专利名称：用于工业定位的具有天线和天线屏蔽器的无线现场设备的制作方法
用于工业定位的具有天线和天线屏蔽器的无线现场设备
背景技术：
在工业装备中，控制系统用于监测和控制工业过程和化学过程等的总
量(iiwentory)。典型地，所述控制系统采用现场设备实现这些功能，所 述现场设备被分配在工业过程中的关键位置上并由过程控制环耦合到控 制室中的控制电路。术语"现场设备"表示实现在所分配的控制中或过程 监测系统中的功能的任何设备，包括在工业过程的测量、控制和监测中所 使用的所有设备。
现场设备被过程控制和测量工业为多种目的所使用。通常，这种设备 具有现场强化(field-hardened)包壳，以使得它们可以安装在室外各种相 对恶劣的环境中，并能够抵抗温度、湿度、振荡、机械冲击等的极端的气 候条件。这些设备通常还可以在相对低的功率下操作。例如，现场设备目 前能够接受其全部工作电力来自己知的4-20mA循环。
一些现场设备包括换能器。换能器被理解为基于物理输入产生电输出 的设备，或者基于电输入信号产生物理输出的设备。典型地，换能器将输 入转换为具有不同形式的输出。不同类型的换能器包括各种分析装备、压 力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量变送器、定位器、致动器、 螺线管、指示灯及其它。
典型地，每个现场设备还包括通信电路或者在过程控制环上的其它电 路，所述通信电路用于与过程控制室通信。在一些装置中，所述过程控制 环还被用于将经过调整的电流和/或电压传送给所述现场设备以便为所述 现场设备提供电力。
传统地，模拟现场设备已经通过双线过程控制电流环耦合到控制室， 其中每个设备通过单个双线控制环耦合到控制室。典型地，在所述双线之 间维持压差，并对于模拟模式处于12-45伏特的电压范围内，而对于数字 模式处于9-50伏特的电压范围内。 一些模拟现场设备通过将在电流环中流 过的电流调制为与所感测到的过程变量成正比的电流来将信号发送给控
4制室。其它的模拟现场设备可以在所述控制室的控制下通过控制流经所述 环的电流的幅度来实现动作。另外地，或可选地，所述过程控制环可以携 带用于与现场设备通信的数字信号。数字通信允许通信程度比模拟通信大 得多。另外，数字设备也不需要针对每个现场设备而进行单独布线。进行 数字通信的现场设备可以响应于所述控制室和/或其它现场设备，并与所 述控制室和/或其它现场设备进行选择性地通信。此外，这种设备可以提 供额外的信号，例如诊断和/或警报。
在一些装置中，无线技术己经开始被用于与现场设备通信。无线操作 简化了现场设备的布线和设置。在工业定位中， 一种特定形式的无线通信
被称为无线网格网络(wireless mesh networking)。这是一种相对新的通信 技术，其被证明在商业测量应用中能够实现低成本、电池供电和无线通信。 无线网格网络通常是短范围的无线通信系统，其采用低功率射频通信，且 通常不会以长距离、车间对车间、台对台或站对站的通信为目标。尽管本 发明的实施例主要参照无线网格网络通信进行描述，但是本发明的实施例 可普遍地应用于采用任意形式的射频通信的任何现场设备。
通常，无线射频通信需要采用天线。在这种苛刻的工业环境中，天线 是相对脆弱的物理部件。另外，如果天线被损坏，则可能削弱与现场设备 本身的通信。如果用于外壳的天线密封件被损坏或劣化(例如被紫外曝光 或水解劣化)，则环境密封将失效并使得所述设备受损。
提供与工业定位中的现场设备一起使用的结实的射频天线将提供更 具鲁棒性(robust)的无线现场设备通信，并对于工业过程测量和控制的 技术领域有益。
发明内容
公开了一种无线现场设备。所述无线现场设备包括包壳，在所述包壳 中设置有处理器。电源模块也可以位于所述包壳的内部，并被耦合到所述 处理器。无线通信模块以可操作的方式耦合到所述处理器，并配置用于采 用射频信号通信。天线被耦合到无线通信模块。天线屏蔽器(radome)被 安装到所述包壳，并由聚合材料制成。所述天线屏蔽器具有室，在所述室 内部包含所述天线。
图l是根据本发明的实施例的无线现场设备的框图2是根据本发明的实施例的无线现场设备的示意图3是根据本发明的实施例的天线和天线屏蔽器组件的分解轴测图4是根据本发明的另一个实施例的天线和天线屏蔽器组件的分解轴测图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的实施例的无线现场设备的框图。无线现场设备100 包括示意性表示为矩形盒的外壳102。然而，所述矩形盒并非要描述所述 外壳102的实际形状。无线通信模块104设置在外壳102内，并经由连接器 108电耦合到天线106。无线通信模块104也被耦合到控制器110以及电源模 块112。无线通信模块104包括可用于生成射频信号的任何适合的电路。
