DE102015107306A1

DE102015107306A1 - Feldgerät zum Einsatz in der Prozessautomatisierung

Info

Publication number: DE102015107306A1
Application number: DE102015107306.4A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Michalski; Udo Grittke; Herbert Schroth; Bernd Strütt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2016-11-17
Also published as: EP3295775B1; US20180160574A1; CN107637189B; CN107637189A; EP3295775A1; US10327363B2; WO2016180635A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Feldgerät (1) zum Einsatz in der Prozessautomatisierung, welches ein Gehäuse (22) mit EMV-Schutz besitzt, das einen leitfähigen Gehäusekern (3) enthält, welcher allseitig kraft- oder stoffschlüssig von einem nicht leitfähigen Gehäusemantel (2) umgeben ist, wobei zumindest eine Leiterplatte (15) auf einen elektrisch leitenden Bereich (14) des Gehäusekerns (3) aufgelegt und verbunden ist und den Innenraum des Gehäuses in zumindest zwei Kammern (12, 13) mit unterschiedlichen EMV-Schutzgraden unterteilt, wobei die Leiterplatte (15) eine Durchbohrung (20) enthält, mit welcher zumindest eine erste und eine zweite elektronische Schaltung (10, 19), welche beabstandet voneinander in jeweils verschiedenen Kammern (12, 13) angeordnet sind, miteinander kontaktiert werden, wobei mittels Erdungskontakten (6, 16), die an der Innen- oder der Außenseite des Gehäuses angeordnet sind, der elektrisch leitfähige Gehäusekern (3) auf ein Erdungspotential gelegt wird, welches die Schaltungen (10, 19) mittels Bereichen (9) des Gehäusekerns (3), die durch den Gehäusemantel (2) in den Innenraum geführt werden, durch Federkontakte (11) elektrisch kontaktiert, wobei Übergänge (7) zu einer Sensor- oder Deckeleinheit (17, 18) in dem Gehäuse mittels Gewinde- und/oder Schleifkontakten so angeordnet werden, dass diese elektrisch mit dem Gehäusekern (3) verbunden sind und wobei Dichtungen (8) die Übergänge (7) vor Umwelteinflüssen schützen.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Feldgerät zum Einsatz in der Prozessautomatisierung, umfassend ein Gehäuse zur EMV-Abschirmung, das einen Innenraum umschließt, welcher aus zumindest einer ersten und einer zweiten Kammer besteht, zumindest einen Sensor, der in der ersten Kammer angeordnet ist, zur Messumwandlung von einer physikalischen Grüße in eine erste elektronische Messgröße, zumindest eine erste elektronische Schaltung, die in der ersten Kammer angeordnet ist, zum Betreiben des Sensors und Verarbeiten der ersten Messgröße in ein Zwischensignal, zumindest eine zweite elektronische Schaltung zum Speisen der ersten elektronischen Schaltung und Umwandlung des Zwischensignals in ein Ausgangssignal, das über eine Anschlussleitung ausgegeben werden kann und zumindest eine elektrisch leitfähige Barriere, die die zumindest ersten beiden Kammern räumlich voneinander trennt und diese dadurch verschiedene EMV-Bereiche darstellen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, bzw. Sensoren. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben.
Viele Feldgeräte für die Prozessautomatisierung sind unterschiedlichen Umwelteinflüssen, abhängig ihres Einsatzortes, ausgesetzt. In verschiedenen Industriebereichen sind somit unterschiedliche Einflüsse vorherrschend, die jeweils verschiedene Schutzmaßnahmen benötigen.
Etablierte Lösungen stellen Gehäuse aus Metall dar. Diese sind beispielsweise aus VA, Aluminium, o.ä. gefertigt. Zum Zweck der Korrosionsvermeidung werden diese Metallgehäuse mit unterschiedlichen Beschichtungen versehen. Dies ist jedoch mitunter ein teurer Verfahrensschritt.
Ebenso werden Kunststoffgehäuse angeboten. Diese haben aus Korrosionssicht erhebliche Vorteile gegenüber Metallgehäusen, haben aber den Nachteil, dass sie aus Sicht der mechanischen Robustheit den Metallgehäusen unterlegen sind. Für Hersteller von Feldgeräten ergibt sich daraus die Konsequenz, dass Geräte sowohl mit Metallgehäusen als auch mit Kunststoffgehäusen angeboten werden müssen.
