CN107864549A - 用于过程自动化的现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于过程自动化的现场设备。一种过程自动化的现场设备，包含壳体(3)和印刷电路板(1)，其中，所述印刷电路板(1)和所述壳体(3)具有至少一个共同的固定区域(14)，通过所述固定区域可防止所述印刷电路板(1)在所述壳体(3)内部的相对移动，其特征在于，所述印刷电路板(1)具有至少一个开口(2)以补偿所述印刷电路板(1)与所述壳体(3)之间在长度上的相异改变。

Description

用于过程自动化的现场设备

技术领域

本发明涉及用于过程自动化的现场设备，其包含壳体和印刷电路板，其中印刷电路板牢固地附接至壳体。

背景技术

印刷电路板(PCB)是电子部件的载体。它用于机械附接和电连接。几乎每个电子设备包含一个或多个印刷电路板。印刷电路板由电绝缘材料组成，其具有粘接到其的导电连接件，称为导电带。纤维增强塑料通常用作绝缘材料。导电带通常由薄铜层蚀刻。塑料的热膨胀系数几乎精确地适应铜的膨胀系数(大致为17ppm/K)，来避免温度变化过程中所谓的分层。

这种适应有必要使用高百分比的玻璃纤维；因此印刷电路板在一定限度内保持柔性，但是，实际而言，无法被压缩或伸展。

然而印刷电路板材料的热膨胀系数能够通过人造树脂和玻璃加强纤维之间的比率来适应于铜的热参数，尤其对于塑料壳体来说，这仅可以在小的限度内实现，具有典型的膨胀系数为50-100ppm/K，明显高于印刷电路板的膨胀系数。

在过程自动化中——尤其对于自动化化学过程或过程工程和/或对于控制工厂——使用过程相关的安装的测量设备，或称为现场设备。被设计为传感器的现场设备可以例如监视过程的变量，如压力、温度、流动和填料水平，或者液体和/或气体分析中的被测量，如pH、传导率、某些离子的浓度、化合物、和/或气体的浓度或部分压强。

过程自动化现场设备通常具有壳体和至少一个印刷电路板，印刷电路板通过诸如螺栓、扣合塑料夹或插入式连接器的合适的紧固件附接至壳体中。当配置紧固件的位置时，通常应当考虑壳体和印刷电路板的热膨胀系数的变化，并且如果印刷电路板刚性地附接在壳体内部一个以上的位置，则温度变化会产生机械应力。

如果在壳体与印刷电路板所保持的固定区域之间在在长度上出现不同的热变化，则需要合适的可移动的补偿元件，如通过可补偿热感应引起的相对移动的弹性设计的插入式连接器。这可通过设计为稍微柔性并可适应长度变化的塑料夹来实现，或者通过将印刷电路板附接在壳体内部仅一个固定区域，并在其它的固定区域确保足够的移动，例如，使用所谓的细长孔或设计为比相应的螺栓的正常尺寸更大的孔。在细长孔的应用中，印刷电路板仅在一个位置被螺旋紧固，并且细长孔内的任何其它必要的螺栓附接至印刷电路板，以便在温度变化期间，其它螺栓的位置在细长孔内可在足够大的限度内移动，而不会像之前那样损坏和移位。

使用诸如可移动的补偿元件的插入式连接器的缺点是如果印刷电路板相对于壳体在长度上热变化，则印刷电路板可在插入式连接器内滑动，或者补偿元件的材料在过度移动的情况下弱化或被磨损处损坏。这是真实的，尤其是当需要运行多条线路时，或使用四销插入式连接器时。

发明内容

本发明的目的是提供一种过程自动化的现场设备，它能够补偿印刷电路板与壳体之间在长度上的相异变化，而没有印刷电路板在壳体内部的位置改变。

该目的可以本发明权利要求1及从属权利要求的主题的特征获得。本发明的主题为一种过程自动化的现场设备，其包含壳体和印刷电路板，其中印刷电路板和壳体具有至少一个共同的固定区域，通过该固定区域可防止印刷电路板在壳体内部的相对移动，其特征在于，印刷电路板具有至少一个开口，用以补偿印刷电路板与壳体之间在长度上的相异变化。

