帶有防濕密封的電子模塊的工業過程現場裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種用于在工業過程中使用的現場裝置，該現場裝置包括殼體，該殼體具有形成在殼體中的腔。防濕密封的電子模塊具有形成在其中的第一隔室并且被定位在腔中。防濕密封的電子模塊包括密封板。密封板將防濕密封的電子模塊的第一隔室與殼體中的第二隔室分隔開。第一隔室中的第一電氣部件安裝到密封板，并且第二隔室中的第二電氣部件電連接到第一電氣部件。
【專利說明】帶有防濕密封的電子模塊的工業過程現場裝置
【技術領域】
[0001] 本實施例涉及一種工業過程。更具體地，本實施例涉及用于工業過程的監控或控 制的工業過程現場裝置。
【背景技術】
[0002] 在工業過程中使用的諸如過程變量變送器和控制器的現場裝置可以在現場被安 裝在管道、罐和其他工業過程設備中。變送器感測諸如過程流體溫度、壓力、流量、電導率、 PH值等過程變量。其他類型的工業過程現場裝置包括閥門、致動器、現場控制器、數據顯示 和通訊設備（例如工業現場網絡橋）。
[0003] 在許多工業過程環境中存在濕氣和潮氣。濕氣和潮氣可以進入現場裝置的殼體和 損壞電子電路或使電子電路性能變差。在某些情況下，引入到電子電路的潮氣可能會影響 對時間有嚴格要求的電子通信，并且可能因此引起測量、控制精度的偏差。也可能形成枝 晶，在電氣部件之間產生不期望的電流路徑。對于現場裝置的功能而言至關重要的一些電 氣部件，諸如光電耦合器或電壓基準，對濕氣特別敏感。
【發明內容】
[0004] 本發明公開一種用于在工業過程中使用的現場裝置，該現場裝置包括殼體，該殼 體具有形成在殼體中的腔。防濕密封的電子模塊具有形成在其中的第一隔室并且被定位在 腔中。防濕密封的電子模塊包括密封板。密封板將防濕密封的電子模塊的第一隔室與殼體 中的第二隔室分隔開。第一隔室中的第一電氣部件安裝到密封板，并且第二隔室中的第二 電氣部件電連接到第一電氣部件。
[0005] 優選地，防濕密封的電子模塊包括承載第三電氣部件的第二密封板。
[0006] 優選地，防濕密封的電子模塊包括側壁并且密封板被密封到所述側墅。
[0007] 優選地，防濕密封的電子模塊包括被密封到所述側壁并與所述密封板相對的第二 密封板。
[0008] 優選地，所述側壁包括金屬。
[0009] 優選地，所述金屬包括鋁合金。
[0010] 優選地，所述密封板包括多層印刷電路板。
[0011] 優選地，所述密封板包括至少兩個金屬層。
[0012] 優選地，所述至少兩個金屬層包括銅。
[0013] 優選地，第一電氣部件包括在多種現場裝置配置之間使用的現場裝置通用部件。
[0014] 優選地，所述現場裝置通用部件包括用于測量過程變量的電路。
[0015] 優選地，所述現場裝置通用部件包括通用的通信部件。
[0016] 優選地，第二電氣部件包括專用部件。
[0017] 優選地，所述專用部件包括專用通信電路。
[0018] 優選地，防濕密封的電子模塊包括凸緣，該凸緣被安裝到所述殼體的壁。
[0019] 優選地，防濕密封的電子模塊將所述殼體劃分為第二隔室和第三隔室。
[0020] 優選地，第三隔室包括過程控制回路連接。
[0021] 優選地，第三隔室包括過程變量傳感器連接。
[0022] 優選地，密封板被焊接到所述側壁。
[0023] 優選地，第二隔室是依照內在的安全標準加以密封的。
[0024] 優選地，密封板被密封到殼體的內壁。
[0025] 優選地，密封板被安裝到殼體的內部環。
[0026] 優選地，所述現場裝置包括密封到殼體的內壁的第二密封板，并且其中第一隔室 被形成在所述密封板和第二密封板之間。
[0027] 優選地，防濕密封的電子模塊的第一隔室被限定在殼體中。
[0028] 優選地，防濕密封的電子模塊是圓柱形的。
[0029] 優選地，所述現場裝置包括電耦合到第一電氣部件并且延伸穿過密封板的電通 路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 圖1是包括工業變量變送器的工業過程控制或監測系統的示意圖，所述變送器具 有根據一個實施例的防濕密封的電子模塊。
