БЕСПРОВОДНОЕ ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ИЛИ АДАПТЕР БЕСПРОВОДНОГО ПОЛЕВОГО УСТРОЙСТВА СО СЪЕМНЫМ АНТЕННЫМ МОДУЛЕМ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к полевым устройствам, используемым в системах управления и мониторинга производственными процессами, и, в частности, к полевым устройствам, которые используют беспроводную передачу данных.

Уровень техники

Полевые устройства используются в системах управлении и мониторинга производственными процессами и автоматического управления промышленными и химическими процессами. Полевое устройство передает данные, представляющие физический параметр, такой как температура, давление, позицию или т.п. в компьютер или хост управления процессом, и может также принимать сигналы управления, которые необходимы полевому устройству для осуществления действия, такого как открытие или закрытие клапана.

Полевые устройства могут находиться в опасных (классифицированных) зонах, таких как воспламеняющиеся или взрывоопасные среды. Полевые устройства, находящиеся в воспламеняющейся или взрывоопасной среде могут в качестве защиты иметь искробезопасное исполнение. Таким образом, потребляемая устройством энергия незначительна и не может вызвать искру, которая послужит причиной возникновения пожара или взрыва.

Изначально, полевые устройства передавали данные в и из хоста через проводную сеть. Проводная сеть может также подавать электропитание в полевые устройства. Поставляемая энергия по проводной сети сама по себе может быть ограничена уровнем искробезопасности, при подаче питания на полевые устройства, находящиеся в опасной (классифицированной) зоне.

Беспроводная передача данных, тем временем, становится популярнее. Беспроводные полевые устройства включают в себя антенну, которая посылает и принимает данные по беспроводному каналу связи. Антенна помещена в обтекатель, который традиционно изготовлен из электроизоляционного материала, таким образом, антенна отделена от окружающей среды.

Беспроводные полевые устройства могут быть разработаны только для передачи данных по беспроводной связи или могут быть преобразованы из проводных полевых устройств, используя адаптер беспроводной сети, в беспроводные полевые устройства.

Беспроводные полевые устройства могут быть объединены в сети, такие как ячеистую сеть или сети со звездной топологией, которые способны использовать сигналы относительно низкой мощности, принимаемые и передаваемые беспроводными полевыми устройствами. Такие маломощные беспроводные полевые устройства имеют преимущества при использовании в опасных (классифицируемых) зонах.

Беспроводные полевые устройства для использования в опасных (классифицируемых) зонах обычно применяют конденсаторы или другие элементы цепи в антенном сигнальном тракте. Такие элементы цепи действуют как фильтр верхних частот, что в случае короткого замыкания антенны позволяет генерировать и пропускать в антенну только импульсы с низкой энергией. Такие импульсы с низкой энергией не могут вызвать появление искры.

Традиционное беспроводное полевое устройство имеет постоянно закрепленную антенну. Антенна не может быть снята при нахождении беспроводного полевого устройства в опасной (классифицированной) зоне.

Желательно иметь беспроводное полевое устройство, которое включает в себя устанавливаемую или съемную антенну и, особенно, используемое беспроводное полевое устройство в опасной (классифицированной) зоне должно иметь устанавливаемую или съемную антенну. Установка антенны подобного беспроводного полевого устройства в полевых условиях могла быть осуществлена ненадлежащим или ненормальным образом, даже если полевое устройство беспроводной связи находилось в опасной (классифицированной) зоне.

Озабоченность при эксплуатации беспроводных полевых устройств в опасной (классифицированной) зоне вызывает статическое электричество. Снятие или установка антенны может само по себе вызывать искру, которая пробегает между обтекателем антенны (изолятор) и корпусом устройства ввиду наличия аккумулированного статического электричества.

Таким образом, необходимо усовершенствовать беспроводное полевое устройство, имеющее съемный антенный модуль, для противодействия искрообразованию при снятии или установке антенного модуля, в случае эксплуатации в опасной (классифицированной) зоне.

Раскрытие изобретения

Объектом изобретения является съемный антенный модуль для присоединения к соответствующей базе полевого устройства, расположенного в опасной зоне, причем

указанная соответствующая база способна проводить радиочастотные сигналы; указанный антенный модуль содержит:

основание, изготовленное по меньшей мере частично из проводящего материала, способного проводить радиочастотные сигналы, причем основание выполнено с возможностью соединения с соответствующей базой и проводить радиочастотные сигналы между ними;

антенну, соединенную с основанием, для передачи и приема радиочастотных сигналов;

обтекатель, прикрепленный к основанию, причем обтекатель имеет отверстие и внутренний объем, антенна находится во внутреннем объеме обтекателя, и основание закрывает отверстие обтекателя;

отличающийся тем, что содержит токорассеивающий материал, соединенный с основанием и находящийся в электрическом контакте с основанием, при этом обтекатель содержит поверхность, имеющую электрический контакт с проводящим материалом основания, а токорассеивающий материал образует указанную поверхность обтекателя.

