測量轉換器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種測量變換器(1)，其中在接收器(2)中布置有用于將物理或化學參量(P)轉化為能繼續處理的電信號(7)的傳感器(9)以及用于預處理電信號(7)的和用于產生測量信號(5)的接近傳感器的電子單元(10)。評估裝置(3)經過接口(4)與接收器(2)連接以用于傳輸測量信號(5)并且用于根據測量信號(5)測定測量值(13)和輸出其測量值。由此與過程介質直接接觸的傳感器(9)能以更高的溫度運行以及傳感器附近的電子單元(10)為了減少測量噪聲能以更低的溫度運行，傳感器附近的電子單元(10)設有相對于傳感器(9)的熱絕緣裝置(14)并且經過熱管(15)來冷卻。優選地評估裝置(3)的殼體(12)用作為散熱器，該殼體大約處于環境溫度。
【專利說明】測量轉換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分所述的測量轉換器。
【背景技術】
[0002]在自動化技術中通常應用現場儀器以用于過程儀表化，這些現場儀器例如用于檢測和/或用于影響過程變量以及經過自動化網絡、特別是利用現場總線彼此連接以用于交換數據。檢測物理或化學參量作為過程變量的現場儀器通常稱為測量轉換器，因為其將相應的參量轉換為測量值以及將其例如輸出給上一級的控制站或作為實際值輸出給調節器以用于繼續處理。用于溫度、壓力、流量、流速、液位、密度、pH值、電導率或介質的氣體濃度的測量轉換器作為實例。
[0003]從DE 10 2006 024 742 Al中已知一種用于磁感應地測量通量的模塊化構造的測量轉換器。這個測量轉換器包括接收器，以用于檢測流經測量管的介質的流速和用于產生相應的測量信號。用于檢測物理參量的和用于將該物理參量轉換為能繼續處理的電信號的模擬的組件以及用于產生數字測量信號的電子組件在接收器殼體中合并。信號預處理由此在傳感器附近的電子單元中發生并且不需要模擬信號經過更長的連接導線來傳輸。由此測量轉換器的靈敏度相對于可能使模擬信號失真的外面的干擾是相比較低的并且實現了良好的測量準確性。評估裝置用于繼續評估測量信號、例如用于將其線性化，以用于執行監控和診斷功能和用于傳輸測量值，該評估裝置安裝在與接收器的殼體分離的殼體中。評估裝置也根據測量信號計算流速的測量值以及將該測量值經由通信接口例如發射給上一級的控制站或用于調節通量的調節器以用于繼續處理。接收器和評估單元通常也稱為傳感器或者是發射機，其中與此不同的，在本申請中，僅僅應該將用于將物理或化學參量轉換為能繼續處理的電信號的組件理解為“傳感器”這個概念。
[0004]過程儀表化的現場儀器通常允許應用在一 40°C和+85°C的環境溫度范圍中，其中這個環境溫度范圍包括具有接收器和評估裝置的完整的儀器。此外具有測量轉換器，其中僅僅允許用于擴展的溫度范圍的接收器。例如用于壓力測量轉換器的接收器通常允許用于至+100°C的應用范圍，接收器具有以油填充來作為壓力傳輸介質的壓力測量單元。這個界限一方面由硅油的質量來決定，其中由于釋放前面溶解的氣體在更高的溫度時可以產生不期望的氣泡，另一方面由應用的傳感器和其傳感器附近的電子件來決定。
[0005]然而，在確定的應用中過程介質的溫度很高，以使得例如壓力傳感器的裝配直接在過程介質的附近破壞傳感器或至少降低測量準確性。然而為了實現測量，例如從DE102004060647B4中已知在過程接口和傳感器之間的壓力中介物(Druckmittler)的應用。在那里稱為遠程過程密封單元(Fernprozessdichtungseinheit)的過程接口和傳感器之間存在一個長的填充高質量流體作為壓力傳輸介質的毛細管，其利用熱的過程介質將壓力測量位置與接收器空間上分離。壓力由此經由不可壓縮的流體的更長的距離裝置來傳輸。然而此外缺點是，由于在流體中的不期望的氣泡形成而導致的可能的不準確性以及一定的壓力測量值的失真，其由于保持的可變的壓縮性例如經過吸收的氣體夾雜物可以產生填充流體的慣性和粘性。為此這種類型的壓力中間物的應用與顯著的附加費用連續在一起。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于，實現一種測量轉換器，其特征在于在大的溫度范圍中的良好的準確性。
[0007]為了實現該目的，前面所述類型的新型的測量轉換器具有在權利要求1的特征部分中提出的特征。在權利要求2中描述了本發明的有利的改進方案。