由于印刷电路板具有至少一个开口，可避免热应力。因此，机械附接印刷电路板和壳体的系统不会超定。

根据有益的发展，壳体的内腔至少部分填充有灌注混合物。

根据有益的变体，在至少一个开口的内部布置诸如泡沫材料的可压缩材料，以便灌注混合物不会渗透到至少一个开口中。

根据有益的设计，在至少一个开口的内部布置诸如泡沫材料的弹性材料，以便灌注混合物不会渗透到至少一个开口中。

根据有益的实施例，在印刷电路板与壳体之间具有较大相对移动的部分上的壳体与印刷电路板之间的空隙的尺寸大于在印刷电路板与壳体之间具有较小相对移动的部分上的空隙的尺寸。

根据有益的变体，印刷电路板在至少一个固定区域处通过灌注混合物紧固至壳体。

根据有益的发展，印刷电路板在至少一个固定区域处通过硬灌注混合物——尤其是环氧化物——紧固至壳体。

根据有利的发展，灌注材料在高于现场设备工作温度的温度下固化。

根据有利的变体，印刷电路板具有多个导电层，电信号能够通过该导电层传输。

根据有利的实施例，至少一个开口被设计为细长的开口。

根据有利的实施例，印刷电路板具有至少两个开口，其在印刷电路板上形成曲折的结构。

附图说明

本发明将参照下面的附图被更加详细地阐释。在附图中：

图1示出了第一印刷电路板的平面图，

图2示出了自动化现场设备的第二印刷电路板的区域的平面图，以及

图3示出了具有壳体和印刷电路板的现场设备的电子器件壳体的纵向部分。

具体实施方式

图1示出了自动化现场设备的印刷电路板1的平面图。

在过程自动化的现场，往往需要防爆的电子器件壳体。从热应力的有利角度，防爆所需的方法很难将印刷电路板1附接在壳体3中；现有技术中用于防爆电路设计的主要方法包括在壳体3中填充塑性灌注混合物。这使得可以例如安全地电绝缘包含足够能量以点燃其中可以具有爆炸性气体或粉尘的环境的能量存储站。常规地，相关的防爆标准要求灌注混合物粘接到印刷电路板1上和壳体3上。

将印刷电路板1附接到壳体3内以及热应力所产生的问题方面是，一般地，灌注混合物不仅将壳体3和印刷电路板1彼此绝缘而且同时将两者牢固地胶粘在一起。这会对固定产生潜在的问题性超定，并由此阻碍了热补偿的可能性。通常，铸造组件还包含使用插入式连接器，因为上下文中所使用的弹性接触元件会被灌注混合物12胶粘。

通常，当使用灌注混合物时，不再可能创建特定的固定区域和“期望的移动点”，如细长孔和插入式连接器。

根据本发明，热应力的问题得以解决，因为槽形式的细长的开口2被轧制在印刷电路板1的合适位置。在此情形中，拉伸应力(压缩应力)在开口2的轮廓端部被转化为印刷电路板1的弯曲。印刷电路板1是不可压缩的，却在一定限度内保持弹性和韧性，此事实在此被有益地运用。

通过开口2，印刷电路板1或多或少呈现出补偿弹簧的作用。在保持在开口2之间的印刷电路板1的区域中，所需的电信号可经由导体路径11从印刷电路板1的第一端传输至印刷电路板1的第二相反端，没有必要使用昂贵的插入式连接器或电缆元件。

在这个意义上，可在印刷电路板1的内部使用多个所谓的铜层，导体路径可以冗余地延伸在一个以上的铜层中，以便有益地保持可靠的功能性，即使在例如由于弯曲运动而损坏四个铜层中的一个的情况下。

开口2还解决了组装人员当使用彼此相对移动的两个独立印刷电路板时而必须使用一个连接元件(电缆/插入式连接器)机械地安装和放置两个独立的单个零件的技术问题，并且由此降低了相应高昂的组装成本。

