用于过程和自动化技术中的卫生应用中的现场设备及其制造方法与流程

本发明涉及用于过程和自动化技术中的卫生应用中的现场设备以及这种现场设备的制造方法。这种情况下，现场设备包括用于记录第一物理被测变量的至少一个传感器元件，用于把传感器元件记录的被测变量转换成测量信号的至少一个电路，至少一个加热元件，至少一个壳体，其具有外侧和内侧且其中设置并安装了至少传感元件、电路和加热元件，以及外部能量供应单元。

背景技术：

由现有技术已知用于工业厂房中的现场设备。在过程自动化技术中，与制造自动化技术中一样，经常采用现场设备。被称为现场设备的本质上是在过程附近采用的所有设备，且其传送、或处理过程相关信息。由此，现场设备用于记录和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是测量设备及其传感器。例如其用于压力和温度测量、传导率测量、流量测量、料位测量等，和记录相应的过程变量、压力、温度、传导率、pH值、料位、流量等。用于影响过程变量的是执行器(actuator)。这些例如是泵或者阀门，能够影响管道中的液体的流动或者容器中的料位。除了上述测量设备和执行器之外，还涉及的现场设备是远程I/O、无线电适配器，且通常还有设置为现场级别的设备。

由Endress+Hauser联合公司制造并出售大量的这种现场设备。

根据其使用位置，用于过程自动化的很多现场设备都易于受各种环境影响。在工业的不同分支中，存在不同环境条件，需要适当的不同保护措施。

在过程自动化中，尤其是在卫生应用中，过程频繁运行，其中存在高湿度。蒸汽随着冷凝沉积在工艺设备的表面上。该冷凝物会损坏设备且尤其是位于其中的现场设备。具有金属壳体的现场设备会由于较长时间接触水而被侵蚀。如果蒸汽进入到壳体内部且在那里冷凝，现场设备的功能性会变差。例如，冷凝会聚集在电子器件上且引起缺陷和/或侵蚀。而且，会出现由湿气引起的在电子器件和壳体之间的短路，并且限制了现场设备运行的能力。

压力测量设备尤其是相对压力测量设备需要基准空气管用于校准操作。其被导入到壳体中且通过压力平衡元件与环境接触。如果冷凝物沉积在该压力平衡元件上，则在给定情况下，会阻挡空气被供应到基准空气管中。结果，测量到有缺陷的压力值。

当温度低于阈值温度、所谓的露点(dewpoint)、也称作露点时会发生冷凝。气体混合物的露点温度由可冷凝成分的百分比确定。气体混合物例如可以是空气，这种情况下可冷凝成分是水。气体混合物中的可冷凝成分百分比越高，露点温度就越低。

如果过程具有一个或多个低过程温度阶段，例如冷却阶段，则这些阶段中增加了冷凝的危险。

保护现场设备免于冷凝的可能性是改变壳体尺寸。利用较大的壳体长度，在压力测量设备被定位得远离过程连接的情况下，使得低温不会到达诸如电子器件或者压力平衡元件的这些敏感部件。但是，这与增加的材料成本相关。而且，在很多工艺设备中空间受到限制，使得壳体尺寸必须尽可能小。

另一种可能性是使敏感部件与过程温度分离。这通过所谓的温度解耦器来完成。温度解耦器是具有特定形式的壳体部分，例如，肋或者缩颈。取决于实施例的形式，该方法的不利之处在于在壳体开发的情况下的低效率和增加的工作。

用于避免壳体上冷凝的一项有效技术是保持壳体温度高于露点温度。

DE102013108531 A1描述了一种具有集成的加热元件和温度控制回路的现场设备。该现场设备被应用到范围在-40℃至-60℃的非常低温度的情况下；这种情况下，加热元件保护温度敏感部件诸如微控制器不会由于这些低温而失效。该技术的不利之处在于与控制回路相关的增加的工作，附加的制造成本和增加的电流损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种现场设备，其可安全地用于具有高冷凝危险的环境中。

通过用于过程和自动化技术中的卫生应用中的现场设备实现该目的，现场设备包括用于记录第一物理被测变量的至少一个传感器元件，用于把传感器元件记录的被测变量转换成测量信号的至少一个电路，至少一个加热元件，至少一个壳体，该壳体具有外侧和内侧，且该壳体中设置并安装了至少一个传感器元件、电路和加热元件，和外部能量供应单元，其中现场设备具有两个连接引脚，传感器元件和电路连接至连接引脚且经由连接引脚存在与外部电流供应的电连接，从而形成第一电流回路，且其中提供第二电流回路，其被设置成加热元件经由两个连接引脚之一和第三连接引脚与外部能量单元电接触，从而第二电流回路与第一电流回路形成并联电路。

该解决方案提供了一种成本有效的加热元件的实现方式。通过将加热元件直接连接至电流供应单元，不需要附加的能量源。由于加热元件的操作不会引起测量结果改变，因此电子器件与加热元件的并联电路确保现场设备可靠运行。

