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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur druckdichten Durchführung
elektrischer Leitungen durch eine Wand zwischen zwei druckdicht
voneinander getrennten Räumen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Feldgerät mit einer derartigen Anordnung.
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In
prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige
Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt.
Beispielsweise dienen Messumformer, die auch als Sensoren bezeichnet
werden, zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur,
Druck, Durchflussmenge, Füllstand oder Dichte eines Mediums. Durch
Stellglieder, die häufig als Aktuatoren bezeichnet werden,
kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen
entsprechend einer vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als
Beispiel für ein Stellglied sei ein Regelventil, eine Heizung
oder eine Pumpe genannt.
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Beispielsweise
aus der
DE 103 55
784 A1 ist bekannt, dass derartige Feldgeräte
gegen den Prozess und gegen eine entfernte Kontrollstelle hin sicher
und zuverlässig abgekapselt werden müssen. Besonders
wichtig ist diese Abdichtung bzw. Abkapselung, wenn sich in einem
Behälter, an welchem das Feldgerät angebracht
ist, eine aggressive oder explosive Atmosphäre befindet.
Dringt zum Beispiel eine explosive Gasmischung in das Gehäuse
des Feldgeräts ein, so besteht durch den unmittelbaren
Kontakt mit den elektronischen Komponenten des Feldgeräts eine
akute Explosionsgefahr. Üblicherweise sind Feldgeräte über
Verbindungsleitungen mit einer entfernten Kontroll- oder Leitstelle
verbunden. Ist das Feldgerät nicht gekapselt, so kann nicht
ausgeschlossen werden, dass das explosive, aggressive oder giftige
Gasgemisch über die Leitungen in die entfernte Leitstelle
gelangt und dort Schaden anrichtet.
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Aus
der
DE 297 16 576
U1 ist bereits eine Anordnung zur druckdichten Durchführung
elektrischer Leitungen durch eine Gehäusewand bekannt, die
beispielsweise für einen Einsatz bei Feldgeräten der
Prozessinstrumentierung geeignet ist. Ein Messfühler oder
Aufnehmer, der zur Umwandlung einer physikalischen oder chemischen
Größe, beispielsweise Temperatur, Druck oder Durchfluss,
in ein meist elektrisches Signal dient, ist im Hinblick auf die Messgenauigkeit
möglichst nahe am oder im Prozess anzuordnen. Um die elektrischen
Signale der druckdicht gekapselten Elektronik eines Messumformers
zuführen zu können, ist eine druckdichte Durchführung
der elektrischen Leitungen in das Elektronikgehäuse erforderlich.
Auch für Anschlussleitungen zur Versorgung des Messumformers
mit Hilfsenergie und zur Übertragung der Messwerte zu einem
weiterverarbeitenden Leitrechner wird meist eine druckdichte Durchführung
elektrischer Leitungen durch die Gehäusewand benötigt.
Bei der bekannten Anordnung sind die elektrischen Leiter, die auch ähnlich Koaxialleitungen
ausgebildete Leiter umfassen können, in eine Stahlschraube
mit hohlzylinderförmigem Schaft eingegossen. Die Stahlschraube
kann in einfacher Weise in eine dazu korrespondierende Gewindebohrung
der Wand eingesetzt werden. Nachteilig bei dieser Ausführung,
die häufig auch als Glasdurchführung bezeichnet
wird, ist jedoch der hohe Aufwand, der mit ihrer Herstellung verbunden
ist.