取决于所述应用，无线通信模块104可以被适用于根据任何合适的无 线通信协议的通信，所述协议包括但不限于无线网络技术(例如IEEE 802. ll(b)无线接入点和无线网络设备，由的Linksys of Irvine建立)、 蜂窝或数字网络技术(例如由加利福尼亚的San Jose的Aeris Communications Inc.开发的Microburst⑧)、超宽带、全球移动通信系统 (GSM)、通用分组无线服务技术(GPRS)、码分多址(CDMA)、扩展频 谱技术、短消息服务/文字讯息(SMS)或者任何其它合适的射频无线技 术。此外，已知的数据冲突技术可以被应用以使得采用类似于无线通信模 块104的模块的多个现场设备可以共存，并在彼此的无线工作范围内进行 工作。这种冲突防止技术可以包括多个不同的射频通道和/或扩频技术。 附加地，通信模块104可以是商业上可获得的蓝牙通信模块。在如图l所示 的实施例中，无线通信模块104是在与天线106耦合的外壳102内的部件。
控制器110耦合到无线通信模块104，并与无线通信模块104进行双向 通信。控制器110是能够执行至少一个指令以获得所要结果的任何电路或 布置。优选地，控制器110包括微处理器，但是也可以包括合适的支持电 路，例如板上存储器、通信总线等等。
6无线通信模块104和控制器110中的每一个耦合到电源模块112。电源 模块112可以优选地将现场设备的工作所必须的所有电能供给到无线通信 模块104和控制器110。电源模块112包括能够将所存储的或所生成的电力 供给到无线通信模块104和控制器n0的任何设备。可以包括电源模块112 的设备的示例包括电池(可充电或不可充电)、电容器、太阳能电池阵、 热力发电机、基于振荡的发电机、基于风力的发电机、燃料电池等。替代 地，所述电源模块可以连接到双线过程控制环，并获得和存储用于无线通 信模块的电力。
换能器H4耦合到控制器110，并将现场设备102与物理过程界面连接 (inerface)。换能器的示例包括传感器、致动器、螺线管、指示灯等。实 质上，换能器114是能够将来自控制器110的信号转换成物理表现(例如阀 的运动)的任何设备，或者是基于真实世界的条件(例如过程流体压力) 产生电信号给控制器110的任何设备。
根据本发明的实施例，天线106被装入结实的(robust)聚合物的天线 屏蔽器116中，所述天线屏蔽器116在与外壳102实体上耦合。如在此所使 用的，"天线屏蔽器"表示一种用于无线电天线的外壳，其对于无线电波 是可透过的。同样，出于本申请文件的目的，.所述天线屏蔽器不需要是"圆 顶形状的"。图2是现场设备100的示意图，其包括具有安装在其上的天线 屏蔽器116的外壳102。尽管图2示出被称为过程流体压力变送器的一类现 场设备，但是可以使用任何的现场设备。另外，尽管图2示出在外壳102 上方垂直延伸的天线屏蔽器116，天线屏蔽器116可以沿着任何合适的方向 延伸。
图3是根据本发明的实施例的用于工业定位的天线组件的分解轴测 图。天线组件188包括与电缆120耦合的同轴天线106，其中电缆120可耦合 到外壳102内的电路板(图3中未示出)上的无线通信模块104。电缆120 可以为同轴电缆形式，或者为任何其它合适的布置。天线106具有外径122， 其尺寸能够在天线屏蔽器116的室124内可滑动地配合。为了将天线106的 位置以坚固的方式固定在天线屏蔽器116内，优选地采用保持器124。保持 器124具有内径126，其尺寸能够在电缆120的外径上滑动，并压入到天线 屏蔽器116内的区域128中，以便为电缆120以及电缆/焊接接头提供应力消减。此外，可以使用粘合剂提供进一步的应力消减。O型圈130也优选用于
帮助使天线屏蔽器到适配器的连接相对于外界环境密封。O型圈130优选为 径向弹性变形的o型圈，但是可以采取任何合适的形式，并可以由任何其
它合适的材料构成。
天线屏蔽器116由相对刚性的聚合物制成，其能够使射频信号从中通 过。优选地，天线屏蔽器116由塑料制成，所述塑料的邵氏硬度(ShoreD) 大约为77，绝缘电阻为等于或小于lGohm，并在华氏-45度下在4小时浸泡 后能够承受7焦耳的冲击。适于构成天线屏蔽器116的塑料的一个合适的示 例是在可从马萨诸塞州SABIC Innovative Plastics of Pittsfield获得 的商业名称为Valox 3706 PBT的焊料。然而，其它合适的热塑树脂也可以 使用。热塑性塑料尤其有优势，这是因为其易于塑形。可以用于形成天线 屏蔽器116的其它合适的材料的示例包括Valox Resin V3900WX和Valox 357U，它们可从SABIC Innovative Plastics获得。
天线屏蔽器116优选包括外螺纹区域132，其与外壳102上的内螺纹区 域共同工作，以为天线组件118提供机械连接。附加地，天线屏蔽器116 的底表面优选包括多个锁合凸起136，其与外壳102上的特征共同工作以便 防止无意中的天线屏蔽器与外壳的连接的松弛。尽管凸起136如图3所示， 但是也可以采用能够防止天线屏蔽器116的无意中的转动的其它物理布 置。
