DE102019125687A1

DE102019125687A1 - Feldgerät der Automatisierungstechnik und Verfahren zur Herstellung eines solchen Feldgerätes

Info

Publication number: DE102019125687A1
Application number: DE102019125687.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Sulzer; Florent Tschambser; Lars Dreher
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: DE102019125687B4; WO2021058208A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, welches mindestens eine Messkomponente zur Ermittlung einer Prozessvariablen eines Mediums in einem Behältnis, insbesondere in einem Messrohr, und ein Gehäuse mit einem Gehäusekörper umfasst, der zumindest anteilig ein Kompositmaterial aufweist, wobei die Messkomponente ganz oder teilweise von dem Kompositmaterial ummantelt ist. Das Feldgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial vorexpandierte Mikrosphären, insbesondere in einer Polymermatrix aufweist.

Description

In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozess-Automatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotentialmessgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Messkomponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Grenzstandsmessgeräten und/oder Analysemessgeräten.
Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermische und/oder magnetisch induktive Durchflussmessgeräte.
Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte, radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und/oder temperaturabhängigen Widerständen.
Grenzstandsmessgeräte sind insbesondere vibronische Grenzstandsmessgeräte, Ultraschall-Grenzstandsmessgeräte und/oder kapazitive Grenzstandsmessgeräte.
Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, und/oder ionenselektive Elektroden.
Es sind vielfältige Varianten von Feldgeräten der Automatisierungstechnik bekannt, von denen die meisten Varianten ein Gehäuse zur Stabilisierung und zum Schutz der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten gegenüber der Umgebung aufweisen. Feldgeräte können aufgrund des breiten Einsatzgebietes besonders hohen Temperaturschwankungen unterliegen. Dies führt zu Materialausdehnungen und -schrumpfungen innerhalb des Gehäuses, was zu Fehlmessungen oder zum Ausfall von Elektronikbauteilen führen kann.
Aus der DE 10 2012 110 665 A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein durch zwei miteinander verschweißte Kunststoffformteile geformtes Kunststoffgehäuse aufweist. Eine derartige Konstruktion erlaubt zwar weiterhin den Zugriff auf einzelne Messkomponenten des Durchflussmessgerätes, ist jedoch nachteilig in Bezug auf die Lagefixierung der einzelnen Anschlusskabel.
Die DE 10 2014 105 569 B3 offenbart ein Feldgerät mit einem zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material gefertigten und somit den Messrohrteilabschnitt und mindestens eine weitere daran befestigte Messkomponente passgenau umhüllenden Gehäuse. Diese Lösung ist zwar kostengünstig, da das gesamte Gehäuse nur einen einzelnen Schrumpfschlauch umfasst, der für die Fixierung und Stabilisierung sorgt, jedoch ist nachteilig, dass das Gehäuse nach dem Aufschrumpfen nicht wiederverwertbar ist.
Aus der DE 10 347 878 A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein aus einem Vergussmaterial geformtes und aus einem Epoxidharz oder Polyurethan bestehendes Gehäuse aufweist. Zur Aufbringung des Vergussmaterials wird das Messrohr mit einer Vergussform, beispielsweise aus Blech, umhüllt, welche dann mit dem Vergussmaterial gefüllt wird. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials wird die Vergussform entfernt, wobei diese insbesondere auch wiederverwendbar ist. Dieser Erfindung nachteilig ist, dass die Elektronikbauteile durch die Temperatur des Vergussmaterials beim Vergießen angegriffen werden und dass unerwünschte Lufteinschlüsse in Hinterfüllungen entstehen können.
