DE19751096A1 - Verbessertes Gehäuse für einen Meßumformer, insbesondere einen Druck-Meßumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Meßumfor­ mer vom sogenannten Zylindertyp, d. h. axiale Meßumfor­ mer, die hauptsächlich ein zylindrisches Gehäuse mit einer Meßzelle haben, wobei die Elektronik im Gehäuse montiert ist, und elektrische Anschlußklemmen oder Ka­ beldurchführungen sich am einen Ende des Gehäuses be­ finden.

Die Erfindung betrifft Meßumformer des Zylindertyps ge­ nerell, wird aber im folgenden anhand eines Druck-Meß­ umformers beschrieben.

Druck-Meßumformer geben normalerweise ein 0-20 mA oder 0-10 V Signal ab, und werden oft in elektrisch stö­ rungsbelasteten Umgebungen angewandt. Um Störungen des Meßsignals zu vermeiden, ist eine elektrische Abschir­ mung von entscheidender Bedeutung, und es ist heute üb­ lich große Erdungsebenen dadurch zu realisieren, daß eine Platine mit großen Erdungsflächen entworfen wird, wobei dann diese Flächen mit dem Außengehäuse des Meß­ umformers verbunden werden. Das Gehäuse besteht somit aus einem Metallgehäuse, das als große, abschirmende Fläche wirkt. Beim Stand der Technik wird das Problem in bezug auf die Verbindung zwischen der Erdung der Platine und dem Gehäuse normalerweise dadurch gelöst, daß eine teure, gesonderte Masseverbindung gelegt wird, oft in der Form einer Metallzunge, die zur Platine bzw. zum Gehäuse gelötet wird.

US 4,888,662 beschreibt einen Hochdruck-Meßwertgeber des Zylindertyps, wo das zu lösende Problem darin be­ steht, das Elektronikteil und ein Kunststoffteil, das die elektrischen Anschlüsse enthält, vom Druckfühler zu isolieren, um es gegen hohe Drücke zu schützen. Dies erfolgt dadurch, daß eine Metallkammer in dem äußeren Metallgehäuse angebracht wird, wobei die Metallkammer das Fühlerelement enthält und das äußere Gehäuse um den Kunststoffteil mit den elektrischen Leitungen festge­ klemmt ist. Um eine Abschirmung gegen elektrische Stö­ rungen zu erzielen, ist die Erdungsebene der Platine sowohl mit der inneren Kammer als auch mit dem äußeren Gehäuse durch eine Metallzunge verbunden, die mit der Platine verlötet ist und die innere Kammer berührt und mit dem äußeren Gehäuse zusammengeklemmt ist. Der Nach­ teil dieser Konstruktion besteht darin, daß ein geson­ derter Erdungsleiter zum Außengehäuse geführt werden muß, wobei die Montage erschwert wird.

EP 0 372 773 beschreibt einen Druck-Meßwertgeber mit zwei im wesentlichen kreisförmigen Platinen, die durch ein flexibles Zwischenstück verbunden sind, das es er­ möglicht die beiden Platinen über einander zu falten. Um den Einfluß durch elektrische Störungen zu verrin­ gern, steht von jeder der beiden Platinen eine Erdungs­ zunge heraus, auf die ein Kondensator gelötet wird, der mit dem Gehäuserahmen verbunden wird. In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 6) wird die lange Erdungszun­ ge während der Endmontage des Meßwertgebers mit dem Au­ ßengehäuse zusammengeklemmt, wobei die Masseverbindung gebildet wird. Die Einrichtung der Masseverbindung er­ fordert somit entweder mindestens zwei Lötungen oder das Einklemmen der Zunge, die im gezeigten Ausführungs­ beispiel zu Undichtheiten zwischen der Zunge und dem Außengehäuse führen können.

Aus montagemäßigen Gründen werden lötfreie elektrische Verbindungen bevorzugt, und die Anwendung von Schnapp- und Klemmenverbindungen unter Anwendung der federnden Eigenschaften von Kontaktoren ist weit verbreitet.