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Als
Alternative zu der oben beschriebenen, bekannten Glasdurchführung
können häufig mit einem Vergussmaterial auf Kunststoffbasis
vergossene Kabeldurchführungen Verwendung finden. Auch diese
Ausführung ist vergleichsweise aufwendig und muss die harten
Anforderungen des Explosionsschutzes erfüllen, die beispielsweise
an die Druck- und Durchschlagfestigkeit gestellt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur druckdichten
Durchführung elektrischer Leitungen durch eine Wand zu
schaffen, die sich durch einen geringeren Herstellungsaufwand auszeichnet.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe weist die neue Anordnung der eingangs
genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung und in Anspruch 7 ein Feldgerät
beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass Fertigungseinrichtungen für
Leiterplatten weitverbreitet sind und damit ein Stapel von derartigen
Leiterplatten vergleichsweise kostengünstig herstellbar
ist. Dabei werden mehrere Leiterplatten mit Durchkontaktierungen
gefertigt, deren Anzahl jeweils mindestens der Zahl der erforderlichen
elektrischen Leitungen entspricht, und so übereinander
gestapelt, dass Kontakte zwischen den Leiterplatten zur Übertragung
der Signale erhalten werden. Die Druckfestigkeit der Anordnung ist
von der Anzahl der Leiterplatten und ihrer Eigenschaften abhängig.
Daher kann die Druckfestigkeit durch Variation der Anzahl der Leiterplatten oder
der Leiterplattenbeschaffenheit in einfacher Weise an den jeweiligen
Bedarf angepasst werden.
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Eine
Druckbelastbarkeit des Stapels, die größer ist
als die Summe der Druckbelastbarkeit der einzelnen, im Stapel angeordneten
Leiterplatten, kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, wenn
für den Stapel von Leiterplatten eine Halterung vorgesehen
wird, in welcher der Stapel zum Aufeinanderdrücken der
Leiterplatten eingespannt ist. Durch die Andruckkraft werden zudem
Kontaktflächen zur Signalübergabe zwischen den
Leiterplatten aufeinandergedrückt, so dass zwischen den
Leiterplatten dauerhafte elektrische Kontaktverbindungen hergestellt
werden.
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Zur
Verbesserung der Abdichtung der Anordnung zur druckdichten Durchführung
elektrischer Leitungen können Dichtungen zwischen benachbarten Leiterplatten
vorgesehen werden, die entlang des Randbereichs der Leiterplatten
verlaufen.
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Eine
weitere Verbesserung der Abdichtung und der Stabilität
der Anordnung kann erhalten werden, wenn der Raum zwischen den Leiterplatten
mit einer Vergussmasse befüllt wird, welche die Zwischenräume
weitgehend ausfüllt und nach dem Befüllen aushärtet
oder in den festen Zustand übergeht.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung sind Justagemittel
vorgesehen, durch welche die Leiterplatten im Stapel zueinander positioniert
werden. Dadurch wird die Montage vereinfacht und die Produktqualität
verbessert, da mit Hilfe der Justagemittel sichergestellt ist, dass
Kontakte benachbarter Leiterplatten einander gegenüberliegen
und einen zuverlässigen Kontakt zur Übertragung
elektrischer Signale herstellen. Die Justagemittel können
beispielsweise durch einen Dorn, der durch entsprechende Öffnungen
in den Leiterplatten hindurchgeführt wird, realisiert werden.
Alternativ ist es möglich, an den Leiterplatten im Randbereich
eine Nut vorzusehen, welche beim Einsetzen der Leiterplatten in
eine Halterung einen dazu korrespondierenden Steg an der Innenseite
der Halterung aufnimmt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung kann vorgesehen werden,
dass die Leiterplatten im Stapel jeweils um einen vorbestimmten
Winkel gegeneinander verdreht sind. Dies führt in vorteilhafter
Weise zu einer weiteren Verbesserung der Stabilität, da
die Durchkontaktierungen in den Leiterplatten, wenn die Leiterplatten
zur Erzielung niedriger Herstellungskosten im Wesentlichen gleich
ausgebildet sind, nicht übereinander zu liegen kommen.
Dabei wird der Winkel derart vorbestimmt, dass ein guter Kontakt
zwischen benachbarten Leiterplatten sichergestellt ist.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Messumformers,
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2 vier
Leiterplatten eines Stapels und
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3 ein
Schnittbild durch eine Anordnung zur Durchführung elektrischer
Leitungen.