Um Kavitäten zu vermeiden werden Treibmittel in die Vergussmasse gemengt. Eine Alternative dazu wird in der DE 10 2007 058 608 A1 offenbart. Ein elektrisches Mess- und/oder Schaltgerät der industriellen Mess- und Automatisierungstechnik weist ein Gehäuse auf, welches mit einer Mehrkomponentensystem ausgefüllt ist, in dem Mikroballons eingelagert sind. Diese Mikroballons dehnen sich beim Erwärmen aus, das Volumen der Einbettmasse steigt im Gehäuse an und füllt die Vergussform aus. Nachteilig an dieser Lösung jedoch ist, dass die Expansionsrate der Einbettmasse mit dem Alter abnimmt. Dies ist bei automatisierten Vergussanlagen besonders nachteilig, da die Steighöhe der Einbettmasse mit zunehmenden Alter abnimmt. Dies führt dazu, dass nachträglich Vergussmasse nachgefüllt werden muss, was sich negativ auf die Qualität und Eigenschaften des Gehäusekörpers auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dem Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Feldgerät nach Anspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung des Feldgerätes nach Anspruch 11.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Automatisierungstechnik umfasst mindestens eine Messkomponente zur Ermittlung einer Prozessvariablen eines Mediums in einem Behältnis, insbesondere in einem Messrohr, und ein Gehäuse mit einem Gehäusekörper, der zumindest anteilig ein Kompositmaterial aufweist, wobei die Messkomponente ganz oder teilweise von dem Kompositmaterial ummantelt ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial vorexpandierte Mikrosphären, insbesondere in einer Polymermatrix aufweist.
Der technische Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt darin, dass die Messkomponente sehr gut und dauerhaft ortsfest fixiert ist und gleichzeitig vor äußeren Einwirkungen wie beispielsweise Feuchte, Schmutz, Vibrationen etc. geschützt ist, wobei alle evtl. vorhandenen Hohlräume zwischen dem Messrohr und der Vergussform ausgefüllt werden. Die Fertigung ist dabei sehr kostengünstig durchführbar.
Des Weiteren weist das Kompositmaterial im Abfüllzustand keine altersabhängige Expansionsrate auf. Die Expansionsrate beschreibt das Steigverhalten eines Schaumes. Dadurch entspricht die abgefüllte Volumen des Kompositmaterials auch das finale Volumen des gebildeten Gehäusekörpers. Trotzdem wird eine erwünschte Porosität realisiert.
Mikrosphären als Treibmittel für Schäume sind bereits bekannt. Beim Erhitzen des Komposits expandieren die Mikrosphären und das Kompositmaterial dehnt sich aus. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn man die Mikrosphären vor dem Einbringen in das Polymer bzw. in einer der das Polymer bildenden Komponente expandieren lässt. Dies kann beispielsweise durch Erhitzen erfolgen. Somit verlieren die Mikrosphären zwar den Charakter eines Treibmittels und das Kompositmaterial dehnt sich beim Aushärten nur noch unwesentlich aus, doch eine Unabhängigkeit von der Expansionsrate und eine homogene Verteilung der Poren im Kompositmaterial wird gewonnen.
Bei Messkomponenten handelt es sich um die für die Ermittlung der Prozessgrößen notwendigen Bauteile. Ein Feldgerät umfasst mindestens eine Messkomponente. Die Messkomponenten eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes umfassen eine magnetfelderzeugende Vorrichtung und Messelektroden mit den dazugehörigen Anschlüssen und Kabeln. Für die Überwachung einer weiteren Prozessgröße, der Füllstand, wird zusätzlich eine Messstoffüberwachungselektrode verwendet. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, die weitere Messkomponenten wie Temperaturfühler oder Druckmesswandler aufweisen. Die Messkomponenten eines Ultraschalldurchflussmessgerätes umfassen mindestens einen Ultraschalltransmitter und einen Ultraschallreceiver.
Bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist neben dem Einbetten der magnetfelderzeugenden Vorrichtung auch das Fixieren der entsprechenden elektrischen Zuleitungen durch das Vergussmaterial möglich. Die Zuleitungen sind dann ohne größeren Aufwand vibrationsfrei gehalten, was die Messgenauigkeit und Störsicherheit erhöht.
Weiterhin kann sich auch eine elektronische Signalwandlerbaugruppe, beispielsweise in der Vergussform angeordnet und somit in das Vergussmaterial mit eingebettet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung ist eine statistische Verteilung, welche Volumen der Mikrosphären in Relation zur Häufigkeit der Mikrosphären setzt, durch eine Normalverteilung mit einem Erwartungswert E beschreibbar, wobei für den Erwartungswert E gilt, dass 1 750 µm³ ≤ E ≤ 450 000 µm³, inbesondere 14 000 µm³ ≤ E ≤ 325 000 µm³ und E bevorzugt kleiner 115 000 µm³ ist.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Volumen der Mikrosphären in dem obigen genannten Bereich liegen. Dadurch wird eine einfache Handhabung bei der Herstellung der Gehäusekörper gewährleistet. Mikrosphären, mit einem besonders großen Volumen tendieren dazu bei Krafteinwirkung früh zu kollabieren. Dient ausschließlich der Gehäusekörper aus dem Kompositmaterial für die Stabilität des Gehäuses, so wären Mikrosphären mit großen Volumina besonders nachteilig.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Mikrosphären eine Dichte p von 20 kg/m³ ≤ ρ ≤ 70 kg/m³ und bevorzugt 25 kg/m³ ≤ ρ ≤ 35 kg/m³ auf.
