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Title:
FIELD DEVICE FOR USE IN HYGIENIC APPLICATIONS IN PROCESS AND AUTOMATION TECHNOLOGY, AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/206899
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention describes a field device (1) for use in hygienic applications in process and automation technology, which, in so doing, comprises at least one sensor element (2), at least one electric circuit (3), at least one heating element (4), at least one housing (5), which has an outer side (6) and an inner side (7) and in which at least the sensor element (2), the electric circuit (3) and the heating element (4) are arranged and attached, and an external energy supply unit (11), wherein the field device has two connection pins (8), to which the sensor element (2) and the electric circuit (3) are connected and by means of which there is an electrical connection with the external power supply (11), as a result of which a first current loop (12) is formed, and wherein a second current loop (13) is provided, the latter being arranged in such a way that the heating element (4) is in electrical contact with the external energy unit (11) by way of one of the two connection pins (8) and the third connection pin (9), as a result of which the second current loop (13) forms a parallel circuit with the first current loop (12); and moreover describes a method for producing such a field device (1).

Inventors:
GERWIG, Simon (Rohrberg 3, Häg-Ehrsberg, 79685, DE)
SCHONHARDT, Raphael (Friedrich Straße 14, Rheinfelden, 79618, DE)
WEINSTEIN, Torsten (Obermattstr. 3, Zell, 79969, DE)
Application Number:
EP2016/061686
Publication Date:
December 29, 2016
Filing Date:
May 24, 2016
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS+HAUSER GMBH+CO. KG (Hauptstr. 1, Maulburg, 79689, DE)
International Classes:
H05B1/02; G05D22/02
Foreign References:
EP1445984A22004-08-11
US20020162829A12002-11-07
US5806763A1998-09-15
EP1865440A12007-12-12
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, Angelika (Colmarer Str. 6, Endress+Hauser AG+Co. KG, Weil am Rhein, 79576, DE)
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Claims:
Patentansprüche

Feldgerät (1 ) zum Einsatz in hygienischen Anwendungen in der Prozess- und Automatisierungstechnik, umfassend

- zumindest ein Sensorelement (2) zum Erfassen einer ersten

physikalischen Messgröße;

- zumindest eine elektrische Schaltung (3) zum Umwandeln der vom

Sensorelement (2) ermittelten Messgröße in ein Messsignal;

- zumindest ein Heizelement (4);

- zumindest ein Gehäuse (5), das eine Außenseite (6) und eine Innenseite (7) aufweist und in dem zumindest das Sensorelement (2), die elektrische Schaltung (3) und das Heizelement (4) angeordnet und angebracht sind;

- eine externe Energieversorgungseinheit (1 1 );

dadurch gekennzeichnet, dass

das Feldgerät zwei Anschlusspins (8) besitzt, an die das Sensorelement (2) und die elektrische Schaltung (3) angeschlossen sind und über die mit der externen Energieversorgungseinheit (11 ) eine elektrische Verbindung besteht, wodurch eine erste Stromschleife (12) gebildet wird;

dass eine zweite Stromschleife (13) vorgesehen ist, die so angeordnet ist, dass das Heizelement (4) über einen der beiden Anschlusspins (8) und einen dritten Anschlusspin (9) mit der externen Energieeinheit (11 ) in elektrischem Kontakt steht, wodurch die zweite Stromschleife (13) mit der ersten

Stromschleife (12) eine Parallelschaltung bildet.

Feldgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) aus zumindest einem elektronischen Bauteil besteht.

3. Feldgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement aus einem SMD-Widerstand oder aus einer Parallelschaltung von mindestens zwei SMD-Widerständen besteht.

4. Feldgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) derart im Gehäuse (5) angeordnet ist, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Heizelement (4) und dem Gehäuse (5) konduktiv erfolgt.

5. Feldgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) derart im Gehäuse (5) angeordnet ist, dass der

Wärmeaustausch zwischen dem Heizelement (4) und dem Gehäuse (5) konvektiv erfolgt.

6. Feldgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromschleife (12) eine 4 - 20 mA Stromschleife ist.

7. Feldgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromschleife (12) eine digitale Kommunikation ist, die mittels eines Feldbus-Protokolls der Prozess- und Automatisierungstechnik

kommuniziert.

8. Feldgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Feldgerät (1 ) um ein Druckmessgerät handelt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Feldgeräts zum Einsatz in hygienischen

Anwendungen in der Prozess- und Automatisierungstechnik, wie in zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 beschrieben,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Heizelement (4) über die zweite Stromschleife (13) mit Energie versorgt wird, wodurch sich das Heizelement (4) erwärmt und Wärme an das Gehäuse (5) abgibt, und dass die Gehäusetemperatur über die Taupunkttemperatur gehoben, so dass die Bildung von Kondensat auf der Außenseite (6) und der Innenseite (7) des Gehäuses (5) verhindert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) manuell eingeschaltet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) nur in den Phasen eines Prozesses eingeschaltet wird, in denen die Prozesstemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur liegt.

Description:
Feldgerät zum Einsatz in hygienischen Anwendungen in der Prozess- und Automatisierungstechnik und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung beschreibt ein Feldgerät zum Einsatz in hygienischen Anwendungen in der Prozess- und Automatisierungstechnik und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Feldgeräts. Das Feldgerät umfasst dabei zumindest ein Sensorelement zum Erfassen einer ersten physikalischen Messgröße, zumindest eine elektrische Schaltung zum Umwandeln der vom Sensorelement ermittelten Messgröße in ein Messsignal, zumindest ein Heizelement, zumindest ein Gehäuse, das eine Außenseite und eine Innenseite aufweist und in dem zumindest das Sensorelement, die elektrische

Schaltung und das Heizelement angeordnet und angebracht sind, und eine externe Energieversorgungseinheit.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, bzw. Sensoren. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung,

Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, Füllstandsmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH- Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.

Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben. Viele Feldgeräte für die Prozessautomatisierung sind unterschiedlichen

Umwelteinflüssen, abhängig von ihrem Einsatzort, ausgesetzt. In verschiedenen Industriebereichen sind unterschiedliche Umgebungsbedingungen vorherrschend, die jeweils verschiedene Schutzmaßnahmen benötigen.

In der Prozessautomatisierung, besonders in hygienischen Anwendungen, werden häufig Prozesse gefahren, in denen eine hohe Luftfeuchtigkeit herrscht. Wasserdampf legt sich als Kondensat auf Oberflächen der Prozessanlage ab. Dieses Kondensat kann die Anlage und insbesondere die darin befindlichen Feldgeräte beschädigen.

Feldgeräte mit Metallgehäuse können durch längere Wasserablagerung korrodieren. Gelangt der Wasserdampf ins Innere der Gehäuse und kondensiert dort, kann die Funktionalität des Feldgeräts beeinträchtigt werden. Beispielsweise kann sich

Kondensat auf der Elektronik anlagern und für Defekte und/oder Korrosion sorgen. Des Weiteren können Übersprungkontakte zwischen der Elektronik und dem Gehäuse, bedingt durch die Feuchtigkeit, entstehen und dadurch die Feldgeräte in ihrer

Funktionstüchtigkeit beschränken.

Druckmessgeräte, insbesondere Relativdruckmessgeräte, benötigen zur korrekten Inbetriebnahme einen Referenzluftkanal. Dieser ist in das Gehäuse eingelassen und steht mittels eines Druckausgleichelements mit der Umgebung in Kontakt. Lagert sich auf diesem Druckausgleichselement Kondensat an, so wird unter Umständen die Luftzufuhr in den Referenzluftkanal verhindert. Als Konsequenz werden fehlerhafte Druckwerte gemessen. Kondensat entsteht immer dann, wenn die Temperatur eine Schwelltemperatur, die sogenannte Taupunkttemperatur, auch als Taupunkt bezeichnet, unterschreitet. Die Taupunkttemperatur eines Gasgemisches wird durch den Anteil eines kondensierbaren Bestandteils bestimmt. Bei dem Gasgemisch kann es sich beispielsweise um Luft handeln, bei dem kondensierbaren Bestandteil um Wasser. Je höher der Anteil des kondensierbaren Bestandteils in dem Gasgemisch ist, desto niedriger ist die

Taupunkttemperatur. Besitzt ein Prozess eine oder mehrere Phasen mit niedriger Prozesstemperatur, beispielsweise Kühlphasen, so ist in diesen Phasen erhöhte Kondensationsgefahr gegeben. Eine Möglichkeit, Feldgeräte vor Kondensation zu schützen ist es, die Dimensionen der Gehäuse zu verändern. Bei einer größeren Gehäuselänge können empfindliche

