ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ С ВЛАГОНЕПРОНИЦАЕМЫМ МОДУЛЕМ ЭЛЕКТРОНИКИ
FIELD MOUNTED DEVICE FOR INDUSTRIAL PROCESSES WITH ELECTRONICS WATER-PROOF MODULE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к промышленным процессам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к полевым устройствам для промышленных процессов, предназначенным для использования при мониторинге промышленных процессов или управления ими.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Полевые устройства, например передатчики параметров процесса, и контроллеры, используемые в промышленных процессах, могут быть установлены в полевых условиях на трубопроводах, резервуарах и другом оборудовании для промышленных процессов. Передатчики измеряют параметры процесса, такие как температура текучей среды, давление, расход, проводимость, рН в процессе и другие. Другие типы полевых устройств для промышленных процессов включают клапаны, исполнительные механизмы, полевые контроллеры, устройства отображения данных и коммуникационное оборудование, например промышленные полевые сетевые мосты.
Во многих средах промышленных процессов присутствуют влажность и сырость. Влага может проникать в корпус полевого устройства и повреждать электронную схему или ухудшать ее состояние. В некоторых случаях влага, попавшая в электронную схему, может повлиять на лимитированные по времени сеансы электрической связи и таким образом вызвать отклонение в точности измерения или управления. Также могут образовываться дендриты, что создает нежелательные пути протекания электрического тока между электрическими компонентами. Некоторые электронные компоненты, важные для функционирования полевого устройства, такие как оптоэлектронные соединительные устройства или источники опорного напряжения, особенно подвержены воздействию влаги.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Полевое устройство для использования в промышленном процессе включает корпус, имеющий созданную внутри него полость. Влагонепроницаемый модуль электроники имеет первое отделение, которое создано внутри него и расположено в полости. Влагонепроницаемый модуль электроники включает герметичную плату. Герметичная плата отделяет первое отделение влагонепроницаемого модуля электроники от второго отделения в корпусе. Первый электрический компонент в первом отделении установлен на герметичной плате, а второй электрический компонент во втором отделении электрически соединен с первым электрическим компонентом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 схематично иллюстрирует систему управления или мониторинга для промышленного процесса, включающую передатчик параметров процесса, имеющий влагонепроницаемый модуль электроники, согласно одному варианту.
На Фиг. 2 приведен вид сбоку в разрезе влагонепроницаемого модуля электроники согласно одному варианту.
На Фиг. 3А приведен вид сверху в разрезе одного варианта влагонепроницаемого модуля электроники.
На Фиг. 3В приведен вид сбоку в разрезе влагонепроницаемого модуля электроники, показанного на Фиг. 3А.
На Фиг. 4 приведен вид сбоку в разрезе влагонепроницаемого модуля электроники согласно другому варианту.
На Фиг. 5 приведен общий вид в разрезе влагонепроницаемого модуля электроники в корпусе полевого устройства согласно другому варианту.
На Фиг. 6 приведен общий вид в разрезе влагонепроницаемого модуля электроники по Фиг. 4, установленного в корпусе полевого устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Как рассмотрено в разделе "Уровень техники", влага может проникать в полевое устройство и мешать работе электронной схемы. В описанных ниже вариантах предлагаются полевые устройства для промышленных процессов, которые включают влагонепроницаемый модуль электроники для электрических компонентов, находящихся под угрозой. Герметичный модуль защищает электрические компоненты, находящиеся под угрозой, от влаги, которая может проникнуть в корпус полевого устройства.
На Фиг. 1 приведена упрощенная схема, на которой показана система 100 управления или мониторинга для промышленного процесса, предназначенная для использования при мониторинге текучей среды в промышленном процессе или управления ею. На всех этапах этого процесса может находиться любое число полевых устройств, которые используются для измерения параметра процесса или управления им. На Фиг. 1 представлено одно такое полевое устройство, передатчик 102 параметров процесса, который передает измеренный параметр процесса обратно в находящуюся в центре комнату 104 управления, согласно одному варианту. Для передачи параметра процесса могут быть использованы различные технологии, включая как проводную, так и беспроводную связь. В одной обычной проводной технологии связи используется конструкция, известная как двухпроводная система 106 автоматического управления процессом с обратной связью, в которой одна пара проводов используется для передачи аналоговой и/или цифровой информации, а также, возможно, для питания передатчика 102. Могут также быть реализованы беспроводные протоколы, например технологии радиочастотной связи, включающие WirelessHART.
