Полевой прибор с печатной платой в сборе в качестве экрана для защиты от воздействий окружающей среды и от эмп/радиопомех
Настоящее изобретение относится к электронным полевым приборам типа передатчиков параметров технологических процессов, используемых для мониторинга (текущего контроля) этих процессов. В частности, настоящее изобретение относится к электронным полевым приборам, используемым в окружающей среде технологических установок, которая может иметь высокий уровень электромагнитных помех. Технический результат - создание конструкций корпусов передатчиков параметров технологических процессов, обладающих улучшенной устойчивостью к воздействиям влаги и веществ, загрязняющих окружающую среду, а также обеспечивающих эффективную фильтрацию ЭМП и радиопомех. Полевой промышленный прибор (200) для эксплуатации в жестких условиях содержит корпус (208) с электропроводящими стенками, окружающими полость (206) с открытым концом. Внутри полости может быть размещен электронный модуль (292) на печатных платах. Прибор включает в себя печатную плату (270) в сборе, представляющую собой многослойную печатную плату со сквозными электрическими контактами и скрытым слоем (350) заземления, электрически соединенным с корпусом (202) для экранирования электронного модуля (292) от электромагнитных помех и обеспечения защиты электронного модуля от воздействий окружающей среды. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к электронным полевым приборам типа передатчиков параметров технологических процессов, используемых для мониторинга (текущего контроля) этих процессов. В частности, настоящее изобретение относится к электронным полевым приборам, используемым в окружающей среде технологических установок, которая может иметь высокий уровень электромагнитных помех.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, электронные полевые приборы (типа передатчиков параметров технологических процессов) используются для мониторинга (текущего контроля) технологических процессов, например, на нефтеперегонных установках, установках для химической переработки, установках по переработке бумаги, биотехнологических установках, установках для фармацевтической промышленности, установках по производству пищевых продуктов и напитков и т.п. Передатчики параметров технологических процессов, используемые для мониторинга, могут измерять давление, скорость потока, уровень жидкости или материала в резервуаре, температуру, колебания и т.п. Кроме того, в числе таких полевых приборов можно назвать электронное аналитическое оборудование, электронное диагностическое оборудование или другие электронные приборы для текущего контроля за процессами или даже электронные, гидравлические или пневматические исполнительные механизмы, используемые для управления технологическими процессами.
Передатчики параметров технологических процессов обычно размещают внутри технологической установки в помещениях, где могут находиться жидкости, пыль и влага и различные промышленные загрязняющие вещества. В некоторых окружающих средах могут присутствовать технологические жидкости типа растворов кислот или щелочных растворов. Источником жидкостей могут быть также брызги от шлангов, используемых для очистки оборудования. Жидкости могут капать или попадать на передатчик и его электрические контакты в виде брызг или жидкой пыли. Кроме того, пыль, влага и жидкости в окружающей среде могут загрязнять и разрушать как внешние, так и внутренние электрические контакты передатчика.
Специалистам в данной области техники известны передатчики, электрические схемы которых размещены в герметичном корпусе и защищены наружной крышкой. Также известно, что передатчики имеют один или более активируемых переключателей для коррекции параметра схемы типа установки на нуль или настройки интервала измерений. Как правило, один или более переключателей или выводы полевой электропроводки доступны только после снятия крышки передатчика.
К сожалению, удаление наружной крышки приводит к воздействию загрязняющих веществ и электромагнитных и радиопомех на электронные схемы внутри корпуса передатчика. Один из методов защиты электронных схем внутри корпуса передатчика от ЭМП заключается в размещении внутри корпуса передатчика электропроводящей внутренней крышки и обеспечении фрикционного контакта этой крышки с электропроводящими стенками корпуса для снижения влияния ЭМП при ее снятии. Пример передатчика параметров технологических процессов с внутренней проводящей крышкой описан в патенте США № 5353200 "Передатчик параметров технологических процессов с внутренней проводящей крышкой для экранирования ЭМП" от 4 октября 1994 г.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкций корпусов передатчиков параметров технологических процессов, обладающих улучшенной устойчивостью к воздействиям влаги и веществ, загрязняющих окружающую среду, а также обеспечивающих эффективную фильтрацию ЭМП и радиопомех. Настоящее изобретение обеспечивает решение поставленной и других задач и имеет преимущества относительно ближайшего технического решения.