Bestandteile, wie beispielsweise die Elektronik oder das Druckausgleichelement bei Druckmessgeräten entfernt vom Prozessanschluss platziert werden, so dass die niedrige Temperatur diese Bauteile nicht erreicht. Dies ist jedoch mit erhöhten

Materialkosten verbunden. Außerdem ist der Platz in vielen Prozessanlagen begrenzt, weswegen die Gehäusemaße so klein wie möglich gewählt werden sollten.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Prozesstemperatur von den empfindlichen Bauteilen zu entkoppeln. Dies ist über sogenannte Temperaturentkoppler möglich. Diese Temperaturentkoppler sind Gehäuseabschnitte mit speziellen Formen, beispielsweise Rippen oder Verengungen. Nachteile dieser Methode sind ein, je nach Ausführungsform, niedriger Wirkungsgrad und erhöhter Aufwand bei der

Gehäuseentwicklung.

Eine effektive Möglichkeit, Kondensat am Gehäuse zu verhindern, besteht darin, die Temperatur des Gehäuses höher als die Taupunkttemperatur zu halten.

Die DE102013108531 A1 beschreibt ein Feldgerät mit integriertem Heizelement und Temperaturregelkreis. Dieses Feldgerät kommt bei sehr niedrigen Temperaturen in Bereichen von - 40 °C bis - 60 °C zum Einsatz; das Heizelement soll dabei

temperaturempfindliche Komponenten wie beispielsweise Mikrocontroller vor Ausfällen, bedingt durch diese niedrigen Temperaturen, schützen. Der Nachteil dieser

beschriebenen Erfindung besteht in erhöhtem Aufwand durch die implementierte Regelung, welche zusätzliche Herstellungskosten und erhöhten Stromverbrauch verursacht. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Feldgerät zu schaffen, welches den sicheren Einsatz in Umgebungen mit hoher Kondensationsgefahr gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch ein Feldgerät zum Einsatz in hygienischen Anwendungen in der Prozess- und Automatisierungstechnik gelöst, welches zumindest ein

Sensorelement zum Erfassen einer ersten physikalischen Messgröße, zumindest eine elektrische Schaltung zum Umwandeln der vom Sensorelement ermittelten Messgröße in ein Messsignal, zumindest ein Heizelement, zumindest ein Gehäuse, das eine Außenseite und eine Innenseite aufweist und in dem zumindest das Sensorelement, die elektrische Schaltung und das Heizelement angeordnet und angebracht sind umfasst und eine externe Energieversorgungseinheit umfasst, wobei das Feldgerät zwei Anschlusspins besitzt, an die das Sensorelement und die elektrische Schaltung angeschlossen sind und über die mit der externen Stromversorgung eine elektrische Verbindung besteht, wodurch eine erste Stromschleife gebildet wird und wobei eine zweite Stromschleife vorgesehen ist, die so angeordnet ist, dass das Heizelement über einen der beiden Anschlusspins und einen dritten Anschlusspin mit der externen Energieeinheit in elektrischem Kontakt steht, wodurch die zweite Stromschleife mit der ersten Stromschleife eine Parallelschaltung bildet. Mittels dieser Lösung ist eine kostengünstige Implementierung des Heizelements möglich. Durch den direkten Anschluss des Heizelements an die

Stromversorgungseinheit werden keine zusätzlichen Energiequellen benötigt. Die Parallelschaltung der Elektronik mit dem Heizelement gewährleistet eine zuverlässige Funktion des Feldgerätes, da der Betrieb des Heizelements keine Veränderungen der Messergebnisse verursacht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Heizelement aus zumindest einem elektronischen Bauteil besteht. Durch den Stromfluss durch das Bauteil entsteht eine Abwärme, welche das Gehäuse erwärmt. Durch Verwendung von Standard- Elektronikbauteilen ist der Herstellungsprozess des integrierten Heizelements kostengünstig. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Heizelement aus einem SMD- Widerstand oder aus einer Parallelschaltung von mindestens zwei S MD-Widerständen besteht. Des Weiteren könnte das Heizelement auch aus einem Feldeffekttransistor oder einer Vielzahl von Feldeffekttransistoren oder ähnlichen elektronischen Bauteilen bestehen.