Somit beschreibt EP 0 691 533 einen axialen Druck-Meßwertgeber, der ohne Löten zusammengebaut wird. Der Druck-Meßwertgeber enthält ein zylindrisches Zwischen­ stück aus Kunststoff, das eine Aushöhlung hat, in der eine rechteckige Platine angebracht wird. Das zylindri­ sche Zwischenstück wirkt als Anschlußklemme für die elektrischen Verbindungsklemmen, die von den Versor­ gungs-, Signal- und Fühlerseiten kommen, und das Kenn­ zeichen der Konstruktion ist, daß die elektrischen Ver­ bindungen ohne Löten, sondern ausschließlich durch die Einführung von Steckern in Steckbuchsen, gebildet wer­ den, wobei die Verbindung u. a. durch Federwirkung ge­ schaffen wird. Auf einer Kante der Platine sind vier Strombahnen ausgeführt, die mit der Elektronik der Pla­ tine verbunden sind, und beim Zusammenbau des Druck-Meß­ wertgebers wird ein unteres Teil mit Fühlerelement und vier L-förmigen Metallklemmen in das zylindrische Zwischenstück geführt, so daß die L-förmigen Klemmen an die Strombahnen auf der Platinenkante gleiten, wobei ein elektrischer Kontakt geschaffen wird. EP 0 691 533 beschreibt keine Maßnahmen, die im übrigen für die Ver­ minderung der elektrischen Störungsempfindlichkeit er­ forderlich wären.

Schließlich beschreibt US 4,918,833 eine Methode zur Herstellung eines elektronischen Meßwertgebers mit ei­ ner Platine, wobei die Platine mit Hilfe von Feder­ klipps auf dem Fühlerelement fixiert wird. In einem be­ sonderen Ausführungsbeispiel wird die Platine von fünf U-förmigen Federklipps gehalten, die um die Kante der Platine klemmen. Außer der fixierenden Wirkung, haben die Klipps Verbindung mit Strombahnen, die zur Kante der Platine geführt sind, wobei eine Verbindung zum un­ terliegenden Fühler geschaffen wird, mit dem die Klipps verlötet sind.

Der in EP 0 691 533 beschriebene Meßwertgeber leidet außerdem unter einer Schwäche, die viele Meßwertgeber haben, und zwar, daß ein Kippmoment auf das Oberteil ausgeübt wird z. B. von einem Anschlußkabel, das im Ka­ belstecker montiert und imstande ist das Oberteil aus dem Griff, der vom äußeren Gehäuse geleistet wird, hin­ auszukippen. Wenn das Oberteil zu einer der Seiten ge­ kippt wird, kann eine Feuchtepassage zwischen dem äuße­ ren Gehäuse und dem Oberteil zur Platine hin entstehen.

Der Zweck der Erfindung ist es eine Lösung zu schaffen, in der die erwähnten Nachteile vom Stand der Technik vermieden werden.

Dies wird durch die Herstellung eines Meßumformers er­ reicht, der ein äußeres Gehäuse oder einen äußeren Zy­ linder und einen inneren Zylinder hat, wobei der innere Zylinder gleichzeitig die Masseverbindung schafft, die Platine fixiert und die mechanische Konstruktion stabi­ lisiert. Der Meßumformer besteht aus einem oberen Teil, das die elektrischen Anschlüsse sowie einen ersten elektrisch leitenden Zylinder enthält, welcher Zylinder mit dem oberen Teil mechanisch verbunden ist und dieses eng umgibt, wobei in dem Raum, der von dem oberen Teil und dem ersten Zylinder gebildet wird, eine Platine an­ gebracht ist, die mit den Anschlüssen des oberen Teils und mit dem ersten Zylinder elektrisch verbunden ist.

Der Meßumformer ist im Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Zylinder und der Platine durch einen zweiten elektrisch leitenden Zylinder erfolgt, der federnde Kontaktberei­ che zur Realisierung der elektrischen Verbindung zur Platine aufweist. Die Ansprüche 2-10 enthalten nähere Einzelheiten zur praktischen Herstellung des Meßumfor­ mers.