Передатчик 102 параметров процесса включает зонд 109, который проходит в трубопровод 108 процесса и выполнен с возможностью измерения параметра процесса для текучей среды этого процесса. Примерные параметры процесса включают температуру, давление, расход, уровень, рН, проводимость, мутность, плотность, концентрацию, химический состав и т.д. Передатчик 102 параметров процесса включает корпус 110, имеющий созданную в нем полость 112, которая занимает пространство между первым отверстием 114 и вторым отверстием 116. Отверстия 114 и 116 являются цилиндрическими и могут быть герметизированы соответствующими концевыми крышками 118 и 120. В полости 112 расположены электрические компоненты (схемы) 122 и 124.
Как отмечено выше, во многих средах промышленных процессов присутствуют влажность и сырость, влага может проникать в корпус полевого устройства и повреждать схему или мешать ее работе. В некоторых случаях влага, попавшая в схему, может повлиять на лимитированные по времени сеансы электрической связи, вызывая отклонение в точности измерения или управления. В некоторых чрезвычайных случаях также могут образовываться дендриты, что создает нежелательные пути протекания электрического тока между компонентами.
Как показано на Фиг. 1, полость 112 в корпусе 110 включает внутренний влагонепроницаемый контейнер (модуль электроники) 126, который защищает электрические компоненты 124 от влажности и сырости. За счет установки электрических компонентов, находящихся под угрозой, в модуле 126 увеличиваются надежность и срок службы изделия. Влагонепроницаемый контейнер 126 разделяет полость 112 на два отделения 128 и 130, доступ к которым может быть осуществлен через отверстия 114 и 116 соответственно. Электрические компоненты 122 и электрические компоненты 124 вместе образуют измерительную схему в передатчике 102. Измерительная схема 122, 124 выполнена с возможностью приема параметра процесса от датчика 136 параметра процесса и обеспечения вывода. Электрическое соединение 132 соединяет с контактами 134, что обеспечивает электрическое соединение измерительной схемы 122, 124 с системой 106 управления с обратной связью. В одном варианте датчик 136 содержит датчик температуры. Датчик 136 температуры может представлять собой устройство измерения температуры на основе термометра сопротивления или любой другой подходящий температурный датчик. Подводящие провода 138 соединяют датчик 136 со схемой 122, 124 через контакты 140. В таких вариантах схема 124 может включать, например, источник тока, по типу относящийся к регулятору напряжения, а схема 122 может содержать один или более микропроцессоров и другие схемы, выполненные с возможностью осуществлять измерение напряжения, связь с системой управления с обратной связью и функции управления. Хотя на Фиг. 1 показана пара подводящих проводов 138, для соединения датчика 136 со схемой 122, 124 может использоваться любое число подводящих проводов. Кроме того, если устройство 102 представляет собой контроллер, ссылочным номером 136 может быть указан элемент управления, используемый для управления параметром процесса.
В конкретном примере варианта реализации настоящего изобретения в герметичном модуле 126 электроники могут быть установлены электрические компоненты, которые являются общими для множества типов или конфигураций полевых устройств. При такой конфигурации полевое устройство может быть легко адаптировано к требованиям заказчика путем соединения связанной с конкретным применением схемы или компонента 122 со схемой или компонентом 124, общими для полевых устройств, в модуле 126. Это уменьшает степень адаптации к требованиям заказчика, необходимую для создания полевого устройства, снижает время изготовления и повышает удобство обслуживания устройства. Например, в модуле 126 может быть установлена измерительная схема, используемая для измерения температуры при помощи терморезисторного датчика (RTD, Resistant Temperature Detector). Тот же модуль может быть использован с передатчиками с выходным сигналом 4–20 мА, выходным сигналом HART, выходным сигналом локального оператора, выходным сигналом WirelessHART и т.д. Чтобы адаптировать устройство 100 к требованиям заказчика, в электронике 122 может быть реализована конкретная коммуникационная схема, которая простым образом соединена с модулем 126. Кроме того, имеются некоторые схемные компоненты, которые являются общими для различных схем, используемых для реализации различных технологий связи. Эта общая коммуникационная схема может также быть реализована в модуле 126. Кроме того, модуль 126 может включать дополнительные (лишние) схемы, в результате чего модуль 126 может использоваться во множестве конфигураций. В таком варианте некоторые из схем в модуле 126 могут не использоваться в конкретной области применения. Однако это позволяет использовать одну конструкцию модуля во множестве областей применения и снижает степень адаптации к требованиям заказчика, необходимую при создании устройства 102. На Фиг. 1 также показан многоштыревой электрический соединитель или разъем 144, который может быть обеспечен на модуле 126 для использования при электрическом соединении электроники 122 с электроникой 124.
