Steuer-/Auswerteelektronik eines Feldgeräts

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren der Steuer-/Auswerteelektronik eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik mit einer externen Energieversorgung und/oder Steuerung.

In der Prozessautomatisierung ebenso wie in der Fertigungsautomatisierung werden vielfach Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessgrößen eingesetzt. Zur Erfassung der Prozessgrößen dienen Messgeräte. Diese werden

beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH-Messung, Füllstandmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur,

Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung der Prozessgrößen werden Aktorsysteme verwendet. Beispiele für Aktoren sind 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. Als Feldgeräte werden allgemein gesprochen Geräte bezeichnet, die in der Nähe des Prozesses oder der Anlage eingesetzt werden und die prozess- oder anlagerelevante Informationen liefern oder verarbeiten.

Um Feldgeräte der Automatisierungstechnik auch in

gasexplosionsgefährdeten Bereichen einsetzen zu können, müssen die elektrischen Bauteile der Feldgeräte in der geeigneten Ex-Zündschutzart, z.B. der Zündschutzart“erhöhte Sicherheit Ex e“ ausgelegt sein. Untergruppen dieser Norm gelten für definierte elektrische Komponenten. Beispielsweise gilt die Norm Ex-ec (DIN EN 60079-7) für Verbindungen, Leiter, Wicklungen, Lampen und Batterien einschließlich der Halbbleiter- oder

Elektrolytkondensatoren. So ist in dieser Norm u.a. festgelegt, wie groß der Abstand zwischen den Anschlussklemmen der auf einer Leiterkarte

angeordneten Steuer-/Auswerteelektronik eines Feldgeräts sein muss, wenn das Feldgerät an eine Netzspannung von 230V AC angeschlossen werden soll. Bei Einhaltung des in der Norm vorgeschriebenen Abstands ist

sichergestellt, dass keine Kriechströme zwischen den Anschlussklemmen fließen, wodurch ein Kurzschluss mit Funkenbildung vermieden wird. Bei Einhaltung der geforderten Kriechstrecke ist somit in

gasexplosionsgefährdeten Bereichen eine Explosionsgefahr ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren der Steuer-/Auswerteelektronik eines Feldgeräts der

Automatisierungstechnik mit einer externen Energieversorgung und/oder Steuerung vorzuschlagen, die für den explosionsgefährdeten Bereich einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren der Steuer-/Auswerteelektronik eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik mit einer externen Energieversorgung und/oder Steuerung, wobei die Steuer- /Auswerteelektronik des Feldgeräts auf einer Leiterkarte angeordnet ist, wobei zumindest ein Klemmengehäuse vorgesehen ist, in dem mehrere

nebeneinander angeordnete elektrische Anschlussklemmen vorgesehen sind, wobei die elektrischen Anschlussklemmen jeweils zur Aufnahme eines elektrischen Verbindungselements dienen, wobei die elektrischen

Verbindungselemente über jeweils ein Lötpad mit der Leiterkarte mechanisch und elektrisch verbunden sind, und wobei jeweils zwischen zwei Lötpads in der Leiterkarte Ausnehmungen vorgesehen sind, die so ausgestaltet sind, dass die Länge der Kriechstrecke zwischen den Lötpads eine vorgegebene Zündschutzart erfüllt. Eine fertigungstechnische einfach umzusetzende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass es sich bei den Ausnehmungen um Schlitze handelt, die in die Leiterkarte gefräst sind.

Durch die Erfindung ebenso wie durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung wird auf der direkten Verbindungslinie zwischen zwei Anschlussklemmen - also zwischen zwei benachbarten Lötpads der Anschlussklemmen, die auf der Leiterkarte angeordnet sind - neben der Kriechstrecke auf der Leiterkarte auch eine Luftstrecke ausgebildet. Da Luft einen höheren Widerstandswert als die Leiterkarte hat, wird die Kriechstrecke infolge der dazwischenliegenden Luftstrecke verlängert. Gleiches gilt natürlich auch für die Verlängerung der Kriechstrecke auf der Leiterkarte, da diese um die Ausnehmungen bzw. die Schlitze herumführt. Je nach Breite der Luftstrecke bzw. Breite und Länge der Ausnehmungen lässt sich mit der Erfindung eine vorgegebene Zündschutzart realisieren, ohne dass der Abstand zwischen zwei Anschlussklemmen vergrößert werden muss. Dies hat den Vorteil, dass die Dimensionierung erstens klein gehalten werden kann - was der fortschreitenden