Ein Meßumformer, der wie oben beschrieben ausgestaltet ist, gibt eine verbesserte Masseverbindung und dadurch eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen. Der Montageprozeß des Meßumformers wird er­ heblich vereinfacht, da für die Einrichtung der Ausbil­ dung der Masseverbindung keine manuelle Aktivität mehr erforderlich ist, und die relativ teure Erdungszunge kann gespart werden. Darüber hinaus wird die Platine des Meßumformers festgehalten und außerdem von Druckbe­ lastungen vom Gehäuse entlastet. Schließlich bewirkt die Anwendung eines äußeren und eines inneren Zylinders ein höheres Maß an mechanischer Stabilität und Haltbar­ keit, die das Gehäuse gegen Dreh- und Kippmomente wi­ derstandsfähig macht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der folgenden Zeichnungen näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines Druck-Meßumformers nach der Erfindung

Fig. 2 ist ein Ausschnitt des Druck-Meßumformers aus Fig. 1

Fig. 3 zeigt den inneren Zylinder des Meßumformers mit Prägungen.

Fig. 1 zeigt einen nach der Erfindung hergestellten Druck-Meßumformer 1. Das Oberteil 2 enthält die An­ schlüsse 3, in denen die Leitungen, die durch die Ka­ beldurchführung 4 geleitet werden, festgehalten werden. Ein äußeres Gehäuse oder ein äußerer Zylinder 5, beste­ hend aus rostfreiem Stahl, verbindet das obere Teil des Meßumformers mit dem unteren Teil 6, das das Fühlerele­ ment 7 enthält. Eine dichtende Silikonmasse 8 ist zwi­ schen unterem und oberem Teil des Meßumformers ange­ bracht und mit einem + markiert.

Fig. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Druck-Meß­ umformers. Eine Konsole 9 mit einem Kragen 10 und einem Klemmenteil 14 besteht aus einem harten Kunst­ stoff. Die Anschlüsse 3 werden durch das Klemmenteil 14 zu einer Platine 15 geführt. Der äußere Zylinder 5, der das Gehäuse des Druck-Meßumformers bildet, umschließt das Kunststoffteil 9 eng und ist um eine Ausnehmung 26 im Kunststoffgehäuse gebördelt, um dicht zu schließen. Ein innerer Zylinder 13, der kleiner ist als der äußere Zylinder 5, ist durch eine Preßpassung montiert, und zwar so, daß ein Teilbereich 11 mit dem äußeren Zylin­ der 5 Kontakt hat. Der innere Zylinder 13 hat einen Wulst 17, der auf der Außenseite des inneren Zylinders 13 ausbaucht, und als Feuchtesperre wirkt. Über Leitun­ gen 16 wird die Platine 15 mit einer zweiten Platine 18 verbunden, die die Meßsignale empfängt und verstärkt.

Fig. 3 zeigt den inneren Zylinder 13 von oben mit mon­ tierter Platine 15 und mit acht Prägungen 20, die gegen die Zylindermitte gerichtet sind. Die Platine 15 ist im wesentlichen kreisrund. Die obere Kante des Zylinders 13 mit Prägungen hat die Form einer Rosette. Die Prä­ gungen haben zwei Funktionen, wobei die eine Funktion eine Fixierung und Zentrierung der Platine ist, wenn diese in der Rosette montiert ist, und die zweite Funk­ tion die Schaffung der elektrischen Verbindung zur Pla­ tine 15 ist, die in diesem Ausführungsbeispiel mit ei­ ner leitenden Erdungsebene 23 auf der Kante versehen ist. Vorteilhafterweise ist der innere Zylinder 13 mit Prägungen 20 aus einem federnden Material, wie z. B. Zinnbronze, hergestellt, wobei ein konstant hoher Kon­ taktdruck gegen die Kante der Platine und eine Flexibi­ lität während radialer Krafteinwirkungen, die die Pla­ tine 15 schont, erreicht werden. Es ist möglich nur das Rosetten-Teil des inneren Zylinders aus einem federnden Material, und den Rest des Zylinders dann aus einem fe­ steren Material, herzustellen, um die mechanische Sta­ bilität zu erhöhen.

