DE102011089944A1

DE102011089944A1 - Messumformer mit mindestens einer induktiven Schnittstelle

Info

Publication number: DE102011089944A1
Application number: DE102011089944A
Authority: DE
Inventors: Torsten Pechstein; Sven-Matthias Scheibe; Stefan Pilz
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-27
Also published as: US20130162268A1; CN103185601A

Abstract

Ein Messumformer 8 zum Empfangen und Verarbeiten von Messdaten, umfasst: ein Umformergehäuse 10 mit mindestens einer Schaltungskammer im Inneren des Umformergehäuses, eine elektronischen Schaltung, die in der Schaltungskammer angeordnet ist, zum Speisen eines Sensors und zum Empfangen und Verarbeiten von Messdaten des Sensors über mindestens eine induktiv koppelnde Schnittstelle 12, 13, wobei die induktiv koppelnde Schnittstelle 12, 13 eine Steckverbinderkupplung mit einem primärseitigen, ersten Steckverbinderelement und einem dazu komplementären sekundärseitigen, zweiten Steckverbinderelement umfasst, wobei das zweite Steckverbinderelement lösbar mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste Steckverbinderelement mindestens einen ersten induktiven Koppler in einem ersten Kopplergehäuse aufweist, welches hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig mit dem Umformergehäuse verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messumformer mit mindestens einer induktiv koppelnden Schnittstelle. Induktive koppelnde Schnittstellen sind insoweit vorteilhaft, als Sie die Probleme galvanisch koppelnder Schnittstellen wie Korrosion, Funkenabriss oder Kriechströmen in feuchten Umgebungen vermeiden. Dies ist besonders für potentiometrische Sensoren relevant.
Das europäische Patent EP 1 206 012 B1 schützt eine Anordnung, umfassend einen pH-Sensor mit einer solchen induktiv koppelnden Schnittstelle zum Anschluss an einen Messumformer pH-Sensor und einen Steckverbinder, wobei mittels des Steckverbinders eine Übertragungsleitung anschließbar ist, wobei ´über den Steckverbinder ein Energieversorgungssignal an den pH-Sensor und ein Messsignal von dem pH-Sensor kontaktlos übertragbar sind, der Steckverbinder ein Steckerelement und ein mit dem Steckerelement lösbar verbindbares Buchsenelement, zum Anschluss der Übertragungsleitung an den pH-Sensor aufweist, wobei entweder das Steckerelement dem pH-Sensor und das Buchsenelement der Übertragungsleitung zugeordnet ist, oder das Buchsenelement dem pH-Sensor und das Steckerelement der Übertragungsleitung zugeordnet ist, wobei keine elektrischen Kontaktelemente aus dem Buchsenelement und dem Steckerelement herausgeführt sind, wobei das Buchsenelement nach außen hin vollständig abgedichtet ist, wobei das Steckerelement nach außen hin vollständig abgedichtet ist, und wobei der Steckverbinder Mittel zur induktiven Signalübertragung zwischen dem Steckerelement und dem Buchsenelement aufweist.
