-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Messumformer gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen elektronischen Stecker
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
-
In
der Automatisierungstechnik finden eine Vielzahl von Messgeräten
Einsatz, die bspw. den Druck, die Temperatur oder die Strömungsgeschwindigkeit
eines Mediums überwachen. Abhängig von dem angewendeten
physikalischen Messprinzip sind die jeweiligen Sensorelemente bzw.
die die jeweiligen Sensorelemente beinhaltenden Einheiten unterschiedlich
groß ausgebildet. Oftmals werden diese Einheiten als Prozessanschluss
bezeichnet, da durch sie die Kopplung an bzw. mit einem das zu überwachende
Medium enthaltenden Behälter, Rohleitung oder dergleichen
realisiert wird.
-
Grundsätzlich
kann man die in der Automatisierungstechnik eingesetzten Messgeräte
einteilen in Messgeräte mit integrierter Auswerteeinheit
und Schaltausgang – im Folgenden Komplettmessgeräte genannt – und
reine Messumformer. Der Messumformer setzt lediglich das vom Sensorelement
gelieferte Signal in ein auswertbares elektrisches Ausgangssignal
um, welches dann einer separaten Auswerteeinheit zugeführt
wird. Dagegen verfügen Komplettmessgeräte über
eine integrierte Auswerteeinheit und einen Schaltausgang und ermöglichen
dem Anwender, abhängig von individuell festlegbaren Ereignissen – zumeist
Maximal- oder Minimalwerte – eine entsprechende Reaktion
auszulösen. Meistens werden Maximal- und/oder Minimalwerte
als Schaltpunkte eingegeben, was bei deren Über- oder Unterschreiten
die Weitergabe eines elektrischen Signals und/oder die Ausgabe optischer
oder akustischer Alarme auslöst.
-
Komplettmessgeräte
sind in ihrer Bauform zumeist etwas größer, was
einerseits durch die Größe des Prozessanschlusses – z.
B. bei Druckmessgeräten – vorgegeben und andererseits
durch die Bedien- und Anzeigeelemente der integrierten Auswerteeinheit
bedingt ist. Um die Eingabe von Schaltpunkten oder prozessrelevanten
Parametern über Drucktaster an dem Messgerät und
deren Anzeige auf einem Display zu ermöglichen, kann aus
Gründen des Bedienungskomforts eine Mindestgröße
nicht unterschritten werden. Somit wird die Bauform eines Schaltmessgeräts
aus technischer Sicht nur durch den Prozessanschluss vorgegeben.
Insbesondere bei Temperaturmessgeräten aber auch bei Strömungsmessgeräten
kann der Prozessanschluss vergleichsweise klein ausgebildet sein,
da keiner so großen Belastung standgehalten werden muss,
wie es bspw. bei Hochdruckmessgeräten der Fall ist. Des Weiteren
ist der Messfühler bei Temperatur- und Strömungsmessgeräten
zumeist stabförmig mit unterschiedlichsten Längen
ausgeführt und besteht z. B. bei Temperaturmessgeräten
in der Regel nur aus einem Widerstandselement, z. B. einem Platindraht, dessen
Widerstandswert sich abhängig vom Temperatureinfluss ändert.
Die Messfühler als solche können demnach also
sehr klein ausgebildet werden. Darüber hinaus bietet es
sich an, die Messfühler abgesetzt von der eigentlichen
Sensorelektronik des Messumformers anzuordnen, die selbst auch nur
wenig Platz in Anspruch nimmt. Ein Beispiel für einen entfernt
angeordneten Messfühler als Temperaturmessgerät
ist der deutschen Patentschrift
DE 198 08 878 B4 zu entnehmen, wobei hier
allerdings ein vergleichsweise großes Komplettmessgeräte
gezeigt ist.
