把传输线路连接到现场设备的适配器的制作方法

本发明涉及一种用于把传输线路连接到现场设备的适配器。

背景技术：

现场设备是具有电子器件并且应用于现场中，特别是应用于工业工厂中的设备。特别地，现场设备包括测量设备，其计量学地记录物理测量变量，例如流量、压力或液位。现场设备应用于例如工业测量和自动化技术中。在那里，此外，它们应用于记录信息，特别是测量值和/或过程参数。由一个或多个现场设备记录的信息按照时间表传输到一个或多个接收器。接收器通常是诸如计算机、控制器和/或过程控制系统的上位单元，其处理所传输的信息、显示所述信息和/或将其应用于诸如例如工业制造或处理方法的过程的开环控制和/或闭环控制。然而，也有在现场设备向现场设备传输信息的情况下的应用。

除了从现场设备到接收机的信息传递之外，通常还有从上位单元向现场设备的信息传递。这样，例如，数据进行传输，以用于调整、参数化和/或配置现场设备，以及用于将现场设备与待由其来执行的任务，例如特定测量任务进行匹配。

现场设备和例如上位单元或另一现场设备的接收器之间的单向或双向信息传递经由连接到存在于现场设备中的电子器件的传输线路发生。承载信息的电子信号经由传输线路传输。工业用途中用于此目的的各种信号形式的范围从可有线传输的模拟和数字信号到可无线传输的高频信号。

在模拟信号形式中，例如有在工业中经常被称为4-20mA信号。在这种传输形式的情况下，信号电流经由传输线路(例如双线线路)流动，并根据由现场设备确定的变量(例如测量变量)的函数控制为4mA至20mA之间的值。

在数字信号形式中例如有数字信号可经由用于单向或双向数字通信的诸如在总线线路系统中使用的总线线路的总线线路传输的数字信号，总线系统诸如例如是HART、Profibus PA、Profibus DP、ModBus或以太网。

此外，诸如例如用于经由数字无线电或移动无线电网络进行无线通信的高频信号的高频信号也应用于增量测量中。已经为这些网络建立了各种传输标准，诸如例如全球移动通信系统(GSM)、蓝牙、WiFi或近场通信(NFC)。在这些情况下，连接到现场设备的传输线路是天线的同轴线路，信号经由所述天线无线地发送和/或接收。

有线和无线信息传输都需要适配器，布置在现场设备壳体内的电子器件可经由所述适配器连接到位于壳体外的传输线路。适配器必须具有至少一个装置，传输线的导体通过所述装置引导穿过现场设备的壳体的壳体壁中的开口。

在这种情况下，可用于爆炸危险区域的现场设备必须满足特定的安全要求。这些具有防止现场设备中的火花形成，或者防止现场设备内部产生的火花影响环境的目的。所述目的可以以不同的方式实现，这在对应的欧洲标准中被称为防火等级。名为“耐压封装”(Ex-d)的防护等级规定设备必须具有耐压壳体，以确保壳体内部的火花，即可能甚至引起现场设备的内部爆炸的火花不能点燃位于现场设备外部的爆炸介质。

为了实现耐压封装，延伸穿过这些设备的壳体壁的电缆馈通必须相应地实施。现今，例如，耐压玻璃或陶瓷密封的电缆馈通应用于此。这些通常包括具有横向孔的金属支撑件。在所述孔中是玻璃或陶瓷的填充物，其中至少一个导体延伸穿过所述孔。在这些电缆馈通的情况下，填充物直接暴露于壳体内部中的爆炸压力。相应地，填充物的外侧表面和孔的内壁之间的连接必须足够坚固以承受爆炸压力。因此，这些电缆馈通的制造相对复杂且昂贵。此外，填充物、导体和支撑件的材料组合限于那些在其之间能够产生足够耐压连接的材料组合。此外，在这些电缆引导件的情况下，存在这样的问题：可用作填充物的材料通常是具有与从包围填充物的金属支撑件的热膨胀系数明显不同的热膨胀系数的硬质和/或脆性材料。由于膨胀系数不同，热机械应力作为环境温度的函数形成在这些电缆馈通中。在这种情况下，特别是在温度变化剧烈或极高或极低的环境温度的情况下，存在应力开裂可能出现在填充物中的危险，应力开裂降低了这些电缆馈通件的密封性和耐压性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种将传输线连接到现场设备，特别是在爆炸危险区域中的耐压适配器，其克服了上述现有技术的缺点。

