DE102018129353A1

DE102018129353A1 - Feldgerät der Automatisierungstechnik und Verfahren zur Herstellung eines solchen Feldgerätes

Info

Publication number: DE102018129353A1
Application number: DE102018129353.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Sulzer; Oliver Graf; Raphael Hess; Raphael Erni
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-05-28
Also published as: WO2020104168A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend mindestens eine Messkomponente zur Ermittlung einer Prozessvariablen eines Mediums in einem Behältnis und ein Gehäuse aus einem Vergussmaterial, wobei die Messkomponente ganz oder teilweise durch das Vergussmaterial ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial ein geschlossenzelliger Schaumstoff ist.

Description

Es sind vielfältige Varianten von Feldgeräten der Automatisierungstechnik bekannt, von denen die meisten Varianten ein Gehäuse zur Stabilisierung und zum Schutz der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten gegenüber der Umgebung aufweisen. Feldgeräte können aufgrund des breiten Einsatzgebietes besonders hohen Temperaturschwankungen unterliegen. Dies führt zu Materialausdehnungen und -schrumpfungen innerhalb des Gehäuses, was zu Fehlmessungen oder zum Ausfall von Elektronikbauteilen führen kann.
Aus der DE102012110665A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein durch zwei miteinander verschweißte Kunststoffformteile geformtes Kunststoffgehäuse aufweist. Eine derartige Konstruktion erlaubt zwar weiterhin den Zugriff auf einzelne Messkomponenten des Durchflussmessgerätes, ist jedoch nachteilig in Bezug auf die Lagefixierung der einzelnen Anschlusskabel.
Eine Lösung dieser Problematik wird in der DE102014117586A1 offenbart. Das Feldgerät umfasst einen aus einem Metallschaum gefertigten, teilweise mit Kunststoff gefüllten und/oder teilweise vom Kunststoff umgebenen Verbundwerkstoff in Form einer Verschalung. Eine derartige Konstruktion löst zwar die Fixierung durch das Einbetten der Verkabelung in einen Kunststoff, ist jedoch nachteilig in Bezug auf die Materialkosten und des Materialaufwandes, da eine ausreichende Fixierung und Stabilisierung nur durch die Kombination des aus Metallschaum gefertigten Verbundverkstoffes mit dem Kunststoff gewährleistet ist.
Die DE102014105569B3 offenbart ein Feldgerät mit einem zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material gefertigten und somit den Messrohrteilabschnitt und mindestens eine weitere daran befestigte Messkomponente passgenau umhüllenden Gehäuse. Diese Lösung ist zwar kostengünstig, da das gesamte Gehäuse nur einen einzelnen Schrumpfschlauch umfasst, der für die Fixierung und Stabilisierung sorgt, jedoch ist nachteilig, dass das Gehäuse nach dem Aufschrumpfen nicht wiederverwertbar ist.
Aus der DE10347878A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein aus einem Vergussmaterial geformtes und aus einem Epoxidharz oder Polyurethan bestehendes Gehäuse aufweist. Zur Aufbringung des Vergussmaterials wird das Messrohr mit einer Vergussform, beispielsweise aus Blech, umhüllt, welche dann mit dem Vergussmaterial gefüllt wird. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials wird die Vergussform entfernt, wobei diese insbesondere auch wiederverwendbar ist. Dieser Erfindung nachteilig ist, dass die Elektronikbauteile durch die Temperatur des Vergussmaterials beim Vergießen angegriffen werden und dass unerwünschte Lufteinschlüsse in Hinterfüllungen entstehen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Feldgerät mit einem Gehäuse aus einem Vergussmaterial bereitzustellen, das kostengünstig herstellbar ist und möglichst keine Hohlräume aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Feldgerät nach Anspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung des Feldgerätes nach Anspruch 12.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Automatisierungstechnik umfasst mindestens eine Messkomponente zur Ermittlung einer Prozessvariablen eines Mediums in einem Behältnis und ein Gehäuse aus einem Vergussmaterial, wobei die Messkomponente ganz oder teilweise durch das Vergussmaterial ummantelt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial ein geschlossenzelliger Schaumstoff ist.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozess-Automatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotentialmessgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Messkomponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Grenzstandsmessgeräten und/oder Analysemessgeräten.
Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermische und/oder magnetisch induktive Durchflussmessgeräte.
Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte, radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und/oder temperaturabhängigen Widerständen.
Grenzstandsmessgeräte sind insbesondere vibronische Grenzstandsmessgeräte, Ultraschall-Grenzstandsmessgeräte und/oder kapazitive Grenzstandsmessgeräte.
Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, und/oder ionenselektive Elektroden.
Bei Messkomponenten handelt es sich um die für die Ermittlung der Prozessgrößen notwendigen Bauteile. Ein Feldgerät umfasst mindestens eine Messkomponente. Die Messkomponenten eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes umfassen beispielsweise eine magnetfelderzeugende Vorrichtung und Messelektroden mit den dazugehörigen Anschlüssen und Kabeln. Für die Überwachung einer weiteren Prozessgröße, der Füllstand, wird zusätzlich eine Messstoffüberwachungselektrode verwendet. Die Messkomponenten eines Ultraschalldurchflussmessgerätes umfassen mindestens einen Ultraschalltransmitter und einen Ultraschallreceiver.
Schaumstoffe sind künstlich hergestellte Stoffe, die eine Zellstruktur aufweisen. Bei offenzelligem Schaumstoff sind die Zellwände nicht geschlossen, daher können Flüssigkeiten aufgenommen werden. Bei geschlossenzelligem Schaumstoff sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett geschlossen.
Insbesondere bei Gehäusen mit IP68 Schutzklassen Zertifizierung (Stand 2018) ist ein geschlossenzelliger Schaumstoff vorteilhaft gegenüber einem offenzelligen Schaumstoff.
Es sind Schaumstoffe aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Polyurethan, Epoxidharz, Silikon und Polyamid bekannt.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kollabiert beim Aushärten nicht, wächst nicht zu schnell und bleibt hinreichend viskos. So kann im Wesentlichen das gesamte Volumen in der Vergussform, insbesondere innerhalb eines integrierten Elektronikgehäuses und der Messkomponenten, mit dem geschlossenzelligen Schaumstoff ausgefüllt und somit Hohlräume vermieden werden.
Durch den Einsatz eines Härtersystems kann ein kontrolliertes und gemächliches Aufsteigen des geschlossenzelligen Schaumstoffes in der Vergussform erfolgen, ohne dass das System kollabiert.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kann bei Raumtemperatur eingebracht werden.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kann optional einen oder mehrere Reaktivverdünner aufweisen. Dieser Reaktivverdünner verringert die Viskosität des geschlossenzelligen Schaumstoffes um so ein besseres Anfließen in das Gehäuse und ein besseres Einbetten und Benetzen der Elektronikbauteile und der Gehäusewand zu ermöglichen. Ein Reaktivverdünner ist dabei nicht mit einem Verdünnungsmittel zu verwechseln, da vom Reaktivverdünner zumeist deutlich geringere Mengen benötigt werden, um die Viskosität des geschlossenzelligen Schaumstoffes auf eine gewünschte Zielviskosität herabzusetzen.
Gemäß einer Ausgestaltung weißt das Vergussmaterial eine hydrophobe Oberfläche auf.
Der technische Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt darin, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung sehr gut und dauerhaft ortsfest fixiert ist und gleichzeitig vor äußeren Einwirkungen wie beispielsweise Feuchte, Schmutz, Vibrationen etc. geschützt ist, wobei alle evtl. vorhandenen Hohlräume zwischen dem Messrohr und der Vergussform automatisch ausgefüllt werden. Die Fertigung ist dabei sehr kostengünstig durchführbar.
Bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist neben dem Einbetten der magnetfelderzeugenden Vorrichtung auch das Fixieren der elektrischen Zuleitungen durch das Vergussmaterial möglich. Die Zuleitungen sind dann ohne größeren Aufwand vibrationsfrei gehalten, was die Messgenauigkeit und Störsicherheit erhöht.
