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Die Erfindung betrifft eine Steckverbindung für Hochfrequenz-basierte Feldgeräte.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder die Permittivität eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Feldgeräte sind zunehmend modular aufgebaut, um gemäß des Plattform-Prinzips einzelne Module in verschiedenen Feldgeräte-Typen einsetzen zu können, und um einen Austausch defekter Module zu ermöglichen. Zumindest bei Hochfrequenz-basierten Feldgeräten, wie Feuchte-Messgeräten und Füllstands-Messgeräten, ist dies jedoch insofern herausfordernd, als dass Hochfrequenz-Verbindungen, wie zwischen der Antennen-Anordnung und dem Hochfrequenz-Modul, geschirmt sein müssen. Diesbezüglich bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz“ im Kontext dieser Patentanmeldung auf entsprechende Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz.
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Die nötige Schirmung der Hochfrequenz-Verbindungen erfordert vergleichsweise große und unflexible Verbindungen, beispielsweise in Form von SMA- oder SMB-Steckverbindungen. Hierdurch besteht insbesondere beim Einstecken die Gefahr einer Verkantung, wenn mehrere Steckverbindungen nebeneinander angeordnet sind: Zumindest die Buchsen der Steckverbindungen sind oftmals direkt auf einer Leiterplatte des entsprechenden Moduls angeordnet, bspw. mittels Reflow-Lötens zusammen mit den anderen Komponenten auf der Leiterplatte, wobei der tatsächliche Abstand zwischen den Buchsen durch Fertigungstoleranzen bedingt vom Soll-Abstand abweichen kann. Dies führt zum Verkanten beim Ein- bzw. Ausstecken und somit potenziell zur Zerstörung des gesamten Hochfrequenz-Moduls. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenz-Modul bereitzustellen, das einfach und sicher in das Feldgerät einbaubar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Hochfrequenz-Steckverbindung, die zumindest folgende Komponenten umfasst:
- - Ein Substrat, auf dem zumindest eine Buchse angeordnet ist, und
- - eine Fassung, die korrespondierend zu der zumindest einen Buchse zumindest ein Stecker einfasst.
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Dabei kann/können der bzw. die Stecker und die entsprechenden Buchsen als handelsübliche SMA- oder SMB-Stecker ausgelegt sein.
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Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben, ob der Stecker das „männliche“ oder „weibliche“ Bauteil der Hochfrequenz-Steckverbindung darstellt, bzw. ob die Buchse das korrespondierende „weibliche“ oder „männliche“ Bauteil der Hochfrequenz-Steckverbindung darstellt.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die Hochfrequenz-Steckverbindung dadurch aus, dass die Fassung zumindest den einen Stecker derart federnd einfasst, dass dieser/diese Stecker radial zu seiner/ihrer Steck-Achse innerhalb eines definierten Bereichs beweglich ist/sind. Hierdurch ist der zumindest eine Stecker flexibel, um beim Einstecken nicht zu verkanten. Um den Stecker federnd einzufassen, kann die Fassung den/die federnd eingefassten Stecker beispielsweise mittels einer elastischen Ummantelung und/oder mittels insbesondere jeweils dreier Schnapphaken einfassen, wobei auch andere adäquate Ausführungen denkbar sind.
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Die Erfindung wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn auf dem Substrat mehr als eine Buchse in einem definierten Abstand zueinander angeordnet und in Bezug zu ihrer Steck-Achse parallel ausgerichtet ist, und wenn korrespondierend zu den Buchsen zumindest zwei Stecker in dem definierten Abstand zueinander und in Bezug zu deren Steck-Achse parallel eingefasst sind. Da auch in diesem Fall erfindungsgemäß zumindest einer der Stecker flexibel angeordnet ist, werden beim Einstecken der Stecker in die Buchsen etwaige Fertigungstoleranzen bezüglich des Buchsen-Sollabstandes auf dem Substrat kompensiert, welche beim Einstecken ansonsten spannungsbedingt zu einer Beschädigung der Buchsen-Befestigung (üblicherweise Löten) auf dem Substrat führen könnte. Weiter erhöht werden kann die Sicherheit gegen Verkanten beim Einstecken, wenn auf dem Substrat bzw. in der Fassung jeweils ein korrespondierendes Führungs-Element zum Einstecken der Stecker bzw. der Buchsen in Richtung der Steck-Achse ausgebildet ist.
