DE102021114221A1

DE102021114221A1 - Feldgerät

Info

Publication number: DE102021114221A1
Application number: DE102021114221.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kopp; Hansjörg Brock; Martin Kropf; Alexander Meinhardt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2022253577A1; CN117397127A; EP4348769A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät (1) mit einem nicht-metallischen Gehäuse (12), wobei die elektrische Komponenten zwecks Erdung eigens in einem Farady'schen Käfig (13) untergebracht sind. Zur Erdung des Käfigs (13) ist erfindungsgemäß ein elektrisch leitfähiger Stift (11) vorgesehen. Hierzu umfasst das Gehäuse (12) eine Durchführung (120), in welche der Stift (11) entlang einer Steck-Achse (a) steckbar ist. Dabei sind das Gehäuse (12) und der Becher (13) so zueinander angeordnet, dass der Aufnahmebereich (130) des Bechers (13) für den End-Zapfen (111) des Stifts (11) in Bezug zur Steck-Achse (a) mit der Durchführung (120) fluchtet. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Feldgerät (1) durch ein elektrisch leitfähiges Feder-Element (14) aus, das den End-Zapfen (111) in Bezug zur Steck-Achse (a) radial derart federnd in den Aufnahmebereich (130) einfasst, so dass der Stift (11) elektrisch mit dem Becher (13) kontaktiert ist. Vorteilhaft an diesem Aufbau ist insbesondere, dass der Stift trotz etwaiger Bauteiltoleranzen des Bechers (13) bzw. des Gehäuses (12) beim Einstecken nicht verkanten kann.

Description

In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung bestimmter Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung der jeweiligen Prozessvariable umfasst das Feldgerät je nach Typ spezifische elektronischen Komponenten, um das entsprechende Messprinzip umsetzen. Je nach Auslegung kann der jeweilige Feldgeräte-Typ somit beispielsweise zur Messung eines Füllstandes, eines Durchflusses, eines Druckes, einer Temperatur, eines pH-Wertes und/oder einer Leitfähigkeit zum Einsatz kommen. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Die elektronischen Komponenten des jeweiligen Feldgeräte-Typs sind oftmals in einem Metall-Gehäuse untergebracht, welches zum Schutz der Komponenten als Faraday'scher Käfig dient und entsprechend geerdet ist. Jedoch gibt es auch Anwendungen, bei denen ein nicht-metallisches Gehäuse vorteilhaft bzw. erforderlich ist. So basieren beispielsweise Feldgeräte, die unter korrosiven Bedingungen, wie etwa küstennahen Standorten sowie bei Prozessen mit sauren oder alkalischen Medien eingesetzt werden, vorzugsweise auf einem Kunststoff-basierten Gehäuse. Die elektronischen Komponenten werden in solchen Fällen durch einen zusätzlichen, elektrisch leitfähigen Becher geschützt, der als Faraday'scher Käfig fungiert und mitsamt den elektronischen Komponenten innerhalb des Kunststoff-basierten Gehäuses angeordnet ist.
Bei nicht-metallischer Auslegung des Feldgeräte-Gehäuses ist die Erdung der elektronischen Komponenten bzw. des Bechers erschwert, da der jeweilige Erdungs-Stift durch das Kunststoff-Gehäuse hindurchgeführt werden muss. Hierbei ist besonders problematisch, dass die entsprechende Stift-Durchführung im Gehäuse exakt zum entsprechenden Stift-Aufnahmebereich des Bechers fluchten muss. Bedingt durch Bauteiltoleranzen ist dies jedoch mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand nicht umsetzbar. Etwaige Bauteiltoleranzen können also ein Verkanten des Stifts und somit eine nicht ausreichende Erdung zur Folge haben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät mit nichtmetallischem Gehäuse bereitzustellen, dessen elektronische Komponenten geerdet werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Feldgerät, das folgende Komponenten umfasst:

- Einen elektrischen Stift, mit
- o einem Kabel-Anschluss, und
- o einem dem Kabel-Anschluss gegenüberliegenden End-Zapfen,
- ein Geräte-Gehäuse, das bspw. zu Korrosionsschutzzwecken aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist, mit
- o einer Durchführung, in welche der Stift entlang einer Steck-Achse steckbar ist,
- einen im Gehäuse anordbaren Becher aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Aluminium, der als Faraday'scher Käfig für elektronische Komponenten des Feldgerätes fungiert, mit
- o einem Aufnahmebereich, welcher in Bezug zur Steck-Achse derart mit der Durchführung des Gehäuses fluchtet, so dass der End-Zapfen des Stifts im Aufnahmebereich mündet.