Für die in den Gehäusen untergebrachten elektronischen Schaltungen ergeben sich daraus aber aus Sicht des EMV-Schutzes erhebliche Unterschiede, die sich in unterschiedlich erforderlichen Schutzmaßnahmen für Metall und Kunststoff niederschlagen und damit erheblichen Mehraufwand in der Entwicklung ergeben. Im Stand der Technik werden Kunststoffgehäuse mit einer dünnen Metallschicht an der Gehäuseinnenseite versehen, die mittels verschiedener Methoden, wie beispielsweise Aufdampfen, Lackieren, Sputtern, Galvanisieren, etc. aufgebracht werden können und dadurch einen Faraday’schen Käfig bilden. Diese Schichten sind allerdings sehr dünn und können für keine zusätzliche mechanische Stabilität des Gehäuses sorgen, außerdem sind diese genannten Fertigungsprozesse mitunter kostenintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Feldgerät zum Einsatz in der Prozessautomatisierung zu schaffen, dessen Gehäuse kostengünstig gefertigt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Gehäuse gelöst, das aus einem Gehäusekern aus leitfähigem Material und einem den Gehäusekern allseitig umgebenden Gehäusemantel aus nicht leitfähigem Material besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Gehäusekern aus Metall, der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel ist aus Kunststoff gefertigt.
Der Vorteil in der Wahl dieser Materialien besteht darin, dass das Gehäuse kostensparend gefertigt werden kann, da aufwändige Beschichtungen des Metallgehäuses oder das Auftragen dünner Metallschichten auf den Kunststoff nicht benötigt werden.
Das erfindungsgemäße Feldgerät bietet außerdem den Vorteil, dass es universell in unterschiedlichsten Industriebereichen unabhängig von Umwelteinflüssen einsetzbar ist. Der Gehäusekern bietet die erforderliche Robustheit gegenüber mechanischen Einflüssen. Der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel bringt den besten Korrosionsschutz. Durch den leitfähigen Gehäusekern ist außerdem eine Abschirmung von elektromagnetischen Störungen gewährleistet.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Gehäusekern aus zumindest einem, bevorzugt zwei oder mehreren einzelnen Komponenten zusammengesetzt.
Gemäß einer Ausführung ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel kraftschlüssig oder stoffschlüssig auf den Gehäusekern aufgebracht, was für zusätzliche mechanische Stabilität sorgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel durch ein Spritzgussverfahren auf den Gehäusekern aufgebracht.
Durch die Fertigung mittels Spritzgussverfahren lassen sich hohe Stückzahlen bei geringen Fertigungspreisen erzielen. Der Fertigungsprozess ist gegenüber bisherigen Herstellungsprozessen von Gehäusen für Feldgeräte beschleunigt, da auf spezielle Oberflächenbehandlungen der verwendeten Komponenten verzichtet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel durch eine Schrumpfverbindung auf den Gehäusekern aufgebracht.
Diese Variante ist in DE 10 2014 105 569 A1 für Halbschalen des Gehäuses eines magnetisch induktiven Messgeräts beschrieben und bietet den Vorteil einer sehr schnellen Fertigung bei niedrigen Fertigungskosten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel durch eine Schnappverbindung auf den Gehäusekern aufgebracht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel durch eine Schraubverbindung auf den Gehäusekern aufgebracht.
Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel durch eine Nietverbindung auf den Gehäusekern aufgebracht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der den Gehäusekern allseitig umgebende Gehäusemantel durch eine Klebeverbindung auf den Gehäusekern aufgebracht.
Gemäß einer Weiterbildung wird als zumindest erste elektrisch leitfähige Barriere eine Leiterplatte mit einer Durchgangsbohrung zum Verbinden der ersten und der zweiten elektronischen Schaltung verwendet, die auf einen elektrisch leitenden Bereich des Gehäusekerns aufgelegt und verbunden ist, wodurch verschiedene Kammern im Innenraum des Gehäuses mit unterschiedlichen EMV-Schutzgraden geschaffen werden können.
Die Sensorelektronik der ersten elektronischen Schaltung kann dadurch außerdem von der Elektronik einer zweiten, signalverarbeitenden Schaltung getrennt werden, was Störeinflüsse verringert. Die Durchgangsbohrung erlaubt das elektrische Verbinden der ersten und der zweiten elektronischen Schaltung miteinander.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind elektrische Erdungskontakte, die mit dem Gehäusekern in elektrischer Verbindung sind, durch den Gehäusemantel durchgeführt und mit einem korrosionsbeständigen Kontakt ausgestattet, wodurch eine externe Erdung angelegt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist im Innenraum zumindest eine Erdungsklemme so angebracht und angeordnet, dass diese am Gehäusekern elektrisch kontaktiert ist. Dadurch kann eine, von einem externen Kommunikationssignal mitgebrachte Erdung mit dem Gerätekern in Verbindung gebracht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Variante sind Bereiche des Gehäusekerns durch den Mantel in den Innenraum geführt, wodurch Erdungsanschlüsse der ersten elektronischen Schaltung mittels Federkontakten elektrisch kontaktiert sind.