Miniaturisierung der Leiterkarten entgegenkommt - und dass gleiche

Standardbauteile, hier z.B. ein- und derselbe Stecker, für mehrere Exschutz- Varianten eines Feldgeräts genutzt werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine längliche Komponente mit zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen vorgeschlagen, wobei an einer der beiden Oberflächen der länglichen Komponente Stege vorgesehen sind, die so angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie in die korrespondierenden Ausnehmungen der Leiterkarte eingreifen bzw. einführbar sind. Es versteht sich von selbst, dass die längliche Komponente aus einem nicht-leifähigen Material gefertigt ist. Bevorzugt kommt diese Ausgestaltung zum Einsatz, wenn die Leiterkarte mit den Anschlussklemmen im Wesentlichen senkrecht zu der Bodenfläche eines Feldgerätegehäuses ausgerichtet ist und die Leiterkarte bis auf Höhe der Lötpads bzw. der Anschlussklemmen mit einem aus nicht-leitfähigem Material bestehenden Verguss aufgefüllt ist. Üblicherweise hat ein geeigneter Verguss eine Kriechstromfestigkeit - gekennzeichnet durch den Comparative Tracking Index CTI - von bevorzugt größer 500. Einen vergleichbaren Wert hat auch das Material, aus dem die längliche Komponente gefertigt ist.

Die Kriechstromfestigkeit kennzeichnet die Isolationsfestigkeit der Oberfläche (Kriechstrecke) von Isolierstoffen. Sie definiert den maximalen Kriechstrom, der sich unter genormten Prüfbedingungen in einer definierten Prüfanordnung einstellen darf. Während übliche Leiterkartenmaterialien einen CTI von unter 250, z.B. 125, aufweisen, haben als Vergussmasse genutzte Kunststoffe, wie Polyethylen, Polyesterharz, PTFE oder PBT, einen CTI von bevorzugt 500- 600. Je höher der CTI der verwendeten Materialien bzw. des verwendeten Materials ist, umso kleiner kann der Abstand zwischen zwei Elektronikkomponenten, hier den Anschlussklemmen, zur Erfüllung einer vorgegebenen Zündschutzart ausgelegt sein.

Wird das Feldgerätegehäuse mit Verguss bis auf die Höhe der

Ausnehmungen/Schlitze der in dem Feldgerätegehäuse senkrecht stehenden Leiterkarte aufgefüllt, so besteht die Gefahr, dass die durch die

Ausnehmungen infolge der Kriechstrecke durch Luft erreichte hohe

Kriechstromfestigkeit herabgesetzt wird. Dies ist der Fall, wenn Material der Vergussmasse in die Ausnehmungen/Schlitze eindringt. Der Grund ist die geringere Kriechfestigkeit des Vergusses im Vergleich zur Kriechfestigkeit der Luft.

Das Vorhandensein von Vergussmasse innerhalb der Ausnehmungen ist bei dem Vergießen der Leiterkarte durchaus wahrscheinlich. So unterliegen die Dosiermenge an Verguss ebenso wie die Dimensionierung des aufzufüllenden Innenraums des Feldgerätegehäuses gewissen Schwankungen. Da weiterhin stets alle elektrischen Anschlüsse/Lötpads und elektrische Komponenten der Leiterkarte durch den Verguss geschützt sein sollen, muss die Dosiermenge an einer ermittelten Obergrenze liegen. Aufgrund der Fertigungs- und

Dosierfehler kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Verguss die Ausnehmungen mehr oder weniger ausfüllt, wodurch die vormals für die Erfüllung der vorgegebenen Zündschutzart erreichte Kriechstromfestigkeit verringert wird.

