DE102013114736A1

DE102013114736A1 - Field device of automation technology and method for ensuring the correct functioning of a field device

Info

Publication number: DE102013114736A1
Application number: DE102013114736.4A
Authority: DE
Inventors: Vitogiuseppe Di Cosola; Jürgen Tanner; Dietmar Spanke; Bernd Strütt; Michael Philipps; Bertram Kuld; Roland Grozinger; Andreas Kaiser
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem Gehäuse, einer Elektronik mit zumindest einer temperaturempfindlichen Komponente und einem Heizelement mit einer Regelung, wobei das Heizelement und die Elektronik in dem Gehäuse positioniert sind, wobei eine Temperaturmesseinheit vorgesehen ist, die die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente bestimmt, wobei die Regelung das Heizelement so ansteuert, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt.The invention relates to a field device of automation technology with a housing, an electronics with at least one temperature-sensitive component and a heating element with a control, wherein the heating element and the electronics are positioned in the housing, wherein a temperature measuring unit is provided which determines the temperature in the environment of temperature-sensitive component is determined, wherein the control controls the heating element so that the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component is above a predetermined threshold.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einem Gehäuse, einer Elektronik mit zumindest einer temperaturempfindlichen Komponente und ein Heizelement mit einer Regelung, sowie ein Verfahren zur Sicherstellung des korrekten Funktionierens eines Feldgerätes.The invention relates to a field device of automation technology with a housing, an electronics with at least one temperature-sensitive component and a heating element with a control, and a method for ensuring the correct functioning of a field device.

In der Prozess- ebenso wie in der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrössen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrössen dienen Messgeräte, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrössen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrössen werden Aktoren verwendet, wie Ventile oder Pumpen, über die z. B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser angeboten und vertrieben. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff Feldgerät sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin umfasst der Begriff Feldgerät aber auch z. B. ein Gateway, einen Funkadapter oder andere in ein Bussystem integrierte/integrierbare Busteilnehmer.In process as well as in automation technology, field devices are often used, which serve to detect and / or influence process variables. Measuring devices, such as level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH meters, conductivity meters, etc., which record the respective process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity, are used to record process variables. To influence the process variables actuators are used, such as valves or pumps, via the z. B. the flow rate of a liquid in a pipeline or the level of a medium is changed in a container. In principle, field devices are all devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information. A large number of such field devices are offered and distributed by the Endress + Hauser Group. Under the term field device used in connection with the invention, all types of measuring devices and actuators are thus to be subsumed. Furthermore, the term field device but also includes z. As a gateway, a wireless adapter or other integrated into a bus system / integrable bus participants.

Feldgeräte der Automatisierungstechnik kommen in unterschiedlichen Umgebungen zum Einsatz. Insbesondere werden Feldgeräte in Regionen, beispielsweise in Alaska, eingesetzt, wo es zu sehr niedrigen Außentemperaturen kommen kann. Die Temperaturen in solchen Regionen können unter –40º C liegen.Field devices of automation technology are used in different environments. In particular, field devices are used in regions, for example in Alaska, where very low outside temperatures can occur. The temperatures in such regions may be below -40 ° C.

Feldgeräte der Automatisierungstechnik werden auch oft in Anlagen, in denen eine hohe Explosionsgefahr besteht, eingesetzt. Beispielsweise wird in vielen Wirtschafts- und Industriebereichen mit brennbaren Stoffen in Form von Gasen, Dämpfen, Nebel oder Staub umgegangen. Diese brennbaren Stoffe können im Gemisch mit Sauerstoff eine explosionsfähige Atmosphäre bilden. Bei einer Entzündung dieser Atmosphäre treten Explosionen auf, die schwerwiegende Personen- und Sachschäden zur Folge haben können. Zum Vermeiden von Explosionsgefahren werden Messgeräte eingesetzt, die geeignete Sicherheitsfunktionen aufweisen. Die Sicherheitsfunktionen können beispielsweise von bestimmten Komponenten des Messgerätes ausgeführt werden.Field devices of automation technology are also often used in systems where there is a high risk of explosion. For example, many sectors of the economy and industry use flammable substances in the form of gases, vapors, mists or dust. These combustible substances can form an explosive atmosphere when mixed with oxygen. Inflammation of this atmosphere causes explosions that can result in serious personal injury and property damage. To avoid explosion hazards, measuring instruments are used which have suitable safety functions. For example, the safety functions may be performed by certain components of the meter.

Wird ein Messgeräte mit einer Sicherheitsfunktion in einer Region, in der es zu sehr niedrigen Außentemperaturen kommen kann, eingesetzt, muss sichergestellt werden, dass die Bauteile des Feldgerätes bei diesen niedrigen Temperaturen funktionieren. Üblicherweise sind manche elektronischen Bauteile oder Komponenten eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik nur bis –40º C zugelassen. Solche Komponenten können als „temperaturempfindliche Komponenten“ bezeichnet werden. Ein Beispiel hierfür ist ein Mikrocontroller. Somit ist nicht definiert, ob die Sicherheitsfunktionen eines Feldgerätes ausführbar sind, wenn die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindliche Komponenten niedriger als –40º C ist. Es ist weiterhin nicht definiert, ob das Feldgerät startet, und es ist nicht definiert, ob das Feldgerät prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten kann.If a measuring device with a safety function is used in a region in which the outside temperatures can be very low, it must be ensured that the components of the field device function at these low temperatures. Usually, some electronic components or components of a field device of automation technology are only approved to -40 ° C. Such components may be referred to as "temperature-sensitive components". An example of this is a microcontroller. Thus, it is not defined whether the safety functions of a field device are executable when the temperature in the environment of the temperature-sensitive components is lower than -40 ° C. Furthermore, it is not defined whether the field device starts, and it is not defined whether the field device can supply or process process-relevant information.