-
Komplettmessgeräte
oder auch reine Messumformer sind zumeist aus einem Edelstahl gefertigt, wodurch
sie im Zusammenhang mit der großen Bauform vergleichsweise
schwer sind. Abgesehen von dem Materialaufwand ergibt sich durch
das große Gewicht auch der Nachteil, dass sie vibrations-
und schockanfällig sind. Darüber hinaus müssen
entsprechend schwere Messgeräte fest montiert werden, was
entweder direkt über den am Messgerät vorhandenen
Prozessanschluss realisiert wird, z. B. bei Druckmessgeräten,
oder bspw. bei Temperatur- und zum Teil auch bei Strömungsmessgeräten
mittels einer Klemme oder dergleichen z. B. an einer Hutschiene.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Messumformer und einen elektronischen
Stecker anzugeben, die jeweils eine sehr kleine Bauform und darüber
hinaus eine sehr geringes Gewicht aufweisen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen im Anspruch
1 genannten Messumformer sowie durch einen elektronischen Stecker
nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist
die gesamte Sensorelektronik des Messumformers auf mehreren, idealerweise
gleich großen Leiterplatten angeordnet, die Platz sparend übereinander
gestapelt sind. Bei einfach aufgebauten Messumformern, z. B. bei
Temperatursensoren, ist der Umfang der Elektronik, die für die
Umsetzung von Sensorsignalen in auswertbare Analog- oder Digitalsignale
nicht sehr umfangreich. Auf diese Weise kann die gesamte Sensorelektronik – als
Hauptbestandteil des Messumformers – in einem würfelförmigen
Elektronikstapel kompakt und Platz sparend untergebracht werden.
Vorteilhaft ist es, die Sensorelektronik auf drei Leiterplatten
anzuordnen.
-
Der
würfelartige Elektronikstapel ist von einem Gehäuse
umgeben und besitzt an vorzugsweise diametral gegenüberliegenden
Seiten jeweils einen Steckverbinder als Sensoranschluss und einen Steckverbinder
als Kommunikations- und/oder Energieversorgungsanschluss. Denkbar
ist allerdings auch, dass die Steckverbinder in einem Winkel zwischen
30° und 180°, vorteilhafterweise genau rechtwinklig
zueinander angeordnet sind. Über den Sensoranschluss wird
das Sensorelement mit der Sensorelektronik verbunden, während über
den zweiten Anschluss der Messumformer an eine Verarbeitungs- und
Energieversorgungseinheit angeschlossen werden. Es ist aber auch
vorstellbar, dass dieser Anschluss nur für die Energieversorgung
dient und die Datensignale zur Auswerteeinheit drahtlos übertragen
werden. In den meisten Fällen werden Datenübertragung
und Energieversorgung aber über ein gemeinsames Kabel realisiert.
-
Bei
der Miniaturisierung bzw. Verkleinerung des Messumformers haben
die Steckverbinder eine zunehmend größere Bedeutung,
da ihre Ausmaße aufgrund der Normung vorgegeben sind und
somit ihr Anteil an der Gesamtgröße des Messumformers wächst.
Letztlich ist die kleinstmögliche Ausführungsform
des Messumformergehäuses durch die Steckverbinder begrenzt,
da die reine Sensorelektronik vergleichsweise klein ausführbar
ist. Ein weiterer Aspekt ist der, dass sich ungefähr drei
Viertel der Länge eines Steckverbinders außerhalb
des Messumformergehäuses befinden und ein Viertel innerhalb,
um den Steckverbinder mechanisch stabil mit dem Gehäuse
bzw. dem Leiterplattenstapel zu verbinden. Um also eine Miniaturisierung
des Messumformers zu erreichen, müssen die Steckverbinder
im Innern des Gehäuses so weit wie möglich entgegengesetzt gerichtet
aneinander angenähert werden, bis sie sich fast berühren.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es daher, wenigstens
eine der Leiterplatten mit vorzugsweise zwei gegenüberliegenden
Ausnehmungen vorzusehen, so dass die jeweils den Leiterplatten zugewandten
Anschlussseiten der Steckverbinder vollständig in die Kontur
des Leiterplattenstapels hineinragen.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Leiterplattenstapel, der bevorzugt
aus drei Leiterplatten gebildet ist, über Kontaktstifte
zum einen mechanisch stabilisiert wird und diese zum anderen auch
den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Leiterplatten realisieren.