同样地，避免了由于彼此相对移动的两个印刷电路板零件之间的电连接造成的对插入式连接器触头的磨损，其导致长期故障。作为另一个优点，印刷电路板1上槽形轮廓的添加与极小的成本相关联。

图2示出了自动化现场设备的第二印刷电路板1的区域的平面图。印刷电路板1具有两个细长的开口2，其在印刷电路板1上形成曲折的结构。由于印刷电路板1牢固地附接在壳体3内部，因此温度的改变可造成壳体3和印刷电路板1的在长度上的不同的热改变。该移动可例如由壳体3和印刷电路板1的不同的热膨胀引起，如将在下面更加详细阐释的。印刷电路板1与壳体3之间不同的热或其它所产生的移动可通过细长的开口2以这种方式被补偿。由于细长开口2，印刷电路板1能够在不会被损坏的情况下在某种程度上沿纵向被压缩、伸展、或受制于在该区域中的扭曲量。

图3示出了具有壳体3和印刷电路板1的现场设备的电子器件壳体的纵向部分。壳体3被设计为长形中空柱体(作为现场设备的部件的传感器在图3中不可见)。

在图3的左侧区域，可以看到在印刷电路板1上布置有线圈13，其被插入到布置在壳体3端部的柱状扦中，并且其形成在壳体3的左端。线圈13是电感耦合的插入式连接的初级侧，其具有补偿初级侧并连接至传感器的次级侧。通过插入式连接，传感器可连接至图3中所示的电子器件壳体。

印刷电路板1布置在壳体3内部并与壳体3具有两个固定区域14。第一固定区域14布置在线圈13的附近，而第二固定区域14布置在印刷电路板1的相反端，并且因此导致在两者之间具有相对大的纵向间隔，例如150mm。可通过刚性胶粘、灌注混合物、螺栓或其它构建方法来固定。

如果印刷电路板1和壳体3在固定区域14彼此刚性附接——例如，在室温下——则印刷电路板1尝试以诸如18ppm/K的第一温度系数随着温度的增加而膨胀，并且壳体3尝试以不同于第一温度系数的诸如80ppm/K的第二温度系数膨胀。尤其是在壳体3中使用塑料时，产生明显的相异。

如果固定区域14的间隔为例如150mm，则印刷电路板1在这些固定区域14之间在100℃的温度增加下大约比周围壳体3小1mm地膨胀。例如，使用期间或灭菌过程中的过程温度可以容易地导致这样的温度改变。

由于印刷电路板1和壳体3在固定区域14彼此刚性地附接，因此在没有曲折的开口2的情况下，温度改变会在固定区域14产生机械应力。在没有开口2的情况下，在给定的示例中，或者壳体3将在纵向方向上大约被压缩1mm，或者替选地，印刷电路板1将大约被伸展1mm。如果这是不可能的，印刷电路板1将会在固定区域14之一处断裂，或者两个部件(壳体3和印刷电路板1)中较脆弱的将会被损坏。

开口2限定了位置，在该位置处在长度上的相异改变可被补偿以免于损坏。即使在温度改变的情况下，印刷电路板1保持附接在固定区域14的区域两端。如果壳体3膨胀超过印刷电路板1，则在壳体3的内部在壳体3与印刷电路板1之间产生相对移动。壳体3与印刷电路板1之间的热移位由不同尺寸的箭头15示意性地表示。在固定区域14，印刷电路板1与壳体3之间没有相对移动，并且随着固定区域14之间的间隔增大，热移位也增大。在开口2的区域，形成最大的相对移动，并且其转换为印刷电路板1的保持为薄的、曲折设计的开口2的弹性弯曲。换句话说，印刷电路板1特意地被开口2机械地弱化，使得在那可以产生热需求的纵向补偿，而不会断裂。