Es sind elektronische Bauteile bekannt, die bis zu –60º C zugelassen sind. Jedoch sind diese Bauteile in der Regel sehr teuer. Außerdem gibt es nicht für alle elektronischen Bauteile eine Variante, die auch bei –60°C zugelassen ist. Weiterhin kann es in extremen Fällen vorkommen, dass Außentemperaturen niedriger als –60º C auftreten.Electronic components are known which are approved to -60 ° C. However, these components are usually very expensive. In addition, there is not a variant for all electronic components that is also approved at -60 ° C. Furthermore, in extreme cases, outside temperatures lower than -60 ° C may occur.

Herkömmlich werden Feldgeräte der Automatisierungstechnik bei sehr niedrigen Außentemperaturen mit Isolationsstoff eingepackt und von außen beheizt. Das hat den Nachteil, dass eine zusätzliche Stromversorgung teilweise mit erheblichem Aufwand, für eine Heizung benötigt wird. Zudem verliert das Feldgerät seinen kompakten Aufbau. Auch können Bedien- oder Signalisierungseinheiten durch den Isolationsstoff verdeckt werden. Weitherhin kann die Temperatur in der Umgebung der betroffenen Bauteile nicht direkt überwacht werden.Conventionally, field devices of automation technology are packed with insulating material at very low outside temperatures and heated from the outside. This has the disadvantage that an additional power supply is sometimes required with considerable effort for a heater. In addition, the field device loses its compact design. Also, control or signaling units can be covered by the insulating material. Furthermore, the temperature in the vicinity of the affected components can not be monitored directly.

Aus der DE 10 2005 062 421 A1 ist eine Heizeinrichtung für ein Feldgerätedisplaymodul bekannt, wobei die Heizeinrichtung ein Heizelement aufweist. Das Heizelement ist an die Form des Feldgerätedisplaymoduls angepasst und so ausgestaltet, dass es einen elektrischen Strom in Wärmeenergie wandeln kann. Das Heizelement ist derart mit dem Feldgerätedisplaymodul koppelbar, dass mittels des Heizelements das Feldgerätedisplaymodul beheizbar ist.From the DE 10 2005 062 421 A1 a heating device for a field device display module is known, wherein the heating device has a heating element. The heating element is adapted to the shape of the field device display module and configured so that it can convert an electric current into heat energy. The heating element can be coupled to the field device display module such that the field device display module can be heated by means of the heating element.

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Feldgerät der Automatisierungstechnik bereitzustellen, wobei das Feldgerät bei sehr niedrigen Außentemperaturen zuverlässig startet und funktioniert.The object of the invention is to provide a field device of automation technology, wherein the field device reliably starts and works at very low outside temperatures.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10.The object is achieved by a field device of automation technology according to claim 1 and a method according to claim 10.