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Analog zur erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Steckverbindung wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein Hochfrequenz-basiertes Feldgerät zur Bestimmung einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter gelöst. Demnach umfasst das Feldgerät folgende Komponenten:
- - Zumindest eine Sende- und/oder Empfangs-Antenne, die derart am Behälter anbringbar ist, um ein Hochfrequenz-Signal in Richtung des Mediums auszusenden, und/oder um das Hochfrequenz-Signal nach Interaktion mit dem Medium zu empfangen,
- - einen am Behälter anordbaren Gerätehals, um die zumindest eine Antenne zu kontaktieren,
- - eine Fassung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche derart in demjenigen Endbereich des Gerätehalses eingesetzt ist, welcher dem Behälter abgewandt ist, so dass der zumindest eine Stecker bspw. über ein Koaxialkabel jeweils an die zumindest eine Antenne kontaktiert ist,
- - ein Hochfrequenz-Modul, mit
- ◯ einem Leiterplatten-Substrat gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Varianten, und
- ◯ einer hierauf angeordneten Elektronik-Einheit, die ausgelegt, um das einzukoppelnde Hochfrequenz-Signal zu erzeugen, und um anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals die Prozessgröße zu bestimmen, wobei die Elektronik-Einheit hierzu jeweils mit der zumindest einen Buchse verbunden ist.
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Dabei ist das Leiterplatten-Substrat derart an der Fassung befestigbar (bspw. mit einer Schraubverbindung), dass der zumindest eine Stecker in die zumindest eine Buchse eingesteckt ist. Damit das Leiterplatten-Substrat im eingesteckten bzw. befestigten Zustand eine definierte Position einnimmt, kann der Gerätehals so ausgelegt werden, dass er im eingesteckten Zustand der Stecker bzw. der Buchsen einen Endanschlag für das Leiterplatten-Substrat ausbildet.
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Im Zusammenhang mit dem Feldgerät wird unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung, wie einem FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
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Der Begriff „Interaktion“ bezieht sich im Rahmen der Erfindung je nach Art und Funktionsweise des Feldgerätes entweder auf Transmission durch das Medium entlang einer definierten Messstrecke (also zwischen der Sende-Antenne und der Empfangs-Antenne), oder auf Reflektion am Medium.
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Die Art der Befestigung der Fassung am Gerätehals ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Insbesondere, wenn der Gerätehals bzw. die Fassung mit einem runden Querschnitt ausgelegt sind, kann die Fassung beispielsweise mittels eines Bajonett-Verschlussmechanismus am Gerätehals befestigt werden.
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Dank des erfindungsgemäßen Aufbaus kann das Feldgerät mittels weniger Verfahrensschritte montiert werden:
- - Anordnen des Gerätehalses und der zumindest einen Antenne am Behälter, sofern die Antennen, der Gerätehals und der Behälter nicht bereits als integrale Baugruppe vorliegen,
- - Einsetzen der Stecker in die Fassung,
- - Einsetzen der Fassung in den Gerätehals, und
- - Befestigen des Leiterplatten-Substrates an der Fassung mittels Einsteckens der Stecker in die Buchsen.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Ein hochfrequenzbasiertes Feldgerät an einem Rohrleitungsabschnitt,
- 2: eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Steckverbindung zwischen Antenne und Hochfrequenz-Modul,
- 3: eine Seiten-Ansicht auf eine mögliche Auslegung der Fassung der Steckverbindung, und
- 4: eine Draufsicht auf die am Gerätehals montierte Fassung.
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Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in 1 als Schnitt-Ansicht ein Hochfrequenz-basiertes Feldgerät 1 dargestellt, das zur Messung einer Feuchte bzw. eines Feststoff-Anteils eines Mediums 2 dient. Hierzu ist das Feldgerät 1 an einem Rohrleitungsabschnitt 3 angeordnet, durch welchen ein gasförmiges Medium 2 wie Propan, Stickstoff etc., oder ein flüssiges Medium 2 wie Treibstoff, Getränke oder Abwässer mit feststoffartigen Sedimenten strömt. Zur Bestimmung der Feuchte bzw. des Feststoffanteils als spezifische Prozessgröße sind an der Innenwand des Rohrleitungsabschnittes 3 gegenüberliegend zueinander eine Sende-Antenne 13 und eine Empfangs-Antenne 13' des Feldgerätes 1 angeordnet und zueinander ausgerichtet. Die Sende-Antenne 13 dient zum Aussenden von Hochfrequenz-Signalen SHF in Richtung des Mediums 2, während die Empfangs-Antenne 13' die Hochfrequenz-Signale EHF nach Durchlaufen der resultierenden Messstrecke empfängt. Dabei können die Antennen 13, 13' prinzipiell baugleich ausgelegt sein.
