JP7331821B2

JP7331821B2 - フィールド機器

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Publication number: JP7331821B2
Application number: JP2020181674A
Authority: JP
Inventors: 雅矢田口
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: EP3992585B1; US11808614B2; EP3992585A1; JP2022072311A; US20220136873A1; CN114427892A

Description

本発明は、フィールド機器に関するものである。

フィールド機器の一つとして、下記特許文献１に記載の渦流量計が知られている。この渦流量計は、筒状の側壁と、この側壁の中央部分に設けられた隔壁と、を有する容器を備える。この容器の内部は、側壁と隔壁とによって端子箱室とアンプ室とに区分けされている。端子箱室には、信号端子部と電源端子部とを有する端子箱部が設けられている。アンプ室には、入力信号と電源入力を処理するアンプ部が設けられている。

特開２００２－１０７１９２号公報

ところで、アンプ室には、電源ノイズ等のノイズの影響を受けないようにするために、アンプシールド室が形成されている。このアンプシールド室には、例えば、検出部の検出結果であるアナログ信号を伝達する信号線が収容される。従来、この信号線は、アンプシールド室に配置された基板にねじ止めされていた。信号線を基板にねじ止めすると、アンプシールド室にねじを配置するスペースのみならず、ねじ回しするためのスペースを確保する必要があった。このため、アンプシールド室が広くなっており、アンプシールド室の外部の設計自由度が限定されていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アンプシールド室を小型化できるフィールド機器の提供を目的とする。

（１）本発明の一態様に係るフィールド機器は、検出器から出力されるアナログ信号を伝達するアナログ信号伝達部が挿入可能なアンプシールド室を有する筐体部と、前記アンプシールド室の内部に配置され、前記アナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部と、前記アンプシールド室の内部に配置され、前記アナログ信号伝達部と前記信号変換部とを着脱可能に接続するコネクタと、を備える。

（２）上記（１）に記載されたフィールド機器であって、前記アンプシールド室の内部と外部とを連通させる連通孔と、前記筐体部の内部であって前記アンプシールド室の外部に配置された本体部と、前記本体部から延び前記連通孔を介して前記アンプシールド室の内部に挿入された挿入部と、を有する基板部と、前記基板部が通った前記連通孔を閉塞するアンプシールド板と、を有してもよい。

（３）上記（２）に記載されたフィールド機器であって、前記アンプシールド板は、前記基板部と共に、前記アンプシールド室の外部において前記筐体部にねじ止めされていてもよい。

（４）上記（２）または（３）に記載されたフィールド機器であって、前記筐体部は、前記挿入部の一方側の板面と対向する隔壁部と、前記隔壁部から突出し、前記挿入部の周囲を囲うと共に一部に前記連通孔が形成された周壁部と、を備え、前記周壁部の前記隔壁部と反対側の開口端縁に載置され、前記挿入部の他方側の板面と対向すると共に、シールドパターンが形成された第２の基板部を有し、前記アンプシールド室は、前記隔壁部、前記周壁部、前記第２の基板部、及び前記アンプシールド板によって形成されていてもよい。

（５）上記（１）～（４）のいずれかに記載されたフィールド機器であって、前記アナログ信号伝達部は、前記検出器と接続された部分と、前記筐体部の内部に挿入された部分とを、前記筐体部の外部において着脱可能に接続する第２のコネクタと、を備えてもよい。

上記本発明の一態様によれば、アンプシールド室を小型化できるフィールド機器を提供できる。

一実施形態に係るフィールド機器を示す斜視図である。一実施形態に係るフィールド機器を示す断面構成図である。図２に示す矢視Ａ図である。一実施形態に係る第２の基板部を取り去った状態のアンプシールド室を示す斜視図である。図３に示すＶ－Ｖ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るフィールド機器について詳細に説明する。以下では、まず本発明の一実施形態の概要について説明し、続いて本発明の一実施形態の詳細について説明する。

