DE102021100815B3 - Process automation field device - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät (1) der Prozessautomatisierung mit wenigstens einer ersten Komponente (3) mit einer für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts (1) minimalen Betriebstemperatur, wenigstens einem ersten Thermoschalter, wobei der erste Thermoschalter (11) derart angeordnet und verschaltet ist, eine erste Schaltaufgabe bei Unterschreiten einer ersten Grenztemperatur T1auszuführen, wobei der erste Thermoschalter (11) ein aus einem ersten Formgedächtnismaterial gebildetes mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aufweist.The present invention relates to a field device (1) for process automation, having at least one first component (3) with a minimum operating temperature for proper operation of the field device (1), at least one first thermal switch, the first thermal switch (11) being arranged and connected in this way to carry out a first switching task when the temperature falls below a first limit temperature T1, the first thermal switch (11) having a mechanically acting temperature-sensitive element formed from a first shape-memory material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät der Prozessautomatisierung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a field device for process automation according to the preamble of patent claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Feldgeräte bekannt.Various field devices are known from the prior art.

Unter dem Begriff Feldgerät werden dabei verschiedene technische Einrichtungen verstanden, die mit einem Produktionsprozess in direkter Beziehung stehen. „Feld“ bezeichnet dabei den Bereich außerhalb von Leitwarten. Feldgeräte können damit insbesondere Aktoren, Sensoren und Messumformer sein.The term field device is understood to mean various technical devices that are directly related to a production process. "Field" refers to the area outside of control rooms. Field devices can thus be actuators, sensors and measuring transducers in particular.

Feldgeräte mit entsprechenden Sensoren können bspw. als Füllstand-, Druck-, Durchfluss- oder Dichtemessgeräte ausgebildet sein.Field devices with corresponding sensors can, for example, be in the form of level, pressure, flow or density measuring devices.

Solche Feldgeräte kommen unter verschiedensten Umgebungsbedingungen zum Einsatz. Die Umgebungsbedingungen umfassen dabei unter anderem auch die Temperatur. Ein Feldgerät besitzt immer einen Betriebstemperaturbereich, in dem es ordnungsgemäß und ohne Gefahren oder Probleme betrieben werden kann. Der Betriebstemperaturbereich ist der durch eine minimale Betriebstemperatur und eine maximale Betriebstemperatur begrenzte Temperaturbereich, in dem das Feldgerät ordnungsgemäß funktioniert. Bei einer Unterschreitung der minimalen Betriebstemperatur, kann das Feldgerät bspw. beheizt, und bei Überschreitung einer maximalen Betriebstemperatur gekühlt werden. Ist bspw. eine Beheizung des Feldgeräts nicht möglich, so ist auch ein Betrieb bei Umgebungstemperaturen unterhalb der minimalen Betriebstemperatur nicht möglich und das Feldgerät muss zur Vermeidung von Fehlfunktionen oder Beschädigungen abgeschaltet werden. Genauso muss das Feldgerät ohne Kühlung oberhalb der maximalen Betriebstemperatur, also bei zu hohen Temperaturen geschützt werden. Es besteht ansonsten die Gefahr, dass das Feldgerät im Betrieb beschädigt wird, da nicht mehr alle elektronischen Bauteile unter Last für die hohen Temperaturen ausgelegt sind. Es kann dann sinnvoll sein, den Sensor von der Spannungsversorgung zu trennen, ihn dadurch auszuschalten und die Elektronik so zu schützen.Such field devices are used under a wide variety of environmental conditions. The ambient conditions also include the temperature, among other things. A field device always has an operating temperature range in which it can be operated properly and without danger or problems. The operating temperature range is the temperature range bounded by a minimum operating temperature and a maximum operating temperature in which the field device functions properly. If the minimum operating temperature is not reached, the field device can be heated, for example, and if the maximum operating temperature is exceeded, it can be cooled. If, for example, the field device cannot be heated, operation at ambient temperatures below the minimum operating temperature is also not possible and the field device must be switched off to avoid malfunctions or damage. In the same way, the field device without cooling must be protected above the maximum operating temperature, i.e. if the temperature is too high. Otherwise there is a risk that the field device will be damaged during operation, since not all electronic components are designed for the high temperatures under load. It can then make sense to disconnect the sensor from the power supply, thereby switching it off and thus protecting the electronics.

Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Übertemperatursicherungen bekannt, bei denen Bauteile bei zu hoher Temperatur ausschalten. Meist müssen dann manuell die Sicherungen wieder eingeschaltet werden.So-called over-temperature fuses are known from the prior art, in which components switch off when the temperature is too high. In most cases, the fuses then have to be switched on again manually.

Außerdem sind aus dem Stand der Technik Temperaturfühler bekannt, die einen Schaltbefehl an eine Elektronik geben, die dann die Spannungsversorgung trennt.In addition, temperature sensors are known from the prior art, which give a switching command to electronics, which then separates the power supply.

Ferner existieren im Stand der Technik elektrische Bauteile, die bei Überschreiten einer Temperatur zerstört werden, bspw. dadurch, dass sie schmelzen, und dadurch eine Notabschaltung hervorrufen.Furthermore, there are electrical components in the prior art which are destroyed when a temperature is exceeded, for example by melting, and thereby causing an emergency shutdown.

Für tiefe Temperaturen sind aus dem Stand der Technik Heizelemente bekannt, die das Feldgerät beheizen. Allerdings ist dies nur so möglich, dass die Heizelemente entweder dauerhaft aktiviert sind, da nur so sichergestellt werden kann, dass das Heizelement auch bei Temperaturen unterhalb der minimalen Betriebstemperatur bspw. der Elektronik aktiviert wird. Heizelemente, die temperaturgesteuert ein- und ausgeschaltet werden, werden über einen Temperaturfühler, der von der Elektronik des Feldgeräts ausgelesen wird, gesteuert und können daher nur innerhalb des Betriebstemperaturbereichs der Elektronik betrieben werden. Bei tieferen Temperaturen kann bspw. der Effekt auftreten, dass in bestimmten Anwendungsfällen das Feldgerät, bspw. ein Sensor beim Einschalten nicht anläuft, da ein verwendeter Mikrocontroller bei zu tiefer Umgebungstemperatur undefiniert anläuft und dementsprechend nur instabil betrieben wird.For low temperatures, heating elements that heat the field device are known from the prior art. However, this is only possible in such a way that the heating elements are either permanently activated, since this is the only way to ensure that the heating element is also activated at temperatures below the minimum operating temperature, for example of the electronics. Heating elements that are switched on and off under temperature control are controlled via a temperature sensor that is read by the electronics of the field device and can therefore only be operated within the operating temperature range of the electronics. At lower temperatures, for example, the effect can occur that in certain applications the field device, for example a sensor, does not start up when it is switched on, since a microcontroller used starts up in an undefined manner when the ambient temperature is too low and is therefore only operated unstably.

Dies wird im Stand der Technik als Nachteil empfunden.This is perceived as a disadvantage in the prior art.