印刷电路板1中的细长的开口2还使得壳体3可以被完全填充有灌注混合物12——例如出于防爆的原因。在这种情况下，泡沫体10被有益地插入到细长的开口2中。槽形开口2的尺寸和泡沫体10的尺寸使得泡沫体10在被插入到开口2之后由夹具固定，并且在设备组装期间不会自己掉落。当使用闭孔泡沫体10时，泡沫体10不会被液体的灌注混合物饱和，而且即使在灌注混合物12固化之后仍保持可压缩性。

当印刷电路板1被插入到柱状壳体3中时，首先，将泡沫体10插入到壳体3中。然后，添加灌注混合物12。这密封了印刷电路板1及其部件并粘接到壳体3的内部和印刷电路板1，并且当印刷电路板1插入到壳体3中时填充了出现在印刷电路板3之间的空隙16。

通过使用泡沫体10，即使在电子器件被灌注到壳体3中时，保持开口2的弹簧作用。当印刷电路板1接触弹性开口2的区域时，印刷电路板1的第一部分在该位置处相对于壳体3移动。

因此，印刷电路板1的外部轮廓和壳体3的内部轮廓被定尺寸为使得在槽形开口2的两侧，填充有灌注混合物12的足够大的空隙16保持在壳体3与印刷电路板1之间。由于印刷电路板1在空隙16处相对于壳体3移动(移动量由示意性箭头15表示)，因此当空隙16足够大时，在没有印刷电路板1断裂以及由此可能产生的损坏的情况下，弹性灌注混合物12可在壳体3与印刷电路板1之间形成补偿。

填充有灌注混合物12的空隙16的尺寸有益地设计为取决于在印刷电路板1与壳体3之间出现的热移动。

空隙16的第一部分16a相对较大，因为在该部分16a预期壳体3与印刷电路板1之间产生较大的热相对移动。空隙16的第三部分16c相对较小，因为在该部分16c预期壳体3与印刷电路板1之间产生较小的热相对移动。因此，可用于放置的区域仅在发生较大相对移动的区域中减小；特别是，印刷电路板1可延伸直至固定区域14中的壳体3的边缘处，并被用于放置。

上述理论不仅可用于印刷电路板与壳体壁之间的空隙的成型，也可用于印刷电路板1上布置的电子部件(如线圈13)与壳体壁之间的空隙，因为这些部件也随着印刷电路板1一起移动。

在图3的示例性实施例中，空隙16的外形逐层采用三个部分：第一，第二和第三部分16a、16b、16c。然而，具有连续增大空隙外形的梯形空隙16或其它合适形状的空隙16也是可能的。尤其是在壳体3与印刷电路板1之间具有明显相对移动的区域中，有必要减小印刷电路板1的宽度，以防止由于被设计为尺寸足够大的填充有混合物的空隙16的灌注混合物12断裂。

在印刷电路板1与壳体3之间使用不均匀填充有灌注混合物12的空隙16此外还具有优点，在于通过变化由灌注混合物12粘接的部件之间的空隙的尺寸，还可隐含地限定期望的固定区域14。因此，使用小的空隙16，粘接牢固，而使用大的空隙16，在灌注混合物12的弹性限度范围内允许一定的移动量。

给定小尺寸的空隙16，印刷电路板1和壳体3被灌注混合物12牢固地粘接。在具有大空隙16的部分16a，灌注混合物允许壳体3与印刷电路板1之间具有更大的移动度。

有益地，使用弹性构造的灌注混合物，尤其是基于所谓的硅树脂或聚氨酯的灌注混合物，以由于良好的弹性特性和到塑料制成的壳体3和这些材料制成的印刷电路板1的粘接，即使当填充的空隙16相对较小时，允许灌注混合物12在壳体3与印刷电路板1之间相对移动的情况下发生断裂。这类材料还具有优点，即当固化时它典型地表征为低体积收缩，并因此特别有益于所描述的应用。