Поставленная задача решена путем создания полевого промышленного прибора для эксплуатации в жестких условиях. Корпус полевого промышленного прибора для эксплуатации в жестких условиях имеет электропроводящие стенки, окружающие полость с открытым концом. Электронный модуль на печатных платах предназначен для размещения внутри этой полости. Часть электронного модуля на печатных платах является печатной платой в сборе, представляющей собой многослойную печатную плату c межслойными электрическими соединениями и скрытым слоем заземления, электрически соединенным с корпусом для экранирования электронного модуля на печатных платах от электромагнитных помех и обеспечения защиты электронного модуля на печатных платах от воздействий окружающей среды.
В одном примере осуществления многослойная печатная плата с межслойными электрическими соединениями имеет размер, обеспечивающий размещение внутри полости корпуса прибора. Слой заземления, скрытый в толще печатной платы, проходит практически по всей площади многослойной печатной платы. Слой заземления электрически соединен с корпусом прибора для экранирования электронных схем внутри корпуса прибора от электромагнитных помех и обеспечения защиты этих электронных схем от воздействий окружающей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид полевого прибора, согласно изобретению;
Фиг.2 - полевой прибор с печатной платой в сборе (продольный разрез), согласно изобретению;
Фиг.3 - участок печатной платы в сборе, показанный на фиг.2 пунктирной линией, согласно изобретению;
Фиг.4A - схему подложки печатной схемы с множеством печатных плат в сборе (вид сверху), согласно изобретению;
Фиг.4B - вид сверху одной из печатных плат в сборе, представленных на фиг.4A, согласно изобретению;
Фиг.5A - разрез слепого переходного отверстия в печатной плате в сборе, согласно изобретению;
Фиг.5B - вид сверху слоя заземления и слоя межсоединений с переходными отверстиями, показанных пунктирной линией 460 на фиг.5A, согласно изобретению;
Фиг.6A - разрез переходного отверстия в печатной плате в сборе, согласно изобретению;
Фиг.6B - вид сверху слоя заземления и слоя межсоединений с переходными отверстиями, показанных пунктирной линией 460 на фиг.6A, согласно изобретению.
Во всех случаях приведенные в описании примеры воплощения изобретения следует трактовать как демонстрационные, а не ограничительные.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение касается полевого промышленного прибора для эксплуатации в жестких условиях типа передатчика параметров технологических процессов, имеющего в предпочтительном варианте одноотсековый электротехнический корпус, обеспечивающий защиту от ЭМП и от воздействий окружающей среды даже при снятии верхней крышки передатчика. Используемая в описании фраза "полевой промышленный прибор для эксплуатации в жестких условиях" относится к прибору с корпусом, изолированным от веществ, загрязняющих окружающую среду. В предпочтительном примере осуществления в дополнение к корпусу, изолированному от веществ, загрязняющих окружающую среду, электронные схемы дополнительно изолированы от веществ, загрязняющих окружающую среду, а также от электромагнитных и радиопомех. В предпочтительном примере осуществления для изоляции печатной платы в сборе от окружающей среды использовано герметичное уплотнение. Используемый в описании термин "герметичный" относится к уплотнению, имеющему скорость натекания гелия менее, чем 5×10-8 станд.см3/с (0,00000005 кубических сантиметра гелия в секунду при давлении в одну атмосферу). Кроме того, используемый в описании термин "ЭМП" или "Электромагнитные помехи" относится к помехам от электромагнитного излучения, содержащего прежде всего электростатическую (электрическое поле или поле E) энергию на частоте между 0 Гц (постоянный ток) и приблизительно 10 ГГц.
Настоящее изобретение включает в себя печатную плату в сборе (CCA), используемую для электрического соединения электронных схем прибора с полевой электропроводкой и локальным интерфейсом оператора (LOI) или ЖК дисплеем со стороны полевой электропроводки прибора. Кроме того, CCA снабжена скрытым слоем заземления, электрически соединенным с электропроводящим корпусом прибора для экранирования электромагнитных помех. Слой заземления CCA фактически делит корпус прибора на две "клетки Фарадея" и служит как экраном для защиты от воздействий окружающей среды, так и экраном ЭМП.
Вообще, клетка Фарадея - это замкнутое пространство, сформированное из проводящих материалов, предназначенное для предотвращения прохождения электромагнитных волн как внутрь этого пространства, так и наружу. Передатчики параметров технологических процессов в типичном случае формируются из проводящего металла и сами являются клетками Фарадея. Фактически внешняя поверхность корпуса передатчика служит эквипотенциальной поверхностью, имеющей по существу один и тот же электрический потенциал в каждой точке. Принцип клетки Фарадея заключается в том, что заряд на заряженном проводнике постоянно находится только на его внешней поверхности. В случае отсутствия какого-либо электрического заряда внутри структуры, согласно закону Гаусса и теореме о дивергенции внутри эквипотенциальной поверхности нет никакого электростатического поля, даже если эта структура подвергается воздействию внешнего поля.