Das erfindungsgemäße Feldgerät zeichnet sich durch ein elektrisch leitfähiges Feder-Element aus, welches den End-Zapfen in Bezug zur Steck-Achse zumindest radial oder zusätzlich auch axial derart federnd in den Aufnahmebereich einfasst, so dass der Becher elektrisch an den Stift angeschlossen ist.
Prinzipiell ist es nicht fest vorgeschrieben, wie das Feder-Element konstruktiv ausgelegt ist, solange es radial federnd und elektrisch leitfähig ist. Hierzu kann das Feder-Element beispielsweise als zum End-Zapfen korrespondierende Buchse ausgelegt werden, die zumindest drei elastisch bzw. plastisch verformbare Innen-Lamellen aufweist. Dabei können die Lamellen in Bezug zur Steck-Achse axial, oder radial umlaufend angeordnet sein. Aus Gründen der elastischen bzw. plastischen Verformbarkeit ist es vorteilhaft, wenn die Buchse aus Kupfer, aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung oder aus Messing gefertigt ist. Alternativ zu einer Realisierung als Buchse kann das Feder-Element im Rahmen der Erfindung auch als zum End-Zapfen korrespondierende Ringfeder oder Wellenfeder ausgelegt werden. Unabhängig von der konstruktiven Auslegung des Feder-Elementes ist es zur Minimierung des Übergangswiderstandes vorteilhaft, wenn das Feder-Element eine Goldbeschichtung umfasst.
Vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse in Richtung der Steck-Achse einen Endanschlag für den Stift ausbildet, so dass der End-Zapfen des Stifts bei Erreichen des Endanschlags automatisch in den Aufnahmebereich bzw. im Feder-Element mündet. Außerdem bietet es sich an, wenn das Feldgerät einen Sicherungs-Splint umfasst, welcher den Stift axial gegen Herausziehen sichert. Hierzu ist eine zum Splint korrespondierende Durchführung im Stift erforderlich, die innerhalb des Gehäuses orthogonal zur Steck-Achse verläuft.
Auf Basis folgender Verfahrensschritte kann das erfindungsgemäße Feldgerät gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsvarianten gefertigt werden:

- Einsetzen des Feder-Elementes in den Aufnahmebereich des Bechers,
- anschließendes Einsetzen des Bechers in das Gehäuse, so dass der Aufnahmebereich bzw. das Feder-Element in Bezug zur Steck-Achse mit der Durchführung fluchtet,
- Einstecken des Stifts in die Durchführung von einer dem Becher abgewandten Außenseite des Gehäuses, so dass der End-Zapfen in Bezug zur Steck-Achse radial und ggf. auch axial federnd vom Feder-Element eingefasst wird, und so dass der Stift elektrisch mit dem Becher kontaktiert ist, und
- axiales Sichern des Stifts gegen Herausziehen mittels Einstecken des Splintes in die Splint-Durchführung, sofern ein Sicherungs-Splint vorgesehen ist.

Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert:

1: Einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Feldgerätes im Bereich eines Erdungs-Anschlusses.