Somit wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Feldgerät der Automatisierungstechnik ein Gehäuse, eine Elektronik mit zumindest einer temperaturempfindlichen Komponente und ein Heizelement mit einer Regelung aufweist, wobei das Heizelement und die Elektronik in dem Gehäuse positioniert sind, wobei eine Temperaturmesseinheit vorgesehen ist, die die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente bestimmt, wobei die Regelung das Heizelement so ansteuert, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. So weist das Feldgerät einen kompakten Aufbau auf. Weiterhin werden Sicherheitsfunktionen des Feldgerätes gewährleistet, ohne die Herstellungskosten erheblich zu erhöhen. Der vorgegebene Schwellwert kann beispielsweise –40º C sein. Der Schwellwert kann aber auch bei einer Temperatur liegen, die höher ist als die niedrigste zugelassene Temperatur der temperaturempfindlichen Komponente. Die Regelung muss das Heizelement so ansteuern, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts liegt. Die Temperatur muss oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts liegen vor der temperaturempfindlichen Komponente eingeschaltet wird. Wird die temperaturempfindliche Komponente auf diese Weise eingeschaltet, muss die Regelung das Heizelement so ansteuern, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts bleibt. Thus, the object is achieved in that the field device of automation technology comprises a housing, an electronics with at least one temperature-sensitive component and a heating element with a control, wherein the heating element and the electronics are positioned in the housing, wherein a temperature measuring unit is provided, which Temperature determined in the vicinity of the temperature-sensitive component, wherein the control controls the heating element so that the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component is above a predetermined threshold. Thus, the field device has a compact design. Furthermore, safety functions of the field device are ensured without significantly increasing the production costs. The predetermined threshold may be, for example, -40 ° C. However, the threshold value may also be at a temperature which is higher than the lowest permitted temperature of the temperature-sensitive component. The control must control the heating element so that the temperature in the environment of the temperature-sensitive component is above the predetermined threshold value. The temperature must be above the specified threshold before the temperature-sensitive component is turned on. If the temperature-sensitive component is switched on in this way, the controller must control the heating element so that the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component remains above the predetermined threshold value.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die zumindest eine temperaturempfindliche Komponente der Elektronik so ausgestaltet ist, dass das Feldgerät den Anforderungen eines vorgegebenen Sicherheitsstandards genügt. Es gibt verschiedene Standardorganisationen auf internationaler und nationaler Ebene, die Sicherheitsstandard für die Industrie entwickeln. Beispiele hierfür sind IEC (International Electrotechnical Commission), DIN (Deutsches Institut für Normung), ATEX (Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosives) und CSA (Canadian Standards Association). Ein zugrundeliegendes Prinzip für die Entwicklung von Sicherheitsstandards ist die Minimalisierung der Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion. Fehlfunktion bedeutet hier nicht nur Ausfall, sondern auch eine von dem Normalbetrieb abweichende Funktion. Der Maßstab für Sicherheit basiert auf Wahrscheinlichkeitsberechnungen. Die Elektronik wird selbstverständlich mit einer gewissen Funktionalität hergestellt und dabei wird die Funktionalität der Komponente der Elektronik in statistischer Form wiedergegeben bzw. es wird eine Fehlfunktionsrate für solche Bauteile festgestellt. Solche Bauteile werden strengen Qualitätskontrollen unterzogen, und sie werden dabei unter unterschiedlichen Bedingungen bezüglich ihrer Funktionalität geprüft. Die Bauteile werden mit einer Spezifikation oder mit Datenblättern geliefert, in der/denen die Funktionalität unter bestimmten Bedingungen definiert ist. Beispielsweise wird für einen Mikrocontroller eine Temperaturbereich angegeben, in dem die Datenerhaltungsfehlerrate weniger als 1 PPM (Teile pro Million) pro Zeiteinheit beträgt, oder ein Betriebstemperaturbereich wird begrenzt, bspw. bis –40º C. Damit ist mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit sicher festgelegt, dass die Bauteile unter dieser Bedingung funktionieren. Außerhalb dieser Begrenzung ist ein korrektes Funktionieren nicht mehr garantiert. Um diese statistische Festlegungen miteinrechnen zu können und um eine sichere Aussage bezüglich einer Fehlfunktionsrate des Feldgeräts wiederzugeben – wobei die Aussage die Form einer Statistik oder Wahrscheinlichkeit annimmt –, muss die Elektronik in dem Feldgerät unter den definierten Bedingungen angewendet werden. Daher wird die Elektronik des Feldgeräts sowohl von der Auswahl als auch von der Auslegung und Anwendung der Komponente her, insb. hinsichtlich des Temperaturbereichs, in dem die Anwendung der Komponente stattfindet, so ausgestaltet, dass das Feldgerät den Anforderungen eines vorgegebenen Sicherheitsstandards genügt.A preferred embodiment provides that the at least one temperature-sensitive component of the electronics is designed such that the field device satisfies the requirements of a predetermined safety standard. There are several standard organizations at international and national level that develop security standards for the industry. Examples include IEC (International Electrotechnical Commission), DIN (German Institute for Standardization), ATEX (Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosives) and CSA (Canadian Standards Association). An underlying principle for the development of safety standards is to minimize the likelihood of a malfunction. Malfunction here means not only failure, but also a function deviating from normal operation. The benchmark for security is based on probability calculations. Of course, the electronics are manufactured with a certain functionality and the functionality of the component of the electronics is reproduced in statistical form or a malfunction rate for such components is determined. Such components undergo strict quality controls and are tested for their functionality under different conditions. The components are supplied with a specification or datasheets in which the functionality is defined under certain conditions. For example, for a microcontroller, a temperature range is specified in which the data retention error rate is less than 1 PPM (parts per million) per unit of time, or an operating temperature range is limited, for example, to -40 ° C. This is certain with a certain probability that the Components work under this condition. Outside this limit, proper functioning is no longer guaranteed. In order to be able to include these statistical definitions and to provide a reliable statement regarding a malfunction rate of the field device-the statement taking the form of a statistic or probability-the electronics in the field device must be used under the defined conditions. Therefore, the electronics of the field device are designed both for the selection and the design and application of the component, in particular with regard to the temperature range in which the application of the component takes place, such that the field device satisfies the requirements of a given safety standard.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Feldgerät den Anforderungen der SIL1, SIL2, SIL3, oder SIL4 Sicherheitsstufe genügt. SIL (Sicherheits-Integritätslevel) Sicherheitsstufen werden von verschieden Standardorganisationen definiert. In dem Standard IEC 61508 , der auch als EN 61508 (Europäischen Normen) bekannt ist, basieren die Definitionen der SIL Sicherheitsstufen auf der Größe PFD (Probability of Failure on Demand/ Wahrscheinlichkeit der Fehlfunktion beim Gebrauch) oder anders betrachtet auf der Größe RRF (Risk Reduction Factor). PFD ist insbesondere ein Maß für Anwendungen mit niedrigem Aufforderungensbedarf, wobei das entsprechende Feldgerät oder Bauteil unregelmäßig oder selten zum Einsatz kommt. Im Gegensatz dazu wird die Größe PFH (Probability of Failure per Hour/ Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion pro Stunde) für Anwendungen in kontinuierlichem Betrieb als Basis für eine SIL-Einstufung genommen.A preferred embodiment provides that the field device satisfies the requirements of SIL1, SIL2, SIL3, or SIL4 safety level. SIL (Security Integrity Level) security levels are defined by various standard organizations. In the standard IEC 61508 who as well EN 61508 (European standards), the definitions of SIL security levels are based on PFD (Probability of Failure on Demand) or, alternatively, RRF (Risk Reduction Factor). In particular, PFD is a measure of low demand applications where the field device or component is irregular or rarely used. In contrast, PFH (Probability of Failure Per Hour) for continuous operation applications is taken as the basis for a SIL rating.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Feldgerät so ausgestaltet ist und/oder die zumindest eine temperaturempfindliche Komponente der Elektronik so ausgestaltet ist, dass sie den Anforderungen eines Explosionsschutzes genügt/genügen. Solche Anforderungen werden beispielsweise in den ATEX-Richtlinien der Europäischen Union und/oder national Electrical Code (NEC) in den USA beschrieben.A preferred embodiment provides that the field device is designed and / or the at least one temperature-sensitive component of the electronics is designed so that it meets the requirements of explosion protection / sufficient. Such requirements are described, for example, in the European Union ATEX Directives and / or National Electrical Code (NEC).