Die Prägungen 20 auf dem rosettenförmigen Teil des in­ neren Zylinders 13 sind gleichmäßig auf den Umkreis des Zylinders verteilt, und haben Kontakt mit der Platine in den Punkten 24, wobei zwischen den Punkten ein Hohl­ raum 25 besteht. Aus Rücksicht auf den Kontaktdruck ist es wichtig, daß die Prägungen die richtige Form haben. Eine weiche Kontour schafft gute Verbindungen, während zu scharfe Konturen, z. B. eine reine Dreieckform, zu steif und unelastisch werden. Wenn die Platine erwärmt wird und ihre Länge ändert, müssen sich die Prägungen auch ändern um den richtigen Druck aufrechtzuerhalten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Prägungen, wie gezeigt, mit weichen Konturen ausgestaltet werden, und aus einem Material bestehen, das eine passende Fe­ dercharakteristik aufweist, wie z. B. eine Zinn-Bronze Legierung. Die Prägungen sind in einem Winkel 19 von einundzwanzig Grad im Verhältnis zur Außenkante des Zy­ linders ausgeführt. Im Ausführungsbeispiel ändert sich der Kontaktdruck zwischen 1,5 kg und 0,8 kg, und in der Praxis hat es sich gezeigt, daß der Kontaktdruck so groß ist, daß sich die Prägungen in die Erdungsebene der Platine hineinfressen und eine gute elektrische Verbindung sichern.

Die Elastizität der Platine ist dann ein Vorteil, wenn sich die Platine auf Grund von Temperaturschwankungen entweder zusammenzieht oder erweitert, und gleichzeitig werden radiale Krafteinwirkungen nicht auf die Platine übertragen, da sie von der federnden Rosette absorbiert werden. Auch bei der Montage ist die Elastizität ein Vorteil, da keine großen Ansprüche in bezug auf Tole­ ranzen gestellt werden müssen; der Durchmesser der Pla­ tine kann z. B. um ± 0,2 mm abweichen, und die Rosette wird sich automatisch anpassen.

Die Montage des Druck-Meßumformers erfolgt dadurch, daß der innere Zylinder 13 zuerst in das Plastikteil 9 hin­ eingepreßt wird, bis er gegen die Kante 22 anliegt. Danach wird die Platine 15 durch den inneren Zylinder geführt, bis sie gegen eine Kante 21 anliegt, wobei sich der Kontaktpunkt der Prägungen in der Mitte der Platinenkante befindet. Danach wird der äußere Zylinder 5 über den Kragen 10 des Kunststoffteils geführt und auf der Kante der Ausnehmung 26 festgebördelt.

Die Durchmesser sowohl des inneren als auch des äußeren Zylinders sind so ausgelegt, daß der innere Zylinder 13 und die Platine 15 durch Preßpassung montiert sind, wo­ bei sowohl mechanische als auch elektrische Aufgaben gelöst werden. Im Ausführungsbeispiel ist der Durchmes­ ser des äußeren Zylinders größer als der des inneren Zylinders, während der innere Zylinder hauptsächlich zwei Durchmesser hat, wobei der erste Durchmesser grö­ ßer ist als der zweite und zum äußeren Zylinder Kontakt hat, während der zweite Durchmesser mit der Platine Kontakt hat und kleiner ist als der Durchmesser der Platine. Der zweite Durchmesser wird von den acht Prä­ gungen 20 gebildet, deren Spitzen zusammen einen Kreis beschreiben. Wenn die Platine montiert ist, wird sie von dem zweiten Durchmesser, d. h. zwischen den Prägun­ gen, festgehalten. Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine kreisrunde Platine, es ist aber auch möglich eine rechteckige Platine zu verwenden, die von federnden Prägungen festgehalten wird. Der innere Zylinder 13 könnte dann am einen Ende geschlossen sein, abgesehen von einer Öffnung in der geschlossenen Fläche, in der die rechteckige Platine montiert wird. Federnde Kon­ taktbereiche werden auf die Kante dieser Öffnung ver­ teilt, zwischen denen die etwas größere Platine festge­ halten wird.