Die Offenlegungsschrift DE 102 20 450 offenbart ein Verbindungskabel mit einem induktiv primärseitigen Steckverbinderelement und einem induktiv koppelnden sekundärseitigen Steckverbinderelement. Die Offenlegungsschrift lehrt, insbesondere in feuchten und chemisch aggressiven Umgebungen seien hohe Anforderungen an die Gehäusung von Kontakten hinsichtlich Dichtigkeit und elektrischer Isolationseigenschaften zu stellen seien, wobei im Falle von galvanischen Kontakten einperfekter Schutz praktisch nicht zu erreichen sei. Deshalb schlägt die Offenlegungsschrift eine Verbindungsleitung mit induktiv koppelnden Steckverbinderelementen vor, welche jeweils ein hermetisch dichtes Schnittstellengehäuse aufweisen. Die Verbindungsleitung ist zwischen komplementären Kopplungselementen anzuschließen, die beispielsweise an einem Sensor und einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformer angeordnet sind.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 043 297 A1 offenbart im Kontext der zuvor beschriebenen Technologie ein schnittstellenneutrales Funktionsmodul welches mit jeweils einer primärseitigen und einer sekundärseitigen induktiv koppelnden Schnittstelle welches insbesondere hermetisch dicht und ohne Gehäusedurchbrüche gestaltet sein kann. Das Funktionsmodul weist einen Energiespeicher zur Versorgung eines sekundärseitig angeschlossenen Sensors auf, für den Fall dass die normalerweise primärseitig bereitgestellte Energieversorgung ausfällt. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Funktionsmodul einen Datenlogger zur Aufzeichnung der sekundärseitig bereitgestellten Messdaten, eine Anzeigeeinheit und Bedienelemente.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 053 920 A1 offenbart ein Verteilermodul welches ein Gehäuse, eine Modul-Elektronik, eine erste Anschlusseinrichtung für ein erstes Messgerät, eine zweite Anschlusseinrichtung für ein zweites Messgerät und wenigstens eine dritte Anschlusseinrichtung für die wenigstens eine Datenverarbeitungseinheit aufweist wobei die erste Anschlusseinrichtung und die zweite Anschlusseinrichtung, jeweils eine innerhalb des Gehäuses plazierte, an die Modul-Elektronik angeschlossene Übertragerspule zum Bilden einer induktiv koppelnden Schnittstelle aufweisen, und wobei jede der wenigstens zwei Übertragerspulen jeweils innerhalb eines Steckverbinderelements plaziert ist.
Zur Steuerung des Verteiler-Moduls, insb. auch der ersten Anschlusseinrichtung und der zweiten Anschlusseinrichtung und/oder zur Verarbeitung von via dritter Anschlusseinrichtung empfangen Steuerbefehlen offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2008 053 920 A1 eine mittels eines Mikroprozessors (μC) und/oder eines modifizierbaren Logikbaustein (FPGA) und/oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) gebildete Steuereinheit. Ferner offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2008 053 920 A1 eine mit der Steuereinheit kommunizierende Anzeigeeinrichtung zur Visualisierung von via Verteiler-Modul übertragenen Daten und/oder zur Visualisierung von das Verteiler-Modul betreffenden Statusinformationen, z. B. auch momentane Anschlussbelegungen an Anschlusseinrichtungen des Verteiler-Moduls und/oder via Anschlusseinrichtung fließenden Datenströmen, sowie eine mit der Steuereinheit kommunizierende Bedieneinrichtung zur Programmierung der Steuereinheit bzw. zum selektiven Ein- oder Ausschalten von Anschlusseinrichtungen des Verteiler-Moduls, und eine mit der Steuereinheit kommunizierende Funkeinrichtung zum drahtlosen Senden bzw. Empfangen von Konfigurierdaten für das Verteiler-Modul vorzusehen.
Weiterhin offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2008 053 920 A1 mit der Steuereinheit kommunizierende bzw. darin integrierte Datenspeicher, wie einen EEPROM, PROM oder eine Festplatte, zum Speichern von Messgrößen bzw. von das Verteiler-Modul bzw. daran angeschlossene Messgeräte betreffender Information, beispielsweise zum Speichern von Messwerten, Kalibrierdaten, Freischaltcodes, Zertifikate, Betriebsfreigaben, Parametrierungsdaten oder Authentifizierungsdaten.