〔概要〕
上述した特許文献１の渦流量計は、管路内に置かれた渦発生体から放出されるカルマン渦の周波数を測定することで、流速、流量を測定する計測器である。渦周波数を検出する方式として応力検出方式があり、渦発生体の上部若しくは内部に応力検出素子を配置し、渦発生体に働く交番揚力を検出し、カルマン渦の周波数を測定する。応力検出素子からのセンサアナログ信号は、センサリード線で検出器から変換器に信号伝達する。変換器に伝達されたアナログ信号は、アンプシールド室でデジタル信号に変換する。アンプシールド室では、変換器の金属容器とアンプシールド板により外部ノイズおよび電源ノイズからシールドしている。

従来は、応力検出素子によって渦発生体に働く交番揚力を検出し、検出したセンサアナログ信号をセンサリード線で直接、アンプシールド室の基板にねじ止め接続している。この構造で外部電気ノイズからシールド性を確保する場合には、ねじ止め接続箇所を含むアンプシールド室のエリアが広くなり、基板設計の自由度が限定されてしまう。
また、センサリード線を基板に固定するため、変換器内部にアクセスし、センサリード線を外さないと変換器を本体から取り外せず、変換器の向きの変更もできず、メンテナンス性に優れていない。

本発明の一実施形態は、フィールド機器において、センサリード線を変換器内部でコネクタ接続することにより、アンプシールド室を小型化するものである。また、本発明の一実施形態は、検出器と変換器の間に中継部を作り、センサリード線を変換器外部でコネクタ接続することにより、変換器内部にアクセスせずに、変換器の取り外しや変換器の向き変更を可能とするものである。

〔実施形態〕
図１は、一実施形態に係るフィールド機器１を示す斜視図である。図２は、一実施形態に係るフィールド機器１を示す断面構成図である。
図１に示すように、フィールド機器１は、配管検出器２（検出器）と、変換器３と、を備えている。配管検出器２は、図２に示すように、配管部４と、検出部２０と、を備えている。

なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することがある。Ｘ軸方向は、配管検出器２において流体が流れる方向とする。Ｚ軸方向は、上記Ｘ軸方向に直交する方向において、配管検出器２に変換器３が接続される方向とする。Ｙ軸方向は、上記Ｘ軸方向及び上記Ｚ軸方向と直交する方向とする。

配管部４は、図１に示すように、Ｘ軸方向に延びる円筒状に形成されている。配管部４の両端には、図示しない外部配管と接続可能なフランジ５が設けられている。フランジ５には、配管部４の中心軸回りの周方向において間隔をあけて複数の接続孔５ａが形成されている。配管部４の周面には、Ｚ軸方向に台座部６が立設している。台座部６の上面には、変換器３を支持するホルダ１０が接続されている。

検出部２０は、図２に示すように、ロッド状に形成されている。検出部２０は、台座部６の上面から配管部４に向かってＺ軸方向に延びると共に配管部４を貫通する貫通孔７に挿入されている。台座部６の上面には、検出部２０を固定する固定ブロック１３が、ボルト１３ａを介してねじ止めされている。

検出部２０の内部には、応力検出素子２１が設けられている。応力検出素子２１は、配管部４の内部に配置された検出部２０の渦発生体に働く交番揚力を検出し、カルマン渦の周波数を測定すると共に、該周波数から流体の流速、流量を測定するものである。なお、検出部２０は、流速、流量の検出だけでなく、例えば、温度、湿度、圧力、振動、加速度、回転数などの各種の物理的パラメータを検出するセンサを備えてもよい。

検出部２０（応力検出素子２１）から出力される検出信号（アナログ信号）は、アナログ信号伝達部４０を介して変換器３に伝達される。ホルダ１０は、固定ブロック１３をＹ軸方向で跨ぐ一対の脚部１１と、一対の脚部１１に支持され、変換器３を支持する支持部１２と、を備えている。一対の脚部１１は、台座部６の上面に、ボルト１１ａを介してねじ止めされている。

支持部１２は、Ｚ軸方向に開口する有底筒状に形成されている。支持部１２には、変換器３に設けられた装着筒部３１ｄが挿入されると共に、ボルト１２ａを介して装着筒部３１ｄがねじ止めされている。支持部１２の底部は、Ｚ軸方向に貫通しており、当該貫通部には、アナログ信号伝達部４０を保持する保持部品１２ｂが設けられている。

