту платформу внутри основания 730. Основание 730 имеет фланец 731 с одним или более отверстиями 733, в каждое из которых может быть введен крепежный элемент 735, например винт, болт или заклепка. Нижняя платформа 726 проходит от своего конца 722, находящегося вне основания 730, через основание 730 и герметизирующую мастику 740. Коннектор 723, находящийся на конце 722 нижней платформы, обеспечивает электрическое соединение и коммуникацию между антенной 720 и другими электрическими системами или подсистемами. Плоский ленточный кабель 750 может сгибаться, придавая антенне 720 подвижность относительно нижней платформы 726, положение которой внутри основания 730 и герметизирующей мастики 740 является фиксированным.

Антенный блок 700 по фиг.7 также соответствует взрывозащищенному антенному блоку низкой стоимости. Нижняя платформа 726 проходит через основание 730 и герметизирующую мастику 740 к коннектору 723 у ее конца 722. При этом антенный блок 700 обеспечивает пламянепроницаемое уплотнение между нижней платформой 726, герметизирующей мастикой 740 и основанием 730 и устраняет необходимость в удалении изоляции с провода или коаксиального кабеля, проходящего в известных конструкциях через основание и герметизирующие материалы за пределы корпуса. В дополнение, использование плоского ленточного кабеля 750 повышает гибкость антенны 720 внутри ее корпуса. Повышенная гибкость антенны 720 позволяет антенному блоку 700 лучше выдерживать воздействие взрыва внутри его корпуса и/или иные ударные воздействия на корпус, основание 730, конец 722 нижней платформы или коннектор 723.

Хотя выше были описаны конкретные варианты антенны, объем изобретения ими не ограничивается. Напротив, он распространяется на любые устройства и изделия, охватываемые, буквально или с учетом эквивалентов, прилагаемой формулой изобретения. Например, специалисту в данной области должно быть понятно, что описанный выше гибкий контур также может являться суженной частью антенны, обеспечивающей гибкость и конструктивные свойства, аналогичные свойствам гибкого контура. Кроме того, не выходя за пределы изобретения, интегральную схему можно поместить внутри герметизирующей мастики или расположить выше или ниже металлического основания, как это показано на чертежах.