WO2008098954A1 - Modulares messgerät - Google Patents

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WO2008098954A1
WO2008098954A1 PCT/EP2008/051723 EP2008051723W WO2008098954A1 WO 2008098954 A1 WO2008098954 A1 WO 2008098954A1 EP 2008051723 W EP2008051723 W EP 2008051723W WO 2008098954 A1 WO2008098954 A1 WO 2008098954A1
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sensor
measuring device
housing
module
electronic module
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PCT/EP2008/051723
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Lothar Auerswald
Axel Fikus
Torsten Pechstein
Original Assignee
Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/283—Means for supporting or introducing electrochemical probes
    • G01N27/286—Power or signal connectors associated therewith
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors

Definitions

  • the present invention relates to modular measuring devices, in particular potentiometric measuring devices, amperometric measuring devices, conductivity measuring devices, turbidity measuring devices and measuring devices for other physical or chemical parameters, in particular in the field of industrial process measuring technology.
  • a pH meter under the name "Memosens”, which comprises a pH combination electrode as a sensor assembly, on which an electronic assembly with an inductively coupling interface for data and energy is mounted mounted on the combination electrode by means of a mounting sleeve and connected to the temperature measurement, pH potential and reference potential leads, after which a shielding element is mounted around the circuit components of the electronics assembly
  • the electronics housing is placed to protect the circuit and sealed to the combination electrode.
  • the electronics housing is placed to protect the circuit and sealed to the combination electrode.
  • the modular measuring device according to the invention comprises
  • Electronic module with a sensor-side input which is connected by means of an electrical connection to the sensor output, wherein the electronics module comprises a housing having an electrically non-conductive plastic, wherein the sensor module and the
  • Electronic module are interconnected by the housing, characterized in that a shield is provided integrally with the housing.
  • the shield can, for example, a closed or
  • the shield may comprise a metal cage, which was completely encapsulated in the manufacture of the housing body of plastic.
  • a bore can be drilled through the housing wall or a blind hole in the housing wall.
  • the housing may be formed either in one piece or in several parts.
  • circuit components of the electronic module are first mounted on a sensor module, and connected to the required sensor outputs. Thereafter, the electronics housing is mounted directly to protect the circuit components and sealed to Einstabmesskette out. An additional component for the shielding is no longer required.
  • the housing is in two parts. It includes an electronics capsule and a coupling sleeve.
  • the electronic capsule and / or the coupling sleeve have or have a shielding according to the invention.
  • the sleeve encloses in each case an end portion of the electronics capsule and the sensor module.
  • the sensor module of the measuring device may in particular comprise a potentiometric sensor, an amperometric sensor, a photometric sensor, a spectrometric sensor, a turbidity sensor, a conductivity sensor, a pressure sensor or a temperature sensor.
  • the potentiometric sensor in particular comprises a pH electrode, a reference electrode, a combination electrode or an ISFET sensor.
  • the electronic module has, in a currently preferred embodiment, an ND converter, a microprocessor for processing digitized signals of the sensor module and an interface for digital communication with a higher-level unit.
  • the interface is for example a galvanically decoupled interface, in particular an inductive interface. Measuring devices with such interfaces are marketed by the applicant under the name "Memosens", whose principle is described, for example, in European Patent Application No. 01124304.
  • FIGS. 1a-1c A sequence of the assembly steps for the production of a modular pH measuring device according to the invention.
  • a sensor module shown pH meter includes a combination electrode 1 with two coaxially arranged glass tubes to form the pH half-cell and the reference half-cell.
  • the measuring device comprises an electronic module 2, which is to be connected by means of its coupling sleeve 3 with the sensor module 1.
  • the electronic module 2 contains an opening in an electronic capsule, in which a printed circuit board 4 is arranged, which contains functionalities for processing the analog signals of the sensor module whose lines 7 are to be connected to contact points 5.
  • the electronic module contains an inductive interface 6 for exchanging data and receiving energy via a modulated AC signal.
  • the electronic module 2 is first positioned axially aligned with the sensor module.
  • the sleeve 3 is pushed onto the housing of the sensor module.
  • the shaft of the combination electrode serves directly as a housing.
  • a separate plastic housing on which the sleeve is postponed. This too can be shielded.
  • the circuit board protrudes from the housing of the electronic module, so that the contact points 5 are easily accessible, and the lines can be connected automatically.
  • the sleeve 3 is moved to its final position and attached both to the housing of the electronic module 2 and the housing of the sensor module 1, for example by gluing or (ultrasonic) welding. In this way, the two modules are firmly connected.
  • the electronics capsule of the electronic module 2 except in the area of socket inductive interface on a shield according to the invention, which comprises a cast in the manufacture of the capsule body metal cage.
  • the coupling sleeve 3 has an integral shielding.
  • Contact of the shields, for example, with the circuit ground of the electronic module is effected by a cross-filled with a conductive material transverse bore in the overlapping region of the shielding components.