Mit dem Einfügen der länglichen Komponente lässt sich dieser nicht akzeptable Missstand beseitigen, da die direkte Kriechstrecke zwischen zwei benachbarten Lötpads durch die aus den Ausnehmungen/Schlitzen

herausragenden Stege verlängert wird. Es versteht sich von selbst, dass die Länge der Stege so gewählt ist, dass die Stege möglichst passgenau in den Ausnehmungen sitzen.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass an der Oberfläche der länglichen

Komponente, die die Stege trägt, zumindest eine Anschlagstütze zur Anlage an der Leiterkarte vorgesehen ist. Die Anschlagstütze ist so ausgestaltet, dass die Oberfläche der länglichen Komponente, die die Stege trägt, von der zugewandten Oberfläche der Leiterkarte einen definierten Abstand aufweist. Weiterhin ist die Höhe der Stege so bemessen, dass die Stege mit einem definierten Maß über die Leiterkartenoberfläche aus den Ausnehmungen herausragen. Die Kriechstrecke zwischen zwei benachbarten Lötpads der Anschlussklemmen erstreckt sich somit von einem Lötpad über die Leiterkarte, den ev. vorhandenen Verguss in der Ausnehmung, den aus der Leiterkarte herausragenden Steg der länglichen Komponente, den ev. vorhandenen Verguss in der Ausnehmung und die Leiterkarte bis zum benachbarten

Lötpad. Durch eine entsprechend abgestimmte Höhe der Stege lässt sich die erforderliche Kriechstrecke zur Erfüllung der jeweiligen Zündschutzart realisieren. Die Höhe der aus der Leiterkarte herausragenden Stege ist so bemessen, dass die erforderliche Kriechstrecke zur Realisierung der gewünschten Zündschutzart vorhanden ist. Alternativ oder additiv zu der zuvor genannten Ausgestaltung der

erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest einer der Stege in einem an die Oberfläche der länglichen Komponente angrenzenden Bereich als

Anschlagstütze für die Leiterkarte ausgebildet ist, so dass die Oberfläche der länglichen Komponente, die die Stege trägt, von der zugewandten Oberfläche der Leiterkarte einen definierten Abstand aufweist. Ob eine oder mehrere Anschlagstützen vorgesehen sind, hängt von der Längenausdehnung des länglichen Elements und somit von der Anzahl der Anschlussklemmen ab.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass die beiden in den Endbereichen der länglichen Komponente angeordneten Stege jeweils in dem Stegbereich, der in die korrespondierende Ausnehmung hineinragt, als Rastmittel, insbesondere als Schnapphaken, derart ausgestaltet sind, dass die längliche Komponente an der Leiterkarte, bevorzugt lösbar, fixierbar ist.

Erfindungsgemäß ist die Breite und Länge der Ausnehmungen so ausgelegt, dass die Kriechstrecke auf der Leiterkarte um jeweils eine Ausnehmung herum zur Einhaltung der vorgegebenen Zündschutzart ausreichend ist.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Höhe der Stege so ausgelegt ist, dass die Kriechstrecke entlang der Stege zur Einhaltung der vorgegebenen Zündschutzart ausreichend ist. Die Höhe der Stege ist insbesondere so ausgelegt, dass selbst bei Vorhandensein eines Materials - z.B.

Vergussmasse - in den Ausnehmungen die Kriechstrecke entlang der Stege zur Einhaltung der vorgegebenen Zündschutzart ausreicht. Das

Vorhandensein von Vergussmasse in den im Normalfall mit Luft gefüllten Ausnehmungen ist nicht auszuschließen, wenn sich die Leiterkarte in einem Feldgerätegehäuse befindet und dort in aufrechter Position - also im

Wesentlichen vertikal zur Bodenfläche des Feldgerätegehäuses - mit

Vergussmasse vergossen ist. Die Gründe hierfür wurden bereits an

vorhergehender Stelle genannt.

Zu erwähnen bleibt, dass die längliche Komponente mit Stegen,

Schnapphaken und Anschlagstützen aus einem nicht-leifähigen Material, flexiblen Material, bevorzugt aus Kunststoff, gefertigt ist.