Für die Statik des Leiterplattenstapels ist es vorteilhaft,
wenn er aus drei Leiterplatten gebildet ist. Selbstverständlich
ist aber auch eine höhere oder geringere Anzahl an Leiterplatten
denkbar.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Messumformers, insbesondere mit drei Leiterplatten, stimmen der
Abstand zwischen den beiden äußeren Leiterplatten
und der Außendurchmesser des Grundkörpers eines
Steckverbinders im Wesentlichen überein. Bei einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Messumformers stimmen der Abstand zwischen Ober- und Unterseite
des Gehäuses und der maximale Außendurchmesser
der Überwurfmutter des Steckverbinders im Wesentlichen überein.
Mit maximalem Außendurchmesser ist bei Überwurfmuttern
mit Sechskant der Durchmesser zwischen zwei Schlüsselflächenkanten – Kante
zwischen zwei Schlüsselflächen – gemeint,
während der Durchmesser zwischen zwei Schlüsselflächen,
die so genannte Schlüsselweite, kleiner ausfällt.
-
Von
besonderem Vorteil ist es, das Gehäuse als Spritzgussteil
auszuführen. Der gesamte Leiterplattenstapel wird dann
mit einem Kunststoff umspritzt, wodurch ein Körper um den
Leiterplattenstapel herum entsteht. Auf diese Weise ist ein Gehäuse sehr
preiswert herstellbar und lässt die Möglichkeit offen,
das Gehäuse in besonderen Geometrien oder mit speziellen
Konturen auszuführen. Alternativ zu der Spritzguss-Lösung
kann auch ein festes Metallgehäuse vorgesehen werden, das
mit einem herkömmlichen Vergussmittel ausgegossen wird.
Beide Möglichkeiten der Gehäuseausgestaltung zeichnen sich
dadurch aus, dass das Gesamtgerät sehr schock- und vibrationsresistent
ist.
-
Um
den Leiterplattenstapel weiter zu stabilisieren, so dass weniger
Last bzw. mechanische Belastung auf den Kontaktstiften liegt, sieht
eine andere bevorzugte Ausführungsform vor, den Leiterplattenstapel
komplett auszuspritzen. Der gesamte Leiterplattenstapel wird dadurch
mechanisch stabil und vor äußeren Einflüssen
geschützt. Insbesondere wird dadurch die Schock- und Vibrationsresistenz
des gesamten Messumformers weiter erhöht. In dieser Ausführungsform
verringert sich die zuvor erwähnte Statikproblematik des
Leiterplattenstapels dahingehend, dass es nunmehr auch ausreichen
würde, den Leiterplattenstapel mit nur zwei Leiterplatten
auszuführen, wodurch auf die Ausnehmungen bei einer Leiterplatte
verzichtet werden könnte.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Messumformer
im Innern des Gehäuses ein Anzeigeelement auf, bspw. eine
oder mehrere LED. Diese LED informieren den Anwender z. B. über
bestimmte Betriebszustände oder über das Anliegen
einer Betriebsspannung. Oftmals ist von außen schlecht
zu erkennen, ob die LED leuchtet, insbesondere wenn man sich in
einer hellen Umgebung befindet. Aus diesem Grund ist das Messumformergehäuse
derart ausgestaltet, dass die LED nur in einem aktiven Zustand,
d. h. wenn die LED leuchten, zu sehen sind. Hierfür ist
das Gehäuse, insbesondere im Bereich der LED transparent
oder transluzent. Augrund des dadurch besseren Kontrastes wird das Ablesen
bzw. Erkennen einer leuchtenden LED verbessert.
-
Der
Messumformer entspricht letztlich aufgrund seiner kleinen Bauform
und des geringen Gewichts einer Art Kupplungsstück, das
in eine Kabelverbindung zwischen Messfühler und Auswerteeinheit
integriert ist. Er kann lose und locker, d. h. ohne zusätzliche
Befestigungsmaßnahmen, in der Nähe des Messfühlers
angeordnet werden und bedarf somit keiner besonderen Beachtung hinsichtlich
Befestigung, Schutz vor Schock- und Vibrationseinflüssen usw.
Lediglich im Falle, dass Anzeigelemente bzw. LED über z.