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Das Hochfrequenz-Signal SHF wird von einem entsprechend ausgelegten Hochfrequenz-Modul des Feldgerätes 1 generiert, welches hierzu mit der Sende-Antenne 13 verbunden ist. Anhand des Empfangs-Signals EHF bestimmt das Feldgerät 1 als Prozessgröße wiederum die Feuchte bzw. den Feststoffanteil des Mediums 2. Dazu ist das Hochfrequenz-Modul auch an die Empfangs-Antenne 13' angeschlossen, um die Phase, die Signallaufzeit und/oder die Amplitude des Empfangs-Signals EHF zu ermitteln. Hieraus kann die Auswertungs-Einheit 12 beispielsweise auf Basis von entsprechenden Kalibrierdaten wiederum die Feuchte/den Feststoffanteil des Mediums 2 bestimmen. Zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals SHF kann das Hochfrequenz-Modul beispielsweise eine PLL („Phase Locked Loop“) umfassen. Insbesondere zur Ermittlung der Phase, der Signallaufzeit und/oder die Amplitude des Empfangs-Signals EHF kann das Hochfrequenz-Modul beispielsweise einen Netzwerk-Analysator umfassen.
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Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausführungsvariante des Feldgerätes 1 kann eine der Antennen 13, 13' des Feldgerätes 1 auch als kombinierte Sende-/Empfangs-Antenne ausgelegt werden, während am Ort der anderen Antenne 13, 13' ein Reflektor für das Hochfrequenz-Signal SHF, EHF angebracht wird. In diesem Fall ist das Hochfrequenz-Modul zur Trennung des auszusendenden Hochfrequenz-Signals SHF vom Empfangs-Signal EHF über eine Sende-/Empfangs-Weiche mit der Sende-/Empfangs-Antenne zu verbinden. In einer weiteren Abwandlung hiervon kann auch auf den Reflektor verzichtet werden, so dass über die kombinierte Sende-/Empfangs-Antenne nicht der transmittierte Anteil EHF, sondern der an der Sende-/Empfangs-Antenne reflektierte Anteil des erzeugten Hochfrequenz-Signals SHF durch die Auswertungs-Einheit 12 bestimmt wird. Analog zum transmittiven Verfahren kann im Falle dieses reflektiven Verfahrens die Feuchte bzw. der Feststoffanteil des Mediums 2 über den reflektierten Anteil des erzeugten Hochfrequenz-Signals SHF bestimmt werden.
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Wie in 1 dargestellt ist, sind die Antennen 13, 13' über einen Gerätehals 12 bzw. darin verlaufende, hochfrequenztaugliche Kabel (beispielsweise Koaxialkabel) mit dem Hochfrequenz-Modul verbunden, um das Hochfrequenz-Modul und ggf. weitere elektronische Module des Feldgerätes 1 vom Rohrleitungsabschnitt 3 zu beabstanden. Dabei können der Rohrleitungsabschnitt 3 und der Gerätehals 12 bspw. monolithisch aus einem Edelstahl gefertigt sein. Hierdurch wird das Hochfrequenz-Modul unter anderem vor thermischen Einflüssen des ggf. heißen Mediums 2 geschützt.