В обрабатывающей промышленности такие проводящие структуры используются для устранения электрических полей в структуре и предохранения электронных схем от нежелательных электромагнитных сигналов. В идеальном случае, электрические поля и радиочастоты не могут проникать через клетку Фарадея и воздействовать на электронные схемы. Однако следует понимать, что клетки Фарадея в настоящем изобретении идеальными не являются, так как материал корпуса (хоть и проводящий) не является идеальным проводником и, кроме того, корпус снабжен отверстием для ввода электропроводки в корпус. Помимо влаги и других загрязняющих веществ через проводку в электронные схемы внутри корпуса могут проникать (проходить) радиопомехи (RFI) и электромагнитные помехи (ЭМП). Однако используемый в данном описании термин "клетка Фарадея" относится к электропроводящей структуре, обладающей свойствами клетки Фарадея, достаточными для экранирования замкнутого объема от внешних электромагнитных помех и радиопомех.
На фиг.1 представлен общий вид системы 100 с передатчиком параметров технологических процессов согласно примеру осуществления настоящего изобретения. Передатчик 102 параметров технологических процессов соединен с отрезком 104 технологической трубы для измерения параметра или регулируемого параметра процесса, связанного с жидкостью внутри отрезка 104 трубы. Передатчик 102 соединен с центром 106 управления через полевую электропроводку 108. Обычно, полевая разводка включает в себя как кабель электропитания/заземления, так и линию связи. Полевая разводка 108 может включать в себя две или более проводок. В альтернативном варианте осуществления полевая разводка 108 обеспечивает подачу электропитания и заземление, а связь между передатчиком 102 и центром 106 управления осуществляется через линию беспроводной связи (не показана).
Обычно передатчик 102 содержит корпус 110 с крышкой 112. Корпус 110 соединен с отрезком 104 трубы через уплотненное основание 114, которое может включать в себя соединительный фланец или другой механизм крепления, предоставленный потребителем для конкретной установки. На корпусе 110 имеется патрубок 116 под электропроводку, образующий ввод для полевой электропроводки 108 в корпус 110 и соединения электронных схем внутри корпуса 110 передатчика с центром 106 управления.
Печатная плата в сборе (CCA) 270 (фиг.2) размещена внутри корпуса 202 передатчика и снабжена скрытым слоем заземления, который контактирует с корпусом передатчика в нескольких точках для замыкания заземляющего соединения. CCA изолирует электронные схемы, размещенные ниже CCA в корпусе 202 передатчика, от электромагнитных помех и веществ, загрязняющих окружающую среду, в случае снятия крышки 208 передатчика.
На фиг.2 показан разрез одноотсекового корпуса передатчика согласно изобретению. В этом примере передатчик 200 представляет собой датчик давления для измерения давления жидкости в трубе или резервуаре в технологическом процессе. Однако передатчик 200 может представлять собой промышленный датчик любого типа.
Передатчик 200 содержит корпус 202, соединенный с основанием 204, ограничивающим замкнутое пространство 206 с отверстием. Съемная крышка 208 имеет размер, необходимый для размещения над отверстием и защиты замкнутого пространства 206 от окружающей среды. Корпус 202 имеет верхнюю часть 210 и нижнюю часть 212. Верхняя часть 210 снабжена резьбой 214, которая выполнена на внешней поверхности и имеет размер, требуемый для сопряжения с резьбой 216 на внутренней поверхности крышки 208. Кроме того, в предпочтительном варианте на внешней поверхности верхней части 208 выполнена выточка 218, имеющая размер, требуемый для размещения кольцевого уплотнения 220. Нависающий край 222 крышки 208 прижимает кольцеобразное уплотнение 220 и изолирует корпус 206 от окружающей среды.
Обычно верхняя часть 210 соединена с нижней частью 212 с помощью сварного соединения 224 или другим проводящим средством. Нижняя часть 212 соединена с основанием 204 с помощью сварного соединения 226 или другого проводящего средства.