B. Betriebszustände informieren, sollte auf eine Lage des
Messumformers geachtet werden, die das Ablesen der Anzeige ermöglicht.
-
Die
genannten vorteilhaften Ausführen können analog
auch auf einen elektronischen Stecker zum Anschluss an ein elektronisches
Gerät angewendet werden. Dadurch ist die Erfindung nicht
nur auf einen Messumformer beschränkt, sondern erstreckt
sich auch auf sämtliche Arten elektronischer Stecker der
in Anspruch 14 genannten Art.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
erfindungsgemäßen Messumformer bzw. elektronischen
Stecker in perspektivischer Darstellung,
-
2 eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Messumformers bzw. elektronischen Steckers ohne Gehäuse
in perspektivischer Darstellung,
-
3 die
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Messumformers bzw. elektronischen Steckers ohne Gehäuse
nach 2 in Seitenansicht,
-
4 eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Messumformers bzw. elektronischen Steckers ohne Gehäuse
in perspektivischer Darstellung,
-
5 die
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Messumformers bzw. elektronischen Steckers ohne Gehäuse
nach 4 in Seitenansicht,
-
6 ein
Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messumformers
zur Temperaturmessung in schematischer Darstellung, und
-
7 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Messumformers.
-
In
den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben,
gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
-
1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Messumformer 1,
der äußerlich aus einem Gehäuse 3 und zwei
Steckverbindern 200 gebildet ist. Wenn im Folgenden nur
von einem Messumformer 1 die Rede ist, soll darunter mit
Ausnahme der 6 und 7 sowie
deren Beschreibung auch ein elektronischer Stecker 2 verstanden
werden. Beide Geräte sind im Wesentlichen baugleich und
unterscheiden sich nur durch einen unterschiedlichen Aufbau bzw.
Umfang der in 1 nicht gezeigten Elektronikeinheit 130.
-
Die
beiden Steckverbinder 200 – bspw. nach EN
61076 – sind vorzugsweise in männlicher
(male) und weiblicher (female) Ausführung vorgesehen, d. h.
einmal als Stecker und einmal als Buchse. Über die Kontaktanschlüsse 240 wird
dann beim Aufschrauben eines komplementären Steckverbinders jeweils
die elektrische Verbindung hergestellt. Selbstverständlich
kann der Messumformer auch zwei gleichartige Steckverbinder 200 aufweisen. Über
einen Steckverbinder 200b – meistens der in männlicher
Form – wird die Verbindung mit der in 1 nicht
gezeigten Kommunikations- und/oder der Energieversorgungseinheit 8 hergestellt.
Die Kommunikationseinheit 8 umfasst zumeist eine Anzeige
und eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). An den anderen
Steckverbinder 200 – meistens der in weiblicher
Form – wird das Sensorelement, d. h. der hier in 1 nicht
gezeigte Messfühler 6 angeschlossen. Temperaturmessgeräte
bieten sich dafür ideal an, da ihre Messfühler 6 in
der Regel nur aus einem Widerstandselement bestehen, z. B. einem
Platindraht. Abhängig von der den Messfühler 6 umgebende
Temperatur ändert sich dessen Ohm'scher Widerstandswert.
Die Verbindung zwischen Messfühler 6 und Messumformer 1 wird über
Zweidraht- oder Dreidrahttechnik, vorzugsweise aber über
Vierdrahttechnik realisiert. Abhängig von der gewählten
Verbindungstechnik werden in bekannter Weise die sich temperaturabhängig ändernden
Widerstandswerte des Sensorelements im Messfühler 6 in
Spannungswerte umgesetzt.
-
Der
Messfühler 6 kann in einem gewissen Rahmen beliebig
weit von dem eigentlichen Messumformer 1, sprich der Sensorelektronik 130,
entfernt angeordnet sein. Zum Teil könnte aber bei bestimmten
Verbindungstechniken der zunehmende Anteil des Leitungswiderstandswerts
eine Grenze darstellen. Aus diesem Grund wäre auch vorstellbar, die
Signalauswertung bereits in den Messfühler 6 zu integrieren
und den resultierenden Spannungswert mittels eines A/D-Wandlers
digital zum Messumformer 1 zu senden.