Heizelemente, die dauerhaft in Betrieb sind, sind ebenfalls nicht optimal, da diese durch ihre Heizwirkung zum Einen den Energieverbrauch des Feldgeräts erhöhen, und zum Anderen den Betriebstemperaturbereich nach oben hin verkleinern, d.h. dass die tatsächlichen Außentemperaturen, bei denen das Feldgerät betrieben werden kann verringert, werden, da die zusätzliche Heizleistung der Heizelemente auf die Komponenten des Feldgeräts wirkt.Heating elements that are permanently in operation are also not optimal, since their heating effect increases the energy consumption of the field device on the one hand, and on the other hand reduces the operating temperature range upwards, i.e. the actual outside temperatures at which the field device can be operated are reduced , because the additional heating power of the heating elements acts on the components of the field device.

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich ferner auf autarke Feldgeräte, insbesondere autarke Füllstand- oder Grenzstandsensoren. Autarke Feldgeräte weisen eine integrierte Energieversorgung auf und können dadurch ohne eine externe Energieversorgung betrieben werden. Bspw. sind solche autarken Feldgeräte vollständig durch einen integrierten Energiespeicher, bspw. eine Batterie mit Energie versorgt. Zusätzlich können Energy-Harvesting-Komponenten verbaut sein, mittels derer kleinste Energiemengen aus der Umgebung des Feldgeräts in elektrische Energie umgewandelt und gespeichert werden. Die können bspw. photovoltaische Zellen zur Umwandlung von Licht, thermoelektrische Zellen zur Umwandlung von Temperaturdifferenzen oder Antennen zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie sein.The present application also relates to self-sufficient field devices, in particular self-sufficient filling level or point level sensors. Self-sufficient field devices have an integrated power supply and can therefore be operated without an external power supply. For example, such self-sufficient field devices are completely supplied with energy by an integrated energy store, for example a battery. In addition, energy harvesting components can be installed, by means of which the smallest amounts of energy from the environment of the field device can be converted into electrical energy and stored. These can be, for example, photovoltaic cells for converting light, thermoelectric cells for converting temperature differences or antennas for converting electromagnetic radiation into electrical energy.

Die autarken Füllstand- oder Grenzstandsensoren sind vorzugsweise als Radarsensoren ausgebildet und weisen - um die Autarkie der Sensoren sicher zu stellen - neben einem Messaufnehmer zur Erfassung von Messdaten eine Übermittlungseinrichtung zur, vorzugsweise drahtlosen, Übermittlung erfasster Messdaten oder Messwerte und eine eigene Energieversorgung auf. Die Übermittlungseinrichtung kann bevorzugt ein Funkmodul für eine Schmalbandfunktechnologie (LoRa, Sigfox, LTE-M, NB-IOT) sein, das die Messdaten oder Messwerte in eine Cloud, d.h. auf einen Server im World Wide Web überträgt. Die Energieversorgung ist vorzugsweise als Batterie oder Akkumulator ausgebildet und kann zusätzlich ein Energy-Harvesting-Modul umfassen.The self-sufficient filling level or point level sensors are preferably designed as radar sensors and, in order to ensure the self-sufficiency of the sensors, have, in addition to a sensor for acquiring measurement data, a transmission device for preferably wireless transmission of acquired measurement data or measurement values, and their own power supply. The transmission device can preferably be a radio module for narrowband radio technology (LoRa, Sigfox, LTE-M, NB-IOT), which transmits the measurement data or measurement values to a cloud, ie to a server on the World Wide Web. The energy supply is preferably designed as a battery or accumulator and can also include an energy harvesting module.

Typische Anwendungsszenarien für solche Feldgeräte umfassen insbesondere Lagerbestandsverwaltung oder Messaufgaben an mobilen Behältnissen.Typical application scenarios for such field devices include, in particular, inventory management or measurement tasks on mobile containers.

Bekannte Feldgeräte der vorgenannten Art ermöglichen es bisher, Messwerte zu übermitteln, sodass eine übergeordnete Einheit basierend auf dem ermittelten Messwert eine vorbestimmte Aktion auslöst. Bspw. kann basierend auf dem Messwert eines Füllstandmessgerätes bei Überschreiten eines Grenzwertes ein Zulauf geschlossen, oder ein Ablauf geöffnet werden.Known field devices of the aforementioned type previously made it possible to transmit measured values, so that a higher-level unit triggered a predetermined action based on the determined measured value. For example, based on the measured value of a fill level measuring device, an inlet can be closed or an outlet can be opened if a limit value is exceeded.

Bei autarken Feldgeräten ist es besonders wichtig, dass möglichst wenig Energie verbraucht wird, um einen möglichst langen Betrieb der Feldgeräte zu ermöglichen. Daher werden auch hier dauerhaft aktivierte Heizelemente als nachteilig angesehen.In the case of self-sufficient field devices, it is particularly important that as little energy as possible is consumed in order to enable the field devices to be operated for as long as possible. Therefore, here too, permanently activated heating elements are regarded as disadvantageous.

Aus der DE 10 2005 062 421 A1 ist eine Heizeinrichtung für ein Feldgerätedisplaymodul bekannt, mit einem elektronisch wirkenden Thermostat. Die Temperatur kann mit einer an dem Display angeordneten Messeinrichtung gemessen und der Messwert an eine Heizelementsteuereinrichtung weitergeleitet werden.From the DE 10 2005 062 421 A1 a heating device for a field device display module is known, with an electronically acting thermostat. The temperature can be measured with a measuring device arranged on the display and the measured value can be forwarded to a heating element control device.

Die DE 10 2013 114 736 A1 zeigt ein Feldgerät mit einem Heizelement, einer Regelung und einer separaten Temperaturmesseinheit.the DE 10 2013 114 736 A1 shows a field device with a heating element, a controller and a separate temperature measuring unit.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feldgerät derart weiterzubilden, dass dieses in einem größeren Temperaturbereich eingesetzt werden kann, vorteilhafterweise besonders energiesparend.It is the object of the present invention to further develop a field device in such a way that it can be used in a larger temperature range, advantageously in a particularly energy-saving manner.

Diese Aufgabe wird durch ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This problem is solved by a field device with the features of patent claim 1 .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.Advantageous configurations and variants of the invention result from the dependent claims and the following description. The features listed individually in the subclaims can be combined with one another in any technically meaningful way, as well as with the features explained in more detail in the following description, and represent other advantageous embodiment variants of the invention.

Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Prozessautomatisierung mit wenigstens einer Komponente mit einer für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts minimalen Betriebstemperatur, wenigstens einem ersten Thermoschalter, wobei der erste Thermoschalter derart angeordnet und verschaltet ist, eine erste Schaltaufgabe bei Unterschreiten einer ersten Grenztemperatur T1 auszuführen, zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Thermoschalter ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aufweist.A field device according to the invention for process automation with at least one component with a minimum operating temperature for proper operation of the field device, at least one first thermal switch, the first thermal switch being arranged and connected in such a way that a first switching task is carried out when the temperature falls below a first limit temperature T 1 , is characterized in that from that the first thermal switch has a mechanically acting temperature-sensitive element.