Weiterhin kann sich auch eine elektronische Signalwandlerbaugruppe, beispielsweise in der Vergussform angeordnet und somit in das Vergussmaterial mit eingebettet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung ist weist das das Vergussmaterial eine Topfzeit von mindestens 40 Minuten und bevorzugt von mindestens 30 Minuten auf.
Unter Topfzeit versteht man die Verarbeitbarkeitsdauer der reaktiven Komponenten, also die Zeit zwischen dem Mischen der Komponenten und dem Ende ihrer Verarbeitbarkeit. Ist die Topfzeit kurz, reagiert das Material schneller und es kann zu Beschädigungen wie z.B. Ablösung eines Kabels oder eines elektrischen Bauteils führen. Weiterhin hat der Schaum mit einer langen Topfzeit und einer langen Reaktionszeit die Möglichkeit auch jede Hinterschneidung oder jeden Hohlraum zu füllen.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Shore-Härte von mindestens 85D, insbesonderen von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 65D auf.
Die Shore-Härte beschreibt den mechanischen Widerstand, den das Vergussmaterial einem mechanischen Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt und hängt nur bedingt von der Festigkeit des Körpers ab. Die Shore-Härte ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN EN ISO 868, DIN ISO 7619-1 und ASTM D2240-00 (Stand 2018) festgelegt.
Gemäß einer Ausgestaltung erfüllt das Gehäuse die Anforderungen der IP68 (Stand 2018) Schutzklasse.
Die IP-Schutzklasse gibt die Widerstandsfähigkeit des Gehäuse eines Feldgerätes gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser an. Die beiden Zahlen der Schutzklasse haben folgende Bedeutung. Die erste Zahl gibt an, wie resistent das Gehäuse gegen das Eindringen von Fremdkörpern ist. Die zweite Zahl gibt die Dichtheit gegenüber Wasser an. Ein Gehäuse, das die Anforderung der IP68 Schutzklasse (Stand 2018) erfüllt, ist somit staubdicht und gegen dauerhaftes Eintauchen in Wasser geschützt.
Daher ist es von besonderem Vorteil, dass der geschlossenzellige Schaum beim Ausschäumen auch verwinkelte Bereiche zwischen den Messkomponenten und/oder in einem Messelektronikgehäuse ausfüllt, so dass keine Hohlräume entstehen, die entweder direkt eine Dichtheit gegenüber Wasser verhindern oder bereits bei geringem mechanischen Einwirken kollabieren und somit Defekte im Gehäuse erzeugen, was wiederum eine Ursache für das Eindringen von Wasser sein kann.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Dichte von mindestens 0,75 g/cm³ und bevorzugt mindestens 0,85 g/cm³ auf.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Expansionsrate von weniger als 90%, insbesondere weniger als 85% und bevorzugt weniger als 80% auf.
Die Expansionsrate gibt das Verhältnis zwischen der Dichte des geschlossenzelligen Schaumstoffes nach der Schaumbildung und der Dichte des geschlossenzelligen Schaumstoffes vor der Schaumbildung in Prozent an. Ein Vergussmaterial mit einer Expansionsrate von 50% halbiert seine Dichte bzw. verdoppelt sein Volumen nach der Schaumbildung.
Schaumstoffe mit geringer Expansionsrate weisen einen besonders hohen Volumenanteil an offenzelligen Strukturen auf. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Vergussmaterial eine Expansionsrate von weniger als 80% hat, da es bei der Füllung von Hinterschneidungen in Messkomponenten zu weniger Hohlräumen führt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine geringe Exothermie auf, wobei die durch die Reaktion der Komponenten freiwerdende Reaktionswärme zu einem Temperaturanstieg des Vergussmaterials von kleiner 100°C, insbesondere kleiner 70°C und bevorzugt kleiner 30°C führt.