-
Grundsätzlich
könnte die prinzipielle Ausführung der Separierung
von Messfühler 6 und Sensorelektronik 130 für
jede Art von Messgeräten angewendet werden, wobei es sich
bei der Temperaturmessung besonders anbietet, da der Messfühler 6 an sich
sehr klein ausführbar ist.
-
Das
Gehäuse 3 hat eine kompakte, nahezu würfelartige
Form und kann durch Spritzgießen eines Kunststoffes kostengünstig
hergestellt werden. Eine im Wesentlichen würfelförmige
Ausgestaltung des Gehäuses 3 hat sich als vorteilhaft
herausgestellt; andere Bauformen sind selbstverständlich
auch möglich. Bspw. kann das Gehäuse 3 im
Querschnitt betrachtet auch rund ausgestaltet sein, wenn – wie
im Folgenden noch erläutert – die Leiterplatten 101 senkrecht
zur Längsachse des Messumformers 1 angeordnet
sind. Auf der Oberseite 3a des Gehäuses 3 ist
die Möglichkeit vorgesehen, ein Kippschild 4 anzubringen,
was dazu genutzt werden kann, das Gehäuse 3 zu
beschriften. Bei einem erfindungsgemäßen elektronischen
Stecker 2 bspw. ist das Kippschild 4 nötig,
um kenntlich zu machen, um welchen Stecker 2 es sich handelt
und welche Daten auf dem Stecker 2 gespeichert sind. Durch
die beiden Einkerbungen orthogonal zur Längsrichtung des
Kippschilds 4 lässt sich das Kippschild 4 einfach
aus der Verankerung lösen.
-
Die
Steckverbinder 200 bestehen im Wesentlichen aus einem Grundkörper 210,
einer Überwurfmutter 220 mit einem Sechskant 221,
den Kontaktanschlüssen 240 und den in 1 nicht
gezeigten Leiterplattenanschlusspins 230. Abhängig
von der Ausführungsform männlich oder weiblich
variiert die Form der Überwurfmutter 220, insbesondere
dahingehend, dass die Breite des Sechskants 221 unterschiedlich
ist. Auch kann die Überwurfmutter 220 als Rändelmutter
ausgeführt sein.
-
2 zeigt
eine erste Ausführungsform des Messumformers 1 aus 1 aus
gleicher Perspektive ohne Gehäuse 3. Deutlich
zu sehen ist der Leiterplattenstapel 100, der hier aus
drei Leiterplatten 101 gebildet ist. Es hat sich herausgestellt,
dass die Ausführung mit drei Leiterplatten 101 vorteilhaft
ist, z. B. was die Statik des gesamten Leiterplattenstapels 100 angeht.
Allerdings würde sich das Statikproblem des Leiterplattenstapels 100 verringern,
wenn der Leiterplattenstapel 100 vollständig ausgespritzt
ist. Es würde nunmehr auch ausreichen, den Leiterplattenstapel 100 mit
nur zwei Leiterplatten 101 auszuführen, wodurch
auf die Ausnehmungen 120 bei einer Leiterplatte 101 verzichtet
werden könnte.
-
Auf
der obersten Leiterplatte 101 ist für die gesamte
Sensorelektronik 130, die sich auf alle drei Leiterplatten 101 verteilt,
symbolisch ein Kästchen dargestellt. Gleiches gilt für
das Anzeigeelement 140, das auf der obersten Leiterplatte 101 als
leuchtende LED dargestellt ist. An welcher Stelle sich die LED 140 innerhalb
des Gehäuses 3 befinden, ist frei wählbar.
Da sie aber durch das Gehäuse 3 durchscheinen soll,
bietet sich an, sie direkt unterhalb der Gehäusewand anzuordnen.