Полевая разводка 228 проходит через отверстие 230 под электропроводку в верхней части 210 корпуса 202. Соединительный патрубок 232 под электропроводку имеет корпус 234 с соединительными участками 236 и 238. Корпус 234 имеет размер, требуемый для сопряжения с соответствующей выточкой 240 на внешней поверхности верхней части 210 на участке, прилегающем к отверстию 230 под электропроводку. Соединительный участок 236 снабжен резьбой для сопряжения с соединительной гайкой 242 внутри корпуса 206. Между соединительной гайкой 242 и внутренней поверхностью верхней части 210 по соединительному участку 206 размещена уплотнительная прокладка 244 для защиты замкнутого пространства 206 вокруг отверстия 230. В другом варианте изобретения патрубок под электропроводку или приемный соединительный патрубок или формованная розетка могут быть приварены или жестко присоединены к корпусу непосредственно.
Полевая разводка 228 размещена в соединителе 246 электропроводки, а гайка 248 соединителя соединена с помощью резьбы с соединительным участком 238 для фиксации положения полевой электропроводки 228. В частности, поскольку гайка 248 соединителя надета на соединительный участок 238, то фланцы 250 соединителя 246 электропроводки прижаты к внутренней поверхности соединительного участка 238 и обеспечивают тем самым фиксацию положения полевой разводки в соединителе 246 электропроводки.
Внутри замкнутого пространства 206 полевая электропроводка 228 разделена на отдельные провода, включая провод 252 заземления, соединенный с заземляющим ушком 254, и провод 256 электропитания, а также сигнальный провод 258, соединенный с подпружиненными электрическими контактами 280, выполненными на соединительной плате 270. Соединительная плата 270 легко доступна для оператора в поле после снятия крышки 208. Плата 262 локального интерфейса оператора (LOI) подключена к соединительной печатной плате 270 и обеспечивает свободный доступ к элементам полевого прибора, которые обязательно должны быть доступными, включая нажимную кнопку 264 настройки интервала измерений и нажимную кнопку 266 установки на нуль для возврата передатчика 200 в исходное состояние, а также переключатель 260 системы тревожной сигнализации и выключатель 261 защиты записи.
В этом варианте осуществления плата 262 LOI закреплена внутри верхней части 210 корпуса 202 передатчика винтами 268 и отделена от печатной платы в сборе или соединительной платы 270 опорными изоляторами 272 и зажимным кольцом 274. Зажимное кольцо 274 сопряжено с соединительной платой 270, которая, в свою очередь, сопряжена с уплотнением 290. Резьбовые крепежные элементы 288 проходят через зажимное кольцо 274, соединительную плату 270 и уплотнение 290 в нижнюю часть 212 корпуса 202, фиксируя положение соединительной платы 270. Обычно, крепежные элементы 288 могут включать в себя болты, винты или другие резьбовые крепежные элементы. В альтернативном варианте выполнения изобретения крепежные элементы 288 не обязательно должны быть резьбовыми и могут включать в себя крепежные элементы типа штырьков, ходовых винтов и т.п.
Фильтр 278 для защиты от радиопомех (фильтр RFI), размещенный на соединительной плате 270, обеспечивает емкостное соединение штырьковых выводов соединителя 280 полевой электропроводки со слоем 350 заземления и, следовательно, с корпусом 202 передатчика. Фильтр RFI 278 предназначен для фильтрации радиопомех, которые могут распространяться по полевой электропроводке 228, и, как правило, для предохранения электронного модуля на печатных платах от наводок по линиям электропитания.
Наконец, печатная плата в сборе (CCA или соединительная плата) 270 в предпочтительном варианте состоит из многослойной печатной платы (МПП), покрытой по своей кромке проводящим слоем 282. Как правило, МПП выполняют из изоляционного материала типа керамики, пластика и т.п., на котором могут быть сформированы токопроводящие дорожки и электрические межсоединения.
Как будет рассмотрено более подробно ниже, соединительная плата 270 включает в себя скрытый слой 350 заземления, который проходит практически по всему диаметру соединительной платы 270 и соединяется с проводящим слоем 282. Скрытый слой 350 заземления представляет собой планарный слой, размещенный в толще CCA 270 и проходящий практически по всему диаметру CCA 270. Скрытый слой 350 заземления 350 сформирован из проводящего материала (типа меди) и предназначен для электрического соединения с проводящими стенками корпуса 202 передатчика и экранирования электронного модуля на печатных платах от ЭМП. Вообще, электрический контакт между слоем 350 заземления и корпусом 202 может быть обеспечен через проводящий слой 282, крепежные элементы 288, проводящий слой 282 на кромке или другим средством. В одном варианте осуществления уплотнение 290 является электропроводящим, и канал заземления образуется через это уплотнение 290.
В результате электрического соединения слоя заземления с корпусом 202 CCA 270 фактически делит корпус 202 на две клетки Фарадея (клетку 284 Фарадея над CCA 270 и клетку 286 Фарадея под CCA 270).