Обтекатель представляет собой цельный единый элемент, изготовленный из указанного токорассеивающего материала.

Обтекатель содержит внутреннюю поверхность, а проводящий материал определяет внешнюю поверхность основания, при этом внутренняя и внешняя поверхности совместно образуют посадку с натягом между собой.

Съемный антенный модуль содержащий жесткий колпак, установленный на основании, при этом жесткий колпак ограничивает внутренний объем этого жесткого колпака, и антенна находится в указанном внутреннем объеме жесткого колпака.

Основание представляет собой штепсельный разъем N-типа.

Указанный токорассеивающий материал имеет удельное поверхностное сопротивление выше чем 10⁵, но менее чем 10⁹ Ом на квадрат.

Токорассеивающий материал является проводящим полимерным материалом.

Основание является одним из следующей группы: a) BNC-разъем; b) ВМА-разъем; c) SMP-соединение; d) разъем SMA; e) штепсельный разъем N-типа; и f) разработанное в дальнейшем соединительное устройство.

Другим объектом изобретения является усовершенствованное беспроводное полевое устройство для использования в опасной (классифицированной) зоне, которое включает в себя съемный антенный модуль, который противодействует искрообразованию при снятии или установке антенного модуля.

Беспроводное устройство согласно настоящему изобретению включает в себя

корпус, беспроводной модуль связи в корпусе, первую половину штепсельного разъема, находящуюся на корпусе, причем первая половина штепсельного разъема способна передавать радиочастотный сигнал, первую сигнальную линию в корпусе, простирающуюся от первой половины штепсельного разъема к беспроводному модулю связи, съемный антенный модуль, съемно прикрепленный к первой половине штепсельного разъема, и каркас, содержащий токорассеивающий материал.

Съемный антенный модуль включает в себя вторую половину штепсельного разъема, антенну, электрически подключенную ко второй половине штепсельного разъема, и обтекатель, причем антенна размещена в обтекателе.

Вторая половина штепсельного разъема имеет возможность соединяться и разъединяться с первой половиной штепсельного разъема, первая и вторая половины штепсельного разъема способны проводить радиочастотные сигналы между собой, когда они соединены вместе. Каркас находится в электрическом контакте с первой половиной штепсельного разъема, когда съемный антенный модуль прикреплен к первой половине штепсельного разъема.

Токорассеивающий материал представляет собой устойчивый к электростатическим разрядам материал, имеющий значение удельного поверхностного сопротивления выше чем 10⁵ (десять в пятой степени) Ом на квадрат, но не выше чем 10⁹ (10 в девятой степени) Ом на квадрат. Величина удельного поверхностного сопротивления материала численно равна поверхностному сопротивлению между двумя электродами, образующими противоположные стороны квадрата. Размер квадрата не имеет значения. Удельное поверхностное сопротивление применяется как к поверхностным, так и объемным электропроводным материалам и имеет значение в Ом на квадрат.

Возникающий статический заряд между съемным антенным модулем и остальной частью полевого устройства рассеивается на землю через токорассеивающий каркас, противодействуя искрообразованию при соединении или разъединении половин штепсельного разъема.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения обтекатель является токорассеивающим каркасом. Обтекатель предпочтительно изготовлен из токорассеивающего термопластика. Посадка с натягом между обтекателем и второй половиной штепсельного разъема механически прикрепляет и электрически подключает обтекатель ко второй половине штепсельного разъема.

Другие задачи и признаки изобретения станут очевидными из последующего описания, особенно, если рассматривать его в сочетании с сопровождающими чертежами, иллюстрирующими вариант осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует полевые устройства согласно настоящему изобретению, образующие ячеистую сеть беспроводной связи;

фиг.2 иллюстрирует полевые устройства согласно настоящему изобретению, образующие сеть со звездообразной топологией беспроводной связи;

фиг.3 представляет собой схематическую блок-схему беспроводного полевого устройства согласно настоящему изобретению;

фигуры 4, 5 и 6 являются видами сверху, спереди и сбоку сетевого адаптера, являющегося частью беспроводного полевого устройства, показанного на фиг.3;

фиг.7 является видом в разрезе съемного антенного модуля, образующего часть сетевого адаптера, показанного на фигурах с 4 по 6; и

фиг.8 представляет собой вид вертикального сечения съемного антенного модуля, показанного на фиг.7.