Beim Vergießen von Elektronikbauteilen mit miteinander reagierenden und einen Schaumstoff bildenden Komponenten ist es besonders wichtig, dass es durch die freiwerdende Reaktionswärme nicht zu einer Beschädigung der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten kommt. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn in den Elektronikbauteilen oder in den Messkomponenten Kunststoffteile, beispielsweise in Form von Isolierungen, verbaut sind oder wenn wärmeempfindliche Elektronikbauteile verbaut sein.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial mindestens eine erste und eine zweite Komponente auf, wobei die erste Komponente ein Epoxidharz ist, wobei die zweite Komponente ein Härter ist, wobei das Vergussmaterial ein Verhältnis der ersten Komponente zur zweiten Komponente von mindestens 100:25, maximal 100:15 und bevorzugt 100:20 aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Vergussmaterial ein Polyuerethan.
Bei den für die Herstellung des Gehäuses verwendeten Polyurethanen handelt es sich zumeist um elastomere Kunststoffe, die auf Basis eines unmittelbar vor der Verarbeitung aus reaktiven Komponenten gebildeten, flüssigen Mehrkomponentensystems hergestellt sind, wobei letzteres jeweils nach dem Zusammenmischen in die Vergussform eingebracht und dort innerhalb einer vorgebbaren Reaktionszeit aushärten gelassen wird. Polyurethane werden bekanntlich nach dem Polyadditionsverfahren aus Di- und Poly-Isocyanaten mit mehrwertigen Alkoholen hergestellt. Als Komponenten können dabei beispielsweise Prepolymere, aufgebaut aus aliphatischen und/oder aromatischen Ether-Gruppen sowie Glycol und Isocyanat-Gruppen dienen, die mit dem zugeführten mehrwertigen Alkohol reagieren können.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der geschlossenzellige Schaum vorwiegend zwei Porengrößen auf, wobei die erste Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₁ umfasst, wobei die zweite Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₂ umfasst, wobei 200 µm ≤ d₁ ≤ 250 µm und 20 µm ≤ d₂ ≤ 50 µm gilt, wobei das Vergussmaterial ein Porenverhältnis der Poren mit der zweiten Porengröße zu den Poren mit der ersten Porengröße von mindestens 70:40, maximal 70:20 und bevorzugt 70:30 aufweist.
Die Poren im Vergussmaterial entstehen während des Ausschäumens. Das Ausschäumen dient der vorliegenden Erfindung dem gleichmäßigen Auffüllen der Vergussform und verhindert die Bildung von Hohlräumen.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Gehäuse einen Adapter mit Anschlüssen oder einen Transmitter, der von dem Vergussmaterial zumindest teilweise umschlossen ist.
Üblicherweise werden Transmitter oder elektronische Anzeige über einen Adapter mit dem Gehäuse verbunden. Daher müssen für Messrohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmesser jeweilige Adapter angefertigt und bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß ist die Vergussform derart geformt, dass der Adapter, insbesondere die Anschlüsse passend mitvergossen werden. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Vergussform auch stellenweise die Form des Adapters annimmt, was dazu führt, dass sich nach dem Vergießen ein Adapter mit ausbildet. Dessen Form hängt von der Form der Vergussform ab und kann somit für die jeweiligen Messrohre angepasst werden. Somit kann auf einen zusätzlichen Adapter verzichtet werden und der Transmitter oder die elektronische Anzeige kann direkt an das erhärtete Vergussmaterial angeschlossen werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte A)-I):

A) Verschalen der Messkomponenten und/oder der Elektronikbauteile mit einer Vergussform;
B) Aufwärmen der ersten Komponente des Vergussmaterials bei 27 bis 35°C, insbesondere bei mindestens 30°C und bevorzugt bei 30°C;
C) Homogenisieren der ersten Komponente des Vergussmaterials;
D) Mischen der ersten und der zweiten Komponente und optional mindestens einer dritten Komponente des Vergussmaterials;
E) Vergießen des Vergussmaterials in die Vergussform;
F) Abwarten einer Offenzeit von mindestens 30 Minuten in der sich das Vergussmaterial in der Vergussformausbreitet;
G) Heizen des Vergussmaterials bei einer ersten Heiztemperatur T_H,1 von 30°C ≤ T_H,1 ≤ 33°C und einer Luftfeuchtigkeit von kleiner gleich 75% und bevorzugt kleiner gleich 70% für mindestens 30 Minuten und insbesondere mindestens 1 Stunde;
H) Heizen des Vergussmaterials bei einer zweiten Heiztemperatur T_H,2 mit 55°C ≤ T_H,2 ≤ 65°C für mindestens 24 Stunden, insbesondere mindestens 12 Stunden und bevorzugt mindestens 8 Stunden; und
I) Entformen des Vergussmaterials von der Vergussform.