Weiterhin offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2008 053 920 A1 , dass zumindest die zwei für die Messgeräte vorgesehenen einander baugleichen Anschlusseinrichtungen weisen beim Verteiler-Modul ferner jeweils eine innerhalb des Modul-Gehäuses platzierte, an die Modul-Elektronik angeschlossene Übertragerspule auf zum Bilden einer sowie elektrische Energie übertragenden induktiv koppelnden Schnittstelle zwischen dem jeweiligen Messgerät und dem Verteiler-Modul. Jede der wenigstens zwei Übertragerspulen des Verteiler-Moduls ist dabei jeweils innerhalb eines aus elektrisch nicht leitfähigem Kunststoff bestehenden, der Bildung einer wieder lösbaren Steckverbinderkupplung dienenden, als integraler Bestandteil des Modul-Gehäuses ausgebildeten Steckverbinderelements platziert. Ferner kann auch die für die Datenverarbeitungseinheit vorgesehene dritte Anschlusseinrichtung zwecks Bildung einer induktiven Schnittstelle zwischen Verteiler-Modul und Datenverarbeitungseinheit eine innerhalb eines aus Kunststoff bestehenden, der Bildung einer wieder lösbaren, Steckverbinderkupplung dienenden als integraler Bestandteil des Modul-Gehäuses ausgebildeten, Steckverbinderelements plazierte Übertragerspule aufweisen. Für den Fall, dass die so gebildeten Schnittstelle ausschließlich induktiv koppelnder Natur sind, kann zu dem auf sehr einfache Weise eine galvanische Trennung von Messgerät und Verteiler-Modul und ggf. auch von Verteiler-Modul und Datenverarbeitungseinheit erreicht werden. So kann auf einfache Weise ein Verteilermodul mit flüssigkeitsdichten Schnittstellen realisiert werden, die keine herausgeführten Kontaktelemente zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen Messgerät und Verteiler-Modul benötigt.
Die Firma Knick bietet einen Messumformer unter der Bezeichnung Portavo an, dessen Gehäuse die Schutzart IP 67 erfüllt. In das Gehäuse werden bedarfsabhängig Messmodule für verschiedene Betriebsarten eingesetzt, wobei diese Module nicht durch das Gehäuse vor Feuchtigkeit geschützt sind. Es ist Messmodul für eine induktiv koppelnde Schnittstelle der so genannten Memosens-Technologie verfügbar, wobei dieses Messmodul eine mehrpolige Anschlussbuchse mit galvanischen Kontakten aufweist, in welche ein Stecker mit komplementären Anschlussstiften einzustecken ist. Ein Schutz der Kontakte vor Feuchte ist nicht vorgesehen.
Im Ergebnis weisen Verbinderelemente mit induktiv koppelnden Schnittstellen dann abgedichtete Gehäuse auf, wenn sie unmittelbar zum Anschluss an einen Sensor vorgesehen sind. Dies ist insofern sinnvoll, als in unmittelbarer Umgebung des Sensors an der Messstelle, die größte Beeinträchtigung der Schnittstellen durch Reinigungsmittel oder das Prozessmedium zu erwarten sind.
An Messumformern sind jedoch zum Anschluss der Sensoren exponierte galvanische Kontakte vorhanden oder Sensorkabel werden über Panzergewinde, die entsprechende Dichtungsmuffen aufweisen, in die Messumformergehäuse geführt. Dies bedeutet jedoch einerseits einen erhöhten Montageaufwand mit einhergehenden Risiken wie Verpolung beim Anschluss der Verkabelung und andererseits ist damit nur ein eingeschränkter Schutz der Anschlüsse bzw. der Schaltungskomponenten des Messumformers gegeben. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen, und einen sicheren Messumformer für explosionsgefährdete Bereiche bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Messumformer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Der erfindungsgemäße Messumformer umfasst ein Umformergehäuse mit mindestens einer Schaltungskammer im Inneren des Umformergehäuses, elektronischen Schaltung zum Speisen eines Sensors und zum Empfangen und Verarbeiten von Messdaten des Sensors über mindestens eine induktiv koppelnde Schnittstelle, wobei die induktiv koppelnde Schnittstelle eine Steckverbinderkupplung mit einem ersten Steckverbinderelement und einem dazu komplementären zweiten Steckverbinderelement umfasst, wobei das zweite Steckverbinderelement lösbar mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste Steckverbinderelement mindestens einen ersten induktiven Koppler in einem ersten Kopplergehäuse aufweist, welches hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig mit dem Umformergehäuse verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Messumformer die Schutzklasse IP 67, IP 68, IP 69, insbesondere IP 69K auf.