Zum Verständnis der Erfindung ist in 1 eine Querschnittsansicht eines Feldgerätes 1 im Bereich eines erfindungsgemäßen Erdungs-Anschlusses gezeigt. Um bspw. Korrosionsbeständigkeit zu realisieren, umfasst das Feldgerät 1 ein Kunststoff-basiertes Gehäuse 12, das beispielsweise aus PP, PE oder PU gefertigt ist. Die elektronischen Komponenten des Feldgerätes 1 (in 1 nicht explizit dargestellt) sind durch einen zusätzlichen Becher 13, der als Faraday'scher Käfig fungiert, geschützt. Dabei ist der Becher 13 wiederum im Inneren des Gehäuses 12 angeordnet.
Damit der Becher 13 als Faraday'scher Käfig fungieren kann, ist dieser aus einem elektrisch leitfähigen Material wie bspw. Aluminium gefertigt. Zur Erdung des Bechers 13 ist als Bestandteil des Erdungs-Anschlusses ein Metall-basierter Stift 11 und Becher-seitig ein Aufnahmebereich 130 für einen entsprechenden End-Zapfen 111 des Stifts 11 vorgesehen, so dass der Becher 13 über den Stift 11 elektrisch kontaktiert bzw. geerdet werden kann. Dabei ist der Stift 11 zur Gewährleistung der notfalls erforderlichen Leitfähigkeit mit einem entsprechenden Durchmesser von bspw. mindestens 6 mm auszulegen. Zum Anschluss eines Erdungskabels umfasst der Stift 11 in der gezeigten Ausführungsvariante als Kabel-Anschluss 110 einen Quetsch-Anschluss für Kabellitzen bzw. offene Kabelenden. Dabei liegt der Kabel-Anschluss 110 am Stift 11 dem End-Zapfen 111 gegenüber und verbleibt im eingesteckten Zustand somit außerhalb des Gehäuses 12. Um den Stift 11 vom Gehäuse-Äußeren her dem Becher 13 bzw. dessen Aufnahmebereich 130 zuführen zu können, ist in das Gehäuse 12 eine derart positionierte Durchführung 120 eingelassen, so dass die Durchführung 120 entlang einer definierten Steck-Achse a zum Aufnahmebereich 130 hin fluchtet.
Einerseits fungiert die Durchführung 120 beim Einstecken des Stifts 11 vom Gehäuse-Äußeren her als Führung des Stifts 11 entlang der Steck-Achse a. Dabei ist die Durchführung 120 bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante so ausgelegt, dass die Steck-Achse a orthogonal zur Außenoberfläche des Gehäuses 12 verläuft. Andererseits bildet die Durchführung 120 beim Einstecken des Stifts 11 konstruktiv einen Endanschlag aus, so dass der End-Zapfen 111 des Stifts 11 im eingesteckten Zustand zwangsweise in den Aufnahmebereich 130 des Bechers 13 mündet.
Darüber hinaus gewährleistet ein Dicht-Ring 114, der in 1 auf Höhe der Durchführung 120 in einer radial umlaufenden Nut am Stift 11 vorgesehen ist, die fluidische Abdichtung der Durchführung 120.
Damit die Durchführung 120 nach Einsetzen des Bechers 13 in das Gehäuse 12 zum Aufnahmebereich 130 fluchtet, müssen das Gehäuse-Innere und der Becher 13 konstruktiv, bspw. mittels entsprechender Führungen bzw. entsprechender Endanschläge aufeinander abgestimmt sein (nicht näher in 1 dargestellt). Etwaige Bauteiltoleranzen am Gehäuse 12 oder am Becher 13 können hierbei jedoch bewirken, dass die Durchführung 120 und der Aufnahmebereich 130 entlang der Steck-Achse a nicht ideal zueinander fluchten, sondern marginal gegeneinander verschoben bzw. verkippt sind.
Um auch unter diesen Umständen das Einstecken des Stifts 11 und die elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, ist im Aufnahmebereich 130 des Bechers 130 als elektrisch leitfähiges Feder-Element eine Buchse 14 angeordnet, die den End-Zapfen 111 des Stifts 11 in Bezug zur Steck-Achse a radial in den Aufnahmebereich 130 einfasst. Dabei kann die Buchse 14 beispielsweise über ein entsprechendes Außengewinde im Aufnahmebereich 130 des Bechers 13 befestigt bzw. elektrisch kontaktiert sein. Somit wird beim Einstecken des Stifts 11 durch die Gehäuse-Durchführung 120 hindurch der End-Zapfen 111 in die Buchse 14 eingesteckt. Dies stellt die Erdung bzw. die elektrische Kontaktierung des Bechers 13 nach außen sicher, so dass der Steck-Anschluss bspw. einem entsprechenden „Burst-Test“ gemäß IEC/EN 61000-4-4 oder einem „Surge-Test“ gemäß IEC/EN 61000-4-5 Stand hält.
Um den Stift 11 bzw. den End-Zapfen 11 radial federnd einzufassen, weist die Buchse 14 zumindest drei innenliegende, axial ausgerichtete Lamellen 140 auf. Hinsichtlich der elastischen Verformbarkeit ist es dabei optimal, die Buchse 14 bzw. die Lamellen 140 aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung zu fertigen. Durch die radial federnde Wirkung der Lamellen 140 wird beim Einstecken des Stifts 11 somit ein Verkanten verhindert. Anstelle der in 1 gezeigten Buchse 14 ist es alternativ auch möglich, als Feder-Element eine Ringfeder oder eine Wellenfeder einzusetzen. Außerdem ist es denkbar, das Feder-Element 14 zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen dem Stift 11 und dem Aufnahmebereich 130 mit einer Goldbeschichtung zu versehen.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante ist der Stift 11 durch einen Sicherungs-Element 112 gegen Herausziehen gesichert. Hierzu weist der Stift 11 - in Bezug zur Steck-Achse a - zwischen dem Aufnahme-Bereich 130 und der Gehäuse-Durchführung 120 eine zum Sicherungs-Element 112 korrespondierende Durchführung 113 auf. Durch die orthogonale Ausrichtung der Splint-Durchführung 113 in Verbindung mit dem zumindest einseitigen Überstand des Sicherungs-Elementes 112 über den Durchmesser des Stifts 11 hinaus wird somit ein axiales Verschieben des Stifts 11 unterbunden.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
11: Stift
12: Gehäuse
13: Becher
14: Feder-Element
110: Kabel-Anschluss des Stifts
111: Endbereich des Stifts
112: Sicherungs-Splint
113: Splint-Durchführung
114: Dicht-Ring
120: Durchführung in das Gehäuse
130: Aufnahmebereich am Becher
140: Längs-Lamellen
a: Steck-Achse