Осуществление изобретения

Фиг.1 показывает множество беспроводных полевых устройств 10 согласно настоящему изобретению, которое образует самоорганизующуюся ячеистую сеть, известную из уровня техники в области распределительных систем управления. Каждое полевое устройство 10 образует узел в сети и включает съемный антенный узел или модуль 12, который обеспечивает возможность полевому устройству 10 принимать или передавать радиочастотные коммуникации 14 через смежные узлы в шлюз 16. Шлюз 16 является типовым и подключает ячеистую сеть через проводное сетевое соединение к хосту 20.

Некоторые беспроводные полевые устройства 10 расположены в опасной (классифицированной) зоне, обозначенной пунктирным прямоугольником 22. Опасная (классифицированная) зона может быть пожароопасной или взрывоопасная средой. Как описано более подробно ниже, антенный модуль 12 полевого устройства 10 устойчив к искрообразованию и может быть снят или заново установлен, даже если полевое устройство находится в опасной (классифицированной) зоне 22.

На фиг.2 показано беспроводное полевое устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением, которое образует сеть со звездообразной топологией, как известно в распределительной системе управления в данной области техники. Каждое полевое устройство 10 образует узел в сети, который принимает или передает радиочастотные коммуникации 14 непосредственно в шлюз 16. Шлюз соединяет сеть со звездообразной топологией через проводное соединение 18 с хостом 20. Полевые устройства 10 расположены в опасной (классифицированной) зоне 22 и антенный модуль 12 полевого устройства 10 может быть снят или заново установлен, пока полевое устройство 10 находится в опасной (классифицированной) зоне 22. Сеть со звездообразной топологией может быть объединена с одной или более другими сетями со звездообразной топологией, образуя гибридную ячеистую сеть (не показано), также известную в области техники, относящейся к распределительным системам управления.

Фиг.3 схематично показывает полевое устройство 10, следует понимать, что полевые устройства 10 могут иметь различные формы и размеры.

Полевое устройство 10 включает в себя корпус 24, который может быть изготовлен из взрывоустойчивого материала или другого соответствующего материала, который позволяет обеспечить эксплуатацию полевого устройства при нахождении в опасной (классифицированной) зоне. Первая половина 26 штепсельного разъема прикреплена к внешней поверхности корпуса. Антенный модуль 12 включает в себя ответную вторую половину 28 штепсельного разъема, которая соединяется с первой половиной 26 штепсельного разъема и монтирует съемный антенный модуль 12 на корпусе 10, и антенну 30, которая принимает и передает радиосигналы.

Корпус 24 включает в себя преобразователь 32, который передает сигналы управления процессом, представляющие собой физические данные или данные управления, в контроллер 34. Контроллер 34 в свою очередь взаимодействует с беспроводным модулем 36 связи, который функционально связан с первой половиной 26 штепсельного разъема посредством сигнальной линии 38. Беспроводной модуль 36 связи преобразует радиочастотные сигналы в сигналы управления vice versa, предоставляя возможность сигналу 14 в беспроводном канале связи передавать данные в и из контроллера 34. Сигнальная линии 38 может включать в себя конденсаторную емкость, представленную конденсатором 40 или другими элементами цепи (не показано), известными в данной области техники, которая ограничивает или управляет энергией в сигнальной линии 38 в случае короткого замыкания, для предотвращения искрообразования или дугового пробоя. Компоновка схем заземлена через внутреннюю клемму «земля».

Показанное беспроводное полевое устройство 10 было первоначально полевым устройством 42 проводной HART-связи, которое включало в себя преобразователь 32 и контроллер 34, и включало в себя модуль 44 проводной связи и разъем 46 для подключения к проводной сети. Сетевой адаптер 48 беспроводной связи механически прикреплен к корпусу 50 полевого устройства 42 и сопрягает полевое устройство 42 проводной связи с полевым устройством 10 с функцией беспроводной HART-связи. Сетевой адаптер 48 включает в себя свой собственный корпус 52, разработанный для эксплуатации в опасной (классифицированной) зоне, как показано, корпус 24 образуется из корпуса 50 полевого устройства проводной связи и корпуса 52 сетевого адаптера. Первая половина 26 штепсельного разъема прикреплена к внешней стороне корпуса 52 адаптера и сетевой адаптер 48 беспроводной связи также включает в себя беспроводной модуль 36 связи и сигнальную линию 38. Сетевой адаптер 48 беспроводной связи имеет антенный модуль 12. Антенна посылает и передает данные в диапазоне 2.4 GHz, как определено в стандарте беспроводной связи HART.