Bevorzugt handelt es sich bei der einzuhaltenden Zündschutzart um die Zündschutzart Ex ec - erhöhte Sicherheit. Diese ermöglicht es, die Feldgeräte in einer gasexplosionsgefährdeten Umgebung einzusetzen, da sichergestellt ist, dass bei Zufuhr von Energie oder im Fehlerfall kein Kurzschluss zwischen den Anschlussklemmen auftritt.

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

Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht auf die Oberseite einer Leiterkarte mit einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2: eine perspektivische Teilansicht auf die Unterseite der in Fig. 1 dargestellten Leiterkarte,

Fig. 3: eine perspektivische Ansicht einer für die erfindungsgemäße Lösung geeigneten länglichen Komponente,

Fig. 4: einen Längsschnitt durch ein Feldgerätegehäuse mit integrierter Leiterkarte und Fig. 5: einen Längsschnitt durch das in fig. 4 gezeigte Feldgerätegehäuse mit vergossener Leiterkarte.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die Oberseite einer Leiterkarte 2 mit einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren der Steuer-/Auswerteelektronik 1 eines Feldgeräts (nicht dargestellt) der Automatisierungstechnik mit einer externen

Energieversorgung und/oder Steuerung (nicht dargestellt). Fig. 2 zeigt eine perspektivische Teilansicht auf die entsprechende Unterseite der Leiterkarte 2. Auf der Leiterkarte 2 sind beispielhaft mehrere elektrische Bauteile 13 angeordnet, deren konkrete Ausgestaltung im Zusammenhang mit der

Erfindung jedoch ohne Belang ist. In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer länglichen Komponente zu sehen, wie sie bei der in den Figuren Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung genutzt wirden kann.

Die Steuer-/Auswerteelektronik 1 des Feldgeräts ist auf einer Leiterkarte 2 angeordnet. Zum Anschluss an die Energieversorgung und/oder Steuerung ist ein mehrteiliges Klemmengehäuse 3 vorgesehen ist, in dem mehrere nebeneinander angeordnete elektrische Anschlussklemmen 4 vorgesehen sind. Die elektrischen Anschlussklemmen 4 dienen zur Aufnahme eines elektrischen Verbindungselements 5. Die elektrischen Verbindungselemente 5 sind jeweils über ein Lötpad bzw. eine elektrische Verbindung mit der

Leiterkarte 2 mechanisch und elektrisch verbunden. Zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden oder benachbarten Lötpads 6 sind in der Leiterkarte 2 Ausnehmungen 7 vorgesehen. Bevorzugt sind die Ausnehmungen 7 als

Schlitze ausgestaltet, die in die Leiterkarte 2 gefräst sind. Die Ausnehmungen 7 bzw. die Schlitze sind so dimensioniert, dass die Länge der Kriechstrecke zwischen zwei benachbarten Lötpads 6 eine vorgegebene Zündschutzart erfüllt.

Um mit der zuvor beschriebenen Leiterkarte 2 auch eine höhere

Zündschutzart realisieren zu können, ist eine längliche Komponente 8 vorgesehen. Die längliche Komponente 8 weist zwei einander

gegenüberliegende Oberflächen auf, wobei an einer der beiden Oberflächen der länglichen Komponente 8 mehrere vertikal ausgerichtete Stege 9 vorgesehen sind. Diese sind so angeordnet und ausgestaltet, dass sie in die korrespondierenden Ausnehmungen 7 der Leiterkarte 2 eingreifen bzw.

einführbar sind. Bevorzugt ist die längliche Komponente 8 lösbar mit der Leiterkarte 2 verbindbar. Insbesondere weist die längliche Komponente 8 hierzu in ihren Endbereichen jeweils einen flexiblen Schnapphaken 11 auf, der durch die entsprechende Ausnehmung 7 geführt wird und an der Oberfläche der Leiterkarte 2 einrastet. Die Länge der Ausnehmungen 7 korrespondiert passgenau mit der Länge der Stege 9, während die Breite der Stege 9 kleiner ist als die Breite der Ausnehmungen 7.