Durch ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element wird erreicht, dass ein Schalten unabhängig von einem Betrieb der Elektronik bzw. einer Betriebsbereitschaft der Elektronik erfolgt, d. h. die Schaltaufgabe wird auch dann ausgeführt, wenn die Elektronik aufgrund der Umgebungstemperatur nicht funktionsfähig ist.A mechanically acting, temperature-sensitive element ensures that switching occurs independently of whether the electronics are in operation or whether the electronics are ready for operation, i. H. the switching task is also carried out if the electronics are not functional due to the ambient temperature.

Das mechanisch wirkende temperatursensitive Element ist aus einem ersten Formgedächtnismaterial gebildet.The mechanically acting temperature-sensitive element is formed from a first shape-memory material.

Ein temperatursensitives Formgedächtnismaterial weist abhängig von der Temperatur zwei unterschiedliche Strukturen auf, wobei die Umwandlung zwischen den beiden Strukturen mit einer Formänderung des Formgedächtnismaterials einhergeht. Durch die Formänderung kann somit ein temperaturabhängiges Schalten des Thermoschalters auf einer rein mechanischen Ebene realisiert werden.A temperature-sensitive shape-memory material has two different structures depending on the temperature, with the conversion between the two structures being accompanied by a change in shape of the shape-memory material. As a result of the change in shape, temperature-dependent switching of the thermal switch can be implemented on a purely mechanical level.

Bei der temperaturabhängigen Phasenumwandlung handelt es sich in der Regel um eine Umwandlung zwischen den Kristallstrukturen Martensit und Austenit. Die Kristallstruktur Austenit liegt bei höheren Temperaturen und die Kristallstruktur Martensit bei niedrigeren Temperaturen vor. Die Kristallstrukturen bzw. Phasen können jeweils durch Temperaturänderung ineinander übergehen (Zweiwegeffekt). Dabei ist das Formgedächtnismaterial in der Lage, sich in eine zuvor - zum Beispiel durch starke Deformation - eingeprägte Gestalt zurück zu verformen. Die Phasenumwandlung ist reversibel.The temperature-dependent phase transformation is usually a transformation between the crystal structures of martensite and austenite. The austenite crystal structure exists at higher temperatures and the martensite crystal structure at lower temperatures. The crystal structures or phases can change into one another as a result of temperature changes (two-way effect). The shape-memory material is able to deform back into a shape that was previously impressed—for example, by severe deformation. The phase transformation is reversible.

Bei hoher Temperatur ist eine Legierung des Formgedächtnismaterials austenitisch, bei tieferen Temperaturen martensitisch. Wird ein Bauteil einer martensitischen Formgedächtnislegierung unterhalb einer kritischen Temperatur verformt, so findet nur eine reversible Formänderung statt. Sobald das Bauteil über die Umwandlungstemperatur erwärmt wird, bildet sich Austenit mit der ursprünglich vorhandenen Orientierung, so dass das Bauteil in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Die Gefügeumwandlungen beim Erwärmen bzw. beim Abkühlen erfolgen bei unterschiedlichen Temperaturen, das heißt, es wird eine Hystereseschleife durchfahren.An alloy of the shape memory material is austenitic at high temperatures and martensitic at lower temperatures. Becomes a component of a martensitic shape memory alloy below deformed at a critical temperature, only a reversible change in shape takes place. Once the component is heated above the transformation temperature, austenite forms with the original orientation, so that the component returns to its original shape. The structural transformations during heating and cooling take place at different temperatures, which means that a hysteresis loop is run through.

Durch die Verwendung einer Formgedächtnislegierung als temperatursensitives Element in dem Thermoschalter kann eine Ausgestaltung erreicht werden, bei der ein temperaturabhängiges Schalten ausschließlich auf Basis der Verformung erfolgt.By using a shape memory alloy as a temperature-sensitive element in the thermal switch, an embodiment can be achieved in which temperature-dependent switching takes place exclusively on the basis of the deformation.

In einer Ausgestaltungsform können als Formgedächtnismaterial Formgedächtnislegierungen zum Einsatz kommen, die einen sog. Einwegeffekt aufweisen. Wird ein Element aus einer Formgedächtnislegierung im martensitischen Zustand im martensitischen Bereich verformt, so findet lediglich ein Verschieben der hochbeweglichen Zwillingsgrenzen statt. Beim Erwärmen auf die Grenztemperatur zum Austentit erfolgt die Umwandlung in den austentitischen Bereich. Damit wird die ursprüngliche Form des Elements wiederhergestellt. Da eine nachfolgende Abkühlung des Materials keine weitere Formänderung hervorruft, wird dieser Effekt als Einwegeffekt bezeichnet. Mittels einer geeigneten Gegenkraft, die bspw. durch eine Feder, bspw. eine Druckfeder aufgebracht werden kann, kann das Element aber im martensitischen Zustand wieder verformt werden.In one embodiment, shape memory alloys that have a so-called one-way effect can be used as the shape memory material. If an element made of a shape memory alloy in the martensitic state is deformed in the martensitic range, only the highly mobile twin boundaries are shifted. When heated to the limit temperature for austenite, the transformation into the austenitic range takes place. This restores the element to its original shape. Since subsequent cooling of the material does not cause any further change in shape, this effect is referred to as a one-way effect. However, the element can be deformed again in the martensitic state by means of a suitable counterforce, which can be applied, for example, by a spring, for example a compression spring.

In dieser Ausgestaltungsform können das Formgedächtnismaterial und die Gegenkraft vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt sein, dass das Material bei einer Abkühlung unter die erste Grenztemperatur durch die Gegenkraft derart verformt wird, dass ein gewünschter Schalteffekt erzielt, insbesondere ein elektrischer Kontakt geschlossen wird, wobei bei einer Erwärmung des Materials durch den Formgedächtniseffekt der entgegengesetzte Schalteffekt erzielt, insbesondere der elektrische Kontakt wieder geöffnet wird.In this embodiment, the shape memory material and the counterforce can preferably be matched to one another in such a way that the material is deformed by the counterforce when it cools below the first limit temperature in such a way that a desired switching effect is achieved, in particular an electrical contact is closed, with heating of the Material achieved by the shape memory effect of the opposite switching effect, in particular the electrical contact is opened again.

In einer Ausgestaltung kann das Feldgerät einen zweiten Thermoschalter aufweisen, wobei der zweite Thermoschalter ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element, vorzugsweise aus einer zweiten Formgedächtnislegierung aufweist und derart ausgebildet und verschaltet ist, eine zweite Schaltaufgabe bei Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur T2 auszuführen.In one configuration, the field device can have a second thermal switch, the second thermal switch having a mechanically acting, temperature-sensitive element, preferably made of a second shape-memory alloy, and being designed and connected in such a way as to carry out a second switching task when a second limit temperature T 2 is exceeded.