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Zur Montage, bzw. damit das Hochfrequenz-Modul bei Bedarf ausgetauscht werden kann, ist das Hochfrequenz-Modul mittels einer Steckverbindung an demjenigen Endbereich des Gerätehalses 12 angeordnet, der dem Rohleitungsabschnitt 3 abgewandt ist. Eine vergrößerte Darstellung im Bereich dieser Steckverbindung wird in 2 dargestellt: Auf Seiten des Hochfrequenz-Moduls umfasst die Steckverbindung zwei Buchsen 100', die in einem definierten Abstand a zueinander auf einem Leiterplatten-Substrat 10 des Hochfrequenz-Moduls angeordnet sind, auf dem sich beispielsweise auch der Netzwerkanalysator bzw. die PLL befinden können. Dabei kann das Hochfrequenz-Modul über eine der Buchse 100' das auszusendende Hochfrequenz-Signal SHF übertragen, über die anderen Buchse 100' kann das Hochfrequenz-Modul das Hochfrequenz-Signal EHF empfangen. Damit das Hochfrequenz-Modul in entsprechende Stecker 100 der Steckverbindung auf Seiten des Gehäusehalses 12 gesteckt werden kann, sind die Buchsen 100' derart auf dem Leiterplatten-Substrat 10 angeordnet, dass deren Steck-Achsen A orthogonal zur Leiterplatte 10 und somit auch parallel zueinander verlaufen.
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Auf Seiten des Gehäusehalses 12 münden die zwei von den Antennen 13, 13' herführenden Koaxialkabel, welche das einzelne Hochfrequenz-Signal SHF, EHF übertragen, jeweils in einen der Stecker 100. Dabei sind die Stecker 100 zwecks Einsteckbarkeit in die Buchsen 100' derart in eine Fassung 11 eingefasst, so dass - in Bezug zu deren Steck-Achse A - der Abstand a zueinander dem Abstand a der Modul-seitigen Buchsen 100' auf dem Leiterplatten-Substrat 10 entspricht, und so dass auch die Steck-Achsen A der Stecker 100 parallel zueinander verlaufen. Somit bilden die Fassung 11 mitsamt den Steckern 100 und die korrespondierenden Buchsen 100' auf dem Leiterplatten-Substrat 10 des Hochfrequenz-Moduls 10 die Hochfrequenz-Steckverbindung aus. Als Steckertyp können beispielsweise SMA- oder SMB-Stecker und Buchsen eingesetzt werden. Dabei kann die Fassung 11 bspw. aus einem per Spritzguss verarbeiteten Kunststoff hergestellt werden.
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Wie in 2 außerdem dargestellt wird, sind das Hochfrequenz-Modul und der Gerätehals 12 in solch einer Form kompatibel zueinander ausgelegt, dass der Gerätehals 12 im eingesteckten Zustand der Stecker 100 bzw. der Buchsen 100' einen Endanschlag für das Leiterplatten-Substrat 10 ausbildet, bzw. umgekehrt. Hierdurch nimmt die Steckverbindung 100, 100' nach Einstecken bzw. bei montiertem Hochfrequenz-Modul einen stabilen Zustand ein. Dabei kann das Hochfrequenz-Modul beispielsweise mittels einer Schraubverbindung am Gerätehals 12 oder an der Fassung 11 zusätzlich fixiert werden.
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Beim Anbringen des Hochfrequenz-Moduls 10 am Gehäuse-Hals bzw. beim damit einhergehenden Einstecken der Stecker 100 in die Buchsen 100' ist es kritisch, dass der Abstand a der Buchsen 100' je nach Fertigungstechnologie vom Soll-Wert abweichen kann. Unabhängig davon, ob ggf. auch der korrespondierende Abstand a der Stecker 100 in der Fassung 11 zueinander vom Soll-Wert abweicht, kann dies beim Einstecken bzw. Anbringen des Hochfrequenz-Moduls zum Verkanten der Stecker 100 und Buchsen 100' führen. In der Folge kann dies beispielsweise zur Beschädigung des Hochfrequenz-Moduls 10 führen, indem beispielsweise die Lötverbindung zwischen den Buchsen 100' und dem Leiterplatten-Substrat 10 Schaden nimmt.
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Um dies zu vermeiden, und um somit eine sichere Montage zu gewährleisten, sind beide Stecker 100 in der Fassung 11 erfindungsgemäß durch jeweils drei Schnapphaken 110 eingefasst, wie in der perspektivischen Ansicht der Fassung in 3 dargestellt ist. Hierdurch sind die Stecker 100 in Bezug zu ihrer Steck-Achse A federnd eingefasst, so dass sie hinsichtlich der Steck-Achse A in einem definierten Radius von beispielsweise 20 % ihres Durchmessers beweglich sind. Durch diese flexible Anordnung der Stecker 100 wird somit beim Einstecken ein Verkanten verhindert. Dabei kann die bewegliche Einfassung im Gegensatz zu den in 2 und 3 gezeigten Schnapphaken 110 auch durch eine elastische Ummantelung der Stecker in der Fassung 11 erreicht werden.