Es ist vorteilhaft, wenn die Dichte der Mikrosphären in dem obigen Wertebereich liegen, da somit eine einfache Handhabung dieser beim Bilden des Kompositmaterials, d.h. beim Einmischen in das Polymer realisiert wird. Da die Mikrosphären bereits vorexpandiert sind, gleicht ihr Verhalten dem Verhalten von gefüllten Luftballons. Bei geringeren Dichten wird die Handhabung deutlich aufwendiger, was insbesondere bei automatisieren Abfüllprozessen kritisch ist. Je geringer die Dichte, desto dünner ist die Polymerhülle und desto größer ist die Anzahl an defekten Mikrosphären.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Mikrosphären jeweils eine Polymerhülle auf, die gasförmigen Kohlenwasserstoff umschließt.
Beim Vorheizen dehnt sich der gasförmigen Kohlenwasserstoff im Inneren aus und die Polymerhülle dünnt aus bzw. gibt nach und weicht auf. In dieser vorexpandierten Form sind die Mikrosphären stabil, insbesondere nach dem Einbringen in ein Polymer bzw. in eine Komponente eines Polymers.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Gehäusekörper eine Shore-Härte von mindestens 65D, insbesondere von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 85D (nach ISO 868 (Stand 2018)) aufweist.
Die Shore-Härte beschreibt den mechanischen Widerstand, den das Vergussmaterial einem mechanischen Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt und hängt nur bedingt von der Festigkeit des Körpers ab. Die Shore-Härte ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN EN ISO 868, DIN ISO 7619-1 und ASTM D2240-00 (Stand 2018) festgelegt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Kompositmaterial einen insbesondere geschlossenzelligen Schaumstoff auf.
Schaumstoffe sind künstlich hergestellte Stoffe, die eine Zellstruktur aufweisen. Bei offenzelligen Schaumstoff sind die Zellwände nicht geschlossen, daher können Flüssigkeiten aufgenommen werden. Bei geschlossenzelligem Schaumstoff sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett geschlossen.
Es sind Schaumstoffe aus Kompositmaterialien auf Basis von Polyurethan, Epoxidharz, Silikon und Polyamid bekannt.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kann bei Raumtemperatur eingebracht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung erfüllt das Gehäuse (7) die Anforderungen der IP68 Schutzklasse (Stand 2018) erfüllt.
Insbesondere bei Gehäusen mit IP68 Schutzklassen Zertifizierung (Stand 2019) ist ein geschlossenzelliger Schaumstoff vorteilhaft gegenüber einem offenzelligen Schaumstoff. Die erste Kennziffer bedeutet nach der DIN EN 60529 (Stand 2019), dass das Gehäuse staubdicht ist und somit gegen das Eindringen von Fremdkörpern geschützt ist. Die zweite Kennziffer bedeutet nach der DIN EN 60529, dass das Innere des Gehäuses trotz dauerndes Untertauchen gegen Eindringen von Wasser geschützt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Gehäusekörper eine Dichte von mindestens 0,75 g/cm³ und bevorzugt mindestens 0,85 g/cm³ aufweist.
Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist wenn Gehäusekörper, die nicht durch zusätzliche Schalen gestützt werden eine Mindestdichte aufweisen. Für Gehäusekörper, die aus einem Polymerkomposit gebildet sind und die Poren aufweisen ist es im Blick auf den Einsatz im Feld vorteilhaft, wenn eine Dichte von mindestens 0,75 g/cm³ und bevorzugt mindestens 0,85 g/cm³ eingehalten wird. Da Dichte von der Porosität abhängt, besteht auch ein Zusammenhang zur Stabilität des Körpers.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Polymermatrix mindestens eine erste und eine zweite Komponente auf, wobei die erste Komponente ein Isocyanat-Präpolymer aufweist, wobei die zweite Komponente ein Polyol aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass die Kombination der Mikrosphären mit einem Polyurethan zu einem günstigen Kompositmaterial führt, das ideal als Gehäusekörper oder als Füllstoff zum Stabilisieren geeignet ist und auch für automatisierte Abfüllprozesse geeignet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Feldgerät ein Durchflussmessgerät, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst die Verfahrensschritte:

- Einarbeiten einer dritten Komponente in die erste oder zweite Komponente, insbesondere in die erste Komponente des Vergussmaterials, wobei die dritte Komponente vorexpandierte Mikrosphären aufweist;
- Mischen der einzelnen Komponenten zur Bildung des Vergussmaterials;
- Vergießen des Vergussmaterials in eine Vergussform (8); und
- Aushärten lassen des Vergussmaterials.

Bei der Herstellung von Polyurethanschäumen ist es üblich, jegliche weitere Komponenten, wie Treibmittel, Farbstoff etc., der zweiten Komponente, also dem Polyol beizumischen. Es hat sich aber gezeigt, dass ein Beimischen der vorexpandierten Mikrosphären in die erste Komponente, also in das Isocyanat zu einer deutlich einfacheren Handhabung beim Vorbearbeiten der einzelnen Komponenten und zu einem stabileren Gemisch führt. Somit lassen sich die vorexpandierten Mikrosphären einfacher in einen automatisierten Abfüllprozess einbinden.
Gemäß einer Ausgestaltung führt die durch die Reaktion der ersten mit der zweiten Komponente freiwerdende Reaktionswärme zu einem Temperaturanstieg des Kompositmaterials an einer Grenzfläche zu der Messkomponente oder zu dem Behälter von kleiner 100°C, insbesondere kleiner 70°C und bevorzugt kleiner 30°C.
Die IP-Schutzklasse gibt die Widerstandsfähigkeit des Gehäuse eines Feldgerätes gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser an. Die beiden Zahlen der Schutzklasse haben folgende Bedeutung. Die erste Zahl gibt an, wie resistent das Gehäuse gegen das Eindringen von Fremdkörpern ist. Die zweite Zahl gibt die Dichtheit gegenüber Wasser an. Ein Gehäuse, das die Anforderung der IP68 Schutzklasse (Stand 2018) erfüllt, ist somit staubdicht und gegen dauerhaftes Eintauchen in Wasser geschützt.
Daher ist es von besonderem Vorteil, dass der geschlossenzellige Schaum beim Ausfüllen auch verwinkelte Bereiche zwischen den Messkomponenten und/oder in einem Messelektronikgehäuse ausfüllt, so dass keine Hohlräume entstehen, die entweder direkt eine Dichtheit gegenüber Wasser verhindern oder bereits bei geringem mechanischen Einwirken kollabieren und somit Defekte im Gehäuse erzeugen, was wiederum eine Ursache für das Eindringen von Wasser sein kann.
Beim Vergießen von Elektronikbauteilen mit miteinander reagierende und einen Schaumstoff bildende Komponenten ist es besonders wichtig, dass es durch die freiwerdende Reaktionswärme nicht zu einer Beschädigung der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten kommt. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn in den Elektronikbauteilen oder in den Messkomponenten Kunststoffteile, beispielsweise in Form von Isolierungen, verbaut sind oder wenn wärmeempfindliche Elektronikbauteile verbaut sein.
Bei den für die Herstellung des Gehäuses verwendeten Polyurethanen handelt es sich zumeist um elastomere Kunststoffe, die auf Basis eines unmittelbar vor der Verarbeitung aus reaktiven Komponenten gebildeten, flüssigen Mehrkomponentensystems hergestellt sind, wobei letzteres jeweils nach dem Zusammenmischen in die Vergussform eingebracht und dort innerhalb einer vorgebbaren Reaktionszeit aushärten gelassen wird. Polyurethane werden bekanntlich nach dem Polyadditionsverfahren aus Di- und Poly-Isocyanaten mit mehrwertigen Alkoholen hergestellt. Als Komponenten können dabei beispielsweise Präpolymere, aufgebaut aus aliphatischen und/oder aromatischen Ether-Gruppen sowie Glykol und Isocyanat-Gruppen dienen, die mit dem zugeführten mehrwertigen Alkohol reagieren können.