Eine bevorzugte Variation sieht vor, dass das Heizelement derart im Gehäuse angeordnet ist, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Heizelement und dem

Gehäuse konduktiv erfolgt. Dafür wird das Heizelement mit dem Gehäuse in Kontakt gebracht. Die durch das Heizelement erzeugte Abwärme wird direkt in das Gehäuse geleitet.

Eine bevorzugte Variation sieht vor, dass das Heizelement derart im Gehäuse angeordnet ist, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Heizelement und dem

Gehäuse konvektiv erfolgt. Dafür befindet sich das Heizelement im Innenraum des Gehäuses. Die Abwärme strahlt vom Heizelement ab und kann dazu verwendet werden, neben dem Gehäuse auch die Elektronikeinheit zu erwärmen.

Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die erste Stromschleife eine 4 - 20 mA

Stromschleife ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die erste Stromschleife eine digitale Kommunikation ist, die mittels eines Feldbus-Protokolls der Prozess- und Automatisierungstechnik kommuniziert. Das Busprotokoll kann dabei beispielweise ein Profibus ® PA-, Foundation Fieldbus ® -, Modbus ® - oder HART ® -Protokoll sein.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Feldgerät um ein Druckmessgerät handelt. Wie bereits beschrieben, sind Druckmessgeräte äußerst fehleranfällig, was sich beispielsweise in einer Blockierung der Referenzluftzufuhr zeigt. Die vorliegende Erfindung bietet den großen Vorteil, die Fehleranfälligkeit und somit die Zuverlässigkeit von Druckmessgeräten zu verbessern. Die Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Feldgeräts zum Einsatz in hygienischen Anwendungen in der Prozess- und Automatisierungstechnik gelöst, wobei das Heizelement über die zweite Stromschleife mit Energie versorgt wird, wodurch sich das Heizelement erwärmt und Wärme an das Gehäuse abgibt, und wobei die Gehäusetemperatur über die Taupunkttemperatur gehoben, so dass die Bildung von Kondensat auf der Außenseite und der Innenseite des Gehäuses verhindert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Heizelement manuell eingeschaltet. Dies kann beispielsweise mittels einer Hardwarelösung, wie einem Schalter, der an der Außenseite des Gehäuses des Feldgeräts oder an der

Prozessanlage angebracht ist, aber auch durch eine Softwarelösung erreicht werden. Durch die manuelle Einschaltmöglichkeit kann Energie gespart werden, da das

Heizelement nur dann in Betrieb gesetzt wird, wenn es auch benötigt wird. In einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens das Heizelement nur in den Phasen eines Prozesses eingeschaltet wird, in denen die Prozesstemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur liegt. Dies ist beispielsweise in Kühlphasen des Prozesses der Fall. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen

Fig.1 eine schematische Zeichnung eines Schaltkreises eines erfindungsgemäßen Feldgeräts im Standardmodus; Fig.2 eine schematische Zeichnung eines Schaltkreises eines Feldgeräts mit

hinzugeschalteter Heizung; und

Fig.3 eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feldgeräts. Fig.1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Schaltkreises eines Feldgeräts 1 im Standardbetrieb. Feldgeräte, insbesondere Sensoren und/oder Aktoren, werden häufig in einem 2-Leiter-Modus betrieben. Die Energiespeisung der Feldgeräte erfolgt über eine externe Energieeinheit die an Anschlusspins 8, die am Gehäuse angebracht sind, mittels eines M12x1- oder Ventilsteckers angeschlossen sind. Diese Steckerversionen bieten standardmäßig Anschlussmöglichkeiten für bis zu vier Anschlusspins.

Im Inneren des Gehäuses 5 sind ein Sensorelement 2 und eine elektrische Schaltung 3 angebracht und an die Anschlusspins 8 angeschlossen. Dadurch wird eine erste

Stromschleife 12 gebildet. Diese erste Stromschleife kann beispielsweise eine 4-20 mA-Stromschleife oder ein Kommunikationsnetzwerk sein.