В этом варианте осуществления внутри нижней части 212 корпуса 202 CCA 270 соединена с печатной платой 292 в сборе (CCA) передатчика через гибкую печатную схему 294. Соединитель 296 соединяет гибкую печатную схему 294 с CCA 270. Соединитель 297 соединяет другой конец гибкой схемы 294 с CCA 292 передатчика. В предпочтительном варианте между CCA 270 и гибкой схемой 294 закреплен радиатор 295, обеспечивающий канал теплоотвода для отвода теплоты, выделяемой любым из элементов, размещенных на гибкой схеме 294.
CCA 292 передатчика размещена внутри стакана 298, имеющего наплыв 300, предназначенный для сопряжения с выточкой 302 в нижней части 212. Наплыв 300 обеспечивает фиксацию положения стакана 298 в нижней части 212. Соединитель 304 соединяет гибкую схему 306 с CCA 292 передатчика нижнего уровня, которая, в свою очередь, соединяется с датчиком 308 давления через штырьковые выводы 310.
В представленном варианте осуществления датчик 308 давления содержит остеклованное отверстие 312 для электрических штырьковых выводов 310. Остеклованное отверстие 312 для подвода электропитания проходит до изолированной от окружающей среды чувствительной мембраны 314, прилегающей к заполненной нефтью полости 316 внутри датчика 308. Заполненная нефтью трубка 318 соединяет датчик 308 с полостью 320, прилегающей к изолирующей мембране 322, соединенной с технологической трубой.
На датчике 308 имеется наполнительная трубка 324 для заполнения полости 316, трубки 318 и полости 320 нефтью до требуемого уровня. Заполненная воздухом трубка 326 соединяет датчик 308 с вентиляционным атмосферным отверстием 328, которое позволяет передатчику измерять избыточное давление.
Наконец, основание 330 в предпочтительном варианте соединено с технологической трубой с помощью струбцины 332 и фланца 334, предоставляемыми потребителем для сопряжения с их конкретным технологическим устройством. Выточки 336 и 338 в основании 330 и фланце 334 имеют размер, требуемый для размещения прокладки 340, обеспечивающей герметичность соединения основания 330 с фланцем 334.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть использовано в сочетании с любым типом чувствительного элемента, а не только с датчиком избыточного давления. В частности, являющаяся предметом настоящего изобретения CCA 270 может быть использована с любым передатчиком параметров технологических процессов при условии, что толщина скин-слоя слоя заземления, скрытого в толще CCA 270, будет достаточной для эффективной изоляции электронных схем от ЭМП, которые могут распространяться по полевой электропроводке 228 или поступать из окружающей производственной среды при снятии наружной крышки 208. Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано с любым промышленным прибором, предназначенным для эксплуатации в жестких условиях, включая дистанционные измерительные приборы, беспроводные сетевые интерфейсы, устройства дистанционного контроля, передатчики параметров технологических процессов и т.п.
На фиг.3 представлен разрез CCA 270 и части сборки со сварным соединением 224 между верхней частью 210 и нижней частью 212 корпуса 202 в увеличенном масштабе. Как было ранее указано, кромка CCA 270 покрыта проводящим слоем 282. Обычно CCA 270 представляет собой многослойную подложку со скрытым слоем 350 заземления, выполненным между верхним слоем 352 и нижним слоем 354. Как правило, верхние и нижние слои 352 и 354 и слой 350 заземления являются частями многослойной печатной платы (МПП). Как правило, открытые планарные поверхности 360 и 362 являются водостойкими. Однако в процессе изготовления в подложке сверлятся отверстия, и ее кромки обрезаются для формирования МПП 270. На этих открытых кромках на поверхность выходят волокна, которые могут действовать как капилляры и всасывать влагу в слои 360 и 362 подложки. Для предотвращения этого явления кромку МПП 270 покрывают проводящим слоем типа меди или олова, который также служит диффузионным барьером для влаги и загрязняющих веществ. Кроме того, каждое переходное или монтажное отверстие подвергается металлизации.
Как было ранее указано, резьбовой крепежный элемент 288 проходит через зажимное кольцо 274, CCA 270 и прокладку 290 в нижнюю часть 212. Отверстие в CCA 270, которое принимает крепежный элемент 288 с резьбой, также покрыто проводящим слоем 356, чтобы предотвратить проникновение влаги в толщу платы через отверстие. В зависимости от конкретной реализации слой 350 заземления может быть подвергнут травлению для удаления слоя 356 металлизации из сквозных отверстий и предотвращения закорачивания на землю через резьбовой крепежный элемент. Альтернативно в зависимости от конкретной реализации слой 356 металлизации может обеспечивать заземление для слоя 350 заземления.