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Temperatur in der Umgebung der Elektronik von der Temperaturmesseinheit bestimmt und/oder überwacht. In einer Einschaltphase des Feldgeräts wird die Temperatur in der Umgebung der Elektronik zuerst bestimmt, um sicherzustellen, dass die Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Während das Feldgerät im laufenden Betriebsmodus ist, wird die Temperatur in der Umgebung der Elektronik überwacht, um sicherzustellen, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts bleibt.In an advantageous development, the temperature in the environment of the electronics is determined and / or monitored by the temperature measuring unit. In a switch-on phase of the field device, the temperature in the environment of the electronics determined first to ensure that the temperature is above a predetermined threshold. While the field device is in the current operating mode, the temperature in the environment of the electronics is monitored to ensure that the temperature in the environment of the temperature sensitive component remains above the predetermined threshold.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Temperaturmesseinheit Bauteilen auf, die in einem erweiterten Temperaturbereich funktionsfähig sind. Bauteile werden hier eingesetzt, die im deutlich erweiterten Temperaturbereich, beispielsweise bis mindestens –60°C, spezifiziert und zugelassen sind. So kann die Temperaturmesseinheit die Temperatur in der Umgebung der Elektronik bei sehr niedrigen Temperaturen bestimmen, ohne dass sie selber, aufgrund der niedrigen Temperaturen, störanfällig ist.In an advantageous development, the temperature measuring unit has components that are functional in an extended temperature range. Components are used here that are specified and approved in the significantly extended temperature range, for example to at least -60 ° C. Thus, the temperature measuring unit can determine the temperature in the vicinity of the electronics at very low temperatures, without itself being susceptible to interference due to the low temperatures.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Schaltelement vorgesehen, wobei das Schaltelement die Elektronik einschaltet, wenn die Temperatur in der Umgebung der Elektronik den vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Das Schaltelement kann zwischen der Temperaturmesseinheit und der Elektronik angeordnet sein, wobei die Temperaturmesseinheit einen direkten Einfluss auf das Schaltelement nehmen kann, so dass die Elektronik unmittelbar nach dem Übersteigen des Schwellwerts eingeschaltet wird. Das Schaltelement kann aber auch zwischen eine Stromversorgung und die Elektronik geschaltet werden. Ein Fachmann wird verstehen, dass viele verschiedene Ausgestaltungen möglich sind.In an advantageous development, a switching element is provided, wherein the switching element turns on the electronics when the temperature in the vicinity of the electronics exceeds the predetermined threshold. The switching element may be disposed between the temperature measuring unit and the electronics, wherein the temperature measuring unit may have a direct influence on the switching element, so that the electronics is switched on immediately after exceeding the threshold value. The switching element can also be switched between a power supply and the electronics. One skilled in the art will understand that many different configurations are possible.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Heizelement in eine Vergussmasse integriert und/oder als Vergussmasse ausgestaltet, wobei die Vergussmasse zumindest teilweise mit der Elektronik in Kontakt ist. In den letzten Jahren hat die zunehmende Miniaturisierung der elektrischen und elektronischen Bauteile sowie die steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Bauteile zu einer Verbesserung von Elektrovergussmassen hinsichtlich der Wärmeableitung geführt. Aus diesem Grund werden Vergussmassen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit bereits entwickelt, die sehr gut geeignet sind, Wärmeenergie in die Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente zu liefern.According to an advantageous development, the heating element is integrated in a potting compound and / or designed as a potting compound, wherein the potting compound is at least partially in contact with the electronics. In recent years, the increasing miniaturization of the electrical and electronic components as well as the increasing demands on the performance of the components has led to an improvement of electrical potting compounds in terms of heat dissipation. For this reason, encapsulants with increased thermal conductivity are already being developed, which are very well suited to deliver heat energy into the environment of the temperature-sensitive component.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Heizelement in eine Platine und/oder Leitplatte der Elektronik integriert und/oder als einer Schicht der Leitplatte der Elektronik ausgestaltet. Ist das Heizelement so ausgestaltet, kann die Wärmeenergie gezielt der Elektronik zugefügt werden. Beispielsweise kann das Heizelement über eine mäanderförmige Struktur der Platine führen, wobei es sehr nah an der temperaturempfindlichen Komponente angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Zeit verringert, die nötig ist, um die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente über einen vorgegebenen Schwellwert zu erhöhen. Der Energieverbrauch des Heizelements lässt sich damit verringern. Zusätzlich ist eine sehr kompakte und gezielte Bauweise möglich.In an advantageous development of the solution according to the invention, the heating element is integrated in a circuit board and / or guide plate of the electronics and / or configured as a layer of the guide plate of the electronics. If the heating element is configured in this way, the heat energy can be selectively added to the electronics. For example, the heating element can lead over a meander-shaped structure of the board, wherein it is arranged very close to the temperature-sensitive component. In this way, the time required to raise the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component above a predetermined threshold is reduced. The energy consumption of the heating element can thus be reduced. In addition, a very compact and targeted construction is possible.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Halterungsstruktur zum Montieren von einem Modul oder mehreren Modulen im Gehäuse vorgesehen, wobei das Heizelement in ein Heizmodul integriert ist und/oder als Heizmodul ausgestaltet ist, wobei das Heizmodul an der Halterungsstruktur montiert ist, und wobei die Halterungsstruktur so gefertigt ist, dass die Halterungsstruktur als Radiator dient, um vom Heizmodul abgegebene Heizenergie zu verteilen.According to an advantageous development, a holding structure is provided for mounting one or more modules in the housing, wherein the heating element is integrated in a heating module and / or designed as a heating module, wherein the heating module is mounted on the support structure, and wherein the support structure is manufactured in that the support structure serves as a radiator for distributing heating energy emitted by the heating module.