Bei der Vergussform können idealerweise herkömmlich, beispielsweise aus der DE102012110665A1 bekannte Schalen zurückgegriffen werden. Für ein einfaches Ablösen des Vergussform von dem Vergussmaterial weist die Innenseite der Vergussform eine antiadhesive Oberfläche auf, bzw. besteht die Vergussform aus einem antiadhesiven Material. Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung mit einem Fett oder Teflon. Üblicherweise wird die Vergussform mit Hilfe eines Druckgussverfahrens hergestellt. Erfindungsgemäß ist die Vergussform mittels einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Verschalung kann beispielsweise aus Blech oder Kunststoff hergestellt sein, insbesondere wiederverwendbar oder als „verlorene Form“ ausgeführt sein.
Weiterhin weist die Vergussform einen Zulauf auf, damit das aufschäumende Vergussmaterial vereinfacht in die Vergussform eingeführt werden kann. Ein Ablauf verhindert die Bildung eines erhöhten Innendruckes und die damit verbundene Beschädigung der Messkomponenten und/oder Elektronikbauteilen.
Bei der Offenzeit handelt es sich um die Zeit, die abgewartet werden muss, bis sich die Vergussmasse in der Vergussform ausgebreitet hat.
Komponenten zur Bildung eines Vergussmaterials liegen in der Regel nicht in einem homogenisierten Zustand vor. Für eine ideale Reaktionsbedingung muss die jeweilige Komponente jedoch homogen in dem Vergussmaterial verteilt sein. Nur dann kann die Bildung von Hohlräumen vermieden werden.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Zusammensetzungen des Vergussmaterials genannt:

Epoxidharz Komponentgemisch A+B mit einem Mischverhältnis MV(A: B) von 100:25 ≤ MV ≤ 100:15.
Polyurethan Komponentengemisch A+B mit einem Mischverhältnis MV(A: B) von 100:25 ≤ MV ≤ 100:15.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: einen schematischen Querschnitt eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit einem Gehäuse;
2: eine Perspektivansicht eines Feldgerätes mit einem Gehäuse und einer Vergussform;
3: eine Seitenansicht eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit einem Gehäuse und einem vergossenen Adapter; und
4: ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Ablaufes eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Feldgerätes.

Ein Beispiel für ein Feldgerät ist eine magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (4) (siehe 1). Der Aufbau und das Messprinzip des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (4) ist grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr (1) wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (5) ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung (5) eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder ein Polschuh mit aufgesetzter Spule. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr (1) eine Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres (1) angebrachten Messelektroden (3) abgegriffen wird. In der Regel sind diese diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse, die senkrecht zu einer Symmetrieachse der Magnetfeldlinien und der Längsachse des Rohres verläuft. Anhand der gemessenen Messspannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden. Um das Ableiten der an den Messelektroden (3) anliegenden Messspannung über das Rohr (2) zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material bzw. einem Kunststoff-Liner ausgekleidet. Das durch beispielsweise einen Elektromagneten aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität mittels einer Betriebseinheit erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Eine Mess- und/oder Auswerteeinheit (6) liest die an den Messelektroden (3) anliegende Spannung aus und gibt die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den errechneten Volumendurchfluss des Mediums aus. Bei dem in 1 dargestellten Querschnitt eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät befinden sich die Messelektroden (3) in direktem Kontakt mit dem Medium. Die Kopplung kann jedoch auch kapazitiv erfolgen.
Die Durchführung ist dabei vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie das Anschlusskabel oder die andere Elektronikkomponente vor Beschädigung schützt. So kann beispielsweise ein Kabelbruch im Bereich des Anschlusses vermieden werden. Erfindungsgemäß werden die Anschlüsse so mitvergossen, dass sie fixiert jedoch einfach zugänglich sind. Ein einfaches Aufstecken der Ausgabeeinheit direkt auf das Gehäuse (7) bzw. auf einem einem Adapter nachgebildeten Formteil,vereinfacht die Montage. Auf einen separaten Adapter (9) kann verzichtet werden.