In einer Weiterbildung weist der Messumformer jeweils ein Steckverbinderelement von zwei oder mehr induktiv koppelnden Schnittstelle auf, wobei die induktiv koppelnden Schnittstellen jeweils eine Steckverbinderkupplung mit einem ersten Steckverbinderelement und einem dazu komplementären zweiten Steckverbinderelement umfasst, wobei jeweils das zweite Steckverbinderelement lösbar mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste Steckverbinderelement jeweils mindestens einen ersten induktiven Koppler in einem ersten Kopplergehäuse aufweist, welches hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig mit dem Umformergehäuse verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Über die induktiv koppelnden Schnittstellen können angeschlossene Sensoren bzw. Aktoren mit Energie versorgt werden und ein unidirektionaler oder bidirektionaler Datenaustausch mit kann mit ihnen erfolgen.
Der Messumformer kann – je nach Protokoll – über eine weitere induktive Schnittstelle die bevorzugt wie die anderen induktiven Schnittstellen gestaltet ist, oder gegebenenfalls über eine Schnittstelle mit galvanischen Steckkontakten, die vorzugsweise abzudichten ist, unmittelbar oder mittelbar an ein Prozessleitsystem angeschlossen werden.
Der Messumformer umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Anzeigeinheit deren Sichtfeld hermetisch dicht, insbesondere Stoffschlüssig in das Gehäuse integriert ist.
Der Messumformer umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Bedienvorrichtung, deren Bedienelemente hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig in das Gehäuse integriert sind. Die Bedienelemente können insbesondere magnetisch aktivierbare REED-Kontakte und Hall-Sensoren oder Kapazitive Sensoren umfassen, welche durch die Gehäusewand hindurch aktivierbar sind.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
1: Eine Messstellenkonfiguration mit einem erfindungsgemäßen Messumformer;
2: Eine schematische Frontansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messumformers; und
3: Eine Schnittstelle eines erfindungsgemäßen Messumformers.
Die in 1 gezeigte Messstellenkonfiguration umfasst einen Messumformer 1 mit einem hermetisch dichten Gehäuse welches ebenfalls hermetisch dichte Schnittstellen aufweist, die insbesondere induktiv koppelnde Steckverbinderkupplungen umfassen. An diese Schnittstellen sind Feldgeräte, also Sensoren 2 und Aktoren über induktiv koppelnde Sensorkabel 3 und Aktorleitungen 4 angeschlossen.
Zur Kommunikation des Messumformers mit anderen Komponenten eines Leitsystems sind Kommunikationsleitungen 5 über hermetisch dichte Schnittstellen angeschlossen, die beispielsweise ebenfalls induktiv koppelnde Schnittstellen sein können.
Die Energieversorgung des Messumformers 1 erfolgt eine oder mehrere Energieversorgungsleitungen 6, wobei die Energie in einer bevorzugten Ausgestaltung ebenfalls induktiv in den Messumformer gekoppelt wird, oder über Stopfbuchsen bzw. eingegossen in das Gehäuse des Messumformers geführt werden.
Der in 2 dargestellte Messumformer 8 umfasst ein hermetisch dichtes Gehäuse 10, ein induktiv koppelndes Steckverbinderelement 13 für den Anschluss an ein Prozessleitsystem und ein induktiv koppelndes Steckverbinderelement 14 für den Anschluss eines Sensors an den Messumformer. Die Steckverbinderelemente 13, 14 sind so ausgeführt, dass ein Vertauschen der Gegenstücke 15, 16 nicht möglich ist. Somit kann immer nur das passende Gegenstück 15, 16 an die Steckverbinderelemente des Messumformers 8 angeschlossen werden. Als Protokoll für die Schnittstelle zum Prozessleitsystem können HART, Profibus, Foundation Fieldbus, oder andere Bussysteme zum Einsatz kommen. Der Anschluss zum Sensor kann mittels der so genannten Memosens-Technologie erfolgen. Der Messumformer 8 umfasst weiterhin ein Anzeigefeld 11, dessen Sichtfenster stoffschlüssig mit dem Gehäuse 10 ausgebildet ist, ebenso wie die Bedienelemente 12, welche beispielsweise kapazitive Berührungssensoren umfassen können.