Abstract

Ein modulare Messgerät umfasst ein zumindest abschnittsweise im wesentlichen zylindrisches Sensormodul 1 mit mindestens einem Sensor zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignals an einen Sensorausgang 7; ein zumindest abschnittsweise im wesentlichen zylindrisches Elektronikmodul 2 mit einem sensorseitigen Eingang 5, der mittels einer elektrischen Verbindung an den Sensorausgang angeschlossen ist, wobei das Elektronikmodul ein Gehäuse 3 umfasst, das einen elektrisch nicht leitenden Kunststoff aufweist, wobei das Sensormodul 1 und das Elektronikmodul 2 mittels des Gehäuses 3 miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass integral mit dem Gehäuse eine Schirmung vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Modulares Messgerät
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft modulare Messgeräte, insbesondere potentiometrische Messgeräte, amperometrische Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, Trübungsmessgeräte und Messgeräte für andere physikalische bzw. chemische Messgrößen, insbesondere im Bereich der industriellen Prozessmesstechnik.
[0002] Die Anmelderin fertigt beispielsweise ein pH-Messgerät unter der Bezeichnung „Memosens", welches als Sensorbaugruppe eine pH-Einstabmesskette umfasst, auf der eine Elektronikbaugruppe mit einer induktiv koppelnden Schnittstelle für Daten und Energie montiert ist. Zur Montage werden zunächst Schaltungskomponenten der Elektronikbaugruppe mittels einer Montagehülse auf der Einstabmesskette montiert, und mit den Leitungen für Temperaturmessung, pH-Potential und Referenzpotential verbunden. Danach wird ein Schirmungselement um die Schaltungskomponenten der Elektronikbaugruppe montiert
[0003] Schließlich wird das Elektronikgehäuse zum Schutz der Schaltung aufgesetzt und zur Einstabmesskette hin abgedichtet. Im Ergebnis ist an dem fertigen pH-Messgerät nichts auszusetzen. Es besteht jedoch der Bedarf, das Messgerät dahingehend zu optimieren, dass es einfacher gefertigt werden kann.
[0004] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein modulares Messgerät anzugeben, welches die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Die Aufgabe wird gelöst durch das modulare Messgerät gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
[0005] Das erfindungsgemäße modulare Messgerät umfasst
[0006] ein zumindest abschnittsweise im wesentlichen zylindrisches Sensormodul mit mindestens einem Sensor zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignals an einen Sensorausgang;
[0007] ein zumindest abschnittsweise im wesentlichen zylindrisches
[0008] Elektronikmodul mit einem sensorseitigen Eingang, der mittels einer elektrischen Verbindung an den Sensorausgang angeschlossen ist, wobei das Elektronikmodul ein Gehäuse umfasst, das einen elektrisch nicht leitenden Kunststoff aufweist, wobei das Sensormodul und das
[0009] Elektronikmodul durch das Gehäuse miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass integral mit dem Gehäuse eine Schirmung vorgesehen ist.
[0010] Die Schirmung kann beispielsweise einen geschlossenen oder
[0011] durchbrochenen leitfähigen Film, insbesondere Metallfilm, aufweisen, der an einer Gehäuseinnenwand aufgebracht ist oder als eine Zwischenlage zwischen zwei bestimmungsgemäß nicht zu trennenden Kunststoffschichten der Gehäusewand. Weiterhin kann die Schirmung einen Metallkäfig umfassen, der bei der Herstellung des Gehäusekörpers vollständig von Kunststoff umgössen wurde.
[0012] Zur Kontaktierung einer von Kunststoff abgedeckten Schirmung kann eine Bohrung durch die Gehäusewand bzw. ein Sackloch in die Gehäusewand gebohrt werden.
[0013] Das Gehäuse kann entweder einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein.
[0014] Zur Montage eines Elektronikmoduls mit einem einstückigen Gehäuse werden zunächst Schaltungskomponenten des Elektronikmoduls auf einem Sensormodul montiert, und mit den erforderlichen Sensorausgängen verbunden. Danach wird unmittelbar das Elektronikgehäuse zum Schutz der Schaltungskomponenten montiert und zur Einstabmesskette hin abgedichtet. Ein zusätzliches Bauteil für die Schirmung ist nicht mehr erforderlich.
[0015] In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse zweiteilig. Es umfasst eine Elektronikkapsel und eine Kopplungshülse. Die