Üblicherweise werden Transmitter oder elektronische Anzeige über einen Adapter mit dem Gehäuse verbunden. Daher müssen für Messrohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmesser jeweilige Adapter angefertigt und bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß ist die Vergussform derart geformt, dass der Adapter, insbesondere die Anschlüsse passend mitvergossen werden. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Vergussform auch stellenweise die Form des Adapters annimmt, was dazu führt, dass sich nach dem Vergießen ein Adapter mit ausbildet. Dessen Form hängt von der Form der Vergussform ab und kann somit für die jeweiligen Messrohre angepasst werden. Somit kann auf einen zusätzlichen Adapter verzichtet werden und der Transmitter oder die elektronische Anzeige kann direkt an das erhärtete Vergussmaterial angeschlossen werden.
Bei der Vergussform können idealerweise herkömmlich, beispielsweise aus der DE102012110665A1 bekannte Schalen zurückgegriffen werden. Für ein einfaches Ablösen des Vergussform von dem Vergussmaterial weist die Innenseite der Vergussform eine anti-adhäsive Oberfläche auf, bzw. besteht die Vergussform aus einem anti-adhäsiven Material. Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung mit einem Fett oder Teflon. Üblicherweise wird die Vergussform mit Hilfe eines Druckgussverfahrens hergestellt. Erfindungsgemäß ist die Vergussform mittels einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Verschalung kann beispielsweise aus Blech oder Kunststoff hergestellt sein, insbesondere wiederverwendbar oder als „verlorene Form“ ausgeführt sein.
Weiterhin weist die Vergussform einen Zulauf auf, damit das aufschäumende Vergussmaterial vereinfacht in die Vergussform eingeführt werden kann. Ein Ablauf wird nicht mehr benötigt.
Komponenten zur Bildung eines Kompositmaterials aus einem Vergussmaterial liegen in der Regel nicht in einem homogenisierten Zustand vor. Für eine ideale Reaktionsbedingung muss die jeweilige Komponente jedoch homogen in dem Vergussmaterial verteilt sein. Nur dann kann die Bildung von Hohlräumen vermieden werden.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Zusammensetzungen des Vergussmaterials genannt:

Epoxidharz Komponentengemisch A+B mit einem Mischverhältnis MV(A:B) von 100:25 ≤ MV ≤ 100:15.
Polyurethan Komponentengemisch A+B mit einem Mischverhältnis MV(A:B) von 100:25 ≤ MV ≤ 100:15.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: einen schematischen Querschnitt eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit einem Gehäuse;
2: eine Perspektivansicht eines Feldgerätes mit einem Gehäuse und einer Vergussform;
3: eine Seitenansicht eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit einem Gehäuse und einem vergossenen Adapter; und
4: ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Ablaufes eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Feldgerätes.

Ein Beispiel für ein Feldgerät ist eine magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (4) (siehe 1). Der Aufbau und das Messprinzip des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (4) ist grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr (1) wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (5) ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung (5) eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder ein Polschuh mit aufgesetzter Spule. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr (1) eine Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres (1) angebrachten Messelektroden (3) abgegriffen wird. In der Regel sind diese diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse, die senkrecht zu einer Symmetrieachse der Magnetfeldlinien und der Längsachse des Rohres verläuft. Anhand der gemessenen Messspannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden. Um das Ableiten der an den Messelektroden (3) anliegenden Messspannung über das Rohr (2) zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material bzw. einem Kunststoff-Liner ausgekleidet. Das durch beispielsweise einen Elektromagneten aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität mittels einer Betriebseinheit erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Eine Mess- und/oder Auswerteeinheit (6) liest die an den Messelektroden (3) anliegende Spannung aus und gibt die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den errechneten Volumendurchfluss des Mediums aus. Bei dem in 1 dargestellten Querschnitt eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät befinden sich die Messelektroden (3) in direktem Kontakt mit dem Medium. Die Kopplung kann jedoch auch kapazitiv erfolgen.
Die Durchführung ist dabei vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie das Anschlusskabel oder die andere Elektronikkomponente vor Beschädigung schützt. So kann beispielsweise ein Kabelbruch im Bereich des Anschlusses vermieden werden. Erfindungsgemäß werden die Anschlüsse so mitvergossen, dass sie fixiert jedoch einfach zugänglich sind. Ein einfaches Aufstecken der Ausgabeeinheit direkt auf das Gehäuse (7) bzw. auf einem einem Adapter nachgebildeten Formteil, vereinfacht die Montage. Auf einen separaten Adapter (9) kann verzichtet werden.
