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Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit für ein Messgerät der Prozess- oder Automatisierungstechnik sowie ein Messgerät mit einer derartigen Bedieneinheit.
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In der Automatisierungs- und Prozesstechnik kommen häufig Sensoren bzw. Messgeräte zum Einsatz, die den erfassten Messwert - z.B. Druck, Temperatur, Durchfluss, aber auch Abstand oder Vibration - in ein diesen Messwert repräsentierendes Ausgangssignal in Form eines analogen oder digitalen Strom- oder Spannungssignals umwandeln und dieses Signal an ihrem Kabel- oder Steckeranschluss, aber teilweise auch drahtlos zur weiteren Verarbeitung einer übergeordneten Steuereinheit anbieten, bspw. einer SPS.
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Ein typisches Messgerät besteht zunächst aus einem Sensorelement, auch als Messwertaufnehmer bezeichnet, das der Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal dient. Des Weiteren ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die häufig als Mikrocontroller ausgeführt ist und in der die vom Sensorelement generierten Messsignale aufbereitet, d.h. verstärkt, und zumeist auch schon verarbeitet werden. Die Auswerteinheit ist ausgangsseitig sowohl mit einer Anzeigeeinheit als auch mit einer Kommunikationsschnittstelle verbunden, über die die aufbereiteten Messsignale an die bereits erwähnte Steuereinheit übertragen werden können. Auf der Anzeigeeinheit werden die aktuellen Messwerte angezeigt. Des Weiteren dient die Anzeigeeinheit häufig auch zum Einrichten und Parametrieren des Messgeräts. Hierzu verfügt das Messgerät zusätzlich noch über entsprechende Eingabemöglichkeiten. Bei typischen Messgeräten der in Rede stehenden Art sind diese Eingabemöglichkeiten als Bedientasten ausgeführt, durch deren Betätigen ein Mikrotaster beeinflusst wird. Beispielhaft wird hierzu auf die
DE102014206486A1 verwiesen.
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Abgesehen von mechanischen Schaltern und Tastern sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, Geräte allein durch eine Berührung durch die geschlossene Gehäusewand hindurch zu bedienen. So ist z.B. eine magnetische Betätigung bekannt, bei der ein Reedkontakt im Geräteinneren durch einen außen am Gehäuse beweglich angebrachten Magneten betätigt wird. Ferner ist eine optisch reflektierende Auslösung durch eine transparente Gehäusewand, beispielsweise eine Glasscheibe eines Anzeigeinstruments, bekannt. Die optisch reflektierende Auslösung wird regelmäßig im Bereich von Anzeigern eingesetzt. Bspw. ist aus der
DE102005048021 B3 ein Automatisierungsgerät bekannt, das mittels eines passiven Infrarotsensors lokal bedienbar ist.
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Alle diese Schalter und Taster benötigen jedoch eine Unterbrechung des Gehäuses, in der z.B. eine Glasscheibe oder dergleichen eingesetzt ist, wodurch sich Dichtigkeitsprobleme ergeben, oder einen an der Gehäuseaußenseite angebrachten und damit aufwendigen Aufbau, bspw. in Form von Magneten.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE102013225076B4 ist bekannt, durch die geschlossene Gehäusewand hindurch die Erkennung eines Tastendrucks zu erfassen, und zwar nach dem kalorimetrischen Prinzip durch Berührung einer auf der Gehäusewand vorgesehenen sensitiven Fläche. Dabei wird die durch die Berührung der sensitiven Fläche hervorgerufene Temperaturänderung infolge des auftretenden Wärmetransports bestimmt.
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Die
US 2013/0126325 A1 offenbart eine Bedieneinheit eines elektronischen Geräts mittels kapazitiver Berührungssensoren. Durch das Niederdrücken eines verformbaren Bereichs aus Metall ändert sich der Kapazitätswert des kapazitiven Sensors, so dass sich dadurch ein Tastendruck erkennen lässt. Allerdings lässt sich die dort gezeigte Lösung nur auf Bedieneinheit bzw. Bedienfelder mit sehr dünnen Gehäusedicken anwenden. Bei den in Rede stehenden Messgeräten, die für den Einsatz in der Automatisierungs- und Prozesstechnik vorgesehen sind, müssen deren Gehäuse entsprechend dicker und damit stabiler ausgeführt werden, um den häufig sehr rauen Industriebedingungen standzuhalten.