Um sicherzustellen, dass die Stege 9 im montierten Zustand mit einer definierten Höhe über die Leiterkarte 2 hinausragen, ist neben den

Anschlagflächen 12 an den Schnapphaken 11 zumindest eine Anschlagstütze 10 mit einer Anschlagfläche 12 vorgesehen. Additiv oder alternativ kann übrigens auch zumindest einer der Stege 9 so ausgestaltet sein, dass er eine Anschlagstütze 10 aufweist. Die Anschlagflächen 12 der Schnapphaken 11 und die Anschlagfläche 12 der Anschlagstütze(n) 10 liegen bei montierter länglicher Komponente 8 an den beiden gegenüberliegenden Oberflächen der Leiterkarte 2 an. Die längliche Komponente 8 ist über die zuvor genannten gegenüberliegenden Anschlagflächen 12 sicher an der Leiterkarte 2 fixiert.

Die Oberfläche der länglichen Komponente 8, die die Stege 9 trägt, ist von der zugewandten Oberfläche der Leiterkarte 2 definiert beabstandet. Folglich ist auch sichergestellt, dass die Stege 9 mit einer definierten Höhe ha über die Leiterkarte 2 hinausragen.

Die Breite b und die Länge I der Ausnehmungen 7 ist erfindungsgemäß so ausgelegt ist, dass die Kriechstrecke auf der Leiterkarte 2 um jeweils einen Steg 9 herum zur Einhaltung der vorgegebenen Zündschutzart ausreichend ist.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein Feldgerätegehäuse 15 mit vertikal integrierter Leiterkarte 2. In Fig. 5 ist das Feldgerätegehäuse 15 mit einer Vergussmasse 14 bis zur durchgezogenen Linie gefüllt. Wie bereits erwähnt, ist an der Oberfläche der länglichen Komponente 8, an der die Stege 9 angeordnet sind, zumindest eine Anschlagstütze 10 zur Anlage an der Leiterkarte 2 vorgesehen ist. Die Anschlagstütze 10 ist so ausgestaltet, dass die Oberfläche der länglichen Komponente 8, die die Stege 9 trägt, von der zugewandten Oberfläche der Leiterkarte 2 einen definierten Abstand aufweist. Weiterhin ist die Höhe h der Stege 9 so bemessen, dass sie im montierten

Zustand mit einem definierten Maß ha über die gegenüberliegende Oberfläche der Leiterkarte 2 hinausragen. Die Kriechstrecke zwischen zwei benachbarten Lötpads 6 der Anschlussklemmen 3 erstreckt sich somit von einem Lötpad 6 über die Leiterkarte 2, den entsprechenden Verguss 14 in der Ausnehmung 7 zum Steg 9, den aus der Leiterkarte 2 herausragenden Bereich des Stegs 9, den entsprechenden Verguss 14 in der Ausnehmung 7 und die Leiterkarte 2 bis zum benachbarten Lötpad 6. Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der länglichen Komponente 8 lässt sich die Höhe ha der aus der Leiterkarte 2 herausragenden Stege 9 so auslegen, dass die gewünschte Zündschutzart realisiert ist.

Bevorzugt handelt es sich bei der einzuhaltenden Zündschutzart um die Zündschutzart Ex ec - erhöhte Sicherheit. Diese ermöglicht es, die Feldgeräte in einer gasexplosionsgefährdeten Umgebung einzusetzen, da sichergestellt ist, dass kein Kurzschluss zwischen den Anschlussklemmen 4 auftritt.

Bezugszeichenliste

1 Steuer-und/oder Auswerteelektronik

2 Leiterkarte

3 Klemmgehäuse

4 Anschlussklemme

5 elektrisches Verbindungselement

6 Lödpad oder elektrische Verbindungsstelle auf der Leiterkarte

7 Ausnehmung oder Schlitz

8 längliche Komponente

9 Steg

10 Anlagestütze

1 1 Schnapphaken / flexibles Halteelement

12 Anschlagfläche für Leiterkarte

13 elektrisches Bauteil

14 Verguss / Vergussmasse

15 Feldgerätegehäuse