Die 2 zeigt eine Perspektivansicht einer Ausgestaltung eines teilweise verschalten Feldgerätes. Als Vergussform (8) wurde eine herkömmlich Schale verwendet, die bei Feldgeräten zum Schutz der Elektronikbauteile verbaut wird, in denen ein nachträglicher Zugriff auf das Innere des Gehäuses (7) vorgesehen ist. Sie kann jede beliebige Form annehmen. Bei speziellen Formwünschen eignet sich ein 3D-Druckverfahren. Nach dem Befüllen kann die Schale wieder entfernt werden, so dass sie für die Herstellung weiterer Gehäuse (7) verwendet werden kann. In der 2 nicht sichtbar ist ein in der Polymermatrix eingebetteter Transmitter, der die Messsignale an eine Anzeigeeinheit sendet. Die Polymermatrix weist vorexpandierte Mikrosphären auf, die dem Körper einen geschlossenporigen Charakter verleihen. Nach dem Vergießen wird die Vergussform entfernt und der Gehäusekörper aus dem Polymerkomposit übernimmt die Aufgabe der Verschalung. Alternativ wird die Vergussform (8) nicht entfernt. In dem Fall sorgt die Polymermatrix hauptsächlich für die Fixierung der elektronischen Komponenten. Die äußere Verschalung übernimmt die Stabilisierung und den Schutz der Messkomponenten.
Die 3 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgestaltung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (4) mit einem vergossenen Adapter (9). Dieser wird beim Vergießen so in die Vergussform (8) eingebracht, dass die Anschlüsse (10) freibleiben und nur das Endstück mit der Vergussmasse umschlossen ist. In dieser Ausgestaltung wurde eine Adapter (9) als separates Bauteil mitvergossen. Der Adapter (9) muss aber nicht notwendigerweise als separates Bauteil ausgebildet sein. Durch die Wahl der Vergussform (8) kann das Gehäuse (7) bzw. Teile des Gehäuses die Form des Adapters (9) annehmen. In diesem Fall werden die elektrischen Anschlüsse (10) während des Vergießens mit in die Vergussform (8) fixiert und so vergossen, dass die Kontaktstellen der Anschlüsse (10) nicht mitvergossen werden. Die Anzeigeeinheit kann dann direkt an das Gehäuse (7) angeschlossen werden, ein Adapter ist somit nicht notwendig. Da erfindungsgemäß durch die vorexpandierten Mikrosphären ein Ausdehnen des Vergussmaterials zur Bildung des Kompositmaterials ausbleibt, wird auch die Integration von weiteren elektronischen Bauteilen, wie Display oder Adapter, in den Gehäusekörper vereinfacht.
Die 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung der einzelnen Verfahrensschritte A bis I des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Feldgerätes. In einem ersten Schritt A werden die Messkomponenten und/oder die Elektronikbauteile des Feldgerätes mit einer Vergussform vorbereitend verschalt. Die erste Komponente des Vergussmaterials muss üblicherweise kühl gelagert werden, daher wird in einem zweiten Schritt B die erste Komponente, eine der zwei Komponenten des Polyurethans auf 40°C erwärmt. Ein Entgasen der ersten Komponente ist vorteilhaft für die weiteren Prozessschritte. Im dritten Schritt C wird in die erste Komponente die dritte Komponente, also die vorexpandierten Mikrosphären eingearbeitet. Bei der ersten Komponente handelt es sich um das Isocyanat. Im vierten Schritt D wird das Gemisch aus der ersten und dritten Komponente mit der zweiten Komponente vermischt. Auch dies erfolgt unter Vakuumbedingungen. Optional kam der Mischung eine weitere vierte Komponente hinzugefügt werden. Dies kann ein Flammschutzmittel zur Erfüllung der Ex-i-(DIN/ISO/IEC 60079-11) Norm (Stand 2018) sein, ein Füllstoff und/oder ein Farbmittel. Diese Mischung wird in einem fünften Schritt E in die vorbereitete Vergussform vergossen. Nach einer Offenzeit (Schritt F) von mindestens 30 Minuten, in der das Vergussmaterial Zeit hat sich in der Vergussform auszubreiten, wird das Vergussmaterial in einem siebten Verfahrensschritt (Schritt G) bei einer Heiztemperatur von ca. 50°C für mindestens eine 24 Stunden, vorzugsweise 36 Stunden geheizt. Alternativ reicht eine Heizdauer von 16 Stunden bei einer Heiztemperatur von mindestens 80°C aus. In der Zeit härtet das Vergussmaterial vollends aus, so dass in einem letzten, alternativen Herstellungsschritt das Vergussmaterial von der Vergussform entschalt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Messrohr