为此，本发明在于一种用于将传输线连接到现场设备的适配器，包括：

-可插入现场设备的壳体的壳体壁中的开口中的套管，所述套管在组装状态下具有对壳体内部开放并且通过套管的端壁对外部封闭的内部，

-安装在所述套管中的插入件，所述插入件包括布置在所述套管中的基座元件和穿过所述套管的端壁中的开口从所述套管突出的突起，其中，所述基座元件的底面积大于套管的端壁中的开口的底面积，

-连接元件，所述连接元件被提供在从套管突出的突起的端部上并且可与传输线路连接，

-延伸穿过所述突起中的孔并连接到所述连接元件的连接触点的至少一个导体，所述导体延伸穿过位于邻接所述孔的基座元件中并且开口于壳体内部的窗口，以及

-灌封合成物，所述灌封合成物填充所述套管中剩余的中空空间。

本发明的适配器的实施例还包括：

-所述套管由耐压材料，特别是金属，特别是铝，失蜡铸件或不锈钢构成，并且可以经由耐压机械连接，特别是螺纹连接或焊接接头与现场设备的壳体壁连接，和/或

-灌封合成物由环氧树脂或硅树脂构成。

本发明的适配器的第一进一步发展包括：

-电路板被提供在适配器中，特别是在所述插入件中，

-所述电路板装配有导电迹线，并且

-所述导体的每一个经由导电迹线之一与相关联的连接器连接，经由所述相关联的连接器特定导体能连接到所述现场设备的电子器件。

在第一进一步发展的优选实施例中，所述导电迹线在所述电路板中延伸。

适配器的第一进一步发展的另一实施例包括：

-电路板布置在适配器中，使得其平行于套管的纵向轴线延伸穿过适配器，其中正交于电路板区域的表面垂直于套管的纵向轴线延伸，和/或

-电路板包括安装在基座元件中的第一部分和紧接其后并且引导穿过套管的第二部分。

后一实施例的进一步发展是适配器，在所述适配器中，电路板包括在基座元件的相互对立的外侧上延伸的两个电路板段，特别是腿状的电路板段，这两个电路板段与电路板的第二部分连接并且分别通过延伸穿过电路板并容纳基座元件的壁段的狭槽与基座元件中的第一部分分离。

在第一进一步发展的进一步发展中，提供了固定装置，特别是包括保持夹的固定装置，所述保持夹安置在套管中的凹槽中并阻挡电路板突起垂直于所述适配器的纵向轴线在电路板的两侧上突出，其中，所述保持夹布置在远离所述套管端壁的所述电路板突起的一侧上。