Как было указано выше, резьбовой крепежный элемент 288 сопрягается с образованием фрикционного контакта с проводящей нижней частью 212 (и/или верхней частью 210) корпуса 202 и проводящего слоя 364 МПП и электрически соединяется со слоем 350 заземления через проводящий слой 356 или проводящий слой 282 для экранирования электронных схем датчика (типа датчика 308 на фиг.2) от ЭМП.
В одном варианте осуществления уплотнение 290 представляет собой электрический изолятор, предотвращающий фрикционное сопряжение CCA 270 с корпусом 202. Зажимное кольцо 274 сопрягается с проводящей дорожкой на внешней поверхности CCA 270 с образованием фрикционного контакта, в то время как резьбовые крепежные элементы 288 в конечном счете образуют канал заземления к корпусу 202. Если уплотнение 290 является электропроводящим (типа серийно выпускаемых прокладок для защиты от ЭМП), канал заземления может быть образован через уплотнение 290, а не через резьбовой крепежный элемент 288.
На фиг.4A представлен вид сверху подложки 400 с множеством изготовленных на ней МПП 402. Обычно, изготавливают многослойную подложку 400, а затем осуществляют трассировку, сверление, травление и металлизацию отдельных МПП 402 для создания законченной печатной платы. В частности, печатная плата МПП 402 вырезается из платы по контуру, например по линии 404 реза. Линия 404 реза не является непрерывной. МПП 402 вырезается по всему контуру, за исключением небольших перемычек 406, которые закрепляют МПП 402 в плоскости подложки 400.
В МПП 402 формируют отверстия 408 под крепежные элементы, переходные отверстия 410 для электрических контактов и сквозные монтажные отверстия 416 для компонентов. Кромка печатной платы (линия 404 реза) и отверстия 408, переходные отверстия 410 и сквозные монтажные отверстия 416 для компонентов покрывают проводящим слоем 412. Чтобы помочь оператору завершить установку с использованием МПП 402, на МПП 402, могут быть напечатаны контуры соединителя 414 и текст.
На фиг.4B представлен вид сверху МПП 402, аналогичной показанной на фиг.4A, но в увеличенном масштабе. После монтажа компонентов на МПП 402 эта МПП именуется печатной платой в сборе или CCA 402. После монтажа компонентов CCA 402 выламывают из подложки 400, оставляя перемычку 406, не покрытую проводящим слоем 412, на ee кромке. Электрический контакт между проводящим слоем 412 и корпусом электронного прибора или передатчика, типа корпуса 202 передатчика (фиг.2), является достаточным для обеспечения экранирования электронных схем в корпусе от ЭМП. Кроме того, открытая перемычка 406 на круговой области, покрытой проводящим слоем 412, ввиду ее небольшой площади не создает значимой проблемы "капиллярного распространения" влаги и ее легко можно покрыть эпоксидной смолой или т.п. материалом для дополнительного улучшения влагостойкости.
Для полного решения проблемы защиты от "капиллярного распространения" влаги линия 404 реза на плате МПП может быть проведена через перемычки 406 с частичным заглублением, так что слой 350 заземления и нижний проводящий слой 366 полностью остаются открытыми по всей окружности МПП 402 без каких-либо интервалов или промежутков. При нанесении проводящего слоя 282 на МПП 402 этот проводящий слой 282 покрывает всю кромку МПП 402 между слоем 350 и слоем 366. Это создает законченный диффузионный барьер, препятствующий проникновению влаги в нижнюю часть корпуса через МПП. Важно отметить, что влага, проникающая через остающуюся открытой кромку МПП 402 в области вырезанных перемычек 406, проникает только в слой 352 МПП 402. Проникновению влаги в слой 354 МПП 402 и оттуда в нижнюю часть корпуса препятствуют проводящие слои 282, 350, 356 и 366 и уплотнение 290.
CCA 402 в дополнение к отверстиям 408 и переходным отверстиям 410 включает в себя контактные площадки 420 для создания электрического контакта со схемным элементом (не показан). Нижележащие электрические соединительные линии 418, которые могут быть проложены на внутреннем слое платы, показаны пунктиром. Наконец, для облегчения отвода теплоты от электрических компонентов, смонтированных на CCA 402, или обеспечения теплового соединения с CCA 402 через радиатор 295, плата снабжена специальным ребром 422.