2: Rohr
3: Messelektrode
4: magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
5: magnetfelderzeugende Vorrichtung
6: Mess- und/oder Auswerteeinheit
7: Gehäuse
8: Vergussform
9: Adapter
10: Anschlüsse
11: Feldgerät
12: Gehäusekörper
A: Verschalen der Messkomponenten
B: Aufwärmen der ersten Komponente
C: Homogenisieren der ersten Komponente und Beimischen der dritten Kom ponente
D: Hinzufügen der dritten Komponente
E: Vergießen der Mischung in die Vergussform
F: Ausbreiten lassen des Vergussmaterials zur Bildung des Kompositmaterials
G: Heizen
H: Entformen des Vergussmaterials

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012110665 A1 [0010, 0050]
DE 102014105569 B3 [0011]
DE 10347878 A1 [0012]
DE 102007058608 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 868 [0029]
DIN EN ISO 868 [0030]
DIN ISO 7619-1 [0030]
ASTM D2240-00 [0030]
DIN EN 60529 [0036]

Claims

Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend mindestens eine Messkomponente zur Ermittlung einer Prozessvariablen eines Mediums in einem Behältnis, insbesondere in einem Messrohr (1), und ein Gehäuse (7) mit einem Gehäusekörper (12), der zumindest anteilig ein Kompositmaterial aufweist, wobei die Messkomponente ganz oder teilweise von dem Kompositmaterial ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompositmaterial vorexpandierte Mikrosphären, insbesondere in einer Polymermatrix aufweist.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei eine statistische Verteilung, welche Volumen der Mikrosphären in Relation zur Häufigkeit der Mikrosphären setzt, durch eine Normalverteilung mit einem Erwartungswert µ beschreibbar ist, wobei für den Erwartungswert µ gilt, dass 1 750 µm³ ≤ µ ≤ 450 000 µm³, inbesondere 14 000 µm³ ≤ µ ≤ 325 000 µm³ und µ bevorzugt kleiner 115 000 µm³ ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrosphären eine Dichte p von 20 kg/m³ ≤ ρ ≤ 70 kg/m³ und bevorzugt 25 kg/m³ ≤ ρ ≤ 35 kg/m³ aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrosphären jeweils eine Polymerhülle aufweisen, die gasförmigen Kohlenwasserstoff umschließt.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (12) eine Shore-Härte von mindestens 65D, insbesondere von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 85D (nach ISO 868 (Stand 2018)) aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kompositmaterial einen insbesondere geschlossenzelligen Schaumstoff aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (7) die Anforderungen der IP68 Schutzklasse (Stand 2018) erfüllt.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (12) eine Dichte von mindestens 0,75 g/cm³ und bevorzugt mindestens 0,85 g/cm³ aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymermatrix mindestens eine erste und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Isocyanat-Präpolymer aufweist, wobei die zweite Komponente ein Polyol aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät ein Durchflussmessgerät umfasst, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (4).
Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Einarbeiten einer dritten Komponente in die erste oder zweite Komponente, insbesondere in die erste Komponente des Vergussmaterials, wobei die dritte Komponente vorexpandierte Mikrosphären aufweist; - Mischen der einzelnen Komponenten zur Bildung des Vergussmaterials; - Vergießen des Vergussmaterials in eine Vergussform (8); und - Aushärten lassen des Vergussmaterials.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die durch die Reaktion der ersten mit der zweiten Komponente freiwerdende Reaktionswärme zu einem Temperaturanstieg des Kompositmaterials an einer Grenzfläche zu der Messkomponente oder zu dem Behälter von kleiner 100°C, insbesondere kleiner 70°C und bevorzugt kleiner 30°C führt.