本发明的适配器的第一变型包括：

-传输线路是包括至少一个导体的线路，特别是包括两个导体的双线线路或多导体总线线路，以及

-对于传输线路的每个导体，有延伸穿过突起中的孔并连接到适配器的连接元件的连接触点之一的导体，所述导体也延伸穿过邻接突起中的孔的基座元件中的窗口。

本发明的适配器的第二变型包括：

-传输线路是包括内导体和外导体的同轴线，特别是可连接到现场设备的天线的同轴线，

-连接元件的连接触点包括用于内导体的连接触点和用于外导体的连接触点，

-用于内导体的连接触点穿过突起中的孔连接到延伸穿过基座元件中的窗口的导体，

-插入件由导电材料、特别是黄铜或铝构成，

-插入件形成与用于外导体的连接触点连接的外导体，

-插入件与导体和套管电绝缘。

根据第一进一步发展和第二变型的本发明的适配器的进一步发展包括：

-与用于外导体的连接触点连接的基座元件经由在电路板中延伸的导电迹线与所述相关联的连接器连接，并且

-把所述与用于内导体的连接触点连接的导体与所述相关联的连接器连接的导电迹线在电路板中延伸。

后一进一步发展的实施例包括适配器，在所述适配器中，基座元件经由连接线，特别是在基座元件的外侧上延伸的连接线与电路板的相关联的导电迹线连接。

第二进一步发展包括适配器，在所述适配器的情况下，插入件与套管彼此电绝缘。

后一进一步发展的进一步发展包括适配器，在所述适配器的情况下，

-基座元件被填充有灌封合成物的间隙从外面包围，并且

-在壳体和插入件之间提供有绝缘体，所述绝缘体将套管的端壁与基座元件的端壁绝缘，并且将延伸穿过外体中的端壁中的开口的突起与包围开口的这样的端壁绝缘，

-特别是绝缘体，其包括布置在套管的端壁和基座元件的端壁之间的环形垫圈状的第一绝缘体区域以及紧接其后并且在所有侧面上从外面包围突起的第二绝缘体区域，

-特别是耐压材料的绝缘体或其第一绝缘体区域由耐压材料，特别是陶瓷、耐压塑料或电路板基材，特别是浸有环氧树脂的玻璃纤维垫构成的绝缘体。

在另外的进一步发展中，填充有灌封合成物的套管实施为火焰穿透屏障。

此外，本发明包括具有本发明的适配器以及可经由适配器连接到传输线路的电子器件的现场设备。

本发明的适配器提供的优点是，抵抗在现场设备的内部可能出现的爆炸压力的耐压性是通过在套管的端壁上的插入件的底部元件的支撑件来实现的。与上面提到的耐压玻璃或陶瓷电缆馈通件相比，在本发明的适配器的情况下，因此在灌封合成物和适配器的灌封部件之间不需要耐压连接。

这提供的优点是，灌封合成物可以是与玻璃或陶瓷相比明显更具弹性的材料，能够吸收由适配器的部件的不同热膨胀系数产生的热机械应力的弹性材料。这样，防止了灌封合成物中的应力开裂，因此本发明的适配器可以应用在比传统电缆馈通更高的温度范围内。在这种情况下，填充有灌封合成物的套管可以实施为在相应较大的温度范围内均可靠的火焰穿透屏障。

进一步的优点在于，由于构造的部件简单，其组装不需要特殊的连接方法，因此本发明的适配器可以以简单且成本有效的方式制造。

附图说明

现将根据附图的各图更详细地解释本发明以及其它优点，附图示出了实施例的三个实例；在附图中，相同部件提供有相同的附图标记。附图的各图示出如下：

图1是安装在双线线路的现场设备的壳体壁中的适配器；

图2是安装在总线线路的现场设备的壳体壁中的适配器；以及

图3是安装在天线的同轴线的现场设备的壳体壁中的适配器。

具体实施方式

图1示出了用于现场设备的本发明的适配器的实施例的第一实例的剖视图。适配器包括套管3，套管3可插入壳体的壳体壁1的开口中并且在组装状态下具有对壳体内部5开放并且通过端壁7对外部封闭的内部。壳体和套管3由耐压材料制成，例如由金属如铝、失蜡铸件或不锈钢制成，并且经由耐压机械连接彼此连接，特别经由是螺纹连接或焊接接头彼此连接。在这里所示的螺纹连接的情况下，套管3优选地包括具提供有外螺纹的中空圆柱形杆部9和包括端壁7的螺钉头11，例如六边形头部。在这种情况下，壳体壁1的开口提供有内螺纹，螺纹杆9拧入所述内螺纹中。在这种情况下，螺纹优选具有足够大的螺纹长度以实现高度耐压的机械连接，特别是具有足以承受高达80bar的压力的耐压连接。相应的最小螺纹长度可以例如从防火等级、耐压封装的欧洲或国际标准中采用。螺钉头11可以如这里所示，抵靠围绕包围开口的壳体壁1的外侧，或替代地布置成沉入壳体壁1中。

此外，适配器3包括在套管3内的插入件13。插入件13包括布置在套管3的内部中的基座元件15和邻接基座元件15的突起17，并且所述突起17穿过套管3的端壁7中的开口从套管突出。基座元件15的底面积大于端壁中的开口的底面积。这样，套管3的端壁7形成用于插入件13的稳定支座，用于直接承受壳体内部的爆炸压力。