Wesentlich ist nämlich auch, dass die LED 140 nur
im aktiven Zustand, d. h. wenn sie leuchten, von außen
sichtbar sind. Das Material des Gehäuses 3 ist
demnach so ausgestaltet, dass es transluzente, durchscheinende Eigenschaften
hat. Dadurch wird das Erkennen einer leuchtenden LED 140 verbessert,
da sich der Kontrast zur direkten Umgebung erhöht. Insbesondere
wenn Sonnenlicht auf das Gehäuse scheint, ließe
sich die LED 140 bei transparenten Gehäusen 3 nicht
oder nur schwer erkennen. Durch die LED 140 können
bspw. Betriebszustände, das Anliegen einer Versorgungsspannung oder
Fehlfunktionen angezeigt werden. Als Material für das Gehäuse 3 bzw.
die Umspritzung eignen sich insbesondere Thermoplastische Elastomere
(TPE-U oder TPU). Andere Materialien, wie Schmelzkleber, Weich-PVC
oder TPE-E, z. B. für Anwendungen bei höheren
Temperaturen, sind auch denkbar.
-
Die
Leiterplatten 101 sind durch Kontaktstifte 110 miteinander
verbunden. In 2 sind beispielhaft vier Kontaktstifte 110 gezeigt,
die durch Öffnungen in den Leiterplatten 101 hindurchgesteckt
werden. Eine Vielzahl solcher Öffnungen ist dargestellt, in
denen Kontaktstifte 110 eingesetzt werden können.
Die Kontaktstifte 110 weisen einen klotzartiges Mittelteil
auf und Enden mit Blattfederelementen, ähnlich wie bei
Bananensteckern. Auf den Mittelteilen liegen die Leiterplatten 101 auf
und die Blattfederelemente verhindern ein ungewolltes Lösen
des Stiftes 110 aus der Öffnung. Durch die Kontaktstifte 110 wird
so eine für den Leiterplattenstapel 100 ausreichende
mechanische Stabilität erreicht. Indem das Gehäuse
als Umspritzung des Leiterplattenstapels 100 ausgeführt
ist, kann die mechanische Stabilität weiter erhöht
werden, insbesondere was die Vibrations- und Schockunempfindlichkeit
angeht. Darüber hinaus werden die Kontaktstifte 110 auch
dazu verwendet, den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen
Leiterplatten 101 herzustellen. Demnach müssen
die Kontaktstifte 110 aus einem elektrisch leitenden Material
bzw. Metall sein. Allerdings bietet sich auch an, da nicht zwingend
alle Kontaktstifte 110 für die elektrische Verbindung
zwischen den Leiterplatten genutzt werden müssen, einige
Kontaktstifte 110 auch aus einem Kunststoff auszubilden,
wenn dies zweckmäßig ist.
-
Deutlich
zu sehen sind die beiden seitlichen Ausnehmungen 120 an
der mittleren Leiterplatte 101, die eckig oder halbrund
ausgeführt sein können. Die Steckverbinder 200,
d. h. die Grundkörper 210 der Steckverbinder 200 können
so sehr tief in die Kontur des Leiterplattenstapels 100 hineinragen.
-
3 zeigt
den aus 2 bekannten Messumformer 1 in
seitlicher Darstellung. Gut zu erkennen ist, wie tief – verglichen
mit der Breite der Leiterplatten 101 – die Steckverbinder 200 in
die Kontur des Leiterplattenstapels 100 hineinragen. Über
die Leiterplattenanschlusspins 230 sind die Steckverbinder 200 elektrisch
mit der bzw. den Leiterplatte(n) 101 verbunden. Letztlich
stellt die Verhinderung der Berührung beider Steckverbinder 200 bzw.
deren Leiterplattenanschlusspins 230 die Grenze dar, wie
weit die Steckverbinder 200 in die Kontur des Leiterplattenstapels 100 hineinragen
können.
-
In 4 und 5 ist
eine zweite Ausführungsform gezeigt, bei der die Leiterplatten 101 senkrecht
zur Längsrichtung des Messumformers 1 bzw. der
Steckverbinder 200 angeordnet sind. Die Ausnehmungen 120 der
beiden äußeren Leiterplatten 101 sind
bei dieser Ausgestaltung als Öffnung ausgebildet, durch
die die Steckverbinder 200 hindurchgesteckt werden. Denkbar
ist auch, dass sogar die mittlere Leiterplatte 101 eine Öffnung
aufweist, so dass die Leiterplattenanschlusspins 230 parallel
versetzt überlappend angeordnet werden können.