[0031] 圖2是根據一個實施例的防濕密封的電子模塊的側視剖視圖。
[0032] 圖3A是防濕密封的電子模塊的一個實施例的俯視平面圖。
[0033] 圖3B是圖3A的防濕密封的電子模塊的橫截面。
[0034] 圖4是根據另一個實施例的防濕密封的電子模塊的側視剖視圖。
[0035] 圖5是根據另一個實施例的現場裝置殼體內的防濕密封的電子模塊的橫截面透 視圖。
[0036] 圖6是安裝在現場裝置殼體內的圖4的防濕密封的電子模塊的橫截面透視圖。
【具體實施方式】
[0037] 正如在【背景技術】部分中所討論的，潮氣可以進入現場裝置并且干擾電子電路的工 作。在下面描述的實施例中，提供了一種工業過程現場裝置，其包括防濕密封的電子模塊用 于"有危險的（at-risk)"電氣部件。密封模塊保護該有危險的電氣部件免受可能進入現場 裝置的殼體的濕氣或潮氣的干擾。
[0038] 圖1是顯示用于監控或控制工業過程中的過程流體的工業過程控制或監控系統 100的簡化示圖。任意數量的現場裝置可以定位在整個過程中并且用于測量或控制過程變 量。圖1中包括一個這樣的現場裝置，即，根據一個實施例的將感測到的過程變量發送回中 心定位的中心控制室104的過程變量變送器102。各種技術可以用于發送過程變量，包括有 線和無線通信兩者。一種常用有線通信技術使用所謂雙線過程控制回路106,其中，單對電 線用于傳輸模擬和/或數字信息以及可選擇地將電力提供到變送器102。也可以采用無線 協議，諸如包括無線丨丨ΛΚ--的射頻通信技術。
[0039] 過程變量變送器102包括延伸進入過程管道108并且被配置為測量過程流體的過 程變量的探頭109。示例過程變量包括溫度、壓力、流量、液位、pH值、電導率、濁度、密度、濃 度、化學組成等。過程變量變送器102包括具有形成在其中的腔112的殼體110,腔112在 第一開口 114和第二開口 116之間延伸。開口 114和116是圓柱形的，并且可以通過相應 的端蓋118和120密封。電氣部件（電路）122和124被設置在腔112中。
[0040] 如上所述，在許多工業過程環境中存在可能進入現場裝置的殼體并且損壞或干擾 電路的操作的濕氣和潮氣。在某些情況下，引入電路的潮氣可能會影響對時間有嚴格要求 的電子通訊，引起測量或控制精度的偏差。在一些極端情況下，也可以形成在部件之間產生 不希望的電流路徑的枝晶（dendrites)。
[0041] 如圖1所示，殼體110內的腔體112包括保護電氣部件124免受濕氣和潮氣影響的 內部防濕密封容器（電子模塊）126。通過將有危險的電氣部件放置在模塊126中，產品可 靠性和壽命被大大提高。防濕密封容器126將腔112劃分成可分別地通過開口 114和116 訪問的隔室128和130。電氣部件122和電氣部件124 -起形成變送器102的測量電路。 測量電路122、124被配置為從過程變量傳感器136接收過程變送器變量并且提供輸出。電 連接132連接到終端134,藉此將測量電路122、124電連接到回路106。在一個實施例中，傳 感器136包括溫度傳感器。溫度傳感器136可以是溫度電陽.器或任何其它合適的溫度傳 感器。引線138通過終端140將傳感器136連接到電路122、124。在該實施例中，電路124 可以包括例如電壓調節器型電流源，并且電路122可以包括一個或多個微處理器和被配置 為用于執行電壓測量、回路通信和控制功能的其它電路。盡管圖1顯示了一對引線138,任 意數量的引線均可以用于將傳感器136連接到電路122、124。而且，如果設備102是控制 器，則參考數字136可以表示用于控制過程變量的控制部件。