Фигуры 4-6 показывают сетевой адаптер 48 беспроводной связи с прикрепленным антенным модулем 12. Сетевой адаптер 48 включает в себя монтажную конструкцию 54, находящуюся на одной нижней концевой части адаптера, служащей для прикрепления адаптера к проводному полевому устройству, и крышку 56 для доступа, которая предоставляет доступ к внутренней электропроводке и соединениям. В данном варианте осуществления первая половина 26 штепсельного разъема представляет собой типовой металлический охватывающий соединитель стоечного N-типа, который закрепляется на противоположной верхней концевой части адаптера 48.

Фиг.7 показывает антенный модуль 12 в разобранном виде. Антенный модуль 12 включает в себя вторую половину 28 штепсельного разъема, спиральную антенну 30, колпак 58 и обтекатель 60.

Вторая половина 28 штепсельного разъема представляет собой металлический охватываемый соединитель N-типа. Часть 62 соединителя, имеющая увеличенный диаметр, находится на одной концевой части половины 28 штепсельного разъема, примыкает к цилиндрической части 64 меньшего диаметра, имеющей наружную резьбу. Трубчатая сквозная соединительная гильза 66 расположена на другой концевой части корпуса половины 28, которая проходит через корпус половины 28.

Антенна 30 имеет спиральную часть 68 и удлиненный штырь 70, который прикрепляет антенну 30 к сквозной соединительной гильзе 66.

Колпак 58 представляет собой цельный единый элемент, который имеет нижнее отверстие 72 и образует внутренний объем 74. Колпак 58 изготовлен из токонепроводящего радиопрозрачного пластика, известного в данной области техники.

Обтекатель 60 представляет собой единый нераздельный элемент, который имеет нижнее отверстие 76 и образует внутренний объем 78. Обтекатель 60 изготовлен полностью из токорассеивающего материала.

Обтекатель 60 предпочтительно изготовлен способом литья под давлением с использованием термопластического материала с высокой текучестью, который по существу обладает токорассеивающими свойствами. Предпочтительно данный термопластический материал не включает в себя впрессованные металлические проводники или оптоволокно, что может ухудшить работу антенны. Состав подобран с таким расчетом, чтобы удовлетворить требованиям по токорассеиванию, которые указаны в Директиве ЕС, описывающим требования к оборудованию и работе в потенциально взрывоопасной среде. Такие материалы поставляет RTR Company, 580 East Front Street, Winona, Minnesota 55987 и другие поставщики. Могут быть использованы и другие известные токорассеивающие материалы, если они имеют достаточную радиопрозрачность.

Фиг.8 - разрез антенного модуля 12. Антенный штырь 70 вставлен в сквозную соединительную гильзу 66 и припаян в данном месте, что жестко прикрепляет антенну к сквозной соединительной гильзе 66. Пластиковый колпак 58 закручивается по резьбе на часть 64 корпуса разъема. Часть 64 корпуса разъема закрывает нижнее отверстие 72 колпака 58, и антенна 30 размещается во внутреннем объеме 74 колпака. Собранный колпак 58 и штепсельный разъем 28 затем вставляются через отверстие 76 обтекателя в обтекатель 60, колпак 58 и антенна 30 находятся во внутреннем объеме 78 обтекателя 60. Штепсельный разъем 28 закрывает отверстие 76 обтекателя, внутренняя поверхность обтекателя 60 и внутренняя поверхность части 66 корпуса разъема, имеющая больший диаметр, определяют и образовывают посадку с натягом, что одновременно прикрепляет механически обтекатель 60 к штепсельному разъему 28 и электрически подсоединяет обтекатель с антенной 30 к штепсельному разъему 28.

Показанные половины 26 и 28 штепсельного разъема образуют стандартный штепсельный разъем N-типа, способный пропускать радиочастотные сигналы. В других вариантах осуществления первая и вторая половины штепсельного разъема могут быть следующими соединениями: a) BNC-разъемом; b) ВМА-разъемом; c) SMP-соединением; d)разъемом SMA; e) другим известным типом соединения, способного пропускать радиочастотные сигналы; или f) разработанным в дальнейшем соединительным устройством.

Наряду с данными HART и беспроводным протоколом передачи данных протоколы передачи данных, которые могут быть использованы с настоящим изобретением, включают в себя без ограничения сетевую шину FOUNDATION Fieldbus, Profibus, коммуникационный протокол Modbus, ZIGBEE и ISA100.11a протоколы, как стандартизировано в системах управлении и мониторинга производственными процессами (а также и разработанные в дальнейшем протоколы передачи данных). Беспроводная передача данных может быть также осуществлена с использованием протоколов мобильной связи, беспроводной локальной сети или протоколов WiFi, беспроводного интернета, Bluetooth или другого известного или разработанные в дальнейшем беспроводные протоколы передачи данных.

В то время как проиллюстрирован и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, оно не ограничивается изложенными точными подробностями, но допускает изменения и дополнения, которые не выходят за рамки прилагаемой формулы изобретения.