从套管3的端壁7中开口突出的突起17的端部上设置有连接元件19a——这里仅示意性示出，传输线路23a可以连接到所述连接元件19a，所述传输线23a装配有与连接元件19a互补的连接元件21a，同样仅示意性示出。

此外，适配器包括延伸穿过突起17中的孔并连接到适配器的连接元件19a的相关联连接触点25a的至少一个导体27a，导体27a延伸穿过一窗口，该窗口位于邻接所述孔的基座元件15中并且对壳体5的内部开放。

在图1所示的实施例的实例中，传输线路23a是双线线路。相应地，在这种情况下，适配器具有两个延伸穿过插入件13的导体27a，导体27a可以经由两个连接元件19a、21a连接到传输线路23a的两个导体。

此外，适配器包括连接器29，导体27a的远离适配器的连接元件19a的端部可经由所述连接器29连接到布置在现场设备的壳体内部中的电子器件31a。连接器29在实施例的所示实例中是连接触点，相应的线路可以例如通过焊接连接到所述连接触点。或者，连接器29可以实施为插头或插头连接器。在实施例的所示实例中，电子器件31a例如包括电路，流经双线线路的电流可以通过所述电路设置，使得其对应于现场设备测量的物理测量变量。此外，在电子器件31a的相应实施例的情况下，现场设备的能量供应也可以经由双线线路进行。相应电路是现有技术中已知的，并且因此在此不再详细描述。

基本上，可以将电缆护套中的导体27a引导穿过套管3并直接连接在电子器件31a上。然而，在许多国家，由于防爆规范，这种程序对可用于爆炸危险区域的现场设备来说是不允许的，因为电缆护套通常是不适合用于爆炸危险区域中的可流动塑料，并且存在以在导体27a和通向壳体内部5的电缆护套之间的间隙的形式的安全风险。

因此优选经由适配器中的电路板33而实现导体27a至电子器件31a的连接。电路板33装配有与导体27a的数量相对应的多条导电迹线35a，并且导体27a通过导电迹线35a与相关联的连接器29连接。导电迹线35a可以在电路板33上延伸，如图1所示，或者替代地也可以实施为在电路板33中延伸的导电迹线。

电路板33优选地布置在适配器中，使得其平行于套管3的纵向轴线延伸穿过适配器，其中正交于电路板区域的表面垂直于套管3的纵向轴线延伸。

电路板33包括安装在基座元件15中的第一部分37和紧接其后并且引导穿过套管3的第二部分39。优选地，电路板33另外包括两个相互对置的，优选为腿状的电路板段41，电路板段41在基座元件15的侧面外部延伸并且与电路板33的第二部分39连接。这些电路板段41分别通过电路板33中的狭槽与基座元件15中的第一部分37分隔。这提供的优点是：电路板33可以插到基座元件15上，其中这些狭槽分别容纳基座元件15的壁段。

此外，适配器包括固定装置，基座元件15和施加于其上的电路板33通过所述固定装置固定在套管3中。适合于此的例如是保持夹45，所述保持夹45安置在螺纹杆9中的凹槽43中并且阻挡电路板突起47垂直于适配器3的纵向轴线在电路板33的两侧上突出。在这种情况下，保持夹45布置成抵靠电路板突起47的远离套管3的端壁7的一侧，使得其防止插入件13和安装在插入件13中的电路板33的组合沿远离端壁7的方向移动。

在本发明的适配器的情况下，在套管3内部中剩余的空腔用灌封合成物49填充。在将电路板33插入到基座元件15中之后，灌封合成物49也填充插入件13中剩余的中空空间。而且，优选地，突起17中剩余的中空空间填充有灌封合成物49或者替代地填充有安装在其中的绝缘体。

填充有灌封合成物49的套管3优选地实施为火焰穿透屏障，其防止现场设备中产生的火花可能引起位于现场设备外部的爆炸介质点燃。对填充有灌封合成物并可用作火焰穿透屏障的中空空间的要求在许多国家中通过相应的防爆标准来设定，所述防爆标准可以在此考虑用于套管3和灌封合成物49的相应实施例。根据关于防护等级、耐压封装(Ex-d)的实施例，例如根据2007年的德国工业标准DIN-EN60079-1，套管3的尺寸必须设置成使得通过适配器在灌封合成物49中延伸的最短路径在灌装合成物49的总体积小于10立方厘米的情况下为至少3毫米，在灌装合成物49的总体积大于10立方厘米且小于100立方厘米的情况下为至少6毫米，以及在灌装合成物49的总体积大于100立方厘米的情况下为至少10毫米。