Gemäß einer Ausgestaltung sind Übergänge zwischen dem Gehäuse und beispielsweise einer Sensoreinheit so angebracht und angeordnet, dass diese durch Gewinde und/oder Schleifkontakte elektrisch mit dem Gehäusekern verbunden sind, was einen einfachen Austausch dieser Komponenten ermöglicht, ohne dass durch den Tausch das gesamte Gehäuse ersetzt werden müsste.
Gemäß einer Ausführung sind die Übergänge mit Dichtungen, beispielsweise Silikondichtungen o.ä. versehen, die die Übergänge vor Umwelteinflüssen schützen. Dadurch kann das Feldgerät selbst in Prozessumgebungen mit widrigen Umwelteinflüssen eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Gerätedeckel so angebracht und angeordnet, dass er elektrisch mit dem Gehäusekern verbunden ist.
Die Möglichkeit, den elektrisch leitfähigen Gehäusekern durch in den Innenraum geführte Bereiche mittels Federkontakten zu kontaktieren, beispielsweise für Erdungsanschlüsse der enthaltenen Elektronik, und die Option, Sensoren, Deckel oder andere Elemente mittels Gewinden und/oder Schleifkontakten elektrisch mit dem Gehäusekern zu verbinden, bietet die Möglichkeit eines universalen Einsatzes für verschiedenste Ausführungsformen des Feldgeräts.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass es möglich ist, bedingt durch die elektrische Isolation aufgrund des nicht leitfähigen Gehäusemantels an der Innenseite des Gehäuses, Schaltungsleitungen eng an der Innenseite des Gehäuses anzuordnen, ohne dass es einen Kurzschluss aufgrund einer Kontaktierung dieser Leitungen mit der Gehäusemasse gibt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Feldgeräts 1.
1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Feldgeräts 1 am Beispiel eines Messgerätes. Der elektrisch leitfähige Gehäusekern 3 bildet die Basis des Gehäuses 22. Durch den Gehäusekern 3 ist die mechanische Stabilität des Gehäuses 22 gewährleistet. Der Gehäusekern 3 kann als ein dünnes, tiefgezogenes Blech, beispielsweise aus Kupfer, VA, Eisen, etc., oder aus einem geeigneten Gussverfahren, wie beispielsweise Aluminiumdruckguss, ausgeformt werden und umschließt einen Innenraum. Der Gehäusekern 3 kann dabei aus einem oder mehreren Teilen bestehen. So kann beispielsweise eine Deckeleinheit 18, bestehend aus derselben Materialkombination wie das Gehäuse 22 selbst, implementiert werden.
Der Gehäusekern 3 ist allseitig von einem nichtleitfähigen Gehäusemantel 2 umgeben. Dieser besteht aus einem Kunststoff, beispielsweise Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK), etc. und kann mittels diverser Verfahren, wie Umspritzen, einer Schnappverbindung, einer Schrumpfverbindung, einer Schraubverbindung, einer Nietverbindung oder einer Klebeverbindung mit dem Gehäusekern 3 kraft- oder stoffschlüssig verbunden werden.
Zumindest eine Leiterplatte 15 wird als elektrisch leitfähige Barriere auf einen elektrisch leitenden, freiliegenden Bereich 14 des Gehäusekerns 3 gelegt und elektrisch verbunden. Dadurch wird der Innenraum des Gehäuses in zumindest zwei Bereiche unterteilt, die jeweils von einem Faraday’schen Käfig, den Gehäusekern 3 und Leiterplatte 15 bilden, umgeben ist. Dadurch werden zumindest zwei Kammern 12, 13 gebildet, die unterschiedliche EMV-Schutzgrade ausweisen können. Die erste elektronische Schaltung 10 und die zweite elektronische Schaltung 19 sind beabstandet voneinander in den jeweiligen Kammern 12, 13 angeordnet. Da das primäre Sensorsignal sehr störanfällig ist, muss der EMV-Schutzgrad in der ersten Kammer 13 hoch sein, weswegen Informationen mit der Umwelt mittels einer Anschlussleitung 21 in der zweiten Kammer 12 ausgetauscht werden. Die Verbindung beider Schaltungen 10, 19 wird mittels einer Durchgangsbohrung 20 in der Leiterplatte 15 ermöglicht.
Zur Abschirmung von elektromagnetischen Störsignalen müssen der Faraday’sche Käfig, den der Gehäusekern 3 und die mit diesem verbundene Leiterplatte 15 bilden, und die elektrischen Schaltungen 10, 19, auf dasselbe Erdungspotential gelegt werden. Auf der Außenseite des Gehäusemantels 2 liegende, durch den Gehäusemantel 2 durchgeführte Erdungskontakte 6 bieten die Möglichkeit, eine externe Erdung anzulegen. Bringt das externe Kommunikationssignal über den Geräteanschluss, beispielweise über eine Buchse, eine eigene Erdung mit, so kann der Gehäusekern 3 über eine interne Erdungsklemme 16 auf dieses Erdungspotential gelegt werden. Elektronikelemente der elektronischen Schaltungen 10, 19 können über durch den Gehäusemantel 2 geführte Bereiche 9 des Gehäusekerns 3 beispielweise mittels Federkontakten 11 auf das Erdungspotential des Gehäusekerns 3 zugreifen.