In dem Fall, dass mehrere Module an der Halterungsstruktur montiert sind, wird die Heizenergie direkt an diese anderen Module verteilt. Die anderen Module sind beispielsweise IO (Input/Output) Module, die temperaturempfindliche Bauteile oder Komponenten aufweisen können oder ein Energieversorgungsmodul. Eine Halterungsstruktur ist besonders vorteilhaft, um verschiedene Module kompakt zusammen zu halten, insb. bei auftretenden Vibrationen während des Transports, der Inbetriebnahme oder Nutzung des Feldgeräts. Die Halterungsstruktur kann eine oder mehrere Nuteinführungen zur einfachen Montage bzw. Demontage von einzelnen Modulen sowohl beim Fertigen als auch im Servicefall aufweisen. Selbst bei tiefen Temperaturen ist es einfach und schnell möglich, IO Module auszutauschen.In the case where several modules are mounted on the support structure, the heating energy is distributed directly to these other modules. The other modules are, for example, IO (input / output) modules, which may have temperature-sensitive components or components or a power supply module. A support structure is particularly advantageous for compactly holding various modules together, in particular for vibrations occurring during transport, commissioning or use of the field device. The support structure may have one or more groove insertions for easy assembly or disassembly of individual modules both in manufacturing and service. Even at low temperatures it is easy and fast to exchange IO modules.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Halterungsstruktur aus Aluminium oder Zink oder aus einem Material, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Zink hat, gefertigt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Heizenergie auf diese Weise schnell und effizient verteilt wird. Die Halterungsstruktur kann weiterhin ausgestaltet sein, dass ein sogennanter Faradayscher Käfig um die elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen oder Komponenten des Feldgerätes gebildet wird. Somit kann die Halterungsstruktur in Kombination mit dem Gehäuse die elektrischen Felder abschirmen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist daher die Halterungsstruktur eine Frontfläche auf, welche bspw. eine Metalplatte zusammen mit einer Leiterplattenschicht ist. Diese dient zum Abdecken der Module an einer ersten Seite des Gehäuses, an der keine Metallschicht vorhanden ist. Diese Frontfläche kann verschiedene innenliegende Masse verbindungen aufweisen, sodass die Halterungsstruktur direkt mit Masse verbunden ist.In an advantageous development, the support structure is made of aluminum or zinc or of a material that has a higher thermal conductivity than zinc. This has the particular advantage that the heating energy is distributed quickly and efficiently in this way. The support structure may further be configured such that a so-called Faraday cage is formed around the electrical or electronic components or components of the field device. Thus, the support structure in combination with the housing can shield the electric fields. In an advantageous embodiment, therefore, the support structure has a front surface, which, for example, is a metal plate together with a circuit board layer. This serves to cover the modules on a first side of the housing, where no metal layer is present. This front surface may have different internal ground connections, so that the support structure is connected directly to ground.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Sicherstellung des korrekten Funktionierens des hier zuvor beschriebenen Feldgerätes.The object of the invention is further achieved by a method for ensuring the correct functioning of the field device described hereinbefore.

Somit wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass während der Einschaltphase die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente bestimmt wird;
für den Fall, dass die Temperatur unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt, das Heizelement so geregelt wird, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes liegt; und
die zumindest eine temperaturempfindlichen Komponente der Elektronik eingeschaltet wird, wenn die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente den vorgegebenen Schwellwert erreicht. Thus, the object is achieved by determining the temperature in the environment of the temperature-sensitive component during the switch-on phase;
in the event that the temperature is below a predetermined threshold, the heating element is controlled so that the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component is above the predetermined threshold value; and
the at least one temperature-sensitive component of the electronics is switched on when the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component reaches the predetermined threshold value.