[0008]本發明特別是在過程介質的高的溫度時具有以下的優點，在該過程介質處應該檢測物流或化學參量，即傳感器和傳感器附近的電子單元彼此熱分離，并且進而不暴露在相同的高的溫度負荷中。此外在此傳感器與過程介質的緊密的耦合是可行的，以使得在從介質朝向傳感器的傳輸路徑上可以進一步地避免參量的失真。例如在通過熱接觸進行溫度測量時充足的導熱和在傳感器和過程介質間的鄰近是具有本質上的重要意義的。但是在其他的物理或化學參量的測量時、例如在前面所述的壓力測量時短的傳輸路徑也有利于顯著地改進準確性。壓力傳感器是可供支配的，其取決于構造方式地基本上可以經受住更高的過程溫度、例如200°C以及更高。這些壓力傳感器例如在所謂的絕緣體上硅(Silicon-on-1nsulator, SOI)技術或者在陶瓷基礎上實現。部分地這些在沒有油填充的測量單元的情況下也能應付，以使得待測量的壓力直接作用在高溫度壓力測量單元上。
[0009]由于其相對于傳感器熱絕緣，接收器的傳感器附近的電子單元可以較密封地布置在傳感器中。由該傳感器產生的能繼續處理的電信號因而不是必須以有利的方式地經由相對于電子單元的更長的距離地傳輸，該電子單元承擔電信號的預處理。由此由于在傳感器和傳感器附近的電子單元之間的短的導線，干擾耦合例如基于寄生的電容或雜散電感得以減少以及進而減少了在電信號中的噪聲。
[0010]傳感器附近的、通常也包括敏感的模擬電路的電子單元在有利的方式中由通常也稱為“Heatpipe”的熱管特別有效地冷卻。傳感器附近的電子單元的溫度在此基本上取決于環境溫度，其通常顯著地比過程介質的溫度低。這自身地在傳感器的僅僅適當提高的溫度時是有利的，因為原則上應用于信號預處理的電子單元的更低的溫度有利地起到測量減少噪聲的作用。用于傳感器附近的電子單元的散熱的熱管的應用在此具有以下的優點，即其表不了一個被動的(passive)熱量傳輸系統,其中熱量傳輸僅通過在熱源和散熱器之間的溫度差來驅動，并且熱管的安裝位置在熱管的正確的安裝時基本上對于能傳輸的熱功率沒有影響，在該熱管中材料的蒸發熱量用于散熱。適當的熱管的應用以有利的方式地與相對低的附加費用聯系在一起。
[0011]原則上可行的是，作為散熱器應用特殊的冷卻體，其將由傳感器附近的電子單元傳導出的熱量排放至周圍空氣。然而當散熱器由評估裝置的殼體構成時，用于附加的冷卻體的費用可以有利地取消。評估裝置的殼體因而在接收器的殼體和評估裝置的殼體之間的比較小的熱耦合時不暴露在過程介質的高溫度中，而是僅僅暴露在環境溫度中，該環境溫度大多數明顯更低。不僅在接收器中的傳感器附近的電子單元而且位于評估裝置中的測量轉換器的電子件由此保持在與環境相比低的溫度水平上，由此可以以良好的準確性地確保測量轉換器的持續的和可靠的運行。【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]根據附圖以下詳細地闡述本發明以及設計方案，在附圖中示出本發明的實施例。【具體實施方式】
[0013]根據附圖測量轉換器I模塊化地構造并且在所示出的實施例中由接收器2和評估裝置3構成，該評估裝置與接收器經過接口 4彼此連接以用于傳輸測量信號5。利用過程接口 6，測量轉換器I的接收器2在其運行中例如放置在管路上，其引導過程介質，在該過程介質處應該檢測物理或化學參量、例如壓力P。為了將壓力P轉換成能機械處理的電信號7，在接收器2的殼體8之中設有傳感器9。為了實現高的測量準確性這個傳感器位于過程接口 6的附近并且進而與過程介質熱接觸。由此確保了，物理或化學參量，即在示出的實施例中的壓力P經由比較短的距離和因而帶有非常小的失真地到達傳感器9。同樣地經由比較短的連接易受干擾的電信號7被引導至傳感器附近的電子單元10上以用于進一步地避免在接收器2的殼體之中干擾耦合，該電子單元用于電信號7的預處理以及由該電信號構成測量信號5，其相對于干擾是不敏感的。電子單元10例如可以執行信號增強、阻抗轉換和/或數字化。經由接口 4 一方面測量信號5輸送給位于評估裝置3的殼體12中的第二電子單元11，另一方面接口 4用于傳輸運行接收器2需要的能量以及可能地用于在接收器2和評估裝置3之間的其他的通信。在評估裝置3中經過測量信號5的適當的繼續處理得到測量值13，其在自動化網絡中、例如經由現場總線傳輸給其他的自動化組件。
[0014]測量轉換器I設計用于應用在過程介質的高溫度中，例如直至200°C。因為經由過程接口 6和傳感器9與過程介質之間的耦合，在過程介質和傳感器9之間存在熱耦合，所以這同樣地設計用于應用在這種較高的溫度中。過程介質的比較高的溫度幾乎擴展到除了傳感器附近的電子單元10之外的接收器2的殼體8的全部內部空間上。