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Aus der
DE102011075942A1 ist eine Bedieneinrichtung für ein Elektrogerät bekannt. Die Bedieneinrichtung weist unterbrechungsfreie Gehäuse-Bereiche, einen mehrschichtigen Leiterverbund und eine eine Messkammer ausbildende Kunststoffschicht mit mehreren Unterbrechungen auf.
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Aus der
US 5086652 A ist ein Berührungssensor zur Messung von Kräften an mehreren Positionen bekannt, bei dem die einzelnen Sensoren durch flexible Lagen von Mylar-Polyester miteinander verbunden sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Möglichkeit zu schaffen, um ein Messgerät der eingangs genannten Art durch eine robuste geschlossene Gehäusewand hindurch bedienen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Bedieneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Messgerät der Prozess- oder Automatisierungstechnik mit den Merkmalen des Anspruchs 8, welches eine derartige Bedieneinheit umfasst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Bedienung des Messgeräts erfolgt durch Drücken auf eines der Bedienfelder der Bedieneinheit, in Form formveränderlicher oder elastischer Gehäuse-Bereiche. Unter den Gehäusebereichen ist jeweils ein kapazitives Sensorelement angeordnet. Die Sensorelemente weisen dabei jeweils eine erste Elektrode als eine untere Kondensatorplatte und eine parallel darüber angeordnete Gegenelektrode als obere Kondensatorplatte auf. Durch Drücken auf einen der Gehäuse-Bereiche erfolgt eine Annäherung der jeweiligen oberen Kondensatorplatte an die jeweilige untere Kondensatorplatte, wodurch eine Kapazitätsänderung ausgelöst wird.
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Die erste Elektrode ist auf einem ersten Trägermaterial und die Gegenelektrode auf einem zweiten Trägermaterial aufgebracht. Die elastischen Gehäuse-Bereiche weisen gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung jeweils eine partielle Schwächung im Bereich der oberen Kondensatorplatte auf, welche jeweils als haptisch wahrnehmbare Vertiefung der äußeren Gehäusewandung ausgebildet sind.
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Erfindungswesentlich ist, dass die Gehäuse-Bereiche - und damit das Gehäuse des Messgeräts insgesamt - unterbrechungsfrei nebeneinander angeordnet sind und dass die Sensorelemente Teile eines mehrschichtigen Leiterplattenverbundes sind, welcher an den Innenseiten der Gehäuse-Bereiche anliegt. Bevorzugt sind die Gehäuse-Bereiche aus einem Metall geformt, wobei aber auch andere geeignete Materialien wie Kunststoffe infrage kommen können. Das Gehäuse des Messgeräts kann somit in vorteilhafter Weise als Tiefziehteil ausgeführt sein, was die Herstellkosten deutlich verringert, und der Leiterplattenverbund wird gemäß vorteilhafter Weiterbildungen bspw. stoffschlüssig mit den Innenseiten der Gehäuse-Bereiche verbunden, vorzugsweise mittels einer Klebung, oder alternativ dazu mittels einer Klemmvorrichtung an die Innenseiten der Gehäuse-Bereiche, d.h. einstückig über alle Bedienfelder hinweg, angedrückt bzw. gepresst. Damit ist eine dauerhafte und feste Verbindung zwischen den Gehäuse-Bereichen und dem Leiterplattenverbund gewährleistet.
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Der Leiterplattenverbund umfasst zumindest das erste Trägermaterial, das aus mehreren Segmenten starrer Leiterplatten mit jeweils dazwischen angeordneten flexiblen Zwischenstücken besteht und bevorzugt als Starrflex-Platine ausgebildet ist, und das zweite Trägermaterial in Form einer leitfähigen Schicht, welche bevorzugt als Leiterfilm ausgebildet ist, die beide über eine dazwischenliegende Kunststoffschicht voneinander beabstandet sind. Die Kunststoffschicht weist dabei mehrere Unterbrechungen zur Ausbildung der Sensorelemente sowie eines Entkopplungsbereichs zwischen den Bedieneinheiten auf. Unter einem Leiterfilm ist vorliegend ein Polyimid-Substrat mit strukturierten Leiterbahnen zu verstehen, während eine Starrflex-Platine ein Verbund von mehreren Segmenten aus herkömmlichen, starren Leiterplatten ist, die jeweils durch ein filmartiges und damit flexibles Zwischenstück miteinander verbunden sind.