[0016] Elektronikkapsel und/oder die Kopplungshülse weisen bzw. weist eine erfindungsgemäße Schirmung auf. Die Hülse umschließt jeweils einen Endabschnitt der Elektronikkapsel und des Sensormoduls.
[0017] Das Sensormodul des erfindungsgemäßen Messgeräts kann insbesondere einen potentiometrischen-Sensor, einen amperometrischen Sensor, einen photometrischen Sensor, einen spektrometrischen Sensor, einen Trübungssensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen Drucksensor oder einen Temperatursensor umfassen. Der potentiometrische Sensor umfasst insbesondere eine pH-Elektroden, eine Referenzelektrode, eine Einstabmesskette oder einen ISFET-Sensor.
[0018] Das Elektronikmodul weist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung einen ND-Wandler, einen Mikroprozessor zur Aufbereitung von digitalisierten Signalen des Sensormoduls und eine Schnittstelle zur digitalen Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit auf. Die Schnittstelle ist beispielsweise eine galvanisch entkoppelte Schnittstelle, insbesondere eine induktive Schnittstelle. Messgeräte mit solchen Schnittstellen werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Memosens" vertrieben. Deren Prinzip ist beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 01124304 beschrieben.
[0019] Die Erfindung wird nun anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert.
[0020] Es zeigt:
[0021] Fign. Ia - 1 c: Eine Abfolge der Montageschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen modularen pH-Messgerätes.
[0022] Das in Fign. Ia bis I c. gezeigte pH-Messgerät umfasst als Sensormodul eine Einstabmesskette 1 mit zwei koaxial angeordneten Glasrohren zur Ausbildung der pH-Halbzelle und der Referenzhalbzelle. Weiterhin umfasst das Messgerät ein Elektronikmodul 2, welches mittels seiner Kopplungshülse 3 mit dem Sensormodul 1 zu verbinden ist. Das Elektronikmodul 2 enthält in einer Elektronikkapsel eine Öffnung, in welcher eine Leiterkarte 4 angeordnet ist, welche Funktionalitäten zur Verarbeitung der Analogsignale des Sensormoduls enthält, dessen Leitungen 7 an Kontaktpunkten 5 anzuschließen sind. Weiterhin enthält das Elektronikmodul eine induktive Schnittstelle 6 zum Austausch von Daten und Empfangen von Energie über ein moduliertes AC-Signal. Zur Montage des pH-Messgeräts wird das Elektronikmodul 2 zunächst axial fluchtend mit dem Sensormodul positioniert. Zudem wird die Hülse 3 auf das Gehäuse des Sensormoduls aufgeschoben. Hier dient der Schaft der Einstabmesskette direkt als Gehäuse. Es kann aber in dem prozessabgewandten Endabschnitt des Sensormoduls zusätzlich ein gesondertes Kunststoffgehäuse vorgesehen sein, auf welches die Hülse aufgeschoben wird. Auch dieses kann geschirmt sein.
[0023] Nach der Positionierung der Module zueinander werden die
Anschlussleitungen 7 des Sensormoduls 1 an den Kontaktpunkten 5 der Leiterkarte 4 des Sensormoduls 2 angebracht, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Die Leiterkarte ragt aus dem Gehäuse des Elektronikmoduls heraus, damit die Kontaktpunkte 5 einfach zugänglich sind, und die Leitungen automatisch angeschlossen werden können.
[0024] Im nächsten Verfahrensschritt wird die Hülse 3 in ihre endgültige Position verschoben und sowohl am Gehäuse des Elektronikmoduls 2 als auch am Gehäuse des Sensormoduls 1 befestigt, beispielsweise durch Verkleben oder (Ultraschall-)Schweißen. Auf diese Weise werden die beiden Module fest miteinander verbunden. Das von der Hülse 3 eingeschlossene Volumen
[0025] zwischen dem Sensormodul 1 und dem Elektronikmodul wird schließlich durch eine hier nicht dargestellte Öffnung, mit einer Vergussmasse befüllt.
[0026] Die Elektronikkapsel des Elektronikmoduls 2 weist außer in dem Bereich Buchse der induktiven Schnittstelle eine erfindungsgemäße Schirmung auf, die einen bei der Herstellung des Kapselkörpers eingegossenen Metallkäfig umfasst. Gleichermaßen weist die Kopplungshülse 3 eine integrale Schirmung auf. Kontakt der Schirmungen beispielsweise mit der Schaltungsmasse des Elektronikmoduls wird durch eine mit einem leitenden Material verfüllte Querbohrung im überlappenden Bereich der schirmenden Bauteile bewirkt. Damit sind die Schaltungen auf der Leiterkarte und das hochohmige Primärsignal des pH-Sensors effektiv und mit geringem Aufwand geschirmt.