装着筒部３１ｄには、アナログ信号伝達部４０が挿入されるアンプシールド室３０Ａに連通する連通孔３１ｃが形成されている。連通孔３１ｃの下端開口には、後述する第２のコネクタ４３が着脱可能に接続される接続基板部５７が配置されている。なお、連通孔３１ｃには、アナログ信号伝達部４０を保持する保持部品や、連通孔３１ｃをシールするシール部品が設けられていても構わない。

変換器３は、アナログ信号伝達部４０が挿入されるアンプシールド室３０Ａを有する筐体部３０を備えている。アンプシールド室３０Ａには、アナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部５０と、アナログ信号伝達部４０と信号変換部５０とを着脱可能に接続するコネクタ６０と、が配置されている。

筐体部３０は、Ｙ軸方向に延びる筒状の筐体本体３１と、筐体本体３１の一端側（－Ｙ側）に装着された第１のカバー３２と、筐体本体３１の他端側（＋Ｙ側）に装着された第２のカバー３３と、を備えている。筐体本体３１の内部には、Ｙ軸方向の略中間位置に隔壁部３１ａが設けられている。なお、筐体部３０のうち、筐体本体３１は少なくとも電気ノイズを遮断できる材質であればよく、例えば金属製であるとよい。第１のカバー３２及び第２のカバー３３は、樹脂製であってもよい。

筐体部３０において隔壁部３１ａより左側（－Ｙ側）の空間は、アンプ室になっており、第１の基板部５１、第２の基板部５２、第３の基板部５３、第４の基板部５４、及び表示装置５５が配置されている。第１のカバー３２には、表示装置５５の表示面を露出させる窓部３２ａが設けられている。表示装置５５は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどであり、例えば、流体の流速や流量などを表示する。

筐体部３０において隔壁部３１ａより右側（＋Ｙ側）の空間は、端子箱室になっており、端子箱５６が配置されている。端子箱５６には、筐体本体３１に形成された外部配線導入孔３４から導入された図示しない外部配線が接続されている。この外部配線には、電源線や信号線が含まれている。なお、フィールド機器１が外部電力で動作しない場合は、端子箱室に電源や無線通信機器が配置されていても構わない。

信号変換部５０は、アナログ信号伝達部４０とコネクタ６０を介して接続され、アナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、信号変換部５０は、アンプシールド室３０Ａの内部であれば、第１の基板部５１（の後述する挿入部５１Ｂ）や第２の基板部５２に設けられていても構わない。また、信号変換部５０は、モジュールとしてパッケージ化されていなくてもよく、例えば、第１の基板部５１や第２の基板部５２に設けられた信号変換回路であっても構わない。つまり、第１の基板部５１及び第２の基板部５２のいずれか一方が、信号変換部５０を含むものであっても構わない。

第１の基板部５１は、筐体部３０の内部であってアンプシールド室３０Ａの外部に配置された本体部５１Ａと、本体部５１Ａから延びアンプシールド室３０Ａの連通孔３１ｂ１（後述する図３参照）を介してアンプシールド室３０Ａの内部に挿入された挿入部５１Ｂと、を有している。挿入部５１Ｂは、アンプシールド室３０Ａの内部において、コネクタ６０を介してアナログ信号伝達部４０と接続されると共に、コネクタ６１を介して第２の基板部５２と接続されている。

第２の基板部５２は、アンプシールド室３０Ａの外部において、コネクタ６２を介して第１の基板部５１の本体部５１Ａと接続されている。また、本体部５１Ａは、隔壁部３１ａを貫通する接続端子６３を介して、端子箱５６と接続されている。アナログ信号伝達部４０から伝達されたアナログ信号は、アンプシールド室３０Ａにおいてデジタル信号に変換され、第２の基板部５２、コネクタ６２、本体部５１Ａ、及び接続端子６３を介して端子箱５６に伝達される。そして、端子箱５６に伝達されたデジタル信号は、端子箱５６に接続された図示しない信号線を介して例えば外部装置などに伝達される。