Согласно особенностям другого варианта герметичный модуль 126 электроники создает третье отделение 146 в корпусе 110 устройства 102. При такой конфигурации контейнер 126 может быть герметично установлен в корпусе 110, в результате чего отделение 130 будет соответствовать стандартам искробезопасности. При такой конфигурации обслуживающим персоналом может быть легко осуществлен доступ к отделению 128 для соединения устройства 102 с системой 106 управления с обратной связью или датчиком 136. Отделение 130 может содержать электронику 122, соответствующую стандартам искробезопасности. Отделение 146 представляет собой третье отделение для компонентов, находящихся под угрозой, которые защищаются от влажности и сырости.
На Фиг. 2 приведен вид сбоку в разрезе для одного варианта влагонепроницаемого модуля 200 электроники. Модуль 200 является цилиндрическим и выполнен с возможностью встраивания в корпус полевого устройства (например, 110 на Фиг. 1). Модуль 200 включает дно 202, верх 204 и боковую стенку 206, которая проходит между ними. Внутреннее пространство 205 модуля 200 является полым и содержит один или более электрических компонентов 208.
Верх 204 и/или дно 202 могут содержать герметичную плату (например, монтажную плату или плату с печатным монтажом) 210, на которую устанавливают компоненты 208. Герметичная плата (платы) может быть многослойной, в которой по меньшей мере один слой изготовлен из материала, предотвращающего перемещение влаги через герметичную плату (платы) 210. Герметичная плата (платы) герметично соединена с боковыми стенками 206. Подробности, касающиеся герметичных плат, включая подходящие для них материалы, дополнительно приведены ниже со ссылкой на Фиг. 3 и 4.
Боковые стенки 206 могут быть изготовлены из металла или любого другого подходящего материала, который препятствует поступлению влаги во внутреннее пространство 205. В некоторых вариантах боковые стенки 206 могут образовывать полый цилиндр с открытыми концами, которые герметично соединены с герметичной платой (платами) 210. Если на верхе 204 не установлена электроника, он может быть изготовлен из того же материала, что и боковые стенки 206, или другого материала и может быть выполнен как единое целое с этими стенками. В общем случае модуль 200 включает по меньшей мере одну герметичную плату 210 и обеспечивает герметичное закрытое пространство 205 для электрического компонента 208.
На Фиг. 3А и 3В соответственно приведены вид сверху в разрезе и вид сбоку в разрезе другого примерного варианта влагонепроницаемого модуля 300 электроники, имеющего одну герметичную плату 302. На герметичной плате 302 установлены электрические компоненты 304, герметизированные при помощи оболочки 305. Компонент 304 может содержать недорогой компонент, имеющий только минимальную герметизацию, например пластиковую упаковку. Оболочка 305 может быть металлической для создания барьера на пути влаги. Плата 302 может иметь круглую или некоторую другую форму, как это требуется. Плата 302 имеет верхнюю поверхность 306 и нижнюю поверхность 308. В одном варианте верхняя поверхность 306 включает первый слой 310 плакирующего металла, например меди. Верхняя поверхность 306 может также включать второй слой 312 плакирующего металла, например меди, ниже первого слоя 310. Плата 302 может включать ламинированные материалы, содержащие дополнительные слои металла. Над частью слоя 310 расположена паяльная маска 314, показанная на Фиг. 3А. Области 315 и 317 представляют собой отверстия в паяльной маске 314, а область 319 представляет собой отверстие в медном плакировании 310.
На Фиг. 3А электрический компонент 304 изображен как источник опорного напряжения, содержащий диод, имеющий катод 316 и анод 318, которые электрически соединены с платой 302 в областях 319 и 317 соответственно. Анод 318 соединяет со слоем 310. Область 315 электрически замкнута на анод 318, чтобы уменьшить число отверстий в медном плакировании. Области 315, 317 и 319 могут быть припаяны к штырям компонента 304. Изолированная дорожка 320 и переходная область 321 соединяют катод 316 с пробкой 324 из припоя на дне 308 платы 302 через слой 312. Слой 312 объединен с катодом 316 и имеет те же форму и диаметр, что и слой 310. Переходная область 321 электрически соединена со слоем 310, что позволяет препятствовать какой-либо потенциальной утечке через переходную область 321.
Во время сборки модуля 300 компонент 304 устанавливают на плате 302 как часть стандартного изделия. Как часть второй операции, над компонентом 304 располагают оболочку 305. Затем оболочку 305 прикрепляют при помощи припоя 328 по ее периферии к слою 310. Отверстие в переходной области 321 оставляют открытым во время этого процесса, чтобы сделать возможной вентиляцию полости внутри оболочки 305 и предотвратить затягивание припоя в полость во время процесса пайки. На финальной стадии этого процесса полость герметизируют путем создания при помощи пайки пробки 324 на нижней поверхности 308.