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Ein
Messumformer besteht gemäß 1 im Wesentlichen
aus einem oder mehreren Messfühlern oder Aufnehmern 1 und
einer Elektronik 2, die über elektrische Leitungen 3 miteinander
verbunden sind. Die Elektronik 2 ist in einem druckdicht
gekapselten Gehäuse 6 untergebracht. Die Elektronik 2 kann
grob in die Funktionselemente Stromversorgung, Signalverstärker
und Prozessor mit einem Signalverarbeitungsprogramm unterteilt werden. Über
Leitungen 4 wird die Elektronik 2 mit Hilfsenergie
versorgt. Die Übertragung der Messwerte zu einem in der
Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten, übergeordneten
Leitrechner erfolgt ebenfalls über die Leitungen 4.
Der Messfühler 1 befindet sich nahe beim Prozess,
so dass eine physikalische oder chemische Prozessgröße 5 auf
diesen einwirkt und eine vorzugsweise elektrische Eigenschaft des
Messfühlers 1 verändert. Diese Änderung
wird über die elektrischen Leitungen 3 als elektrisches
Messsignal an die Elektronik 2 übertragen und
von dieser ausgewertet. Somit sind in dem Messumformer die elektrischen
Leitungen 3 und 4 druckdicht durch Wände 7 bzw. 8 des
Gehäuses 6, das den Gehäuseinnenraum und
die Umgebung druckdicht voneinander trennt, zu führen.
Dazu geeignete druckdichte Leitungsdurchführungen können
beispielsweise als Schraube mit einem Sechskantkopf und einem hohlzylinderförmigen
Gewindeschaft ausgebildet sein. Durch den Innenraum des Hohlzylinders
sind dann elektrische Leitungen verlegt. Ein Ende einer elektrischen
Leitung befindet sich bei in die Wand des Gehäuses 6 eingesetzter
Schraube auf der Gehäuseaußenseite, ein anderes
Ende im Gehäuseinnenraum. Beispielsweise bei einer Durchführung durch
die Wand 7 können an die Enden direkt Messfühler 1 bzw.
Elektronik 2 des Messumformers angeschlossen werden.
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In
einer anderen Ausführungsform ragen auf beiden Seiten einer
Durchführung Anschlussstifte heraus, auf welche eine flexible
Leiterplatte mit zu den Anschlussstiften korrespondierenden Durchkontaktierungen
aufgelegt und verlötet werden kann. Anstelle mehrerer Einzelleitungen
sind auf diese Weise Verbindungen zur Elektronik und zum Messfühler
mit der flexiblen Leiterplatte als einzelnes, mehradriges Leitungselement
herstellbar.
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In 2 sind
vier Leiterplatten 10, 11, 12 und 13 dargestellt,
deren Drehlage bereits zur Bildung eines Stapels ausgerichtet ist.
Bezüglich der Anordnung von Kontaktstellen, Durchkontaktierungen
und Leiterbahnen sind sie identisch ausgebildet, so dass es genügt,
diese anhand der Leiterplatte 10 zu beschreiben. Auf der
Oberseite und der Unterseite der Leiterplatte 10 sind zur
Durchführung von vier elektrischen Leitungen Kontaktgruppen
vorgesehen, von welchen in 2 lediglich
die vier Kontaktgruppen 14, 15, 16 und 17 auf
der Oberseite sichtbar sind. Beispielsweise die Kontaktgruppe 14 besteht
aus einer Kontaktfläche 18 ohne Durchkontaktierung,
einer Kontaktfläche 19 mit Durchkontaktierung
und einer Leiterbahn 20, welche die beiden Kontaktflächen 18 und 19 miteinander
verbindet. Auf der Unterseite der Leiterplatte 10 befindet
sich an gleicher Position eine der Kontaktgruppe 14 entsprechende
Kontaktgruppe, die, wie bereits oben gesagt, in 2 nicht
sichtbar ist und über die unter der Kontaktfläche 19 befindliche
Durchkontaktierung mit der Kontaktgruppe 14 in elektrischer
Verbindung steht. Dies ist in entsprechender Weise auch bei den
Kontaktgruppen 15, 16 und 17 der Fall.