図３は、図２に示す矢視Ａ図である。図４は、一実施形態に係る第２の基板部５２を取り去った状態のアンプシールド室３０Ａを示す斜視図である。図５は、図３に示すＶ－Ｖ断面図である。
図５に示すように、アンプシールド室３０Ａは、筐体本体３１に設けられた隔壁部３１ａ及び周壁部３１ｂ、第２の基板部５２、及びアンプシールド板８０によって形成されている。

隔壁部３１ａは、挿入部５１Ｂの一方側（＋Ｙ側）の板面と対向している。周壁部３１ｂは、隔壁部３１ａから－Ｙ側に突出し、図３に示すように挿入部５１Ｂの周囲を囲うと共にその一部に連通孔３１ｂ１が形成されている。連通孔３１ｂ１には、上述したように第１の基板部５１の挿入部５１Ｂが通されている。アンプシールド板８０は、図４に示すように、第１の基板部５１の挿入部５１Ｂが通った連通孔３１ｂ１を閉塞する。アンプシールド板８０は、電気ノイズを遮断できる材質であればよく、例えば金属板である。

図５に示すように、第２の基板部５２は、周壁部３１ｂの隔壁部３１ａと反対側の開口端縁に載置され、挿入部５１Ｂの他方側（－Ｙ側）の板面と対向している。第２の基板部５２には、シールドパターン５２ａが形成されている。シールドパターン５２ａは、コネクタ６１を除く部分であって、少なくとも周壁部３１ｂの開口端及びアンプシールド板８０の先端部８１が当接する環状部分に形成されているとよい。なお、図５に示すシールドパターン５２ａは、第２の基板部５２の－Ｙ側の表面にも形成され、上記環状部分の内側の領域を覆っているが、当該環状部分の内側の領域を覆う部分は、第２の基板部５２の内部（内層）に形成されていてもよい。

アンプシールド板８０は、アンプシールド室３０Ａの内側に向かって折り曲げられた先端部８１と、アンプシールド室３０Ａの外側に向かって折り曲げられた固定部８２と、を有している。先端部８１は、第２の基板部５２のシールドパターン５２ａに当接し、同じくシールドパターン５２ａと当接する周壁部３１ｂ（筐体本体３１）と同じグランド電位に落ちている。また、先端部８１は、周壁部３１ｂと同等のノイズ遮断機能を有するために、周壁部３１ｂの厚みと同等の長さを有する。なお、アンプシールド板８０の先端部８１は、アンプシールド室３０Ａの外側に向かって折り曲げられていても構わない。

固定部８２は、第１の基板部５１と共に、アンプシールド室３０Ａの外部において筐体本体３１にボルト７３を介してねじ止めされている。隔壁部３１ａには、ボルト７３を螺合するためのねじ台座部３１ａ１が形成されている。第１の基板部５１は、図３に示すように、アンプシールド室３０Ａの近傍でボルト７３を介してねじ止めされると共に、ボルト７３と略対角線上に配置されたボルト７２によって筐体本体３１にねじ止めされている。つまり、第１の基板部５１は、２本のボルト７２，７３によって筐体本体３１にねじ止めされている。

なお、筐体本体３１のボルト７３の近傍には、図２に示す第３の基板部５３や第４の基板部５４を支持する支持ロッド７０が螺合する第２のねじ台座部３１ｅが形成されている。ねじ台座部３１ｅは、Ｘ軸方向に離間して一対で設けられている。

図２に示すように、アナログ信号伝達部４０は、検出部２０と接続された第１部分４１と、筐体部３０の内部に挿入された第２部分４２と、第１部分４１と第２部分４２とを、筐体部３０の外部において着脱可能に接続する第２のコネクタ４３と、を備えている。第１部分４１は、例えば、一端部が応力検出素子２１と接続され、他端部に第２のコネクタ４３が設けられて接続基板部５７に接続されたフレキシブルなセンサリード線である。第１部分４１は、保持部品１２ｂを介してホルダ１０に保持されている。