3 zeigt die exemplarisch die integrale Ausbildung des induktiv koppelnden Steckverbinderelements 14 in einer Wand des Gehäuses 10 des Messumformers 8 aus 2. Das Steckverbinderelement 14 umfasst einen zentralen primärseitigen induktiven Koppler 18, der in einer monolithisch oder stoffschlüssig mit der Gehäusewand ausgebildeten Kontur angeordnet ist, die einem primärseitigen Steckverbinderelement der Memosens-Technologie entspricht. Auf diese Kontur kann ein sekundärseitiges Gegenstück aufgesetzt werden, dessen sekundärseitiger induktiver Koppler 20 den primärseitigen induktiven Koppler 18 ringförmig umgreift.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1206012 B1 [0002]
DE 10220450 A [0003]
DE 102008043297 A1 [0004]
DE 102008053920 A1 [0005, 0006, 0006, 0007, 0008]

Claims

Messumformer (8) zum Empfangen und Verarbeiten von Messdaten, umfassend: ein Umformergehäuse (10) mit mindestens einer Schaltungskammer im Inneren des Umformergehäuses, eine elektronischen Schaltung, die in der Schaltungskammer angeordnet ist, zum Speisen eines Sensors und zum Empfangen und Verarbeiten von Messdaten des Sensors über mindestens eine induktiv koppelnde Schnittstelle (12, 13), wobei die induktiv koppelnde Schnittstelle (12, 13) eine Steckverbinderkupplung mit einem primärseitigen, ersten Steckverbinderelement und einem dazu komplementären sekundärseitigen, zweiten Steckverbinderelement umfasst, wobei das zweite Steckverbinderelement lösbar mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste Steckverbinderelement mindestens einen ersten induktiven Koppler in einem ersten Kopplergehäuse aufweist, welches hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig mit dem Umformergehäuse verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Messumformer nach Anspruch 1, wobei der Messumformer eine der Schutzklasse IP 67, IP 68, IP 69, oder IP 69K aufweist.
Messumformer nach Anspruch 1 oder 2, welcher jeweils ein Steckverbinderelement von zwei oder mehr induktiv koppelnden Schnittstellen aufweist, wobei die induktiv koppelnden Schnittstellen jeweils eine Steckverbinderkupplung mit einem primärseitigen, ersten Steckverbinderelement und einem dazu komplementären sekundärseitigen, zweiten Steckverbinderelement umfasst, wobei jeweils das zweite Steckverbinderelement lösbar mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste Steckverbinderelement jeweils mindestens einen ersten induktiven Koppler in einem ersten Kopplergehäuse aufweist, welches hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig mit dem Umformergehäuse verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Schnittstelle über welche der Messumformer an ein Prozessleitsystem anschließbar ist, wobei der Messumformer über diese Schnittstelle mit dem Prozessleitsystem kommuniziert.
Messumformer nach Anspruch 5, wobei die Schnittstelle galvanischen Kontakte aufweist.
Messumformer nach Anspruch 5, wobei die Schnittstelle eine induktiv koppelnde Schnittstelle ist, wobei die induktiv koppelnde Schnittstelle eine Steckverbinderkupplung mit einem primärseitigen, ersten Steckverbinderelement und einem dazu komplementären sekundärseitigen, zweiten Steckverbinderelement umfasst, wobei das erste Steckverbinderelement lösbar mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das zweite Steckverbinderelement mindestens einen ersten induktiven Koppler in einem ersten Kopplergehäuse aufweist, welches hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig mit dem Umformergehäuse verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Anzeigeinheit deren Sichtfeld hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig in das Gehäuse integriert ist.
Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, eine Bedienvorrichtung, deren Bedienelemente hermetisch dicht, insbesondere stoffschlüssig, in das Gehäuse integriert sind.