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Sowohl die Herstellung des beschriebenen Leiterplattenverbunds als auch dessen Einbau im Messgerät ist vergleichsweise einfach, so dass die Erfindung insbesondere in Kombination mit einem im Tiefziehverfahren hergestellten Messgerätegehäuse eine kostengünstige Lösung für eine Bedieneinheit eines Messgeräts mit unterbrechungsfreiem Gehäuse bietet. Der durch das Tiefziehverfahren häufig eintretende Verzug wird durch den flexiblen Leiterplattenverbund ausgeglichen, wobei der Leiterplattenverbund durch den Anteil starrer Leiterplattensegmente, die gewissermaßen als Fundament fungieren, die notwendige Stabilität erhält. Vor allem wenn die in Rede stehenden Messgeräte im Hygiene-Bereich eingesetzt werden sollen, stellt das Vorsehen einer Bedieneinheit am Messgerät regelmäßig eine besondere Herausforderung dar. Durch die Erfindung ist es nun möglich, Messgeräte, die vor Ort bedienbar sein müssen, kostengünstig mit hygienetauglichen Bedieneinheiten auszustatten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein Messgerät für die Prozessmesstechnik gemäß dem Stand der Technik,
- 2 den Gehäusekopf des Messgeräts aus 1 nach dem Stand der Technik,
- 3 eine Seitenansicht eines Gehäusekopfs mit einer erfindungsgemäßen Bedieneinheit, bestehend aus drei Bedienfeldern,
- 4 eine Draufsicht auf den Gehäusekopf aus 3 und
- 5 Schnittbild durch ein erfindungsgemäßes Bedienfeld und
- 6 Schnittbild durch eine erfindungsgemäße Bedieneinheit, bestehend aus zwei Bedienfeldern.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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In den 1 und 2 ist ein Messgerät 1 für die Prozessmesstechnik gemäß dem Stand der Technik abgebildet, vorliegend ein Druckmessgerät, das von der Anmelderin unter der Bezeichnung PNxxxx vertrieben wird. Das Messgerät 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, das sich unterteilt in ein Oberteil 3 und ein Unterteil 4. Das Unterteil, auch als Prozessanschluss bezeichnet, umfasst zum einen die Sensoreinheit, bspw. eine Druckmesszelle bei einem Druckmessgerät, und ermöglicht zum anderen die mechanische Verbindung des Messgeräts 1 mit dem das Medium enthaltenen Behälter oder Rohr. Alternativ kann im Unterteil 4 auch eine Schnittstelle zum Anschluss einer entfernt angeordneten Sensoreinheit vorgesehen sein. Im Oberteil 3 befindet sich die Elektronikeinheit, die zur Auswertung und Aufbereitung der von der Sensoreinheit gelieferten Messsignale vorgesehen ist, welche dann über den dargestellten Steckeranschluss abgegriffen und bspw. an eine SPS weitergeleitet werden kann.
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Auf dem Oberteil 3 aufgesetzt ist ein Gehäusekopf 5, der u.a. eine Anzeigevorrichtung 6 und drei erfindungsgemäße Bedienelemente 10 aufweist. Aus der 2, die den separierten Gehäusekopf 5 zeigt, wird die Anordnung der Anzeige 6 und der drei Bedienelemente 10 nochmals deutlich. Über die Bedienelemente 10 wird das Messgerät 1 bedient, d.h. eine Parametrierung oder eine Einstellung von wesentlichen Eckdaten, wie bspw. den Schaltpunkten vorgenommen. Die jeweiligen Aktionen werden dem Benutzer über die Anzeige 6 angezeigt.