Das temperatursensitive Element des zweiten Thermoschalters kann dabei derart ausgestaltet sein, dass die Formgedächtnislegierung bei einem Anstieg der Temperatur über die zweite Grenztemperatur bspw. eine Lüftung aktiviert oder das Feldgerät stromfrei schaltet und dadurch schützt. Auch in dieser Ausgestaltungsform kann mittels einer Gegenkraft eine Rückstellung bewirkt werden, wobei auch hier das Formgedächtnismaterial und die Gegenkraft so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Übersteigen der zweiten Grenztemperatur der gewünschte Schalteffekt erzielt wird.The temperature-sensitive element of the second thermal switch can be designed in such a way that the shape memory alloy activates ventilation or de-energizes the field device and thereby protects it when the temperature rises above the second limit temperature. In this embodiment, too, resetting can be effected by means of a counterforce, with the shape-memory material and the counterforce also being matched to one another here such that the desired switching effect is achieved when the second limit temperature is exceeded.

Vorzugsweise ist die erste Grenztemperatur niedriger ist als die zweite Grenztemperatur. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Betriebstemperaturfenster sowohl nach unten als auch nach oben vergrößert werden kann.The first limit temperature is preferably lower than the second limit temperature. In this way it can be achieved that an operating temperature window can be enlarged both downwards and upwards.

Das Feldgerät kann ferner einen dritten Thermoschalter aufweisen, wobei der dritte Thermoschalter ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element, vorzugsweise aus einem dritten Formgedächtnismaterial aufweist und derart ausgebildet und verschaltet ist, eine dritte Schaltaufgabe bei Überschreiten einer dritten Grenztemperatur T3 auszuführen, wobei die dritte Grenztemperatur vorzugsweise höher ist als die erste Grenztemperatur und niedriger als die zweite Grenztemperatur sein kann.The field device can also have a third thermal switch, with the third thermal switch having a mechanically acting, temperature-sensitive element, preferably made of a third shape-memory material, and being designed and connected in such a way as to perform a third switching task when a third limit temperature T 3 is exceeded, the third limit temperature preferably being higher is than the first limit temperature and can be lower than the second limit temperature.

Durch einen dritten Thermoschalter kann eine weitere Schaltaufgabe bei einer weiteren vorgegebenen Temperatur aktiviert werden.A third thermal switch can be used to activate another switching task at another specified temperature.

Durch die bei der Gefügeumwandlung der Formgedächtnismaterialien auftretende Hysterese können ferner weitere Schaltaufgaben bei Erreichen der jeweils zweiten Umwandlungstemperatur erfolgen.Due to the hysteresis that occurs during the structural transformation of the shape-memory materials, further switching tasks can also take place when the respective second transformation temperature is reached.

In einer Ausgestaltung kann der erste Thermoschalter bei einer Temperatur, die größer als die erste Grenztemperatur ist, auch manuell aktivierbar sein. Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass ein Feldgerät, das bspw. bei wärmeren Temperaturen vorbereitet und vorkonfiguriert wird, bereits mit aktivierter Heizung in die kalte Umgebung gebracht wird.In one configuration, the first thermal switch can also be activated manually at a temperature that is greater than the first limit temperature. This can ensure, for example, that a field device that is prepared and preconfigured at warmer temperatures, for example, is brought into the cold environment with the heating already activated.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform aktiviert der erste Thermoschalter bei Unterschreiten der ersten Grenztemperatur T1 eine Heizung für das Feldgerät. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass eine Heizung für das Feldgerät bspw. bei Unterschreiten einer minimalen Betriebstemperatur für eine Elektronik des Feldgeräts aktiviert wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Heizung unabhängig von der Elektronik gestartet werden und das Feldgerät auf Betriebstemperatur bringen kann.In a preferred embodiment, the first thermal switch activates a heater for the field device when the temperature falls below the first limit temperature T 1 . In this way it can be achieved that a heater for the field device is activated, for example when the temperature falls below a minimum operating temperature for electronics of the field device. In this way it can be achieved that the heating can be started independently of the electronics and the field device can be brought up to operating temperature.

In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der dritte Thermoschalter derart ausgebildet und verschaltet ist, dass die Komponente, insbesondere die Elektronik und hierbei insbesondere ein Mikrocontroller des Feldgeräts, erst oberhalb der minimalen Betriebstemperatur aktiviert, insbesondere mit Energie versorgt wird.In a further development it can be provided that the third thermal switch is designed and connected in such a way that the component, in particular the electronics and here in particular a microphone rocontroller of the field device, activated only above the minimum operating temperature, in particular supplied with energy.

In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Thermoschalter, insbesondere der zweite Thermoschalter als Übertemperatursicherung ausgebildet ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das Feldgerät vor einer Beschädigung durch einen Betrieb bei zu hohen Temperaturen geschützt wird.In a further development it can be provided that at least one of the thermal switches, in particular the second thermal switch, is designed as an overtemperature protection. In this way it can be achieved that the field device is protected against damage caused by operation at excessively high temperatures.

Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Thermoschalter vorgesehen und so ausgelegt und aufeinander abgestimmt, dass eine Elektronik des Feldgeräts erst dann zu starten versucht, wenn durch eine Heizung eine bestimmte Mindesttemperatur erreicht ist, bei der die Elektronik zuverlässig und stabil läuft. Zusätzlich ist der Thermoschalter der Heizung so ausgelegt, dass die Heizung ausgeschaltet wird, sobald ein stabiler Sensorbetrieb gewährleistet werden kann und bspw. eine Eigenerwärmung des Sensors ausreicht, die Temperatur oberhalb der minimalen Betriebstemperatur zu halten. Hierdurch wird ferner erreicht, dass das obere Ende des Betriebstemperaturbereichs des Feldgeräts nicht beeinflusst wird.Advantageously, at least two thermal switches are provided and designed and matched to one another in such a way that the electronics of the field device only attempt to start when a heater has reached a specific minimum temperature at which the electronics run reliably and stably. In addition, the thermal switch of the heating is designed in such a way that the heating is switched off as soon as stable sensor operation can be guaranteed and, for example, self-heating of the sensor is sufficient to keep the temperature above the minimum operating temperature. This also ensures that the upper end of the operating temperature range of the field device is not affected.

In einer Ausgestaltungsform mit weiteren Schaltmöglichkeiten kann das erste Formgedächtnismaterial und/oder das zweite Formgedächtnismaterial und/oder das dritte Formgedächtnismaterial einen Zweiwegeffekt aufweisen.In one embodiment with further switching options, the first shape memory material and/or the second shape memory material and/or the third shape memory material can have a two-way effect.

Bauteile mit Zweiwegeffekt erinnern sich sowohl an eine Hochtemperaturform als auch an eine Niedertemperaturform. Zur Einstellung des Zweiwegeffektes ist eine spezielle Vorbehandlung nötig, bei der eine Versetzungsbewegung eintritt. Beim anschließenden Erwärmen erfolgt dann nur eine teilweise Rückstellung. Durch den Einfluss der Versetzungen wird erreicht, dass bevorzugte Martensitvarianten gebildet werden, die eine bestimmte Niedertemperaturform hervorrufen. Beim Zweiwegeffekt sind allerdings geringere Effektgrößen einstellbar als beim Einwegeffekt, jedoch entfällt die Rückstellkraft.Two-way effect devices remember both a high temperature form and a low temperature form. To set the two-way effect, a special pre-treatment is necessary, in which a dislocation movement occurs. During subsequent heating, only partial recovery then takes place. The effect of the dislocations is that preferred martensite variants are formed, which produce a specific low-temperature shape. With the two-way effect, however, smaller effect sizes can be set than with the one-way effect, but there is no restoring force.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Formgedächtnismaterial als Draht oder als Schraubenfeder ausgestaltet ist. Mittels Drähten können sehr gut Zugkräfte aufgebracht werden. Schraubenfedern können gut Druckkräfte erzeugen.Particularly good results are achieved when the shape memory material is in the form of a wire or a helical spring. Tensile forces can be applied very well by means of wires. Coil springs are good at generating compressive forces.

