DE102017200414A1

DE102017200414A1 - Messgerät für die Prozess- und Automatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102017200414A1
Application number: DE102017200414.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kreis; Markus Frei
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät für die Prozessautomatisierung, bestehend aus einem Messgerät-Gehäuse (2) und einer sich unmittelbar an das Gehäuse (2) anschließenden Sensorkappe (3), die insbesondere aus dem Messgerät-Gehäuse (2) herausragt und die als separates Bauteil ausgeführt ist. Ein Sensorelement (4) ist zur Erfassung einer physikalischen Größe im Bodenbereich der Sensorkappe (3) angeordnet und an einem ersten Leiterplattenabschnitt (13b) fixiert. Ein zweiter Leiterplattenabschnitt (13b) ist im Innenbereich des Messgerät-Gehäuses (2) angeordnet, wobei der erste und zweite Leiterplattenabschnitt (13a, 13b) über einen mäanderförmigen Abschnitt (11) verbunden sind und die drei Abschnitte (11, 13a, 13b) Teilbereiche einer einstückigen Leiterplatte (10) sind und mittels des mäanderförmigen Abschnitts ein spaltfreies Anliegen zwischen Sensorelement (4) und Sensorkappe (3) gewährleistet wird und die Leiterplatte (10) in ihrer Längserstreckung flexibel ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät für die Prozess- und Automatisierungstechnik zur Erfassung einer physikalischen Größe.
Ein Messgerät der in Rede stehenden Art umfasst im Wesentlichen ein Sensorelement, eine Elektronikeinheit zur Auswertung und/oder Verarbeitung der vom Sensorelement generierten Messsignale und eine elektrische Schnittstelle, über die das Messgerät mit Energie versorgt wird und die generierten Messsignale von einer übergeordneten Steuereinheit abgreifbar sind.
Das Sensorelement, auch als Messwertaufnehmer bezeichnet, dient zur Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal. In der Prozesstechnik dient der Messwertaufnehmer insbesondere zur Erfassung von Druck, Temperatur, Strömung bzw. Durchfluss oder Füllständen eines Mediums in einem Behälter. Darüber hinaus gibt es in der Automatisierungstechnik noch weitere Anwendungen, wobei hier beispielhaft optische, kapazitive und induktive Näherungsschalter bzw. -sensoren genannt werden.
Kapazitiv arbeitende Messgeräte zur Grenzstandserfassung, die das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein eines bestimmten Füllstandes eines Mediums ermitteln, sind bekannt, bspw. aus der DE102007059709A1 . Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Gehäuse und einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse anschließenden Sensorkappe. In der Sensorkappe ist als Sensorelement oft nur eine Elektrode des Messkondensators ausgebildet und die andere Elektrode des Messkondensators wird durch die Umgebung des kapazitiven Sensors bzw. Messgeräts gebildet. Der Messkondensator ist also im Regelfall kein Kondensator im Sinne eines vollständigen elektrotechnischen Bauelements, sondern eine mit einer Kapazität ausgestattete Anordnung, deren aktive Elektrode dem kapazitiven Sensor zugeordnet ist, wobei sich ein elektrisches Streufeld von der aktiven Elektrode in die Umgebung erstreckt.
Die zuvor genannte Elektronikeinheit zur Auswertung und/oder Verarbeitung der vom Sensorelement generierten Messsignale ist üblicherweise auf einer Leiterplatte im Inneren des Messgeräte-Gehäuses angeordnet. Die elektrische Kontaktierung dieser Leiterplatte mit dem Sensorelement erfolgt typischerweise durch eine Verdrahtung, was jedoch fertigungstechnisch vergleichsweise aufwendig und damit teuer ist. Allerdings konnte durch die Verdrahtung - bei Verwendung von starren Leiterplatten - ein Ausgleich von Bauteiltoleranzen erreicht werden, die bspw. zur korrekten Montage notwendig sind. Zudem konnten so Spannungen während des Betriebs infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung bei Verwendung verschiedener Materialien ausgeglichen werden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Alternative für die elektrische Verbindung zwischen Sensorelement und einer starren Leiterplatte vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Längenkompensation nunmehr nicht durch die Verdrahtung erreicht wird, sondern durch einen mäanderförmigen Abschnitt der Leiterplatte. Damit wird die für den Toleranzausgleich notwendige flexible Längserstreckung erreicht, so dass das Sensorelement, gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung, auch direkt mit der Leiterplatte, d.h. ohne Verdrahtung, verlötet werden kann. Des Weiteren kann durch eine Vorspannung der Mäanderstruktur auch ein permanenter Druck auf das Sensorelement ausgeübt werden, so dass ein spaltfreies Anliegen zwischen Sensorelement und Sensorkappe gewährleistet wird.
Die Mäanderstruktur wird dabei vorzugsweise durch mehrere, mit jeweils wechselnder Richtung verlaufende Einschnitte gebildet. Die Einschnitte verlaufen dabei vorteilhafterweise quer zur Längsrichtung der Leiterplatte, wobei jedoch auch andere, einem Mäander nahekommenden Struktur von de Erfindung mit umfasst sind. Auf der dann verbleibenden schmalen Leiterplattenstruktur verläuft dann wenigstens eine Leiterbahn, um die Leiterplattenabschnitte vor und hinter der Mäanderstruktur elektrisch miteinander zu verbinden. Dadurch wird eine Federwirkung erzielt, durch die die starre Leiterplatte, d.h. die beiden starren Leiterplattenabschnitte zueinander, in alle Richtungen flexibel ist, insbesondere jedoch in Längsrichtung gestaucht und gedehnt werden kann. Damit können montagebedingte, aber auch während des Betriebs des Messgeräts notwendige Toleranzen problemlos kompensiert und entsprechende Längenänderungen ausgeglichen werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Sensorkappe aus dem Messgerät-Gehäuse herausragt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Grenzstandserfassung,
2 ein Schnittbild durch das Gehäuse und die Sensorkappe eines erfindungsgemäßen Messgeräts nach 1.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messgerät 1, vorliegend ein kapazitiv arbeitendes Messgerät zur Grenzstandserfassung. Das Messgerät 1 besteht im Wesentlichen aus einem Messgeräte-Gehäuse 2 und einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse 2 anschließenden Sensorkappe 3, die aus dem Messgerät-Gehäuse 2 herausragt und die als separates Bauteil ausgeführt ist. Das Gehäuse 2 beinhaltet eine für die Signalaufbereitung und Signalverarbeitung vorgesehene Elektronikeinheit. Der Steckeranschluss 5, typischerweise in als M12-Steckverbinder ausgeführt, dient dazu, das Messgerät 1 mit Energie zu versorgen und die aufbereiteten Messsignale an eine übergeordnete Steuereinheit, bspw. eine SPS, weiterzugeben.
Im Innern der Sensorkappe 3 ist im Bodenbereich ein Sensorelement 4 zur Erfassung einer physikalischen Größe angeordnet, wie der nachfolgenden 2 zu entnehmen ist. Das Sensorelement 4 wird bei einem kapazitiv arbeitenden Messgerät zur Grenzstandserfassung aus einer Messelektrode gebildet. Mit Hilfe der Messelektrode 4 kann gegen ein Bezugspotential eine Kapazität gemessen werden, was letztlich zur Bestimmung eines Grenzwertes eines Füllstands ausgewertet werden kann.
2 zeigt ein Schnittbild durch die Sensorkappe 3 und einen Teil des Gehäuses 2 eines erfindungsgemäßen Messgeräts 1 nach 1. Dargestellt ist im Inneren der Sensorkappe 3 das Sensorelement 4 in Form einer Messelektrode sowie ein Teil 13b einer starren Leiterplatte 10. Die Leiterplatte 10, 13b und die Messelektrode sind unmittelbar, d.h. ohne zusätzliche Verdrahtung, miteinander verlötet.
Die Leiterplatte 10 weist oberhalb des starren, schmalen Abschnitts 13b, der sich in der Sensorkappe 3 befindet, einen mäanderförmigen Abschnitt 11 sowie einen nur teilweise dargestellten weiteren starren Abschnitt 13a auf. Der starre Leiterplattenabschnitt 13a ist dabei fest an dem Gehäuse 2 fixiert, während der zweite starre Leiterplattenabschnitt 13b in der Sensorkappe 3 dort mit etwas Spiel fixiert ist, um eine Längsbeweglichkeit zu ermöglichen.
Die Mäanderstruktur 11 wird dabei durch mehrere, quer zur Längsrichtung der Leiterplatte 10 und mit wechselnden Richtungen verlaufende Einschnitte 12 gebildet. Auf der dann verbleibenden schmalen Leiterplattenstruktur verläuft wenigstens eine Leiterbahn, um die Leiterplattenabschnitte 13a, 13b vor und hinter der Mäanderstruktur 11 elektrisch miteinander zu verbinden. Dadurch wird eine Federwirkung erzielt, durch die die Leiterplatte 10, d.h. die beiden starren Leiterplattenabschnitte 13a, 13b zueinander, in alle Richtungen flexibel ist, insbesondere jedoch in Längsrichtung gestaucht und gedehnt werden kann. Damit können montagebedingte, aber auch während des Betriebs des Messgeräts 1 notwendige Toleranzen problemlos kompensiert und entsprechende Längenänderungen ausgeglichen werden. Des Weiteren kann durch eine Vorspannung der Mäanderstruktur 11 auch ein permanenter Druck auf das Sensorelement 4 ausgeübt werden, so dass ein spaltfreies Anliegen zwischen Sensorelement und Sensorkappe gewährleistet wird.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Gehäuse
3: Sensorkappe
4: Sensorelement
5: Steckeranschluss
10: Leiterplatte
11: mäanderförmiger Leiterplattenabschnitt
12: Einschnitte
13a,b: starrer Leiterplattenabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007059709 A1 [0004]