图4是根据本发明的另一个实施例的工业天线组件的示意图。组件200 包括参照图3进行描述的实施例中所述的许多相同的部件，相同的部件给 予相同的标号。在如图3和图4所示的实施例之间的主要差别在天线本身的 形式。具体地，图3表示同轴型天线，而如图4所示的实施例示出印刷电路 板天线202。在如图4所示的实施例中，天线屏蔽器116优选地包括尺寸适 于接受印刷电路板202的槽。另外，如图4所示，所述槽基本逐渐变细，以 使得所述槽的远端204的宽度小于靠近开口 206的宽度。所述逐渐变细的槽 帮助在远端204附近与印刷电路板天线202的远端204形成干涉配合。所述 干涉配合帮助防止在振动过程中印刷电路板天线202与天线屏蔽器116的 相对运动。
本发明的实施例通常提供天线组件，所述天线组件适合于现场设备工
8天线屏蔽器由能够让射频从其中通过的聚合物制 成。另外，所述天线屏蔽器形成电子包壳的一部分，并优选地符合现场设
备的各种设计准则和规格。所述组件可以符合的期望的等级(rating)的 示例包括，但不限于UL 746的F1等级(耐气候性)；严格的可燃性要求， 例如V2等级按照UL94 (UL 94， The Standard for Fla醒bility of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances, 其现在与 IEC 60707， 60695-11-10和60695-11-20以及IS0 9772与9773—致);冲 击耐性；化学耐性；热冲击耐性；NEMA 4x;以及IP65。
尽管本发明已经参照优选的实施例进行描述，但是本领域技术人员应 当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上 的修改。
权利要求
1.一种无线现场设备，包括包壳；设置在所述包壳中的处理器；与所述处理器耦合的电源模块；与所述处理器以可操作方式耦合的无线通信模块，所述无线通信模块构造成采用射频信号通信；天线，所述天线与所述无线通信模块耦合；天线屏蔽器，所述天线屏蔽器安装到所述包壳，并由聚合材料制成，并在其中具有室；以及其中所述天线被设置在所述天线屏蔽器的所述室内。
2. 根据权利要求l所述的无线现场设备，其中所述电源模块包括电池。
3. 根据权利要求l所述的无线现场设备，其中所述无线通信模块被设 置在所述包壳内。
4. 根据权利要求l所述的无线现场设备，其中所述天线是同轴天线。
5. 根据权利要求4所述的无线现场设备，还包括设置在所述天线的缆 线的外径上的保持器，所述保持器被固定地压入到所述天线屏蔽器内的区 域中，以提供应力消减和振动支持。
6. 根据权利要求l所述的无线现场设备，其中所述天线是印刷电路板 天线。
7. 根据权利要求6所述的无线现场设备，其中所述天线屏蔽器包括逐 渐变细的槽，以与所述印刷电路板天线产生干涉配合。
8. 根据权利要求6所述的无线现场设备，还包括设置在所述天线的缆 线的外径上的保持器，所述保持器被固定地压入到所述天线屏蔽器内的区 域中，以提供对所述天线的机械保持力和对电缆焊料接头的应力消减。
9. 根据权利要求l所述的无线现场设备，其中所述天线屏蔽器包括在 其表面上的多个特征，其与所述包壳共同工作，以防止所述天线屏蔽器相 对于所述包壳的无意的转动。
10. 根据权利要求l所述的无线现场设备，还包括设置在所述包壳和所述天线屏蔽器之间的O型圈，以使该连接相对外界环境密封。
11. 根据权利要求l所述的无线现场设备，其中所述天线屏蔽器由热 塑性树脂制成。
12. 根据权利要求ll所述的无线现场设备，其中按照UL94标准，所 述热塑性树脂具有至少V2等级。
13. 根据权利要求ll所述的无线现场设备，其中所述热塑性树脂具有 在UL746C标准中的F 1等级。
14. 根据权利要求l所述的无线现场设备，还包括换能器，所述换能 器以可操作的方式耦合到所述控制器。
15. 根据权利要求14所述的无线现场设备，其中所述换能器是传感器。
16. 根据权利要求14所述的无线现场设备，其中所述换能器是致动器。
全文摘要
公开了一种无线现场设备(100)。所述无线现场设备包括包壳(102)，所述包壳(102)具有设置在其中的处理器(110)。电源模块(112)也可以位于所述包壳(102)的内部，并耦合到处理器(110)。无线通信模块(104)以可操作方式耦合到处理器(110)，并构造成采用射频信号进行通信。天线(106，202)耦合到无线通信模块(104)。被安装到所述包壳(102)的天线屏蔽器(116)由聚合物材料制成。天线屏蔽器(116)具有室(124)，在所述室(124)内部包含天线(106，202)。
文档编号H01Q1/24GK101517827SQ200780035778
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者克里斯蒂娜·A·格吕尼希, 查德·麦圭尔 申请人:罗斯蒙德公司