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In den 3 und 4 ist jeweils ein Gehäusekopf 5 mit einer erfindungsgemäßen Bedieneinheit 10 abgebildet, wobei das bekannte Bedienkonzept mit drei tastenartigen Eingabemöglichkeiten 10a übernommen wurde. Im Unterschied zu dem bekannten Messgerät aus den 1 und 2 sind hier jedoch keine separaten Tasten vorhanden, sondern der Gehäuse-Bereich 2a ist um die Bedieneinheit 10 herum unterbrechungsfrei und lediglich als in den Gehäuse-Bereich 2a eingebrachte, haptisch wahrnehmbare Vertiefung ausgeführt. Die Oberfläche des Gehäuse-Bereichs 2a kann entsprechende Markierungen aufweisen, die es dem Anwender ermöglicht, den entsprechend zu betätigenden Gehäuse-Bereich 2a zuordnen zu können. Durch die gestrichelten Kreise sollen diese Bedienfelder 10a angedeutet werden. Im Ergebnis ist damit eine Bedienung des Messgeräts 1 durch die geschlossene Gehäusewand hindurch möglich.
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5 zeigt ein Schnittbild durch ein erfindungsgemäßes Bedienfeld 10a als Teil einer aus mehreren Bedienfeldern 10a bestehenden Bedieneinheit 10. Grundsätzlich besteht das Bedienfeld 10a aus einem Leiterplattenverbund 100, der an der Innenseite eines Gehäuse-Bereichs 2a von einem Messgerätegehäuse 2 anliegt. Vorliegend ist der Leiterplattenverbund 100 mittels einer Klebeschicht 14 stoffschlüssig mit der Innenseite des Gehäuse-Bereichs 2a verbunden. Es sind jedoch auch andere Befestigungs- bzw. Verbindungsmöglichkeiten denkbar, insbesondere ein Andrücken des Leiterplattenverbundes 100 an die Innenseite des Gehäuse-Bereichs 2a mittels einer Klemmvorrichtung, bspw. in Form von Federelementen.
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Der Leiterplattenverbund 100 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Trägermaterial 12, welches bevorzugt in Form einer Starrflex-Platine ausgebildet ist, und einem zweiten Trägermaterial 13 in Form einer leitfähigen Schicht, welche bevorzugt als Leiterfilm ausgebildet ist. Beide Trägermaterialien 12, 13 sind durch eine segmentartige Kunststoffschicht 15 als Abstandshalter derart voneinander beabstandet, dass sich zwischen ihnen eine Messkammer 17 ausbildet.
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Die Starrflex-Platine 12 umfasst im Bereich eines Bedienfeldes 10a ein flexibles Zwischenstück 12b, auf deren Unterseite die eigentliche Leiterbahn 12c und auf deren Oberseite ein Leiterplattensegment 12a angeordnet ist. Die Leiterbahn 12c erstreckt sich dabei auch quer durch das flexible Zwischenstück 12b und das Leiterplattensegment 12a hindurch und bildet an der Oberseite des Leiterplattensegments 12a im Bereich der Messkammer 17 eine flächige, erste Elektrode 11a aus.
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Die entgegengesetzte Seite der Messkammer 17 wird durch den Leiterfilm 13 gebildet. Das Polyimid-Trägersubstrat ist dabei der Gehäusewandung 10, 10a zugewandt, während eine die Leiterbahn bildende Kupferschicht der Messkammer 17 zugewandt ist. Diese flächig ausgebildete Kupferschicht stellt im Bereich der Messkammer 17 eine Gegenelektrode 11b dar.
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Durch diesen Aufbau erhält der Leiterplattenverbund 100 einerseits eine gewisse Flexibilität, die es ihm ermöglicht, sich an die Gehäuseinnenseite anzuschmiegen und kleinere, insbesondere fertigungsbedingte Unebenheiten auszugleichen, und andererseits aber durch den Anteil starrer Leiterplattensegmente 12a, die gewissermaßen als eine Art Fundament fungieren, auch die notwendige Stabilität.
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Die erste Elektrode 11a und die Gegenelektrode 11b bilden zusammen ein kapazitives Sensorelement 11 in Form eines Messkondensators. Dieses Sensorelement 11 ist unterhalb eines formveränderlichen oder elastischen Gehäuse-Bereichs 2a angeordnet, welches sich durch den Druck eines aufgelegten Fingers verformt bzw. durchbiegt. Durch das feste Anliegen des Leiterplattenverbundes 100 an der Gehäuseinnenseite wird bei einer Verformung des Gehäuse-Bereichs 2a parallel die Gegenelektrode 11b mit verformt. Die Verformung der Gegenelektrode 11b führt zu einer Annäherung an die parallel zu ihr angeordneten ersten Elektrode 11a, was zu einer Kapazitätsänderung des gebildeten Kondensators führt.