Наконец, понятно, что слой заземления (фиг.2, 3, 5A, 5B, 6A и 6B), проходит практически по всему диаметру (D) МПП 402. В определенных областях слой заземления вытравлен для предотвращения нежелательного закорачивания различных токопроводящих дорожек, штырьковых выводов электрических компонентов и/или переходных отверстий на землю. Вообще, размер вытравленных областей делают минимально возможным, чтобы предотвратить нежеланное просачивание ЭМП и/или диффузию влаги через слой заземления.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что МПП 402 может быть придана любая требуемая форма. В описываемом примере осуществления рассматривается МПП практически круглой формы, однако она может иметь квадратную, эллиптическую, треугольную или любую другую требуемую форму. В любом случае слой заземления проходит практически по всей площади МПП.
На фиг.5A показан разрез участка МПП 402. МПП 402 снабжена слоем 430 заземления, электрически соединенным с проводящим слоем 412 на кромке МПП 402. Первое переходное отверстие 438 проходит от открытой поверхности 428 верхней платы 434 со стороны полевой электропроводки к вытравленной области 436, на которой слой 430 заземления был удален. Второе переходное отверстие 440, смещенное по отношению к первому переходному отверстию 438, проходит от вытравленной области 436 к открытой поверхности 426 нижней платы 432 со стороны датчика. В первом переходном отверстии 438 осажден проводящий слой 442, а во втором переходном отверстии 440 осажден проводящий слой 444. Соединительная линия 446 замыкает электрическую схему между первым и вторым переходными отверстиями 438 и 440. Таким образом, схемный элемент 448 может быть электрически соединен со схемным элементом 452 через электрически соединенные переходные отверстия 438 и 440 без образования прямого пути для прохождения загрязняющих веществ со стороны полевой электропроводки через МПП 402 к датчику 456 и гибкой схеме 458. Эту специальную конструкцию можно назвать конструкцией со слепым или смещенным переходным отверстием.
Обычно для создания электрического контакта без закорачивания переходного отверстия на землю слой 430 заземления вытравливают непосредственно рядом с переходными отверстиями 438 и 440 и соединительной линией 446. Проводящую монтажную площадку 466 формируют на открытой поверхности 428 со стороны полевой электропроводки и соединяют с проводящим слоем 442 в переходном отверстии 438 с помощью токопроводящей дорожки 472 и контактной площадки 437 для переходного отверстия. Схемный элемент 448 крепят к монтажной площадке 466 с помощью паяного соединения 470. Точно также проводящую монтажную площадку 468 формируют на открытой поверхности 426 со стороны датчика для монтажа электрического компонента 452 с помощью паяного соединения 474. Проводящую монтажную площадку 468 соединяют с проводящим слоем 444 в переходном отверстии 440 с помощью токопроводящей дорожки 476 и контактной площадки 443 для переходного отверстия. Несмотря на то, что вытравленная область 436 создает другой дефект в клетке Фарадея, ограничение вытравленной области 436 площадью в непосредственной близости от переходных отверстий и соединительной линии позволяет сделать просачивание ЭМП через вытравленную область 436 незначительным.
На фиг.5B представлена вытравленная область 436 слоя 430 заземления на участке 460 МПП 402. Первое переходное отверстие 438, в котором осажден проводящий слой 442, проходит в толще платы к вытравленной области 436, на которой слой 430 заземления 430 был удален. Соединительная линия 446 соединяет контактную площадку 439, электрически соединенную с проводящим слоем 442 в первом переходном отверстии 438, с контактной площадкой 441 для переходного отверстия, электрически соединенной с проводящим слоем 444 во втором переходном отверстии 440. Первое переходное отверстие 438 и второе переходное отверстие 440 смещены одно относительно другого для предотвращения образования прямого пути для прохождения влаги и загрязняющих веществ через печатную плату.
Обычно, размер вытравленной области 436 делают минимально возможным и в предпочтительном варианте равен величине, достаточной только для размещения соединительной линии 446 и двух переходных отверстий 438 и 440 без закорачивания элементов на землю. В предпочтительном варианте вытравленная область имеет максимальный линейной размер около 10 миллиметров или менее, чтобы ограничить количество ЭМП и влаги, которые могут диффундировать через вытравленную область 436.
Таким образом, слой 430 заземления 430 служит как экраном ЭМП, так и экраном для защиты от влаги или воздействия окружающей среды. В частности, слой заземления создает путь для прохождения ЭМП в корпус, а корпус передатчика создает путь для прохождения ЭМП на землю, экранируя электронные схемы под печатной платой 270 внутри корпуса от ЭМП. Кроме того, проводящий слой, покрывающий кромку печатной платы, предотвращает капиллярное распространение влаги в печатной плате, а слой заземления создает диффузионный барьер для влаги, так что даже в случае, если влага так или иначе обходит проводящий слой и проникает в верхний слой соединительной платы, то слой заземления задерживает эту влагу и препятствует ее прохождению по всему пути через соединительную CCA 270 к электронным схемам, размещенным ниже.