[0042] 在本發明的實施例的具體示例中，密封電子模塊126可以承載在現場裝置的多個 類型或配置上通用的電氣部件。在這種配置中，通過將專用電路或部件122連接到在模塊 126中的現場裝置通用電路或部件124,現場裝置可以被很容易地定制。這樣減少了構建現 場裝置所需的定制工作量，減少制造時間，并且提高設備的可維修性。例如，可以在模塊126 中承載通過使用RTD傳感器測量溫度的測量電路。同樣的模塊可用于具有4-20mA輸出、 HART?輸出、本地運營商輸出、無線HART?輸出等的變送器。為了定制設備100,特定通信 電路可以在電子器件122中實現并且簡單地連接到模塊126。此外，還有一些電路部件，這 些部件在用于實現不同的通信技術的各種電路之間通用。這個通用的通信電路也可以在模 塊126中實現。此外，模塊126可以包括另外的（額外的）電路，使得模塊126可以在多種 配置中使用。在這種實施例中，在模塊126中的一些電路可能不能在特定的應用中使用。然 而，這允許在多個應用程序中使用單個模塊設計，并且降低構建設備102所需要的定制量。 圖1還示出了可以設置在模塊126上用于電子器件122電連接到電子器件124的多針腳電 連接件或插頭144。
[0043] 在另一示例性的方面中，密封的電子模塊126在設備102的殼體110內提供第 三隔室146。在這種結構中，容器126可以被密封到殼體110,使得隔室130符合內在的 (intrinsic)安全標準。在這種結構中，隔室128可以很容易地被維護人員訪問以將裝置 102連接到回路106或傳感器136。隔室130可以包含符合內在安全標準的電子器件122。 隔室146提供用于被保護以免受濕氣和潮氣干擾的有風險的部件的第三隔室。
[0044] 圖2是防濕密封的電子模塊200的一個實施例的截面圖。模塊200是圓柱形的并 且被配置為裝配進入現場裝置殼體（例如圖1的110)。模塊200包括底部202、頂部204 和在其間延伸的側壁206。模塊200的內部205是空心并且包括一個或多個電氣部件208。
[0045] 頂部204和/或底部202可以包括密封板（例如，電路卡或印刷板）210,部件208 安裝在該密封板上。密封板可以是多層的，其中至少一層由防止濕氣穿過密封板210的材 料形成。密封板被密封地連接至側壁206。關于密封板的詳細信息，包括用于密封板的合適 的材料，結合圖3和4進一步說明如下。
[0046] 側壁206可以由金屬或能夠阻止濕氣和潮氣到達內部205的任何其它合適的材料 制成。在一些實施例中，側壁206可以形成空心圓柱體，其中，該空心圓柱體的開口端被密 封到密封板210。如果頂部204不承載電子器件，則頂部204可以包括與側壁206相同的 或其它材料并且可以與側壁206整體地形成。一般情況下，模塊200包括至少一個密封板 210,并且提供用于電氣部件208的密封殼體205。
[0047] 圖3A和3B分別是具有單個密封板302的防濕密封的電子模塊300的另一個示例 性實施例的側視和俯視剖視圖。密封板302承載由罩殼（en el〇Sure)305密封的已安裝的 電氣部件304。部件304可以包括僅具有最小密封的低成本部件，例如在塑料包裝中。罩 殼305可以是金屬罩殼，用于提供對濕氣和潮氣的屏障。板302是圓形的或是根據需要的 一些其他形狀。板302包括頂表面306和底表面308。在一個實施例中，頂表面306包括諸 如銅的第一層金屬鍍層310。頂表面306還可以包括位于第一層310下面的諸如銅的第二 層金屬鍍層312。板302可以包括層壓材料，該層壓材料包括額外的金屬層。圖3A中所示 的焊料掩膜314設置在層310的一部分之上。區域315和317是焊料掩膜314中的開口， 并且區域319是在銅鍍層310中的開口。
[0048] 在圖3A中，電氣部件304被圖示為電壓基準，其包括具有分別地區域319和317處 電連接到板302的陰極316和陽極318的二極管。陽極318連接到層310。區域315電短 路到陽極318,以減少在鍍銅層中的任何開口。區域315、317和319可以被焊接到部件304 的針腳。隔離的跡線320和通路（via) 321穿過層312將陰極316連接到在板302的底部 308上的焊料插塞（solder plug)324。層312與陰極316公用，并且與層310具有相同的 形狀和直徑。通路321被電連接到層310,從而阻止經由通路321的任何潛在的泄漏。