Die 2 zeigt eine Perspektivansicht einerAusgestaltung eines teilweise verschalten Feldgerätes. Als Vergussform (8) wurde eine Schale verwendet, die üblicherweise bei Feldgeräten zum Schutz der Elektronikbauteile verbaut wird, in denen ein nachträglicher Zugriff auf das Innere des Gehäuses (7) vorgesehen ist. Sie kann jede beliebige Form annehmen. Bei speziellen Formwünschen eignet sich ein 3D-Druckverfahren. Nach dem Befüllen wird die Schale wieder entfernt, so dass sie für die Herstellung weiterer Gehäuse (7) verwendet werden kann. In der 2 nicht sichtbar ist ein in dem Vergussmaterial eingebetteter Transmitter, der die Messsignale an eine Anzeigeeinheit sendet.
Die 3 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgestaltung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (4) mit einem vergossenen Adapter (9). Dieser wird beim Vergießen so in die Vergussform (8) eingebracht, dass die Anschlüsse (10) freibleiben und nur das Endstück mit der Vergussmasse umschlossen ist. In dieser Ausgestaltung wurde eine Adapter (9) als separates Bauteil mitvergossen. Der Adapter (9) muss aber nicht notwendigerweise als separates Bauteil ausgebildet sein. Durch die Wahl der Vergussform (8) kann das Gehäuse (7) bzw. Teile des Gehäuses die Form des Adapters (9) annehmen. In diesem Fall werden die elektrischen Anschlüsse (10) während des Vergießens mit in die Vergussform (8) fixiert und so vergossen, dass die Kontaktstellen der Anschlüsse (10) nicht mitvergossen werden. Die Anzeigeeinheit kann dann direkt an das Gehäuse (7) angeschlossen werden, ein Adapter ist somit nicht notwendig.
Die 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung der einzelnen Verfahrenschritte A bis I des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Feldgerätes. In einem ersten Schritt A werden die Messkomponenten und/oder die Elektronikbauteile des Feldgerätes mit einer Vergussform vorbereitend verschalt. Die erste Komponente des Vergussmaterials muss üblicherweise kühl gelagert werden, daher wird in einem zweiten Schritt B die erste Komponente, der Epoxidharz oder eine der zwei Komponenten des Polyurethans auf 30°C erwärmt. Im dritten Schritt C wird die erste Komponente homogenisiert und dann im vierten Schritt D mit der zweiten Komponente, dem Härter, vermischt. Optional kam der Mischung eine weitere dritte Komponete hinzugefügt werden. Dies kann ein Flammschutzmittel sein zur Erfüllung der Ex-i-(DIN/ISO/IEC 60079-11) Norm (Stand 2018), ein Füllstoff und/oder ein Farbmittel. Diese Mischung wird in einem fünften Schritt E in die vorbereitete Vergussform vergoßen. Nach einer Offenzeit (Schritt F) von mindestens 30 Minuten, in der das Vergussmaterial Zeit hat sich in der Vergussform auszubreiten, wird das Vergussmaterial in einem siebten Verfahrensschritt bei einer Heiztemperatur von ca. 32°C und einer möglichst konstant gehaltenen Luftfeuchtigkeit von kleiner gleich 70% für mindestens eine halbe Stunde vorgeheizt. Dem folgt in einem achten Verfahrensschritt ein zweiter Herizvorgang bei ca. 60°C für mindestens 8 Stunden. In der Zeit härtet das Vergussmaterial vollends aus, so dass in einem letzten Schritt das Vergussmaterial von der Vergussform entschalt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Messrohr
2: Rohr
3: Messelektrode
4: magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
5: magnetfelderzeugende Vorrichtung
6: Mess- und/oder Auswerteeinheit
7: Gehäuse
8: Vergussform
9: Adapter
10: Anschlüsse
11: Feldgerät
A: Verschalung der Messkomponenten
B: Aufwärmen der ersten Komponente
C: Homogenisierung der ersten Komponente
D: Mischung der zwei Komponenten
E: Vergießung der Mischung in die Vergussform
F: Ausbreiten lassen des Vergussmaterials
G: erstes Heizen
H: zweites Heizen
I: Entformung des Vergussmaterials

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012110665 A1 [0002, 0050]
DE 102014117586 A1 [0003]
DE 102014105569 B3 [0004]
DE 10347878 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Normen DIN EN ISO 868 [0032]