Im Vergleich zu der in 2 und 3 dargestellten
Ausführungsform kann die Breite des Gehäuses 3 und damit
des gesamten Messumformers 1 noch weiter verkleinert werden.
Wahlweise können die Leiterplatten 101 rund oder
eckig ausgestaltet werden, wodurch dann auch das Messumformergehäuse 3 im Querschnitt
betrachtet eckig oder rund ausgestaltet ist. Wenn es zweckmäßig
ist, kann auch in hier eine Ausführung mit nur zwei Leiterplatten 101 gewählt werden.
Durch die Ausspritzung wird eine ausreichende Stabilität
erreicht, so dass zumindest aus Gründen der Statik des
Leiterplattenstapels 100 nicht drei Leiterplatten verwendet
werden müssten.
-
In 6 ist
schematisch ein Anwendungsbeispiel gezeigt, wie ein für
die Temperaturmessung konzipierter erfindungsgemäßer
Messumformer in eine entsprechende Applikation implementiert werden
kann. Schematische Darstellung bedeutet in diesem Fall, dass es
sich nicht um eine maßstabsgerechte Darstellung handelt
und dass bis auf den Messumformer 1 und die beiden Steckverbinder 200 die anderen
Einheiten – Rohrbehälter 7, Messfühler 6, Kabelverbindung 5 und
Steuereinheit bzw. SPS 8 – nur symbolisch dargestellt
sind. Darüber hinaus lässt die Länge
der abgebildeten Kabelverbindung 5 nicht auf die tatsächliche
Länge schließen. Ziel dieser Abbildung soll die
Verdeutlichung sein, wie der Messumformer 1 in die Applikation
eingepasst ist. Zum anderen erhält man durch die Relation
der angeschlossenen Steckverbinder 200 zum Messumformer 1 eine
Vorstellung für dessen geringe Bauform.
-
Ein
Messfühler 6, d. h. das eigentliche Sensorelement,
misst die Temperatur eines Mediums, das in einer Rohrleitung 7 oder
einem sonstigen Behälter enthalten ist, durch direkte Berührung
mit dem Medium. Als Sensorelement werden vorzugsweise Platin-Temperaturfühler
eingesetzt, insbesondere Pt100, aber auch Pt1000. Es sind aber grundsätzlich auch
andere Arten von Sensorelementen denkbar. Üblicherweise
befindet sich an dem Behälter 7 eine flanschartige Öffnung,
durch die der Messfühler hindurch gesteckt werden kann
und daran dicht und stabil befestigt werden kann. Wie bereits ausgeführt,
besteht der Messfühler 6 in der Regel aus einem
Platindraht, der abhängig von der einwirkenden Temperatur
seinen Ohm'schen Widerstandswert ändert. Das eben beschriebene
Messen heißt demnach lediglich Änderung des Widerstandswertes.
Der Messfühler 6 ist über eine Kabelverbindung 5 mit
dem Messumformer 1 verbunden. Über die Ausgangsseite
ist der Messumformer 1 durch eine weitere Kabelverbindung 5 an
eine Steuereinheit 8 gekoppelt, meistens eine Speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS). Der Messumformer 1 bereitet das vom Messfühler 1 gelieferte
Signal in ein normiertes Signal auf, dass von der SPS 8 interpretiert
werden kann.
-
Deutlich
wird aus 6 wie der Messumformer 1 förmlich
in die Kabelverbindung zwischen Messfühler 6 und
SPS 8 eingebunden ist und diese Verbindung nur auf einer
kurzen Strecke unterbricht, um die Sensorsignale für die
SPS 8 aufzubereiten. Wie diese Aufbereitung im Einzelnen
aussehen kann, verdeutlicht 7.
-
In 7 ist
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Messumformers 1 abgebildet.