In der Einschaltphase ist es besonders wichtig, dass die Temperatur in der Umgebung der zumindest einen temperaturempfindlichen Komponente innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegt, da der Stress aufgrund von Temperaturschwankungen und Dehnbeanspruchung zu diesem Zeitpunkt am größten ist.During the switch-on phase, it is particularly important that the temperature in the environment of the at least one temperature-sensitive component is within the operating temperature range, since the stress due to temperature fluctuations and tensile stress is greatest at this time.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:

1: eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Feldgeräts, 1 FIG. 2: a schematic representation of a field device known from the prior art, FIG.

2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Feldgerätes, 2 : a schematic representation of an embodiment of the field device according to the invention,

3: ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und 3 a schematic flow diagram of a preferred embodiment of the inventive method, and

4: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halterungsstruktur und Module, und 4 a schematic representation of the structure of an embodiment of the support structure according to the invention and modules, and

5: eine schematische Darstellung der kompakten Zusammensetzung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels. 5 : a schematic representation of the compact composition of in 4 illustrated embodiment.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Feldgeräts der Automatisierungstechnik mit einem Gehäuse 2 und einer Elektronik 3. Weiterhin ist eine Energieversorgung 1 dargestellt. Die Elektronik 3 enthält Bauteile mit Sicherheitsfunktionen, wobei die Bauteile zumindest zum Teil aus temperaturempfindlichen Komponenten 8 bestehen. Temperaturempfindliche Komponenten 8 sind im Temperaturbereich von –40º C bis +80º C zugelassen. In diesem Zusammenhang bedeutet ‚zugelassen‘ unter anderem, dass an den Bauteile Untersuchungen und/oder Funktionalitätsprüfungen innerhalb dieses Temperaturbereichs durchgeführt wurden. 1 shows a schematic representation of a known from the prior art field device of automation technology with a housing 2 and electronics 3 , Furthermore, there is a power supply 1 shown. The Electronic 3 contains components with safety functions, the components at least partially made of temperature-sensitive components 8th consist. Temperature sensitive components 8th are approved in the temperature range -40 ° C to + 80 ° C. In this context, 'approved' means inter alia that examinations and / or functionality tests have been carried out on the components within this temperature range.

Die Sicherheitsfunktionen werden gewährleistet bei Temperaturen niedriger als –40º C, indem das Feldgerät von außen mittels eines Heizkörpers 5 beheizt wird. Der Heizkörper 5 benötigt eine zusätzliche Energieversorgung 4.The safety functions are ensured at temperatures lower than -40º C by the field device from the outside by means of a radiator 5 is heated. The radiator 5 requires an additional power supply 4 ,

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Feldgerätes. In einem Gehäuse 2 ist eine Elektronik 3 angeordnet. Die Elektronik 3 weist zumindest eine temperaturempfindliche Komponente 8 auf. Dies könnte beispielsweise ein Mikrocontroller sein, welcher bei tiefen Temperaturen oder bei starken Temperaturschwankungen zerstört werden könnte. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the field device according to the invention. In a housing 2 is an electronics 3 arranged. The Electronic 3 has at least one temperature-sensitive component 8th on. This could for example be a microcontroller, which could be destroyed at low temperatures or with strong temperature fluctuations.

Das Feldgerät wird von einer externen Energieversorgung 1 gespeist. Ein Heizelement 6 befindet sich ebenso wie die Elektronik 3 innerhalb des Gehäuses 2. Das Heizelement 6 wird direkt von der Energieversorgung 1 gespeist. Das Heizelement 6 ist so angeordnet, dass es einen direkten Einfluss auf die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente 8 ausübt.The field device is powered by an external power supply 1 fed. A heating element 6 is as well as the electronics 3 inside the case 2 , The heating element 6 gets directly from the power supply 1 fed. The heating element 6 is arranged so that it has a direct influence on the temperature in the environment of the temperature-sensitive component 8th exercises.

Nebst Elektronik 3 und Heizelement 6 befinden sich innerhalb des Gehäuses 2 ein Schaltelement 7, eine Regelung 9 und eine Temperaturmesseinheit 10. Das Schaltelement 7 ist in 2 zwischen das Heizelement 6 und die Elektronik 3 geschaltet. Das Schaltelement 7 dient der Energieversorgung und zum An- und Abschalten der Elektronik 3.In addition to electronics 3 and heating element 6 are inside the case 2 a switching element 7 , a scheme 9 and a temperature measuring unit 10 , The switching element 7 is in 2 between the heating element 6 and the electronics 3 connected. The switching element 7 is used for power supply and for switching on and off the electronics 3 ,

Die Temperaturmesseinheit 10 ist mit der Regelung 9 verbunden. Die Temperaturmesseinheit 10 erfasst die Temperatur in der Umgebung der zumindest einen temperaturempfindlichen Komponente 8 und gibt die erfasste Temperatur weiter an die Regelung 9. Die Regelung 9 ist mit dem Heizelement 6 verbunden und steuert das Heizelement 6 so, dass die Temperatur oberhalb eines Schwellwerts T_S liegt. Liegt die Temperatur oberhalb dem Schwellwert T_S, ist das Schaltelement 7 zugeschaltet und die Elektronik 3 bzw. die temperaturempfindliche Komponente 8 sind mit Energie versorgt und/oder eingeschaltet.The temperature measuring unit 10 is with the scheme 9 connected. The temperature measuring unit 10 detects the temperature in the environment of the at least one temperature-sensitive component 8th and passes the detected temperature to the controller 9 , The regulation 9 is with the heating element 6 connected and controls the heating element 6 such that the temperature is above a threshold T _S. If the temperature is above the threshold value T _S , the switching element is 7 switched on and the electronics 3 or the temperature-sensitive component 8th are powered and / or on.