[0015]為了噪聲小地運行以及為了保持電子單元10的可靠的運行溫度，這經過相對于接收器2的殼體8以及其內部空間的熱絕緣14防止不可靠的散熱。由此以特別有利的方式，在傳感器9和傳感器附近的電子單元10之間產生熱絕緣，由此一方面實現了，在運行中可以具有不同的溫度，并且另一方面，電信號7必須僅僅經由比較短的距離傳輸。由此實現的傳感器9與過程介質的直接的耦合以及傳感器附近的電子單元10的較低的運行溫度有助于測量轉換器I的準確性的改善。
[0016]熱管15用于給傳感器附近的電子單兀10散熱。在熱管15的一個端部16和傳感器附近的電子單元10之間存在熱耦合17，在其另一個端部18和評估裝置3的殼體12之間存在熱耦合19，其例如由導熱膏來實現。在傳感器附近的電子單元10中存在的熱量以及熱能量由此有效地經過熱管15排出至評估裝置3的殼體12上，熱能量穿過熱絕緣14從在接收器2的內部空間中的更熱的周圍環境耦合到電子單元10。殼體12的溫度大約與環境溫度相同，該環境溫度在工業應用中通常明顯處于85°C之下。在熱管的正確的布置時確保了，傳感器附近的電子單元10僅僅比殼體12的溫度熱大約5至10K，確切地說進一步地不取決于過程介質和傳感器9的溫度。這應該以下根據簡化的計算實例闡述熱管的布置:
[0017]假設，在實際的實施中傳感器附近的電子單元10作為安裝的電路板來實現，其安裝在具有邊棱長度40mm、25mm和5mm的長方六面體中。這個長方六面體和熱管均嵌入作為熱絕緣體14的厚度2mm的環氧樹脂層中。在這個覆蓋層之外存在空氣，其具有例如150K的過熱溫度。熱管15與傳感器附近的電子單元10 —起延伸越過80mm的長度進入接收器2的熱的殼體8中。根據熱絕緣體14的利用這個幾何的尺寸計算的表面和環氧樹脂的熱傳導性，其假設為0.2W/(mK)，這得出穿過熱絕緣體14的2.6W的熱流量。這個熱功率能夠無問題地由小的具有15W的商業通用的熱管來排出。在應用用于傳輸冷卻介質的具有毛細管的熱管時、在應用所謂的毛細管熱管時，安裝位置以有利的方式對于能傳輸的熱功率沒有明顯的影響。這種熱管能比較低廉地在市場上獲得，以使得由于應用熱管15與測量轉換器I造成的制造費用的提高相比較于由此實現的準確性改善相比是相對較小的。
[0018]以有利的方式測量轉換器I的新的構造原則可以應用在面對過程介質的高的溫度的測量轉換器的全部形式中。
[0019]由新的測量轉換器實現的優點再次簡短地總結如下:
[0020]-傳感器9和傳感器附近的電子單元10可以在非常熱的環境中運行；既不考慮由于過熱溫度導致的測量電子件的故障，也不減少測量準確性。無需借助于壓力中介物的結構上的耗費的、昂貴的和含有測量故障的解決方案。
[0021]-傳感器附近的電子件10的溫度基本上僅僅取決于評估裝置3的殼體12的溫度。
[0022]-因為傳感器附近的電子單元10的更低的溫度導致了在信號預處理時的更低的測量值噪聲，所以也在僅僅適當的提高的接收器2的溫度的情況下能實現更好的測量準確性。
[0023]-利用熱管15能實現被動的熱傳輸系統,其中熱傳輸唯一地由溫度梯度驅動，以及
[0024]-用于傳感器附近的電子單元10的散熱的裝置是無需維護的和沒有磨損的。
【權利要求】
1.一種測量變換器(I)， 具有接收器(2)，所述接收器具有用于檢測物理或化學參量(P)并且用于將所述物理或化學參量轉化為能繼續處理的電信號(7)的傳感器(9)以及用于預處理所述電信號(7)并且用于產生相應于所述物理或化學參量⑵的相應的數值的測量信號(5)的靠近所述傳感器的電子單元(10);以及 具有評估裝置(3)，所述評估裝置經過接口(4)與所述接收器(2)連接以用于傳輸所述測量信號(5)，所述評估裝置用于根據所述測量信號(5)測定測量值(13)以及用于輸出所述測量值(13)； 其特征在于， 靠近所述傳感器的所述電子單元(10)相對于所述傳感器(9)熱絕緣，以及存在熱管(15)，經過所述熱管，靠近所述傳感器的所述電子單元(10)與散熱器(12)熱耦合。
2.根據權利要求1所述的測量轉換器，其特征在于，所述散熱器由所述評估裝置(3)的所述殼體(12)構成。
【文檔編號】H05K7/20GK103975659SQ201280060434
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年12月5日 優先權日:2011年12月8日
【發明者】斯特凡·克萊爾, 赫伯特·朔爾布, 斯特凡·馮多斯科 申請人:西門子公司