第２部分４２は、例えば、一端部が接続基板部５７に接続され、他端部にコネクタ６０が設けられて信号変換部５０に接続された回路基板である。第２部分４２は、リジット基板でもフレキシブル基板であっても構わない。

第２のコネクタ４３は、ホルダ１０の支持部１２と、筐体部３０（筐体本体３１）の装着筒部３１ｄによって囲まれた空間に配置されている。この構成によれば、ボルト１２ａを取り外し、支持部１２から装着筒部３１ｄを抜き出すことで、第２のコネクタ４３にアクセスすることができる。

上記構成のフィールド機器１においては、図３に示すように、アナログ信号を伝達するアナログ信号伝達部４０が、アンプシールド室３０Ａにおいてコネクタ６０を介して、信号変換部５０と着脱可能に接続される。このため、アンプシールド室３０Ａの内部にねじを配置する必要がなく、アンプシールド室３０Ａを小型化することができる。したがって、アンプシールド室３０Ａの外部スペースが広くなり、アンプシールド室３０Ａの外部の設計自由度が向上する。

このように、上述した本実施形態のフィールド機器１によれば、配管検出器２から出力されるアナログ信号を伝達するアナログ信号伝達部４０が挿入可能なアンプシールド室３０Ａを有する筐体部３０と、アンプシールド室３０Ａの内部に配置され、アナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部５０と、アンプシールド室３０Ａの内部に配置され、アナログ信号伝達部４０と信号変換部５０とを着脱可能に接続するコネクタ６０と、を備える、という構成を採用することによって、アンプシールド室３０Ａを小型化することができる。

また、本実施形態では、図３に示すように、アンプシールド室３０Ａには、筐体部３０の内部であって、アンプシールド室３０Ａの内部と外部とを連通させる連通孔３１ｂ１が形成され、筐体部３０の内部であってアンプシールド室３０Ａの外部に配置された本体部５１Ａと、本体部５１Ａから延び連通孔３１ｂ１を介してアンプシールド室３０Ａの内部に挿入された挿入部５１Ｂと、を有する第１の基板部５１と、第１の基板部５１が通った連通孔３１ｂ１を閉塞するアンプシールド板８０と、を有している。この構成によれば、アンプシールド室３０Ａの内部に配置される基板部（挿入部５１Ｂ）と、アンプシールド室３０Ａの外部に配置される基板部（本体部５１Ａ）とを一体化し、部品点数を削減できる。また、アンプシールド板８０を連通孔３１ｂ１に設置することで、アンプシールド室３０Ａのシールド性を保つことができる。

また、本実施形態では、アンプシールド板８０は、第１の基板部５１と共に、アンプシールド室３０Ａの外部において筐体部３０にねじ止めされている。この構成によれば、ボルト７３によって、第１の基板部５１とアンプシールド板８０とを共締めでき、アンプシールド室３０Ａの外部のボルトの設置数を削減し、アンプシールド室３０Ａの外部の設計自由度を向上させることができる。

また、本実施形態では、図５に示すように、筐体部３０は、挿入部５１Ｂの一方側の板面と対向する隔壁部３１ａと、隔壁部３１ａから突出し、挿入部５１Ｂの周囲を囲うと共に一部に連通孔３１ｂ１が形成された周壁部３１ｂと、を備え、周壁部３１ｂの隔壁部３１ａと反対側の開口端縁に載置され、挿入部５１Ｂの他方側の板面と対向すると共に、シールドパターン５２ａが形成された第２の基板部５２を有し、アンプシールド室３０Ａは、隔壁部３１ａ、周壁部３１ｂ、第２の基板部５２、及びアンプシールド板８０によって形成されている。この構成によれば、筐体部３０の隔壁部３１ａ及び周壁部３１ｂに、第２の基板部５２及びアンプシールド板８０を組み合わせて小型のアンプシールド室３０Ａを形成できる。