Claims

Ansprüche
1. Modulares Messgerät, umfassend ein zumindest abschnittsweise im wesentlichen zylindrisches Sensormodul (1) mit mindestens einem Sensor zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignals an einen Sensorausgang (7); ein zumindest abschnittsweise im wesentlichen zylindrisches Elektronikmodul (2) mit einem sensorseitigen Eingang (5), der mittels einer elektrischen Verbindung an den Sensorausgang angeschlossen ist, wobei das Elektronikmodul ein Gehäuse (3) umfasst, das einen elektrisch nicht leitenden Kunststoff aufweist, wobei das Sensormodul (1) und das Elektronikmodul (2) mittels des Gehäuses (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass integral mit dem Gehäuse eine Schirmung vorgesehen ist.
2. Messgerät nach Anspruch 1 , wobei die Schirmung kann einen geschlossenen oder durchbrochenen leitfähigen Film aufweist.
3. Messgerät nach Anspruch 2, wobei der leitfähige Film an der Gehäuseinnenwand aufgebracht ist.
4. Messgerät nach Anspruch 2, wobei der leitfähige Film als eine Zwischenlage zwischen zwei bestimmungsgemäß nicht zu trennenden Kunststoffschichten der Gehäusewand angeordnet ist.
5. Messgerät nach Anspruch 1 , wobei die Schirmung einen Metallkäfig umfasst, der von Kunststoff umgössen ist.
6. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Kontaktierung einer von Kunststoff abgedeckten Schirmung eine Bohrung durch die Wand bzw. ein Sackloch vorgesehen ist.
7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse einstückig ausgebildet ist.
8. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse eine Elektronikkapsel und eine Kopplungshülse (3) umfasst, und wobei die Kopplungshülse jeweils einen Endabschnitt der Elektronikkapsel und des Sensormoduls umschließt.
9. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Sensormodul einen potentiometrischen Sensor, einen amperometrischen Sensor, einen photometrischen Sensor, einen spektrometrischen Sensor, einen Trübungssensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen Drucksensor oder einen Temperatursensor umfasst.
10. Messgerät nach Anspruch 9, wobei der potentiometrische Sensor insbesondere eine pH-Elektrode, eine Referenzelektrode, eine Einstabmesskette oder einen ISFET-Sensor umfasst.
11. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elektronikmodul einen A/D-Wandler, einen Mikroprozessor zur Aufbereitung von digitalisierten Signalen des Sensormoduls und eine Schnittstelle zur digitalen Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit aufweist.
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