[0049] 在模塊300的組裝過程中，部件304被安裝在板302上作為標準產品的一部分。作 為第二操作的一部分，罩殼305被放置在部件304之上。之后通過圍繞罩殼305的周邊使 用焊料328而將其附接到層310。通路321中的孔在此過程中保持打開狀態，以允許罩殼 305內的腔排氣，并且防止焊料在焊接過程中被拉入腔。在這個過程的最后階段，所述腔通 過將插頭324焊接在底表面308上而被密封。
[0050] 應當指出的是，在圖3A和3B中顯示的實施例的設計部分地依賴板302的材料以 及銅與層壓件之間的密封的密封性。選擇合適質量的層壓件對于確保適當的防濕密封是重 要的。為了盡量減少任何潛在的泄漏路徑，層壓到銅表面的板應被大致被最大化并且到通 路的泄漏路徑被最小化。
[0051] 在一些實施方式中，通路321不是貫通板的通路，而是通路321可以是僅暴露到板 302的頂表面306并且不延伸至底部表面308的盲通路。在這種實施例中，孔被添加到罩殼 305,用于在焊接過程中通風。在罩殼305中的孔在過程完成后使用焊料封閉。
[0052] 圖4是具有兩個密封板416和420的防濕密封的電子模塊400的另一個示例性實 施例的橫截面圖。模塊400包括空心圓柱體402,其具有頂部開口端404和底部開口端406， 并具有各自的頂端部凸緣408和底端部凸緣410。在一些實施例中，圓柱體402可以由鋁合 金構成并且可以可選擇地被涂覆錫。圓柱體402也可以由對濕氣和潮氣提供屏障的任何其 他合適的材料或材料的組合形成。
[0053] 印刷電路組件412和414被定位在模塊400的相應的端部406和404。組件412 包括密封板416和可選的電氣部件418。同樣地，組件414包括密封板420和可選電氣部 件422。在一些實施例中，板416和420包括一個或多個諸如銅的金屬層，以阻止濕氣和潮 氣進入模塊40。在圖4所不的不例性實施例中，每個板416和420包括兩層銅424。圓柱 體402的端部通過分別將板416和420焊接到凸緣408和410而被密封。如圖6所示，模 塊400沿著凸緣410安裝到過程裝置的殼體。
[0054] 圖5是安裝在設備102的殼體110中的根據另一示例性實施例的防濕密封的電子 模塊500的橫截面。作為使用單獨的圓柱體（例如圖4的402)的替換，模塊500利用設備 102的殼體110。具體地，現場裝置殼體102的內圓柱形環502作為用于諸如522的電氣部 件的罩殼。密封板516和520通過焊接密封地連接至圓柱形環502的相對的端部。電氣部 件522被安裝到板520。在另一中配置中，板516、520通過0形環524密封到殼體110,并 且通過螺釘、粘合劑等固定在適當位置。在另一實例中，部件524包括將板516、520密封到 環502的焊點或焊料。模塊500消除了對于如圖4的402的單獨的圓柱形殼體的需求。在 另一種示例性配置中，部件516、520之一是與殼體102 -體地形成的內部隔離壁。
[0055] 圖6是安裝在殼體102的圓柱形環502上的諸如圖4的400的防濕密封的電子模 塊的橫截面。在本實施例中，圓柱體402的底端凸緣410通過使用諸如螺釘的多個緊固件 602連接到圓柱形環502。也可以使用其它連接技術，諸如焊料、粘合劑或其他類似物。可 選擇的〇形環（未示出）可以被設置在底端凸緣410和圓柱形環502之間。
[0056] 雖然已經參照較佳實施例描述本發明，本領域的技術人員將認識到在形式和細節 方面可以變化而不脫離本發明的精神和范圍。例如，可以使用其它類型的材料或層來制作 防濕密封模塊，并且可以使用任何適當的技術將各種部件耦合或密封在一起。可以使用在 本文中特別地提出來的技術以外的各種技術形成密封件。雖然本發明給出了過程變量變送 器的例子，但這里示出和討論的現場裝置可以是任何類型的現場裝置，包括控制器、配置或 診斷裝置、通信裝置等。
【權利要求】
1. 一種在工業過程中使用的現場裝置，包括： 殼體，其具有形成在該殼體中的腔； 防濕密封的電子模塊，其具有形成在該防濕密封的電子模塊中的第一隔室，所述防濕 密封的電子模塊被設置在所述腔中并且包括密封板，其中，密封板將防濕密封的電子模塊 的第一隔室與所述殼體中的第二隔室分隔開； 位于第一隔室中的第一電氣部件，其安裝到密封板；和 位于第二隔室中的第二電氣部件，其電連接到第一電氣部件。
2. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊包括承載第H電氣部 件的第二密封板。
3. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊包括側壁并且密封板 被密封到所述側壁。
4. 根據權利要求3所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊包括被密封到所述側 壁并與所述密封板相對的第二密封板。
5. 根據權利要求3所述的現場裝置，其中，所述側壁包括金屬。
6. 根據權利要求5所述的現場裝置，其中，所述金屬包括鉛合金。
7. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，所述密封板包括多層印刷電路板。
8. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，所述密封板包括至少兩個金屬層。
9. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，所述至少兩個金屬層包括銅。
10. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，第一電氣部件包括在多種現場裝置配置之 間使用的現場裝置通用部件。
11. 根據權利要求10所述的現場裝置，其中，所述現場裝置通用部件包括用于測量過 程變量的電路。
12. 根據權利要求10所述的現場裝置，其中，所述現場裝置通用部件包括通用的通信 部件。
13. 根據權利要求10所述的現場裝置，其中，第二電氣部件包括專用部件。
14. 根據權利要求13所述的現場裝置，其中，所述專用部件包括專用通信電路。
15. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊包括凸緣，該凸緣被 安裝到所述殼體的壁。
16. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊將所述殼體劃分為第 二隔室和第H隔室。
17. 根據權利要求16所述的現場裝置，其中，第H隔室包括過程控制回路連接。
18. 根據權利要求16所述的現場裝置，其中，第H隔室包括過程變量傳感器連接。
19. 根據權利要求3所述的現場裝置，其中，密封板被焊接到所述側壁。
20. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，第二隔室是依照內在的安全標準加W密封 的。
21. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，密封板被密封到殼體的內壁。
22. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，密封板被安裝到殼體的內部環。
23. 根據權利要求21所述的現場裝置，包括密封到殼體的內壁的第二密封板，并且其 中第一隔室被形成在所述密封板和第二密封板之間。
24. 根據權利要求21所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊的第一隔室被限定 在殼體中。
25. 根據權利要求1所述的現場裝置，其中，防濕密封的電子模塊是圓柱形的。
26. 根據權利要求1所述的現場裝置，包括電連接到第一電氣部件并且延伸穿過密封 板的電通路。
【文檔編號】H05K5/00GK104470271SQ201410186900
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】克里斯汀·妮可·諾曼, 亞倫·安德魯·佩羅, 杰森·哈洛德·魯德, 克拉倫斯·埃德沃德·霍姆斯塔德 申請人:羅斯蒙特公司