3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren wird vorteilhaft während der Einschaltphase des Feldgeräts eingesetzt. Nach dem Start bei dem Programmpunkt 100 wird die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente 8 bestimmt. Die so erhaltene Temperatur wird dann bei dem Programmpunkt 200 mit einem vorgegebenen Schwellwert T_S verglichen. Liegt die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente 8 oberhalb des Schwellwerts T_S oder ist die Temperatur gleich dem Schwellwert T_S, wird die zumindest eine temperaturempfindliche Komponente 8 bei dem Programmpunkt 500 eingeschaltet. 3 shows a schematic flow diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention. The method is advantageously used during the switch-on of the field device. After the start at the program point 100 the temperature in the environment of the temperature-sensitive component 8th certainly. The temperature thus obtained is then at the program point 200 compared with a predetermined threshold T _S. Is the temperature in the environment of the temperature-sensitive component 8th above the threshold value T _S or the temperature is equal to the threshold value T _S , the at least a temperature-sensitive component 8th at the program point 500 switched on.

Wenn aber die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente 8 unterhalb dem Schwellwert T_S liegt, wird die Temperatur mittels des Heizelements 6 und der Regelung 9 hochgeregelt (Programmpunkt 300). Nachdem diese Regelung bei Programmpunkt 300 in Gang gesetzt ist, wird die Temperatur wieder bestimmt und mit dem Schwellwert T_S verglichen (Progammpunkt 200). Die Schleife 400 wird solange durchlaufen, bis die Temperatur größer oder gleich dem Schwellwert T_S ist. Übersteigt die Temperatur den Schwellwert T_S, wird die zumindest eine temperaturempfindliche Komponente 8 eingeschaltet 500.But if the temperature in the environment of the temperature-sensitive component 8th is below the threshold T _S , the temperature by means of the heating element 6 and the scheme 9 highly regulated (program point 300 ). After this scheme at program point 300 is set, the temperature is again determined and compared with the threshold value T _S (Progammpunkt 200 ). The bow 400 is passed through until the temperature is greater than or equal to the threshold value T _S. If the temperature exceeds the threshold value T _S , the at least one temperature-sensitive component becomes 8th switched on 500 ,

4 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halterungsstruktur 12 und Module 11, 13. Das Heizmodul 11 befindet sich in der Mitte der Halterungsstruktur, ist aber selbstverständlich auch als eine von den äußeren Modulen realisierbar. Es ist auch denkbar, mehrere Heizmodule einzubauen. Weiterhin zu erkennen ist eine Frontfläche mit innenliegendem Masselayer 15 und eine Aluminiumplatte 14 mit Schrauben 18. An der Halterungsstruktur 12 sind Nuteinführungen 16 vorgesehen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Einführung als T-Nuteinführungen gebildet sind. Selbstverständlich sind andere formschlüssige Einführungen möglich. In 4 weisen die Module passende T-förmige Gebilde 17 auf, sodass die Module als Einschübe in die Halterungsstruktur 12 eingeführt werden können. Die Module können eingeschoben und dann mit der Aluminiumplatte 14 befestigt werden. 4 is a schematic representation of the structure of an embodiment of the support structure according to the invention 12 and modules 11 . 13 , The heating module 11 is located in the middle of the support structure, but of course also as one of the outer modules feasible. It is also conceivable to install several heating modules. Also visible is a front surface with internal ground layer 15 and an aluminum plate 14 with screws 18 , On the support structure 12 are groove introductions 16 provided, in this embodiment, the introduction are formed as T-slot entries. Of course, other positive introductions are possible. In 4 the modules have matching T-shaped structures 17 on, so that the modules as inserts into the support structure 12 can be introduced. The modules can be inserted and then with the aluminum plate 14 be attached.

In 4 werden Schrauben 18 benutzt, um die Aluminiumplatte 14 zu befestigen. Die Aluminiumplatte 14 ermöglicht eine effiziente Verteilung der Wärme, welche das Heizmodul 11 ausgibt. Die Frontfläche mit innenliegendem Masselayer 15 ist an der gegenüberliegenden Seite der Halterungsstruktur 12 von der Aluminiumplatte 14 positioniert. Die Seite der Frontfläche 15 wird im Gehäuse 2 so positioniert, dass diese der Öffnung des Gehäuses 2 am nächsten liegt. Diese Öffnung kann bspw. ein Display aufweisen. In der Regel gibt es keine weitere Metallschicht zwischen der Halterungsstruktur 12 und der Öffnung. Deshalb ist die Frontfläche 15 mit einer Metallschicht vorgesehen, die sowohl mit der Halterungsstruktur 12 als auch mit dem Gehäuse 12 auf Masse liegt. Somit kann ein sogenannter Faradayscher Käfig gebildet werden, der die Elektronik aufweisende Module umhüllt und von elektrischen Feldern abschirmt.In 4 be screws 18 used to the aluminum plate 14 to fix. The aluminum plate 14 allows efficient distribution of heat, which the heating module 11 outputs. The front surface with internal ground layer 15 is on the opposite side of the support structure 12 from the aluminum plate 14 positioned. The side of the front surface 15 will be in the case 2 positioned so that these are the opening of the housing 2 is closest. This opening may, for example, have a display. As a rule, there is no further metal layer between the support structure 12 and the opening. That's why the front surface 15 provided with a metal layer associated with both the support structure 12 as well as with the case 12 lies on earth. Thus, a so-called Faraday cage can be formed, which encloses the electronic modules and shields from electric fields.