Die als Formgedächtnislegierungen hauptsächlich verwendeten Werkstoffe sind metallische Legierungen wie NiTi (Nickel-Titan), NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer), CuZn (Kupfer-Zink), CuZnAI (Kupfer-Zink-Aluminium), CuAINi (Kupfer-Aluminium-Nickel), FeMnSi (Eisen-Mangan-Silizium) oder ZnAuCu (Eisen-Gold-Kupfer). Es können auch einkristalline Legierungen aus Nickel, Mangan und Gallium zum Einsatz kommen.The materials mainly used as shape memory alloys are metallic alloys such as NiTi (nickel-titanium), NiTiCu (nickel-titanium-copper), CuZn (copper-zinc), CuZnAI (copper-zinc-aluminium), CuAINi (copper-aluminium-nickel) , FeMnSi (iron-manganese-silicon) or ZnAuCu (iron-gold-copper). Single-crystal alloys of nickel, manganese and gallium can also be used.

Ausschlaggebend für die Umwandlungstemperatur bei den vorstehenden nickelhaltigen Legierungen ist in der Regel der Nickelgehalt. Bei einem Nickelgehalt von unter 50 Atomprozent Nickel liegt die Umwandlungstemperatur ungefähr bei 100 °C.The decisive factor for the transformation temperature in the above nickel-containing alloys is usually the nickel content. With a nickel content of less than 50 atomic percent nickel, the transformation temperature is around 100 °C.

Ferner können auch Formgedächtniskunststoffe, wie Formgedächtnispolymere verwendet werden, die dann selbst nicht als Stromleiter dienen, sondern eine leitfähige Verbindung herstellen, bspw. durch eine Beschichtung, oder die mechanische Bewegung eines elektrischen Leiters.Furthermore, shape-memory plastics, such as shape-memory polymers, can also be used, which then do not themselves serve as conductors, but produce a conductive connection, for example through a coating, or the mechanical movement of an electrical conductor.

Die Thermoschalter können so ausgebildet sein, dass der Schalter temperaturabhängig geöffnet und/oder geschlossen wird. Diesbezüglich kann entweder das Öffnen oder das Schließen oder das Öffnen und das Schließen durch das Formgedächtnismaterial bewerkstelligt werden. Wird nur einer der vorgenannten Vorgänge durch die Gefügeumwandlung des Formgedächtnismaterials aktiv bewerkstelligt, so wird die Gegenbewegung durch eine Gegenkraft, bspw. durch eine Druck- oder eine Zugfeder bewirkt.The thermal switches can be designed in such a way that the switch is opened and/or closed depending on the temperature. In this regard, either opening or closing or opening and closing can be accomplished by the shape memory material. If only one of the aforementioned processes is actively brought about by the structural transformation of the shape-memory material, then the counter-movement is brought about by a counter-force, for example by a compression or tension spring.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Feldgerätes mit drei Thermoschaltern zur Aktivierung von Zusatzfunktionen,
  • 2 eine zweites, vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Feldgerät mit einem Thermoschalter als Übertemperatursicherung und
  • 3 a) und 3 b) die Funktionsweise eines Thermoschalters wie er in den Feldgeräten der 1 und 2 zum Einsatz kommen kann.
The present invention is explained in detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 a first embodiment of a field device with three thermal switches for activating additional functions,
  • 2 a second, simplified embodiment of a field device with a thermal switch as overtemperature protection and
  • 3 a) and 3 b) the functionality of a thermal switch as it is in the field devices of the 1 and 2 can be used.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts 1 mit drei Thermoschaltern 11, 12, 13 zur Aktivierung von Zusatzfunktionen. 1 shows a first embodiment of a field device 1 with three thermal switches 11, 12, 13 for activating additional functions.

Das Feldgerät 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Radarfüllstandmessgerät ausgebildet, wobei das Radarfüllstandmessgerät 1 zur Erfassung eines Füllstandes einen Radarsensor 31 aufweist, der über eine Hornantenne 33 elektromagnetische Wellen zur Füllstandmessung in Richtung eines Füllgutes aussendet. Der Radarsensor 31 ist mit einer ersten Komponente 3, die vorliegend als Elektronik ausgebildet ist, gekoppelt. Die Elektronik 3 weist einen Mikroprozessor zur Ansteuerung des Radarsensors sowie zur Signalverarbeitung der empfangenen Radarsignale auf. Ferner können in der Elektronik beispielsweise eine Speichereinheit, verschiedene Kommunikationsschnittstellen sowie weitere Komponenten zur Signal- und/oder Datenverarbeitung und/oder Messwertaufbereitung vorhanden sein.In the present exemplary embodiment, field device 1 is embodied as a radar level measuring device, radar level measuring device 1 having a radar sensor 31 for detecting a level, which emits electromagnetic waves via a horn antenna 33 for level measurement in the direction of a filling. Radar sensor 31 is coupled to a first component 3, which is embodied in the present case as electronics. The electronics 3 have a microprocessor for controlling the radar sensor and for processing the received radar signals. Furthermore, in the electronics, for example, a memory unit, various communication interfaces and other components for signal and/or data processing and/or measured value processing may be present.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Betriebstemperaturbereich der Elektronik 3 nach unten hin durch den Betriebstemperaturbereich des verbauten Mikroprozessors begrenzt. Unterhalb einer minimalen Betriebstemperatur startet der Mikroprozessor in einem undefinierten Zustand und läuft damit nicht stabil, sodass ein sicherer Betrieb der Elektronik 3 und damit des gesamten Feldgeräts 1 nicht zuverlässig möglich ist. Um einen Betrieb des Feldgeräts 1 auch über Außentemperaturen unterhalb der minimalen Betriebstemperatur des Mikroprozessors und damit der Elektronik 3 zu ermöglichen, ist es notwendig, eine Betriebstemperatur ausreichende Höhe zu gewährleisten. Hierfür weist das Feldgerät 1 eine Heizung 5 auf, die geeignet ausgebildet und angeordnet ist, eine ausreichende Betriebstemperatur für die Elektronik 3 und/oder den Sensor 31 und/oder weitere Komponenten des Feldgeräts 1 zu gewährleisten. Da eine Schaltung der Heizung 5 auf Basis des Messsignals eines Temperatursensors nicht möglich ist, da dessen Signale von der Elektronik 3 zur Erzeugung eines Schaltbefehls ausgewertet werden müssten, ist die Heizung 5 über einen ersten Thermoschalter 11 mit einer Energieversorgung 9 des Feldgeräts 1 verbunden.In the present exemplary embodiment, a lower operating temperature range of the electronics 3 is limited by the operating temperature range of the built-in microprocessor. Below a minimum operating temperature, the microprocessor starts in an undefined state and is therefore not stable, so that reliable operation of the electronics 3 and thus of the entire field device 1 is not possible. In order to enable the field device 1 to be operated at outside temperatures below the minimum operating temperature of the microprocessor and thus of the electronics 3, it is necessary to ensure a sufficiently high operating temperature. For this purpose, the field device 1 has a heater 5 that is suitably designed and arranged to ensure a sufficient operating temperature for the electronics 3 and/or the sensor 31 and/or other components of the field device 1 . Since it is not possible to switch heating 5 on the basis of the measurement signal from a temperature sensor, since its signals would have to be evaluated by electronics 3 to generate a switching command, heating 5 is connected to a power supply 9 of field device 1 via a first thermal switch 11.