DIN ISO 7619-1 [0032]
ASTM D2240-00 (Stand 2018) [0032]

Claims

Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend mindestens eine Messkomponente zur Ermittlung einer Prozessvariablen eines Mediums in einem Behältnis und ein Gehäuse (7) aus einem Vergussmaterial, wobei die Messkomponente ganz oder teilweise durch das Vergussmaterial ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial ein geschlossenzelliger Schaumstoff ist.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei das Vergussmaterial eine Topfzeit von mindestens 40 Minuten und bevorzugt von mindestens 30 Minuten aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial eine Shore-Härte von mindestens 85D, insbesonderen von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 65D (nach ISO 868 (Stand 2018)) aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (7) die Anforderungen der IP68 Schutzklasse (Stand 2018) erfüllt.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial eine Dichte von mindestens 0,75 g/cm³ und bevorzugt mindestens 0,85 g/cm³ aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial eine Expansionsrate von weniger als 90%, insbesondere weniger als 85% und bevorzugt weniger als 80% aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch die Reaktion der Komponenten freiwerdende Reaktionswärme zu einem Temperaturanstieg des Vergussmaterials von kleiner 100°C, insbesondere kleiner 70°C und bevorzugt kleiner 30°C führt.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial mindestens eine erste und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Epoxidharz ist, wobei die zweite Komponente ein Härter ist, wobei das Vergussmaterial ein Verhältnis der ersten Komponente zur zweiten Komponente von mindestens 100:25, maximal 100:15 und bevorzugt 100:20 aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial ein Polyuerethan umfasst.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschlossenzellige Schaum vorwiegend zwei Porengrößen aufweist, wobei die erste Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₁ umfasst, wobei die zweite Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₂ umfasst, wobei 200 µm ≤ d₁ ≤ 250 µm und 20 µm ≤ d₂ ≤ 50 µm gilt, wobei das Vergussmaterial ein Porenverhältnis der Poren mit der zweiten Porengröße zu den Poren mit der ersten Porengröße von mindestens 70:40, maximal 70:20 und bevorzugt 70:30 aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät ein Durchflussmessgerät umfasst, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (4).
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (7) einen Adapter (9) mit Anschlüssen (10) oder einen Transmitter umfasst, der von dem Vergussmaterial zumindest teilweise umschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes mit Messkomponenten und einem Gehäuse (7), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte A)-I): A) Verschalen der Messkomponenten und/oder Elektronikbauteile mit einer Vergussform (8); B) Aufwärmen der ersten Komponente des Vergussmaterials bei 32°C, insbesondere bei mindestens 30°C und bevorzugt bei 30°C; C) Homogenisieren der ersten Komponente des Vergussmaterials; D) Mischen der ersten und der zweiten Komponente und optional mindestens einer dritten Komponente des Vergussmaterials; E) Vergießen des Vergussmaterials in die Vergussform (8); F) Abwarten einer Offenzeit von mindestens 30 Minuten in der sich das Vergussmaterial in der Vergussform (8) ausbreitet; G) Heizen des Vergussmaterials bei einer ersten Heiztemperatur T_H,1 von 30°C ≤ T_H,1 ≤ 33°C und einer Luftfeuchtigkeit von kleiner gleich 75% und bevorzugt kleiner gleich 70% für mindestens 30 Minuten und insbesondere mindestens 1 Stunde; H) Heizen des Vergussmaterials bei einer zweiten Heiztemperatur T_H,2 mit 55°C ≤ T_H,2 ≤ 65°C für mindestens 24 Stunden, insbesondere mindestens 12 Stunden und bevorzugt mindestens 8 Stunden; und I) Entformen des Vergussmaterials von der Vergussform (8).