有利的实施例提供了加热元件由至少一个电子部件组成。电流流过该部件，提供热量，加热了壳体。应用标准电子部件意味着集成加热元件的制造过程是成本有效的。

有利的实施例提供了加热元件是SMD电阻器或者至少两个SMD电阻器的并联电路。而且，加热元件也可以是场效应晶体管或者多个场效应晶体管或者是相似的电子部件。

优选实施例提供了加热元件被以加热元件和壳体之间传导地发生热交换的方式设置在壳体中。为此目的，加热元件被定位成与壳体接触。由加热元件产生的热量被直接导入壳体中。

优选实施例提供了加热元件被以加热元件和壳体之间对流地发生热交换的方式设置在壳体中。为此目的，加热元件位于壳体的内部空间中。热量自加热元件辐射且用于除了加热壳体之外还用于加热电子器件单元。

优选实施例提供了第一电流回路是4-20mA的电流回路。

特别优选形式的实施例提供了第一电流回路是数字通信，其借助于过程和自动化技术的现场总线协议进行通信。这种情况下，总线协议例如是ProfibusPA-、Foundation Fieldbus-、ModBus-或者HART协议。

特别优选的实施例提供了现场设备是压力测量设备。如已经描述的，例如由于基准空气供应的阻挡，压力测量设备是极易发生误差的。本发明提供了减少这种易于发生的误差的极大益处，由此提高了压力测量设备的可靠性。

本发明的目的还通过用于制造用于过程和自动化技术的卫生应用中的现场设备的方法来实现，其中经由第二电流回路向加热元件提供能量，从而加热元件被加热且热量被传送到壳体，且其中壳体温度升高到露点的温度之上，使得防止在壳体外侧上和内侧上形成冷凝物。

在该方法的优选实施例中，手动启动加热元件。例如可通过硬件解决方案诸如开关实现，开关位于现场设备的壳体外侧上或者工艺设备上，但是，也可借助于软件解决方案来实现。由于此时加热元件仅在需要时操作，因此通过手动开关可节约能量。

在方法的特别优选的实施例中，加热元件仅在过程温度低于露点的温度的过程阶段启动。这例如是过程冷却阶段的情况。

附图说明

现在将基于附图更具体地解释本发明，附图示出如下：

图1是标准模式下本发明的现场设备电路的示意图；

图2是启动了加热的现场设备的电路的示意图；以及

图3是本发明现场设备实施例的示例的图；

具体实施方式

图1示出了标准操作中现场设备1的电路的示意图。现场设备尤其是传感器和/或执行器在2导体模式下频繁操作。现场设备的能量供应通过外部能量单元而发生，外部能量单元借助于M12x1或者阀门连接器连接至暴露在壳体上的连接引脚8。根据标准，这种连接器版本提供多至四个连接引脚的连接可能性。

位于壳体5内部的是传感器元件2和连接至连接引脚8的电路3。以这种方式形成第一电流回路12。该第一电流回路例如是4-20mA电流回路或者是通信网络。

传感器元件2记录物理被测变量。然后电路3把该被测变量转换成测量信号。经由两个连接引脚8之一输出测量信号且例如在网络的附加单元中可将其记录或者进一步处理。

图2示出启动加热的现场设备电路的示意图。很多现场设备，例如相对压力测量设备，本申请人制造并出售的Cerabar PMP 23，在该装备中具有附加的第三连接引脚9，在设备的具体实施例中，其提供用于特定功能的连接可能性，但是在标准实施例中，其未被使用。加热元件4被置于壳体5的内部空间，且与两个连接引脚8之一和第三连接引脚9连接。以这种方式，与传感器元件2和电路3相同，加热元件4连接至外部能量单元11并且从其汲取能量。通过连接至第三连接引脚9，形成第二电流回路13，其与第一电流回路12形成了并联电路。以这种方式，该设备以3导体模式操作。此处借助M12x1或者阀门连接器也会发生连接引脚8与第三连接引脚9的连接。

并联电路保证一旦加热元件4启动，在第一电流回路12中的传感器元件2和电路3的电流供应不会变差。但是，在设计这种装备时，必须注意，在启动加热元件4的情况下需求来自外部能量单元11的能量大于标准操作时的能量。

图3示出了按照相对压力测量设备形式给出的本发明的现场设备1的实施例的示例的图。安装在壳体5上的是压力平衡元件，借助该元件能实现传感器的基准空气供应。该示例中加热元件4被置于电路3的电路板上，使得对流地发生与壳体的热交换。该类型的实施例的变形提供了加热元件4与壳体5直接连接，使得传导地发生热交换。

如果过程处于冷却阶段，则在过程连接上占主导的为低温，这传递到整个壳体5。如果壳体5的温度下降至露点温度以下，则冷凝物会聚集在壳体的外侧6上和内侧7上。如果冷凝物覆盖了压力平衡元件10，则在给定情况下，基准空气供应被阻挡，从而可预料到有缺陷的测量值。

这种情况下，经由连接引脚8之一和第三连接引脚9与外部能量单元11连接的加热元件4启动。以这种方式，容易加热壳体。一旦壳体5的温度升高到露点温度之上，冷凝物就开始蒸发且进一步防止冷凝物形成。理想地，加热元件4应当在开始过程冷却阶段之前短时间启动，以防止开始形成冷凝物。

参考标记列表

1现场设备

2传感器元件

3电路

4加热元件

5壳体

6外侧

7内侧

8连接引脚

9第三连接引脚

10压力平衡元件

11外部能量单元

12第一电流回路

13第二电流回路

14过程连接