Der erste Thermoschalter 11 weist ein Formgedächtnismaterial als temperatursensitives Element auf und ist derart ausgebildet, dass er bei Unterschreiten einer ersten Grenztemperatur T1 die Heizung 5 aktiviert. Die erste Grenztemperatur T1 ist dabei so gewählt, dass diese in ausreichendem Maße oberhalb der minimalen Betriebstemperatur der Elektronik 3 liegt und somit durch ein rechtzeitiges Zuschalten der Heizung 5 stets gewährleistet ist, dass eine Aktivierung des Feldgeräts 1 eine ausreichende Betriebstemperatur einen zuverlässigen Betrieb sämtlicher Komponenten des Feldgeräts 1 erreicht wird.The first thermal switch 11 has a shape-memory material as a temperature-sensitive element and is designed in such a way that it activates the heater 5 when the temperature falls below a first limit T 1 . The first limit temperature T 1 is selected so that it is sufficiently above the minimum operating temperature of the electronics 3 and thus switching on the heater 5 in good time always ensures that activation of the field device 1 a sufficient operating temperature reliable operation of all components of the field device 1 is reached.

Die erste Grenztemperatur T1 entspricht dabei der unteren Energie für die Umwandlungstemperatur, d. h. der Temperatur, bei der das Formgedächtnismaterial in die Niedrigtemperaturphase übergeht und die der Niedrigtemperaturphase zugeordnete äußere Form annimmt, oder durch eine Kraft, beispielsweise durch eine Druckfeder in der Niedrigtemperaturphase verformbar ist. In der Niedrigtemperaturphase wird jedoch in dem ersten Thermoschalter 11 ein elektrischer Kontakt geschlossen, sodass die Heizung 5 mit Energie versorgt und das Feldgerät 1 aufgewärmt wird.The first limit temperature T 1 corresponds to the lower energy for the transition temperature, i.e. the temperature at which the shape memory material changes to the low-temperature phase and assumes the external shape associated with the low-temperature phase, or can be deformed by a force, for example by a compression spring, in the low-temperature phase. In the low-temperature phase, however, an electrical contact is closed in the first thermal switch 11, so that the heater 5 is supplied with energy and the field device 1 is heated up.

Da Formgedächtnismaterialien, insbesondere Formgedächtnislegierungen, bei der Gefügeumwandlung eine Hysterese aufweisen, d. h. dass die Gefügeumwandlungstemperatur in die Niedrigtemperaturphase niedriger ist als die Gefügeumwandlungstemperatur in die Hochtemperaturphase des Formgedächtnismaterials, kann das Material so ausgewählt werden, dass die Heizung 5 bei Überschreiten der minimalen Betriebstemperatur der Elektronik 3, beispielsweise wenn das Feldgerät 1 läuft und durch abgestrahlte Betriebswärme der einzelnen Komponenten des Feldgeräts eine ausreichende Betriebstemperatur aufweist, bei einem Wechsel des Formgedächtnismaterials in die Hochtemperaturphase wieder deaktiviert wird.Since shape memory materials, in particular shape memory alloys, exhibit hysteresis during structural transformation, i. H. that the structural transition temperature in the low-temperature phase is lower than the structural transition temperature in the high-temperature phase of the shape-memory material, the material can be selected so that the heater 5 is exceeded when the minimum operating temperature of the electronics 3 is exceeded, for example when the field device 1 is running and by radiated operating heat from the individual components of the field device has a sufficient operating temperature, is deactivated again when the shape-memory material changes to the high-temperature phase.

Um einen zuverlässigen Betrieb des Feldgeräts 1 zu gewährleisten, ist die Elektronik 3 über einen zweiten Thermoschalter 12 an die Energieversorgung 9 gekoppelt, wobei der zweite Thermoschalter 12 ebenfalls ein Formgedächtnismaterial als temperatursensitives Element aufweist. Der zweite Thermoschalter 12 ist dabei so ausgelegt, dass die Elektronik 3 des Feldgeräts 1 erst dann mit der Energieversorgung 9 leitend verbunden wird, wenn die minimale Betriebstemperatur der Elektronik erreicht ist und damit sichergestellt ist, dass diese zuverlässig betrieben werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der zweite Thermoschalter die Elektronik 3 erst bei Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur T2 mit der Energieversorgung 9 verbindet, wobei die zweite Grenztemperatur T2 der minimalen Betriebstemperatur der Elektronik 3 entspricht oder mit einem geeigneten Sicherheitsabstand etwas größer als diese gewählt ist. Das Formgedächtnismaterial des zweiten Thermoschalters 12 kann dabei beispielsweise derart ausgebildet sein, dass durch die Hysterese bei der Gefügeumwandlung des Formgedächtnismaterials die Elektronik 3 bei Überschreiten der minimalen Betriebstemperatur mit Energie versorgt wird und erst bei einem Unterschreiten der minimalen Betriebstemperatur bis zur unteren Gefügeumwandlungstemperatur des Formgedächtnismaterials hin wieder von der Energieversorgung getrennt wird.In order to ensure reliable operation of the field device 1, the electronics 3 are coupled to the energy supply 9 via a second thermal switch 12, with the second thermal switch 12 likewise having a shape-memory material as a temperature-sensitive element. The second thermal switch 12 is designed such that the electronics 3 of the field device 1 is only conductively connected to the power supply 9 when the minimum operating temperature of the electronics has been reached, thus ensuring that it can be operated reliably. This can be achieved, for example, by the second thermal switch connecting the electronics 3 to the power supply 9 only when a second limit temperature T 2 is exceeded, with the second limit temperature T 2 corresponding to the minimum operating temperature of the electronics 3 or with a suitable safety margin slightly greater than this is chosen. The shape-memory material of the second thermal switch 12 can be configured, for example, in such a way that the electronics 3 are supplied with energy by the hysteresis during the structural transformation of the shape-memory material when the minimum operating temperature is exceeded and only when the minimum operating temperature is undershot up to the lower structural transformation temperature of the shape-memory material again is disconnected from the power supply.