Während der Montage des inneren Zylinders 13 wird der Wulst 17 in den Kunststoffkragen 10 gepreßt und schließt so dicht, daß Feuchtigkeit nicht in das Innere des Meßumformers dringen kann. Erfahrungen mit einem glatten Zylinder ohne Dichtungswulst haben gezeigt, daß Feuchtigkeitsprobleme auftreten können, mit der gezeig­ ten Lösung kann aber eine Dichtigkeit erreicht werden, die IP67 entspricht. Die elektrische Funktion der Preß­ passung ist im Kontaktbereich 11 erfüllt, in dem der innere und der äußere Zylinder eine gemeinsame elektri­ sche Berührungsfläche haben, wobei es aus störungsmäßigen Gründen wichtig ist, daß diese Fläche möglichst groß ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Höhe des äuße­ ren Zylinders 22,5 mm und die Höhe des inneren Zylin­ ders 10 mm. Wenn eine größere Masseebene erforderlich ist, kann die Höhe des inneren Zylinders ganz einfach vergrößert werden. Es ist auch möglich die Höhe des Zy­ linders 13 zu reduzieren, so daß sich der Zylinder ei­ nen Ringform mit Prägungen 20 nähert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen, daß der Meßumformer gegenüber drehenden und kippenden Momenten widerstandsfähig ist. Ein Kippmoment mit Ursprung in der Kabeldurchführung 4 wird nicht imstande sein das Oberteil aus dem Gehäuse zu kippen, da der Kragen 10 von dem äußeren Zylinder 5 und dem inneren Zylinder 13 fest unterstützt wird, wo­ bei der innere Zylinder durch eine Preßpassung in der gemeinsamen Kontaktfläche 11 verstärkend befestigt ist. Eine Sicherung gegen drehende Momente ist durch eine Kombination von dem Wulst 17 und einer Prägung 12 im äußeren Gehäuse erreicht worden, die sich in dem Kunst­ stoffkragen 10 festbeißt.

Claims (10)

1. Meßumformer mit einem Endstück (2) und darin einge­ betteten elektrischen Anschlüssen (3) sowie einem ersten elektrisch leitenden Zylinder (5), der me­ chanisch mit dem Endstück eng verbunden ist, wobei eine Platine (15) in einem Raum, der von dem End­ stück und dem ersten Zylinder gebildet wird, ange­ ordnet ist, welche Platine mit den Anschlüssen und mit dem ersten Zylinder elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbin­ dung zwischen dem ersten Zylinder (5) und der Pla­ tine (15) durch einen zweiten elektrisch leitenden Zylinder (13) erzielt wird, der federnde Kontaktbe­ reiche (20) zur Bildung der elektrischen Verbindung zur Platine hat.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die federnden Kontaktbereiche (20) um eine Öffnung im zweiten Zylinder (13) herum verteilt sind, und mit Federkraft die Platine (15) nach der Montage festhalten.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die federnden Kontaktbereiche (20) auf dem zweiten Zylinder (13) durch Berührung einer leitenden Masseebene (23), auf der Kante der Plati­ ne angebracht, eine elektrische Verbindung (24) zur Platine (15) bilden.

4. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die federnden Kontaktbe­ reiche (20) einen im wesentlichen kreisrunden oder einen im wesentlichen rechteckigen Bereich zur Auf­ nahme einer kreisrunden oder rechteckigen Platine (15) beschreiben.

5. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die federnden Kontaktbe­ reiche (20) so ausgestaltet sind, daß sie einen im voraus bestimmten, kleinsten Kontaktdruck gegen die Leiter der Platine aufrechterhalten, unabhängig von den Bewegungen der Platine.

6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die federnden Kontaktbe­ reiche als punktförmige Prägungen (20) ausgestaltet sind, die die Platine (15) fixieren und eine elek­ trische Verbindung zur Platine bilden.

7. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die punktförmigen Prägun­ gen (20) gegen die Mitte des inneren Zylinders (13) gerichtet und gleichmäßig um den Umkreis des Zylin­ ders herum verteilt sind.

8. Meßumformer nach einem der obigen Ansprüchen, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Zylinder (5) das äußere Gehäuse des Meßumformers bildet, während der zweite Zylinder (13) den inneren Zylinder des Meßumformers bildet, wobei der innere Zylinder eine gemeinsame Berührungsfläche (11) mit dem äußeren Gehäuse hat.

9. Meßumformer nach einem der obigen Ansprüchen, da­ durch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinder (13) einen Wulst (17) um den Umkreis des Zylinders herum aufweist, wobei dieser Wulst eine Dampfsperre bil­ det.

10. Meßumformer nach einem der obigen Ansprüchen, da­ durch gekennzeichnet, daß der innere Zylinder (13) aus einer Zinnbronze Legierung besteht.