Необходимо отметить, что конструкция варианта, показанного на Фиг. 3А и 3В, основана отчасти на герметичности материала платы 302 и уплотнении между медью и ламинированным материалом. Выбор ламинированных материалов подходящего качества важен для обеспечения должной герметизации против влаги. Чтобы снизить до минимума любые возможные пути утечки, поверхности раздела между ламинированным материалом и медью в плате, по существу, должны быть увеличены до максимума, а пути утечки к отверстию переходной области должны быть снижены до минимума.
В некоторых вариантах вместо переходной области 321, являющейся переходной областью, проходящей насквозь через плату, переходная область 321 может представлять собой глухую переходную область, которая открыта только со стороны верхней поверхности 306 платы 302 и не проходит до нижней поверхности 308. В таких вариантах в оболочке 305 создают отверстие для вентиляции во время процесса пайки. Отверстие в оболочке 305 закрывают припоем после завершения процесса.
На Фиг. 4 приведен вид сбоку в разрезе другого примерного варианта влагонепроницаемого модуля 400 электроники, имеющего две герметичных платы 416 и 420. Модуль 400 включает полый цилиндр 402, имеющий верхний открытый конец 404 и нижний открытый конец 406, которые имеют соответствующие фланец 408 верхнего конца и фланец 410 нижнего конца. В некоторых вариантах цилиндр 402 может быть изготовлен из алюминиевого сплава и может, необязательно, быть покрыт оловом. Цилиндр 402 может также быть создан из любого другого подходящего материала или комбинации материалов, которые обеспечивают барьер для влаги.
Узлы 412 и 414 печатных схем расположены на соответствующих концах 406 и 404 модуля 400. Узел 412 включает герметичную плату 416 и необязательный электрический компонент 422. В некоторых вариантах платы 416 и 420 включают один или более слоев металла, например меди, чтобы препятствовать проникновению влаги в модуль 400. В примерном варианте, показанном на Фиг. 4, каждая плата 416 и 420 включает два слоя 424 меди. Концы цилиндра 402 герметизированы путем припаивания плат 416 и 420 к фланцам 408 и 410 соответственно. Модуль 400 установлен в корпусе устройства, используемого при выполнении процесса, по фланцу 410, как показано на Фиг. 6.
На Фиг. 5 приведен общий вид в разрезе влагонепроницаемого модуля 500 электроники согласно другому примерному варианту, который установлен в корпусе 110 устройства 102. Вместо применения отдельного цилиндра (например, 402 на Фиг. 4) в модуле 500 используется корпус 110 устройства 102. А именно в качестве оболочки для электрического компонента, например 522, используется внутреннее цилиндрическое кольцо 502 корпуса 110 полевого устройства. Герметичные платы 516 и 520 герметично соединены с противоположными краями цилиндрического кольца 502 при помощи припоя. На плате 520 установлен электрический компонент 522. При другой конфигурации платы 516, 520 герметизированы в корпусе 110 при помощи кольцевых уплотнений 524 и закреплены на месте винтами, адгезивами или тому подобным. В другом примере элементы 524 содержат сварные швы или припой, герметично прикрепляющие эти платы к кольцу 502. Модуль 500 исключает необходимость отдельной цилиндрической оболочки, например 402 на Фиг. 4. При другой примерной конфигурации один из элементов 516, 520 представляет собой внутреннюю перегородку, выполненную как единое целое с корпусом 102.
На Фиг. 6 приведен общий вид в разрезе влагонепроницаемого модуля электроники, такого как, например, модуль 400, показанный на Фиг. 4, который установлен в цилиндрическом кольце 502 корпуса 102. В этом варианте фланец 410 нижнего конца цилиндра 402 соединен с цилиндрическим кольцом 502 с использованием множества крепежных элементов 602, например винтов. Могут быть использованы и другие технологии крепления, например припой, адгезивы или другое. Между фланцем 410 нижнего конца и цилиндрическим кольцом 502 может быть расположено необязательное кольцевое уплотнение (не показано).
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты его реализации, специалисты в данной области техники поймут, что в форму реализации и детали могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения. Например, для изготовления влагонепроницаемого модуля могут быть использованы другие типы материалов или слоев, и различные компоненты могут быть соединены вместе или их соединения могут быть герметизированы с использованием любой подходящей технологии. Герметизирующие уплотнения могут быть созданы с использованием технологий, отличающихся от тех, которые здесь конкретно указаны. Хотя показан передатчик параметров, полевое устройство, показанное и рассмотренное здесь, может быть любого типа, включая контроллер, устройство конфигурирования или диагностики, устройство связи и т.д.