Das Feldgerät 1 weist ferner einen dritten Thermoschalter 13 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer dritten Komponente 7, die vorliegend als Lüftung ausgebildet ist, gekoppelt ist. Der dritte Thermoschalter 13 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Formgedächtnismaterial als temperatursensitives Element auf und ist so ausgelegt und dimensioniert, dass die Lüftung 7 bei Überschreiten einer dritten Grenztemperatur T3, die in einem geeigneten Sicherheitsabstand unterhalb einer maximalen Betriebstemperatur der Elektronik 3 gewählt ist, eingeschaltet wird um die Elektronik 3 zu kühlen.The field device 1 also has a third thermal switch 13, which in the present exemplary embodiment is coupled to a third component 7, which in the present case is designed as a ventilation system. In the present exemplary embodiment, the third thermal switch 13 also has a shape memory material as a temperature-sensitive element and is designed and dimensioned in such a way that the ventilation 7 is switched on when a third limit temperature T 3 is exceeded, which is selected at a suitable safety margin below a maximum operating temperature of the electronics 3 is to cool the electronics 3.

Dadurch, dass ein Aktivieren der Heizung 5 bereits unterhalb einer minimalen Betriebstemperatur der Elektronik 3 bewerkstelligt wird, die Heizung 5 im Betriebstemperaturfenster der Elektronik 3 wieder abgeschaltet wird und bei einer Annäherung an eine maximale Betriebstemperaturelektronik 3 die Lüftung 7 aktiviert, wird das Temperaturfenster, in dem das Feldgerät 1 betrieben werden kann, sowohl zu niedrigeren Temperaturen hin als auch zu höheren Temperaturen hin vergrößert. Die einzelnen Grenztemperaturen T1, T2, T3 können dabei durch eine geeignete Auswahl des jeweiligen Formgedächtnismaterials an die Bedürfnisse des jeweiligen Feldgeräts 1 angepasst werden.Because the heating 5 is already activated below a minimum operating temperature of the electronics 3, the heating 5 is switched off again in the operating temperature window of the electronics 3 and the ventilation 7 is activated when a maximum operating temperature of the electronics 3 is approached, the temperature window in which the field device 1 can be operated is increased both towards lower temperatures and towards higher temperatures. The individual limit temperatures T 1 , T 2 , T 3 can be adapted to the needs of the respective field device 1 by a suitable selection of the respective shape memory material.

Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene zusätzliche Funktionen des Feldgeräts 1 auch außerhalb des Betriebstemperaturbereichs der Elektronik 3 zuverlässig und Temperaturgesteuert zu aktivieren und/oder deaktivieren.In this way it is possible to activate and/or deactivate various additional functions of the field device 1 reliably and temperature-controlled, even outside the operating temperature range of the electronics 3 .

2 zeigt ein zweites, vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts 1. 2 shows a second, simplified exemplary embodiment of a field device 1.

Das Feldgerät 1 gemäß 2 weist nur den dritten Thermoschalter 13 auf, wobei dieser im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Übertemperatursicherung ausgebildet ist. Um dies zu gewährleisten, ist die Elektronik 13 des Feldgeräts 1 über den dritten Thermoschalter 13 mit der Energieversorgung 9 verbunden. Der dritte Thermoschalter 13 ist dabei so ausgebildet, dass er bei Überschreiten der dritten Grenztemperatur, die vorliegend einer maximalen Betriebstemperatur des Feldgeräts 1 entspricht, die elektrische Verbindung zwischen der Energieversorgung 9 und der Elektronik 3 trennt, sodass das Feldgerät 1 abgeschaltet wird. Dies kann beispielsweise notwendig sein, wenn einzelne Komponenten des Feldgeräts 1 einem weiteren Betrieb oberhalb der maximalen Betriebstemperatur beschädigt oder zerstört werden würden.The field device 1 according to 2 has only the third thermal switch 13, this being designed as an overtemperature fuse in the present exemplary embodiment. In order to ensure this, the electronics 13 of the field device 1 are connected to the power supply 9 via the third thermal switch 13 . The third thermal switch 13 is designed such that when the third limit temperature is exceeded, which in this case corresponds to a maximum operating temperature of the field device 1, it disconnects the electrical connection between the energy supply 9 and the electronics 3, so that the field device 1 is switched off. This can be necessary, for example, if individual components of the field device 1 would be damaged or destroyed in further operation above the maximum operating temperature.

Kühlt das Feldgerät 1 bis unterhalb der unteren Gefügeumwandlungstemperatur des Formgedächtnismaterials des dritten Thermoschalters 13 ab, so wird wieder eine elektrische Verbindung zwischen der Energieversorgung 9 und der Elektronik 3 hergestellt und das Feldgerät 1 damit wieder gestartet.If the field device 1 cools down to below the lower microstructural transformation temperature of the shape memory material of the third thermal switch 13, an electrical connection is established again between the power supply 9 and the electronics 3 and the field device 1 is thus restarted.

In den 3a und 3b ist eine Ausgestaltungsform eines Thermoschalters, wie er in den Feldgeräten 1 der 1 und 2 zum Einsatz kommen kann, dargestellt.In the 3a and 3b is an embodiment of a thermal switch, as in the field devices 1 of 1 and 2 can be used, shown.

Der Thermoschalter gemäß 3 ist dabei so ausgestaltet, wie der erste Thermoschalter 11 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1. Das bedeutet, dass das verwendete erste Formgedächtnismaterial 21 ein Material mit einem Zweiwegeeffekt ist, das bei unterschiedlichen Temperaturen ϑ jeweils eine unterschiedliche geometrische Form annimmt. Unterschreitet die Temperatur ϑ die ersten Grenztemperatur T1 nimmt das Formgedächtnismaterial 21 eine vordefinierte Form für den Niedrigtemperaturbereich an und es wird dadurch eine elektrische Verbindung zu einem Kontakt 23 hergestellt. Diese Situation ist in 3a) dargestellt.The thermal switch according to 3 is configured as the first thermal switch 11 in the embodiment according to 1 . This means that the first shape memory material 21 used is a material with a two-way effect, which assumes a different geometric shape at different temperatures θ. If the temperature θ falls below the first limit temperature T 1 , the shape-memory material 21 assumes a predefined shape for the low-temperature range, and an electrical connection to a contact 23 is thereby established. This situation is in 3a) shown.

In 3b) ist der Thermoschalter aus 3a) gezeigt, wobei sich das erste Formgedächtnismaterial 21 in der Hochtemperaturphase befindet, d. h. die Temperatur ϑ oberhalb der oberen Gefügeumwandlungstemperatur des ersten Formgedächtnismaterials ist. Bei dieser Temperatur ϑ ist das Formgedächtnismaterial in der zu der Hochtemperaturphase gehörenden Form und eine elektrische Verbindung zu dem Kontakt 23 dementsprechend geöffnet, sodass die Elektronik 3 des Feldgeräts 1 von der Energieversorgung 9 getrennt ist.In 3b) the thermal switch is off 3a) shown, wherein the first shape memory material 21 is in the high-temperature phase, ie the temperature θ is above the upper microstructural transformation temperature of the first shape memory material. At this temperature θ, the shape memory material is in the form associated with the high-temperature phase and an electrical connection to the contact 23 is opened accordingly, so that the electronics 3 of the field device 1 are disconnected from the energy supply 9 .