在一个有益的实施例中，印刷电路板1和/或壳体3在组装之前喷溅有粘附促进剂或漆或用粘附促进剂或漆处理，以提高灌注混合物的粘附，即使在出现热应力的情况下。

在一个有益的实施例中，固定区域14中的至少一个被限定为使用一种以上的灌注材料，并且，在期望的、或者可以是建设性期望的固定区域14的区域中，从多个特定位置中，精确在一个限定的位置，使用坚固的、弹性差的灌注材料。因此，在固定区域14的印刷电路板1的与线圈13相反端处的印刷电路板1的组件可被灌注长度例如为5mm的硬灌注材料，例如基于环氧树脂的材料，并被机械地附接。在该实例中，组件例如以两个阶段灌注。硬的第二灌注材料也可有益地呈现出其它结构性作用，诸如插入至壳体3中的电缆的应力释放。

在另一个有益的实施例中，第一和可选的第二灌注材料固化和/或以高于用于操作或存储现场设备的最大特定温度0-15℃地或略高于此地被添加至壳体3中。这可有益地防止在灌注混合物固化之后灌注混合物12自身的体积的膨胀产生附加的机械压缩应力，因为仅有体积收缩并且因此随后最多可出现拉伸应力。这有益地利用了可固化灌注混合物——尤其是聚氨酯或硅树脂——在固化之后在一定程度下是柔性的(拉伸应力保持为可能的)但几乎是不可压缩的(压缩力会造成壳体3“爆裂”)的事实。

通过在固化期间适当地选择(高)温度，克服了压缩力的问题，因为灌注混合物12的体积收缩可在设备的全部相关运行温度下发生，并且，可由灌注混合物12的弹性来补偿一方面灌注混合物之间、并且另一方面壳体3和印刷电路板1之间的热膨胀系数相异。此外，有益地减小的过程周期产生于最高特定温度周围的固化特性，因为温度的增加通常与减小的固化时间相关。这因此有益地减少了生产时间，并因此降低了生产成本。

附图标记列表

1 印刷电路板

2 (细长的)开口

3 壳体

10 泡沫体

11 导体路径

12 灌注混合物

13 线圈

14 固定区域

15 用于表示对印刷电路板/壳体相对移动的程度和方向的箭头

16a、b、c 印刷电路板与壳体之间的空隙16的各个部分

Claims (10)

1.一种过程自动化的现场设备，包含：

壳体(3)；和

印刷电路板(1)，其中，所述印刷电路板(1)和所述壳体(3)具有至少一个共同的固定区域(14)，通过所述固定区域防止所述印刷电路板(1)在所述壳体(3)内部的相对移动，

其特征在于，

所述印刷电路板(1)具有至少一个开口(2)，以补偿所述印刷电路板(1)与所述壳体(3)之间在长度上的相异改变。

2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述壳体(3)的内腔至少部分填充有灌注混合物(12)。

3.根据权利要求2所述的现场设备，其中，在所述至少一个开口(2)的内部布置诸如泡沫材料的可压缩材料，使得没有灌注混合物(12)渗透到所述至少一个开口(2)中。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的现场设备，其中，在所述印刷电路板(1)与所述壳体(3)之间具有较大相对移动的部分(16a)上的所述壳体(3)与所述印刷电路板(1)之间的空隙(16)的尺寸大于在所述印刷电路板(1)与所述壳体(3)之间具有较小相对移动的部分(16c)上的空隙的尺寸。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的现场设备，其中，所述印刷电路板(1)在至少一个固定区域(14)处通过所述灌注混合物(12)紧固至所述壳体(3)。

6.根据权利要求5所述的现场设备，其中，所述印刷电路板(1)在所述固定区域(14)中的至少一个处通过硬灌注混合物——尤其是环氧化物——紧固至所述壳体(3)。

7.根据权利要求2至6中至少一项所述的现场设备，其中，所述灌注材料(12)在高于所述现场设备的操作温度的温度下固化。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的现场设备，其中，所述印刷电路板(1)具有多个导电层，电信号通过所述导电层传输。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的现场设备，其中，所述至少一个开口(2)被设计为细长的开口。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的现场设备，其中，所述印刷电路板(1)具有至少两个开口(2)，所述至少两个开口在所述印刷电路板(1)上形成曲折的结构。