Das Sensorelement 5 erfasst eine physikalische Messgröße. Die elektrische Schaltung 3 wandelt diese Messgröße anschließend in ein Messsignal um. Dieses Messsignal wird über einen der beiden Anschlusspins 8 ausgegeben und kann beispielsweise in weiteren Einheiten des Netzwerks erfasst oder weiterverarbeitet werden.

Fig.2 zeigt eine schematische Zeichnung eines Schaltkreises eines Feldgeräts mit hinzugeschalteter Heizung. Viele Feldgeräte, beispielsweise das Relativdruckmessgerät Cerabar PMP23, welches von der Anmelderin hergestellt und vertrieben wird, besitzen werksseitig einen zusätzlichen dritten Anschlusspin 9, welcher in Sonderausführungen des Gerätes Anschlussmöglichkeiten für spezielle Funktionen bietet, in der

Standardausführung aber ungenutzt ist. Ein Heizelement 4 wird im Innenraum des Gehäuses 5 angebracht und mit einem der beiden Anschlusspins 8 und einem dritten Anschlusspin 9 verbunden. Dadurch ist das Heizelement 4, wie das Sensorelement 2 und die elektrische Schaltung 3, an die externe Energieeinheit 1 1 angeschlossen und bezieht von dieser Energie. Durch den Anschluss an den dritten Anschlusspin 9 wird eine zweite Stromschleife 13 gebildet, die mit der ersten Stromschleife 12 eine

Parallelschaltung bildet. Das Gerät wird dadurch in einem 3-Leiter-Modus betrieben. Der Anschluss der Anschlusspins 8 und des dritten Anschlusspins 9 erfolgt auch hier mittels eines M12x1- oder Ventilsteckers.

Durch diese Parallelschaltung ist gewährleistet, dass die Stromversorgung des

Sensorelements 2 und der elektrischen Schaltung 3 durch die erste Stromschleife12 bei eingeschaltetem Heizelement 4 nicht beeinträchtigt wird. Beim Auslegen der Anlage muss jedoch beachtet werden, dass die benötigte Energie der externen Energieeinheit 1 1 bei eingeschaltetem Heizelement 4 größer ist als im Standardbetrieb. Fig.3 zeigt eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feldgeräts 1 in Form eines Relativdruckmessgeräts. An Gehäuse 5 ist ein

Druckausgleichselement angebracht, mit deren Hilfe die Referenzluftzufuhr für den Sensor ermöglicht wird. Das Heizelement 4 ist in diesem Beispiel auf der Platine der elektrischen Schaltung 3 angebracht, der Wärmeaustausch mit dem Gehäuse erfolgt somit konvektiv. Eine Variante dieser Ausführungsart sieht vor, das Heizelement 4 direkt mit dem Gehäuse 5 zu verbinden, so dass der Wärmeaustausch konduktiv erfolgt. Befindet sich der Prozess in einer Kühlphase, so herrscht an dem Prozessanschluss eine niedrige Temperatur, die sich auf das gesamte Gehäuse 5 ausbreitet. Sinkt die Temperatur des Gehäuses 5 unter die Taupunkttemperatur, so kann sich an der Außenseite 6 und an der Innenseite 7 des Gehäuses Kondensat anlagern. Bedeckt dieses Kondensat das Druckausgleichselement 10, so wird unter Umständen die Referenzluftzufuhr blockiert, wodurch mit fehlerhaften Messwerten zu rechnen ist.

In einem solchen Fall wird das Heizelement 4 eingeschaltet, welches über einen der Anschlusspins 8 und dem dritten Anschlusspin 9 an der externen Energieeinheit 1 1 angeschlossen ist. Dadurch wird das Gehäuse leicht erwärmt. Sobald die Temperatur des Gehäuses 5 über die Taupunkttemperatur steigt, beginnt das Kondensat zu verdunsten und weitere Kondensatbildung wird verhindert. Idealerweise sollte das Heizelement 4 kurze Zeit vor dem Beginn einer Prozesskühl phase eingeschaltet werden, um Kondensatbildung von Grund auf zu verhindern.

Bezugszeichenliste

Feldgerät

Sensorelement

Elektrische Schaltung

Heizelement

Gehäuse

Außenseite

Innenseite

Anschlusspins

Dritter Anschlusspin

Druckausgleichselement

Externe Energieeinheit

Erste Stromschleife

Zweite Stromschleife

Prozessanschluss