また、本実施形態では、図２に示すように、アナログ信号伝達部４０は、検出部２０と接続された第１部分４１と、筐体部３０の内部に挿入された第２部分４２と、第１部分４１と第２部分４２とを、筐体部３０の外部において着脱可能に接続する第２のコネクタ４３と、を備えている。この構成によれば、変換器３の内部にアクセスせずに、配管検出器２（ホルダ１０）から変換器３を取り外すことができ、また、変換器３の向きの変更も可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、アンプシールド室３０Ａの内部の基板部（挿入部５１Ｂ）と、アンプシールド板８０の外部の基板部（本体部５１Ａ）とが一体化されている構成について説明したが、アンプシールド室３０Ａの内部の基板部が、アンプシールド板８０の外部の基板部と分離していてもよい。この場合、周壁部３１ｂの連通孔３１ｂ１は無くても構わない。つまり、周壁部３１ｂがアンプシールド室３０Ａの全周を覆う（囲む）ように形成されていてもよい。この場合、アンプシールド室３０Ａの内部の基板部（挿入部５１Ｂ）が第２の基板部と接続されることによって固定されてもよく、その他の固定手段によって固定されても構わない。

また、例えば、上記実施形態では、筐体部３０を配管検出器２に接続したフィールド機器１について説明したが、コネクタ６０によってアナログ信号伝達部４０が筐体部３０から着脱可能となったため、フィールド機器１は少なくとも筐体部３０を備える構成であればよく、配管検出器２や他の検出器に接続されている構成に限定されない。例えば、圧力伝送器や温度伝送器が、上述した筐体部３０を備えていても構わない。

１フィールド機器
２配管検出器（検出器）
２０検出部
３０筐体部
３０Ａアンプシールド室
３１ａ隔壁部
３１ｂ周壁部
３１ｂ１連通孔
４０アナログ信号伝達部
４１第１部分
４２第２部分
４３第２のコネクタ
５０信号変換部
５１第１の基板部（基板部）
５１Ａ本体部
５１Ｂ挿入部
５２第２の基板部
５２ａシールドパターン
６０コネクタ（第１のコネクタ）
８０アンプシールド板

Claims

検出器から出力されるアナログ信号を伝達するアナログ信号伝達部が挿入可能なアンプシールド室を有する筐体部と、
前記アンプシールド室内に配置され、前記アナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部と、
前記アンプシールド室内に配置され、前記アナログ信号伝達部と前記信号変換部とを着脱可能に接続するコネクタと、
前記アンプシールド室の内部と外部とを連通させる連通孔と、
前記筐体部の内部であって前記アンプシールド室の外部に配置された本体部と、前記本体部から延び前記連通孔を介して前記アンプシールド室の内部に挿入された挿入部と、を有する基板部と、
前記基板部が通った前記連通孔を閉塞するアンプシールド板と、
を備える、フィールド機器。
前記アンプシールド板は、前記基板部と共に、前記アンプシールド室の外部において前記筐体部にねじ止めされている、請求項１に記載のフィールド機器。
前記筐体部は、前記挿入部の一方側の板面と対向する隔壁部と、前記隔壁部から突出し、前記挿入部の周囲を囲うと共に一部に前記連通孔が形成された周壁部と、を備え、
前記周壁部の前記隔壁部と反対側の開口端縁に載置され、前記挿入部の他方側の板面と対向すると共に、シールドパターンが形成された第２の基板部を有し、
前記アンプシールド室は、前記隔壁部、前記周壁部、前記第２の基板部、及び前記アンプシールド板によって形成されている、請求項１または２に記載のフィールド機器。
前記アナログ信号伝達部は、前記検出器と接続された部分と、前記筐体部の内部に挿入された部分とを、前記筐体部の外部において着脱可能に接続する第２のコネクタを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のフィールド機器。
検出器から出力されるアナログ信号を伝達するアナログ信号伝達部が挿入可能なアンプシールド室を有する筐体部と、
前記アンプシールド室内に配置され、前記アナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部と、
前記アンプシールド室内に配置され、前記アナログ信号伝達部と前記信号変換部とを着脱可能に接続するコネクタと、
を備え、
前記アナログ信号伝達部は、前記検出器と接続された部分と、前記筐体部の内部に挿入された部分とを、前記筐体部の外部において着脱可能に接続する第２のコネクタを備える、フィールド機器。