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Der Polyimid-Träger des Leiterfilms 13 fungiert zusätzlich noch als elektrischer Isolator, denn der Gehäuse-Bereich 2a selbst bzw. dessen Material hat keinerlei Einfluss auf das Sensorelement 11. Vor allem stellt der Gehäuse-Bereich 2a selbst keine Elektrode dar, so dass das Gehäuse aus einem beliebigen Material bestehen kann.
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Zur besseren haptischen Wahrnehmung und zur Erzeugung einer Sollknickstelle weist der Gehäuse-Bereich 2a oberhalb des Sensorelements 11 eine partielle Schwächung 2b in Form einer muldenartigen Vertiefung auf.
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Die Darstellung ist nicht maßstabsgerecht und soll lediglich den grundsätzlichen Aufbau verdeutlichen. Die Dicke des Gehäuses 10, 10a liegt im Bereich der Vertiefung bei etwa 1 mm. Die insgesamte Materialstärke des Gehäuses 10 kann selbstverständlich auch höher liegen. Der Leiterfilm 13 weist eine Stärke im Bereich von etwa 90 µm auf, während die Kunststoffschicht 15 etwa 50 µm dick ist (zzgl. einer eventuellen Klebeschicht) und die Starrflex-Platine 12 insgesamt etwa 1,6 mm dick ist. Für die Messkammer 17 ergibt sich eine Breite von ca. 13 mm.
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6 zeigt ein Schnittbild durch eine erfindungsgemäße Bedieneinheit 10, bestehend aus zwei Bedienfeldern 10a gemäß 5. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle nur noch auf die zusätzlichen Elemente eingegangen.
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Zu erkennen ist, dass die Gehäuse-Bereiche 2a der beiden Bedienfelder 10a unterbrechungsfrei nebeneinander angeordnet sind, so dass das Messgerät - zumindest im Bereich der Bedieneinheit - aus einem durchgehenden Gehäuse gebildet werden kann. Zu erkennen ist des Weiteren, dass die Kunststoffschicht 15 mehrere Unterbrechungen aufweist, nicht nur zur Ausbildung der Messkammer 17, wie bereits zu 5 beschrieben, sondern auch zur Ausbildung eines Entkopplungsbereichs 16 zwischen den beiden Bedienfelder 10a, durch den die beiden Bedienfelder 10a mechanisch voneinander getrennt sind und sich ein Drücken eines Bedienfeldes 10a nicht auf das andere überträgt. Der Leiterplattenverbund 100 kann somit einstückig ausgebildet werden und erstreckt sich über alle Bedienfelder 10a hinweg.
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Die Breite einer Bedieneinheit 10a liegt bevorzugt bei etwa 20 mm, während der Entkopplungsbereich etwa 5 mm breit ist. Die in 6 dargestellte Bedieneinheit 10 hat somit eine Gesamtbreite von etwa 45 mm.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Gehäuse des Messgeräts
- 2a
- Gehäuse-Bereich
- 2b
- partielle Schwächung des Gehäuse-Bereichs
- 3
- Oberteil
- 4
- Unterteil
- 5
- Gehäusekopf
- 6
- Anzeige
- 10
- Bedieneinheit
- 10a
- Bedientaste / Bedienfeld
- 11
- kapazitives Sensorelement
- 11a
- erste Elektrode
- 11b
- Gegenelektrode
- 12
- erstes Trägermaterial, Starrflex-Platine
- 12a
- Leiterplattensegment
- 12b
- flexibles Zwischenstück
- 12c
- Leiterbahn
- 13
- zweites Trägermaterial, flexibler Leiterfilm
- 14
- Klebeschicht
- 15
- Abstandshalter, Kunststoffschicht
- 16
- Entkopplungsbereich
- 17
- Messkammer
- 100
- Leiterplattenverbund