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In 3 wird außerdem deutlich, dass die zwei Stecker 100 in der Fassung 11 durch ein Führungs-Element 101 mit - in Bezug zur Steck-Achse A - kreisförmigem Querschnitt umschlossen sind. Dieses Führungs-Element 101 greift, wie vor allem in 2 zu erkennen ist, beim Einstecken konzentrisch in ein korrespondierendes Führungs-Element 101', welches mit entsprechend rundem Querschnitt um die Buchsen 100' herum auf dem Leiterplatten-Substrat 10 des Hochfrequenz-Moduls angeordnet ist. Hierdurch wird die Gefahr des Verkantens beim Einstecken zusätzlich reduziert.
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Wie aus 3 und 4 hervorgeht, kann die Fassung 11 in der gezeigten Ausführungsvariante beispielsweise mittels eines Bajonett-Verschlussmechanismus an dem Endbereich des Gerätehalses 12 befestigt werden, welcher dem Rohrleitungsabschnitt 3 abgewandt ist: Hierzu umfasst die - in Bezug zu den Steck-Achsen A - prinzipiell rund ausgelegte Fassung 11 vier seitlich angeordnete Nocken 111, welche in vier korrespondierende Nuten 120 im Gerätehals 12 einsetzbar sind und ein Verschließen nach einer Drehung der Fassung 11 um ca. 45° in Richtung Uhrzeigersinn (gen Gerätehals 12 gesehen) erlauben. Dabei zeigt die Draufsicht auf die Fassung 11 und den Rohrleitungsabschnitt 3 in 4 die in die Nuten 120 eingesetzte Stellung der Fassung 11, bei welcher die Fassung 11 jedoch noch nicht um 45° gen Uhrzeigersinn gedreht bzw. noch nicht verriegelt ist. Wie dort ebenfalls zu erkennen ist, weisen die jeweils zwei gegenüberliegenden Nocken 111 und Nuten 120 eine Geometrie bzw. Breite auf, die von den anderen zwei Paaren an Nocken 111 und Nuten 120 abweicht. Des Weiteren umfassen zwei gegenüberliegende Nocken 111 zusätzlich jeweils einen radial greifenden Einrast-Haken 1201, welche bei der um 45° im Uhrzeigersinn gedrehten Stellung der Fassung 11 in entsprechende Einrastkerben der korrespondierenden Nuten 120 einrasten. Hierdurch ist die Fassung 11 eindeutig und ohne Verwechslungsgefahr montierbar.
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Zur Montage des Hochfrequenz-Moduls sind vor dem Einsetzen der Fassung 11 am Gerätehals 12 die zwei Stecker 100, an welche sich die Koaxialkabel zu den Antennen 13, 13' hin anschließen, in die Fassung 11 bzw. die entsprechenden Schnapphaken 110 einzurasten. Nach Befestigung bzw. Sichern der Fassung 11 am Gerätehals 12 kann das Leiterplatten-Substrat 10 an der Fassung 11 angebracht werden, indem die Stecker 100 quasi synchron in die Buchsen 100' eingesteckt werden. Dabei ist es nicht relevant, ob der Gerätehals 12 und die Antennen 13, 13' bereits am Rohrleitungsabschnitt 3 angeordnet sind, oder nicht.
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Wie in 1 bis 4 gezeigt ist, umfasst die dortige Ausführungsvariante der Steckverbindung zwei Stecker 100 bzw. zwei Buchsen 100'. Dabei ist es im Sinne der Erfindung ebenfalls denkbar, dass die Steckverbindung je nach Anforderung auch mehr oder weniger Steckerpaare 100, 100' umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochfrequenz-basiertes Feldgerät
- 2
- Medium
- 3
- Rohrleitungsabschnitt
- 10
- Substrat
- 11
- Fassung
- 12
- Gerätehals
- 13, 13'
- Antennen
- 100
- Stecker
- 100'
- Buchse
- 101,101'
- Führungs-Element
- 110
- Schnapphaken
- 111
- Nocken
- 120
- Nut
- 1201
- Einrast-Haken
- A
- Achse
- a
- Abstand
- EHF
- Empfangenes Hochfrequenz-Signal
- SHF
- Hochfrequenz-Signal