通过抵靠套管3的端壁的插入件13的基座元件15的耐压支撑件与由填充有灌封合成物49的套管3实现的火焰穿透屏障的组合，适配器可以用于爆炸危险区域。

与上面提到的耐压玻璃或陶瓷电缆馈通件相比，在本发明的适配器的情况下，因此在灌封合成物49和包围灌封合成物49的适配器的部件之间不需要耐压连接。取而代之的是，现场设备内部的爆炸压力在本发明的适配器的情况下由套管3的端壁7上的基座元件15的支撑件吸收。

这提供的优点是，灌封合成物49可以由比玻璃或陶瓷明显更具弹性的材料，例如树脂，例如环氧树脂或硅树脂制成。更具弹性的灌封合成物提供的优点是，它们可以吸收由适配器的部件的不同热膨胀系数产生的热机械应力。这样，当适配器暴露于大的温度波动和/或非常高或非常低的温度时，避免了灌封合成物49中的应力开裂。

图2示出了本发明的适配器的实施例的第二实例。所述实例与图1所示的实例的不同点在于，所述适配器设计成用于多线式传输线路23b——这里以总线的形式——的连接。对应地，适配器和传输线路23b在这里装配有适合用于连接总线线路的连接元件19b、21b，诸如例如从现有技术中已知的连接元件，其根据总线线路系统通常是9针或12针的插头连接器。在这种情况下，对于总线线路的每个导体，都有位于适配器中的导体27b，所述导体27b连接到适配器的连接元件19b的相应连接触点25b并且被引导穿过突起17。这里导体27b优选地分别经由其连接器29如连接触头、插头或插头连接器与电路板33的相关联的导电迹线35b连接，于是其可以连接在现场设备的电子器件31b上。电子器件31b在这种情况下包括经由总线线路进行数字通信的数据传输模块。由于经由总线线路的数字通信通常通过较高频率信号来进行，因此导电迹线35b优选地在电路板33内延伸。这样，防止了较高频率信号与灌封合成物49的相互作用。

图3示出了本发明的适配器的实施例的另外实例。所述实例与实施例的前述实例的不同点在于，其实施成用于以同轴线的形式的传输线路23c的连接。传输线路23c例如是天线51的同轴线，高频信号通过所述天线51无线地发送和/或接收。相应地，适配器和传输线路23c在这里装配有适合用于连接同轴线的连接元件19c、21c，例如从现有技术中已知的SMA头连接器或F头连接器，天线51可以经由连接元件19c、21c机械地固定并且电连接到适配器，优选地通过被提供在天线51的连接元件21c上的联接螺母53。

此外，在这种变型的情况下，基本上可以将同轴线的内导体和外导体引导穿过突起17中的孔并进入适配器中。

优选地，这里采用另一种方法。在这种情况下，插入件13用作外导体，使得仅同轴线的内导体必须穿过突起7中的孔。为此，插入件13由导电材料构成，如由黄铜或铝构成，并且仅设置一个导体55与用于穿过突起17中的孔的同轴线的内导体的连接元件19c的连接部25c连接。导体55与插入件13电绝缘并且延伸穿过邻接孔的基座元件15中的窗口。为了使导体55与突起17绝缘，在位于延伸穿过突起17的导体55的部分和突起17之间的中空圆柱形间隙中提供有例如间隔物或电介质填充物。在这种变型的情况下，基本上中空圆柱形的突起17优选同时形成用于外导体的连接元件19c的连接触点25c。

所述变型可以非常有成本有效地生产，因为诸如例如SMA头或F头连接器的用于连接同轴线的传统连接元件安装到插入件13，例如焊接在插入件13上。突起17形成插头连接器的外导体，并且内导体由延伸穿过突起17中的孔的导体55的部分形成，然后导体55的延伸穿过基座元件15中的窗口的部分连接到突起17。