Claims

Feldgerät, umfassend: - Einen elektrischen Stift (11), mit o einem Kabel-Anschluss (110), und o einem dem Kabel-Anschluss (110) gegenüberliegenden End-Zapfen (111), - ein Geräte-Gehäuse (12), mit o einer Durchführung (120), in welche der Stift (11) entlang einer Steck-Achse (a) steckbar ist, - einen im Gehäuse (12) anordbaren Becher (13) aus einem elektrisch leitfähigen Material, mit o einem Aufnahmebereich (130), welcher in Bezug zur Steck-Achse (a) derart mit der Durchführung (120) fluchtet, so dass der End-Zapfen (111) des Stifts (11) im Aufnahmebereich (130) mündet, gekennzeichnet durch - ein elektrisch leitfähiges Feder-Element (14), das ausgelegt ist, den End-Zapfen (111) in Bezug zur Steck-Achse (a) radial derart federnd in den Aufnahmebereich (130) einzufassen, so dass der Stift (11) elektrisch mit dem Becher (13) kontaktiert ist.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei das Feder-Element (14) als zum End-Zapfen (111) korrespondierende Buchse ausgelegt ist, mit o zumindest drei Innen-Lamellen (140), die in Bezug zur Steck-Achse (a) insbesondere axial angeordnet sind.
Feldgerät nach Anspruch 2, wobei die Buchse (14) aus Kupfer, aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung oder aus Messing gefertigt ist.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei das Feder-Element (14) als zum End-Zapfen (111) korrespondierende Ringfeder oder Wellenfeder ausgelegt ist.
Feldgerät nach einem der vorhegenden Ansprüche, wobei das Feder-Element (14) eine Goldbeschichtung umfasst.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (12) aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Becher (12) als Faraday'scher Käfig für elektronische Komponenten ausgelegt ist.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (12) in Bezug zur Steck-Achse (a) einen derartigen Endanschlag für den Stift (11) ausbildet, so dass der End-Zapfen (111) des Stifts (11) in den Aufnahmebereich (130) bzw. im Feder-Element (14) mündet.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Ein Sicherungs-Element (112), und - eine zum Sicherungs-Element (112) korrespondierende Durchführung (113) im Stift (11), die derart orthogonal zur Steck-Achse (a) verläuft, so dass das Sicherungs-Element (112) den Stift (11) axial gegen Herausziehen sichert.
Verfahren zur Fertigung des Feldgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einsetzen des Feder-Elementes (14) in den Aufnahmebereich (130) des Bechers (13), - Einsetzen des Bechers (13) in das Gehäuse (12), so dass der Aufnahmebereich (130) bzw. das Feder-Element (14) in Bezug zur Steck-Achse (a) mit der Durchführung (120) fluchtet, - Einstecken des Stifts (11) in die Durchführung (120) von einer dem Becher (13) abgewandten Außenseite des Gehäuses (12), so dass der End-Zapfen (111) in Bezug zur Steck-Achse (a) radial federnd vom Feder-Element (14) eingefasst wird, und so dass der Stift (11) elektrisch mit dem Becher (13) kontaktiert ist.
Verfahren nach Anspruch 9 und 10, folgenden Verfahrensschritt umfassend: - Axiales Sichern des Stifts (11) gegen Herausziehen mittels Einstecken des Splintes (112) in die Splint-Durchführung (113).