Claims

Messgerät für die Prozessautomatisierung, bestehend aus einem Messgerät-Gehäuse (2) und einer sich unmittelbar an das Gehäuse (2) anschließenden Sensorkappe (3), die als separates Bauteil ausgeführt ist, wobei ein Sensorelement (4) zur Erfassung einer physikalischen Größe im Bodenbereich der Sensorkappe (3) angeordnet und an einem ersten Leiterplattenabschnitt (13b) fixiert ist, wobei ein zweiter Leiterplattenabschnitt (13b) im Innenbereich des Messgerät-Gehäuses (2) angeordnet ist, wobei der erste und zweite Leiterplattenabschnitt (13a, 13b) über einen mäanderförmigen Abschnitt (11) verbunden sind und die drei Abschnitte (11, 13a, 13b) Teilbereiche einer einstückigen Leiterplatte (10) sind und mittels des mäanderförmigen Abschnitts ein spaltfreies Anliegen zwischen Sensorelement (4) und Sensorkappe (3) gewährleistet wird und die Leiterplatte (10) in ihrer Längserstreckung flexibel ist.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (4) direkt an der Leiterplatte (10) angelötet ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mäanderförmige Abschnitt (11) durch mehrere mit jeweils wechselnder Richtung verlaufende Einschnitte (12) gebildet wird, die vorzugsweise quer zur Längsrichtung der Leiterplatte (10) verlaufen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorkappe (3) aus dem Messgerät-Gehäuse (2) herausragt.