Bei dem in 3 gezeigten Thermoschalter ist das erste Formgedächtnismaterial 21 und der Kontakt 23 jeweils auf einer Leiterplatte 25 angeordnet.At the in 3 In the thermal switch shown, the first shape-memory material 21 and the contact 23 are each arranged on a printed circuit board 25 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Feldgerätfield device
33
Elektronik / erste KomponenteElectronics / first component
55
Heizung / zweite Komponenteheater / second component
77
Lüftung / dritte Komponenteventilation / third component
99
Energieversorgungpower supply
1111
erster Thermoschalterfirst thermal switch
1212
zweiter Thermoschaltersecond thermal switch
1313
dritter Thermoschalterthird thermal switch
2121
erstes Formgedächtnismaterialfirst shape memory material
2323
KontaktContact
2525
Leiterplattecircuit board
3131
Radarsensorradar sensor
3333
Hornantennehorn antenna
T1T1
erste Grenztemperaturfirst limit temperature
T2T2
zweite Grenztemperatursecond limit temperature
T3T3
dritte Grenztemperaturthird limit temperature
ϑϑ
Temperaturtemperature

Claims (13)

Feldgerät (1) der Prozessautomatisierung mit wenigstens einer ersten Komponente (3) mit einer für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts (1) minimalen Betriebstemperatur, wenigstens einem ersten Thermoschalter, wobei der erste Thermoschalter (11) derart angeordnet und verschaltet ist, eine erste Schaltaufgabe bei Unterschreiten einer ersten Grenztemperatur T1 auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thermoschalter (11) ein aus einem ersten Formgedächtnismaterial (21) gebildetes mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aufweist.Field device (1) of the process automation with at least one first component (3) with a for proper operation of the field device (1) minimum operating temperature, at least a first thermal switch, the first thermal switch (11) being arranged and connected in such a way that it performs a first switching task when the temperature falls below a first limit T 1 , characterized in that the first thermal switch (11) is a mechanically acting switch formed from a first shape-memory material (21). has temperature-sensitive element. Feldgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) einen zweiten Thermoschalter (12) aufweist, wobei der zweite Thermoschalter (12) ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aufweist und derart ausgebildet und verschaltet ist, eine zweite Schaltaufgabe bei Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur T2 auszuführen.Field device (1) according to claim 1 , characterized in that the field device (1) has a second thermal switch (12), the second thermal switch (12) having a mechanically acting temperature-sensitive element and being designed and connected in such a way that a second switching task is carried out when a second limit temperature T 2 is exceeded. Feldgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) einen zweiten Thermoschalter (12) aufweist, wobei der zweite Thermoschalter (12) ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aus einer zweiten Formgedächtnislegierung aufweist und derart ausgebildet und verschaltet ist, eine zweite Schaltaufgabe bei Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur T2 auszuführen.Field device (1) according to claim 1 , characterized in that the field device (1) has a second thermal switch (12), the second thermal switch (12) having a mechanically acting, temperature-sensitive element made of a second shape-memory alloy and being designed and connected in such a way that a second switching task occurs when a second limit temperature is exceeded T 2 to execute. Feldgerät (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grenztemperatur T1 niedriger ist als die zweite Grenztemperatur T2.Field device (1) according to claim 2 or 3 , characterized in that the first limit temperature T 1 is lower than the second limit temperature T 2 . Feldgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) einen dritten Thermoschalter (13) aufweist, wobei der dritte Thermoschalter (13) ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aufweist, und derart ausgebildet und verschaltet ist, eine dritte Schaltaufgabe bei Überschreiten einer dritten Grenztemperatur T3 auszuführen.Field device (1) according to one of claims 2 until 4 , characterized in that the field device (1) has a third thermal switch (13), the third thermal switch (13) having a mechanically acting temperature-sensitive element and being designed and connected in such a way that a third switching task is carried out when a third limit temperature T 3 is exceeded . Feldgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) einen dritten Thermoschalter (13) aufweist, wobei der dritte Thermoschalter (13) ein mechanisch wirkendes temperatursensitives Element aus einer dritten Formgedächtnislegierung aufweist, und derart ausgebildet und verschaltet ist, eine dritte Schaltaufgabe bei Überschreiten einer dritten Grenztemperatur T3 auszuführen, wobei die dritte Grenztemperatur T3 höher ist als die zweite Grenztemperatur T2.Field device (1) according to one of claims 2 until 4 , characterized in that the field device (1) has a third thermal switch (13), the third thermal switch (13) having a mechanically acting temperature-sensitive element made of a third shape-memory alloy, and being designed and connected in such a way that a third switching task is exceeded when a third Run limit temperature T 3 , wherein the third limit temperature T 3 is higher than the second limit temperature T 2 . Feldgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thermoschalter (11) bei einer Temperatur TA < T2 manuell aktivierbar ist.Field device (1) according to one of claims 2 until 6 , characterized in that the first thermal switch (11) at a temperature T A <T 2 is manually activated. Feldgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Thermoschalter (12) derart ausgebildet und verschaltet ist, dass die erste Komponente (3) erst oberhalb der minimalen Betriebstemperatur aktiviert wird.Field device (1) according to one of claims 2 until 7 , characterized in that the second thermal switch (12) is designed and connected in such a way that the first component (3) is only activated above the minimum operating temperature. Feldgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dass der zweite Thermoschalter (12) derart ausgebildet und verschaltet ist, dass die erste Komponente (3) erst oberhalb der minimalen Betriebstemperatur mit Energie versorgt wird.Field device (1) according to one of claims 2 until 7 that the second thermal switch (12) is designed and connected in such a way that the first component (3) is only supplied with energy above the minimum operating temperature. Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Thermoschalter (11, 12, 13) als Übertemperatursicherung ausgebildet ist.Field device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the thermal switches (11, 12, 13) is designed as an excess temperature fuse. Feldgerät (1) gemäß Anspruch 5 oder 6 oder gemäß einem der Ansprüche 7-10, soweit diese Ansprüche 7-10 auf Anspruch 5 oder 6 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Thermoschalter (13) als Übertemperatursicherung ausgebildet ist.Field device (1) according to claim 5 or 6 or according to one of the Claims 7 - 10 , as far as this Claims 7 - 10 on claim 5 or 6 are referred back, characterized in that the third thermal switch (13) is designed as an excess temperature fuse. Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formgedächtnismaterial (21) und/oder das zweite Formgedächtnismaterial und/oder das dritte Formgedächtnismaterial einen Zweiwegeffekt aufweist.Field device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first shape-memory material (21) and/or the second shape-memory material and/or the third shape-memory material has a two-way effect. Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thermoschalter (11) bei Unterschreiten der ersten Grenztemperatur T1 eine Heizung (5) des Feldgeräts (1) aktiviert.Field device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first thermal switch (11) activates a heater (5) of the field device (1) when the temperature falls below the first limit value T 1 .
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