Sind im Gehäuse 22 Übergänge 7 vorhanden, beispielsweise zwischen einer eingebauten Sensoreinheit 17 und dem Gehäuse 22, oder einer Deckeleinheit 18 und dem Gehäuse 22, so kann mittels Gewinden und/oder Schleifkontakten eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Damit diese Übergänge 7 vor Umwelteinflüssen geschützt sind, werden diese mit Dichtungen 8 versehen. Diese Dichtungen 8 können beispielsweise Formdichtungen aus einem thermoplastischen Elastomer sein.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
2: Gehäusemantel
3: Gehäusekern
4, 5: Teile des Gehäusekerns
6: Erdungskontakt
7: Übergang
8: Dichtung
9: in den Innenraum hineinreichende Bereiche des Gehäusekerns
10: erste elektronische Schaltung
11: Federkontakte
12, 13: Kammern
14: elektrisch leitender Bereich
15: Leiterplatte
16: Erdungskontakt in Innenraum
17: Sensoreinheit
18: Gehäusedeckel
19: zweite elektronische Schaltung
20: Durchgangsbohrung
21: Anschlussleitung
22: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014105569 A1 [0018]

Claims

Feldgerät (1) zum Einsatz in der Prozessautomatisierung, umfassend – ein Gehäuse (22) zur EMV-Abschirmung, das einen Innenraum umschließt, welcher aus zumindest einer ersten Kammer (13) und einer zweiten Kammer (12) besteht; – zumindest einen Sensor (17), der in der ersten Kammer (13) angeordnet ist, zur Messumwandlung von einer physikalischen Größe in eine erste elektronische Messgröße; – zumindest eine erste elektronische Schaltung (10), die in der ersten Kammer (13) angeordnet ist, zum Betreiben des Sensors (17) und Verarbeiten der ersten Messgröße in ein Zwischensignal; – zumindest eine zweite elektronische Schaltung (20), die in der zweiten Kammer (12) untergebracht ist, zum Speisen der ersten elektronischen Schaltung (10) und Umwandlung des Zwischensignals in ein Ausgangssignal, das über eine Anschlussleitung ausgegeben werden kann; – zumindest eine elektrisch leitfähige Barriere (15), die die zumindest ersten beiden Kammern (12, 13) räumlich voneinander trennt und diese dadurch verschiedene EMV-Bereiche darstellen; dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) aus einem Gehäusekern (3) aus leitfähigem Material und einem den Gehäusekern (3) allseitig umgebenden Gehäusemantel (2) aus einem nicht leitfähigen Material besteht.
Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekern (3) aus Metall besteht.
Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) aus Kunststoff besteht.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekern (3) aus zumindest einem, bevorzugt zwei (4, 5) oder mehreren einzelnen Komponenten zusammengesetzt ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) kraftschlüssig oder stoffschlüssig auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) durch ein Spritzgussverfahren auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) durch eine Schrumpfverbindung auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) durch eine Schnappverbindung auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) durch eine Schraubverbindung auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) durch eine Nietverbindung auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gehäusekern (3) allseitig umgebende Gehäusemantel (2) durch eine Klebeverbindung auf den Gehäusekern (3) aufgebracht ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste elektrisch leitfähige Barriere eine Leiterplatte (15) mit einer Durchgangsbohrung zum Verbinden der ersten und der zweiten elektronischen Schaltung (10, 20) ist, die auf einen elektrisch leitenden Bereich (14) des Gehäusekerns (3) aufgelegt und verbunden ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Erdungskontakte (6), die mit dem Gehäusekern in elektrischer Verbindung sind, durch den Gehäusemantel (2) durchgeführt und mit einem korrosionsbeständigen Kontakt ausgestattet sind.
Feldgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum zumindest eine Erdungsklemme (16) so angebracht und angeordnet ist, dass diese am Gehäusekern elektrisch kontaktiert ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche des Gehäusekerns (3) durch den Mantel (2) in den Innenraum geführt sind (9), wodurch Erdungsanschlüsse der ersten elektronischen Schaltung mittels Federkontakten (11) elektrisch kontaktiert sind.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Übergänge (7) so angebracht und angeordnet sind, dass diese durch Gewinde und/oder Schleifkontakte elektrisch mit dem Gehäusekern (3) verbunden sind.
Feldgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge (7) mit Dichtungen (8) versehen sind, die vor Umwelteinflüssen schützen.
Feldgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gerätedeckel (19) so angebracht und angeordnet ist, dass er elektrisch mit dem Gehäusekern (3) verbunden ist.