插入件13和套管3优选相对于彼此电绝缘。在这里所示的实施例的实例的情况下，基座元件15通过在基座元件15和套管3之间的从外面包围基座元件15的灌封中空圆柱形间隙从外面与套管3绝缘。此外，在套管3和插入件13之间设置有绝缘体57，绝缘体57在套管3的端壁7和基座元件15的端壁之间绝缘，并且在延伸穿过套管3中的端壁7的开口的突起17和包围开口的端壁7之间绝缘。绝缘体57包括例如布置在套管3的端壁7和基座元件15的端壁之间的环形垫圈状的第一绝缘体区域以及紧接其后并且在所有侧面上从外面包围突起17的第二绝缘体区域。第二绝缘体区域优选实施成使得其完全填充存在于突起17和端壁7中的开口之间的间隙。

在这种情况下，布置在壳体3的端壁7和基座元件13的端壁之间的第一绝缘体区域优选由耐压材料如陶瓷构成。或者，这里也可以使用耐压绝缘塑料或耐压绝缘电路板材料，例如已知名称为FR4并且由环氧树脂浸泡的玻璃纤维垫构成的材料。如果绝缘体57实施为单一件，则优选地其完全由这种材料构成。如果绝缘体57实施成两个部分，则第二绝缘体区域可以由另一种材料，例如绝缘灌封合成物制成。

在图1和2所示的实施例的示例的情况下，优选地也提供在插入件13和套管3之间的绝缘。此外，在这种情况下，诸如图1和图2所示，其可以通过在基座元件15和套管3之间的灌封中空圆柱形间隙以及被提供在套管3和插入件13之间的绝缘体57来实现。

绝缘提供的优点在于，其实现了插入件13的电势和在使用时与壳体壁1连接并且在通常接地的壳体的电势下与其靠在一起的套管3的电势之间的绝缘。

在图3所示实施例的实例的情况下，电路板33装配有两条导电迹线35c，连接内导体的导体55和连接外导体的基座元件15经由导电迹线35c与被提供在远离基座元件13的电路板33的部分39上的其相关联的连接器29连接。为此，导体55直接与电路板33的导电迹线35c连接，并且基座元件15经由连接线59连接到电路板33的其导电迹线35c。连接线59优选地在基座元件15的外侧上延伸，并且例如连接到在从外面直接邻接基座元件13的两个腿状电路板段41之一上的其导电轨迹35c。

这里，导电迹线35c也优选地在电路板33内延伸。这样，避免了所传输的信号与灌封合成物49的相互作用。

相应地，信号可以用本发明的适配器直接传输，其具有与诸如全球移动通信系统(GSM)、蓝牙、WiFi或近场通信(NFC)的上述传输标准结合使用的频率。这些传输标准根据标准频率范围在几百兆赫直到一兆赫兹或两兆赫兹的频率范围内使用。在这种情况下，通常数据传输速率越高，用于传输的频率越高。

通过适当选择电路板33和插入件13的材料以及匹配插入件13的尺寸大小的频率，具有更高频率的信号甚至可以进行传输。因此，例如在陶瓷电路板33和相应尺寸大小的黄铜插入件13的情况下，具有5GHz及以上的频率的信号可以进行传输，相应较高的数据传输速率可以通过所述信号实现。

这里，形成为例如连接触头、插头或插头连接器的连接器29在现场设备中通过同轴线路连接到集成在现场设备中的电子器件31c，在这种情况下，所述电子器件31c包括高频模块，该高频模块被实施成对应于为发送和/或接收经由传输线路23c或天线51传输的高频信号而选择的传输标准。

1 壳体壁

3 套管

5 壳体内部

7 套管端壁

9 螺纹杆部

11 螺钉头

13 插入件

15 基座元件

17 突起

19 连接元件

21 连接元件

23 传输线路

25 连接触点

27 导体

29 连接器

31 电子器件

33 电路板

35 线路

37 电路板部分

39 电路板部分

41 腿状电路板段

43 凹槽

45 保持夹

47 电路板突起

49 灌封合成物

51 天线

53 联接螺母

55 导体

57 绝缘体

59 连接线