Von dem Messfühler 6, d. h. dem Pt100-Sensorelement, wird
das durch die Widerstandsänderung des Pt100-Sensorelements
erzeugte Spannungssignal in den Messumformer übertragen,
vorzugsweise in Vierleitertechnik. Als erstes wird das Spannungssignal
einem Analogverstärker, vorzugsweise einem Differenzverstärker,
zugeführt, der die Spannungswerte auf ein verwertbares
Niveau verstärkt. Das verstärkte Signal wird in
einem A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt, vorteilhafterweise
durch 14bit-Oversampling, und danach einem Mikrocontroller zugeführt,
der bspw. ein Atmel-Mikrocontroller in Tiny- oder Mega-Architektur
sein könnte. In Mega-Architektur hat der Mikrocontroller
eine Größe von ca. 5 × 5 mm und eignet
sich damit sehr gut für die extrem kompakte Ausführung
des Messumformers 1. Anschließend wird das digitale
Signal durch den D/A-Wandler geschleust und über die Stromschnittstelle
der Steuereinheit 8 als 4–20 mA-Signal in einer Zweidraht-Leitung
zur Verfügung gestellt.
-
Es
ist aber auch denkbar, dass anstatt des D/A-Wandlers und der Stromschnittstelle
ein Buskoppler vorhanden ist, durch den der Messumformer 1 an
ein Feldbussystem anschließbar ist.
-
Der
Mikrocontroller erfüllt mehrere Aufgaben, insbesondere:
Linearisierung des Messsignals, Definierung von Messspanne (span)
und Nullpunkt (zero) sowie Verwaltung der Kommunikation über I/O-Link.
I/O-Link ist ein standardisiertes Kommunikationssystem, über
das der Messumformer konfiguriert und parametriert werden kann.
Die I/O-Link-Kommunikation erfolgt direkt mit dem Mikrocontroller,
was in 7 angedeutet ist. Wahlweise kann die I/O-Link-Kommunikation
direkt mit der SPS 8 erfolgen (in 7 nicht
dargestellt) und daher zusammen mit dem 4–20 mA-Signal über
eine gemeinsame Kabelverbindung – aber in separaten Leitungen – zur
SPS 8 übertragen werden oder mittels spezieller
Konfigurationsgeräte (z. B. mit Handheld-Geräten) über
eine spezielle Schnittstelle direkt am Messumformer 1,
was 7 abgebildet ist.
-
Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Messumformers 1 bzw.
elektronischen Steckers 2 lassen sich so zusammenfassen,
dass sie letztlich aufgrund ihrer kleinen Bauform und des geringen
Gewichts äußerlich einer Art Kupplungsstück
entsprechen, das in eine Kabelverbindung zwischen Messfühler 6 bzw. elektronischem
Gerät, z. B. einem Komplettmessgerät, und einer
externen, separaten Einheit, z. B. einer SPS 8 integriert
ist. Sie können lose und locker, d. h. ohne zusätzliche
Befestigungsmaßnahmen, in der Nähe des Messfühlers 6 bzw.
des elektronischen Geräts angeordnet werden und bedürfen
somit keiner besonderen Beachtung hinsichtlich Befestigung, Schutz
vor Schock- und Vibrationseinflüssen usw.
-
- 1
- Messumformer
- 2
- Elektrischer
Stecker
- 3
- Gehäuse
- 3a
- Oberseite
des Gehäuses
- 3b
- Unterseite
des Gehäuses
- 4
- Kippschild
- 5
- Verbindungskabel
- 6
- Messfühler
- 7
- Behälter,
Rohrleitung
- 8
- Anzeigeeinheit,
Steuereinheit
- 100
- Leiterplattenstapel
- 101
- Leiterplatte
- 110
- Kontaktstift
- 120
- Ausnehmung
- 130
- Elektronikeinheit,
Sensorelektronik
- 140
- Anzeigelement,
LED
- 200
- Steckverbinder
- 200a
- erster
Steckverbinder für Sensoranschluss
- 200b
- erster
Steckverbinder für Anschluss an SPS und/oder Energieversorgung
- 210
- Grundkörper
- 220
- Überwurfmutter
- 221
- Sechskant
- 230
- Leiterplattenanschlusspins
- 240
- Kontaktanschlüsse
- 250
- Anschlussseite
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-