5 ist eine schematische Darstellung der kompakten Zusammensetzung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels. Wenn die Aluminiumplatte 14 angeschraubt bzw. befestigt ist, sind die Module 11, 13 gesichert. Umgekehrt kann ein Modul auf einfache Weise ausgetauscht werden, indem man die hier dargestellte Zusammensetzung aus dem Gehäuse 2 ausbaut und die Aluminiumplatte 14 abschraubt. Dieser Aufbau ist daher sowohl robust gegenüber Vibrationen und anderen mechanischer Beanspruchung als auch montagefreundlich. 5 is a schematic representation of the compact composition of in 4 illustrated embodiment. If the aluminum plate 14 screwed or fastened, are the modules 11 . 13 secured. Conversely, a module can be easily replaced by the composition shown here from the housing 2 removed and the aluminum plate 14 unscrewing. This structure is therefore both robust against vibration and other mechanical stress as well as easy to install.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Versorgung care
22: Gehäuse casing
33: Elektronik electronics
44: Zusätzliche Versorgung Additional supply
55: Heizkörper radiator
66: Heizelement heating element
77: Schaltelement switching element
88th: temperaturempfindlichen Komponente temperature-sensitive component
99: Regelung regulation
1010: Temperaturmesseinheit Temperature measurement unit
1111: Heizmodul heating module
1212: Halterungsstruktur support structure
1313: Modulen modules
1414: Aluminiumplatte aluminum plate
1515: Frontplane mit innenliegenden Masselayer Frontplane with internal ground layer
1616: Nuteinführungen Nuteinführungen
1717: Gebilde shape
1818: Schrauben screw
400400: Schleifeloop

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005062421 A1 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

IEC 61508 [0013]
EN 61508 [0013]

Claims

Field device of automation technology with a housing ( 2 ), electronics ( 3 ) with at least one temperature-sensitive component ( 8th ) and a heating element ( 6 ) with a regulation ( 9 ), wherein the heating element ( 6 ) and the electronics ( 3 ) in the housing ( 2 ), wherein a temperature measuring unit ( 10 ), which measures the temperature in the vicinity of the temperature-sensitive component ( 8th ), the scheme ( 9 ) the heating element ( 6 ) so that the temperature in the environment of the temperature-sensitive component ( 8th ) is above a predetermined threshold (T _S ).

Field device of the automation technology according to claim 1, wherein the at least one temperature-sensitive component ( 8th ) of electronics ( 3 ) is designed so that the field device meets the requirements of a given safety standard.

Field device of the automation technology according to claim 2, wherein the field device satisfies the requirements of SIL1, SIL2, SIL3, or SIL4 security level.

Field device of the automation technology according to claim 1, wherein the field device is configured and / or the at least one temperature-sensitive component ( 8th ) of electronics ( 3 ) is designed so that it meets the requirements of an explosion protection / meet.

Field device of the automation technology according to claim 1, wherein the temperature measuring unit ( 10 ) the temperature in the environment of the electronics ( 3 ) and / or monitored.

Field device of the automation technology according to claim 1 or 5, wherein the temperature measuring unit ( 10 ) Has components that are functional in an extended temperature range.

Field device of the automation technology according to claim 1, wherein a switching element ( 7 ) is provided, wherein the switching element ( 7 ) the Electronic ( 3 ) when the temperature in the environment of the electronics ( 3 ) exceeds the predetermined threshold (T _S ).

Field device of the automation technology according to claim 1, wherein the heating element ( 6 ) is integrated in a potting compound and / or designed as a potting compound, wherein the potting compound at least partially with the electronics ( 3 ) is in contact.

Field device of the automation technology according to claim 1, wherein the heating element ( 6 ) in a circuit board and / or guide plate of the electronics ( 3 ) is integrated and / or as a layer of the guide plate of the electronics ( 3 ) is configured.

Field device according to at least one of the preceding claims, wherein a support structure ( 12 ) for mounting a module ( 11 ) or several modules ( 13 ) in the housing ( 2 ) is provided, wherein the heating element ( 6 ) in a heating module ( 11 ) is integrated and / or as a heating module ( 11 ), wherein the heating module on the support structure ( 12 ), and wherein the support structure ( 12 ) is manufactured so that the support structure ( 12 ) serves as a radiator to remove from the heating module ( 11 ) distributed heat energy to distribute.

Field device according to claim 10, wherein the support structure ( 12 ) made of aluminum or zinc or of a material which has a higher thermal conductivity than zinc.

Method for ensuring the correct functioning of a field device as in at least one of claims 1 to 11, during the switch-on phase, and the following steps: - the temperature in the environment of the temperature-sensitive component ( 8th ) is determined; In the event that the temperature is below a predetermined threshold value (T _S ), the heating element ( 6 ) is controlled so that the temperature in the environment of the temperature-sensitive component ( 8th ) is above the predetermined threshold value (T _S ); and - the at least one temperature-sensitive component ( 8th ) of electronics ( 3 ) is turned on when the temperature in the environment of the temperature-sensitive component ( 8th ) reaches the predetermined threshold (T _S ).