Wenn die Leiterplatten 10, 11, 12 und 13 mit
ihrer dargestellten Drehlage übereinander positioniert
und zusammengedrückt werden, ist aufgrund der Größe
der Kontaktgruppen sichergestellt, dass zwischen den einander zugeordneten
Kontaktgruppen benachbarter Leiterplatten elektrische Verbindungen
hergestellt werden, ohne dabei unerwünschte Kurzschlüsse zu
erzeugen. Eine Öffnung 21 in der Leiterplatte 10 und
weitere, in 2 nicht sichtbare Öffnungen
der Leiterplatten 11 und 12 dienen zum Befüllen
der zwischen den Leiterplatten 10...13 nach dem
Aufeinanderfügen verbleibenden Hohlräumen. Nach
Aushärten des Füllmaterials wird somit ein Leiterplattenstapel
erhalten, der sich durch eine hohe Druckfestigkeit auszeichnet.
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3 zeigt
eine druckdichte Durchführung elektrischer Leitungen durch
eine Wand 45, die mit einer durchbrochenen Linie angedeutet
ist, im Wesentlichen senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft und
die den Raum oberhalb der Wand 45 druckdicht von dem Raum
unterhalb der Wand 45 trennt. Die Durchführung
ist mit einem Stapel von drei Leiterplatten 30, 31 und 32 versehen.
Eine Halterung für den Stapel besteht aus einer im Wesentlichen
hohlzylinderförmigen Aufnahme 33, die an ihrer
Innenwand einen nach innen ragenden, umlaufenden Steg 34 aufweist,
der als Auflage für die Unterseite der Leiterplatte 32 dient.
In die Aufnahme 33 ist von der Oberseite her ein Einpressring 35 eingesetzt,
der die Leiterplatten 30, 31 und 32 zur
Herstellung eines sicheren Kontakts gegeneinander drückt.
Alternativ kann der Ring 35 selbstverständlich
als Gewindering mit Außengewinde ausgeführt sein.
Zwischen den benachbarten Leiterplatten 30 und 31 sowie
zwischen den Leiterplatten 31 und 32 sind jeweils
entlang ihres Umfangsbereichs verlaufende, ringförmige
Dichtungen 36 bzw. 37 eingelegt. Die Leiterplatten 30 und 31 weisen
Durchbrüche 38 bzw. 39 auf, die zur Befüllung
der zwischen den Leiterplatten 30, 31 und 32 verbliebenen
Zwischenräume mit Vergussmasse dienen können.
Ein Kontakt zwischen den benachbarten Leiterplatten 30 und 31 wird über
Kontaktflächen 40 und 41 hergestellt,
die durch die mit Hilfe des Einpressrings 35 eingekoppelte
Kraft fest aufeinander gedrückt werden. In entsprechender
Weise wird ein weiterer Kontakt zwischen den Leiterplatten 31 und 32 gebildet.
Mit Hilfe von Durchkontaktierungen, wie beispielsweise der Durchkontaktierung 44,
werden elektrische Leitungen durch Leiterplatten hindurchgeführt.
An Anschlussflächen 42 und 43 können
jeweils weiterführende elektrische Leitungen, die in der Zeichnung
der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind, angelötet
werden. Alternativ ist eine Variante mit Anschlussstiften für
weiterführende Leitungen möglich, wobei die Anschlussstifte
dann in die oberste Leiterplatte 30 bzw. in die unterste
Leiterplatte 32 zur jeweiligen Außenseite weisend
eingesetzt sind. Bei einer Abwandlung der in 3 dargestellten
Anordnung kann die Außengestaltung einer Gewindeschraube
mit Sechskantkopf entsprechen, die in die Wand 45 zwischen
zwei druckdicht voneinander getrennten Räumen einsetzbar
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10355784
A1 [0003]
- - DE 29716576 U1 [0004]