На фиг.6A представлен разрез участка МПП 402 согласно примеру осуществления настоящего изобретения, где переходное отверстие 482 проходит через МПП 402 по прямой. МПП 402 снабжена слоем 430 заземления, электрически соединенным с проводящим слоем 412 на кромке МПП 402. Переходное отверстие 482 проходит от открытой поверхности 428 верхней платы 434 со стороны полевой электропроводки к вытравленной области 436, на которой слой 430 заземления был удален, и к открытой поверхности нижней платы 432 со стороны датчика. Переходное отверстие 482 содержит первую контактную площадку 437 для переходного отверстия на поверхности 428 и вторую контактную площадку 443 для переходного отверстия на поверхности 426 и в этом сквозном отверстии осажден проводящий слой 442. Проводящий слой 442 электрически соединен через контактную площадку 437 с контактной площадкой 443. Для защиты от воздействий окружающей среды переходное отверстие 482 заполнено припоем 480.
Обычно для создания электрического контакта без закорачивания переходного отверстия 482 на землю слой 430 заземления вытравливают непосредственно рядом с переходным отверстием 482. Электропроводящую монтажную площадку 466 формируют на открытой поверхности 428 со стороны полевой электропроводки и соединяют с электропроводящим слоем 442 с помощью токопроводящей дорожки 472 и контактной площадки 437 для переходного отверстия. Схемный элемент 448 крепят к монтажной площадке 466 с помощью паяного соединения 470. Точно также проводящую монтажную площадку 468 формируют на открытой поверхности 426 со стороны датчика для монтажа электрического компонента 452 с помощью паяного соединения 474. Проводящую монтажную площадку 468 соединяют с проводящим слоем 442 с помощью токопроводящей дорожки 476 и контактной площадки 443 для переходного отверстия. Несмотря на то, что вытравленная область 436 создает другой дефект в клетке Фарадея, ограничение вытравленной области 436 площадью в непосредственной близости от переходного отверстия 482 позволяет сделать просачивание ЭМП через МПП 402 незначительным.
На фиг.6B представлена вытравленная область 436 слоя 430 заземления на участке 460 МПП 402. Переходное отверстие 482, в котором осажден проводящий слой 442, проходит через всю толщу платы и через вытравленную область 436, на которой слой 430 заземления 430 был удален. Размер вытравленной области 436 делают минимально возможным и в предпочтительном варианте доводят до величины, достаточной только для размещения переходного отверстия 482 без закорачивания проводящего слоя 442 на землю. Контактная площадка 443 для переходного отверстия показана пунктиром, так как контактные площадки 437 и 443 для переходных отверстий сформированы на открытых поверхностях 426 и 428 платы для переходного отверстия 438. В случае смещения переходных отверстий, как показано на фиг.5B, контактные площадки для переходных отверстий могут быть выполнены как на вытравленной области 436 слоя 430 заземления, так и на открытых поверхностях 426 и 428. Как правило, контактные площадки 437 (фиг.6А) и 443 для переходных отверстий немного больше по размеру, чем переходное отверстие 482 (фиг.6В) и выполнены коаксиально этому отверстию (а контактные площадки 439 и 441 для переходных отверстий на фиг.5B немного больше по размеру, чем переходное отверстие 440 и выполнены коаксиально этому отверстию 440).
Понятно, что переходные отверстия в типичном случае соединяются с электрическими компонентами с помощью соединительных линий и контактных площадок. Отверстия, имеющие размер, требуемый для размещения электрических проводов или штырьковых выводов электрических компонентов, могут быть больше по размеру или их размер может варьироваться. Однако отверстия всех размеров в печатной плате покрыты проводящим слоем как для предотвращения капиллярного распространения влаги в слои печатной платы, так и для создания электрического канала, обеспечивающего межсоединения электрических элементом через плату. В зависимости от конкретной реализации и/или типа контакта, отверстия могут располагаться со смещением (случай "слепых" отверстий) или проходить через плату по прямой, как описано выше относительно переходных отверстий.
Используемый в данном описании термин "сквозной электрический контакт" относится к электрическому контакту или токопроводящей дорожке, проходящей через толщу платы. В предпочтительном варианте сквозной электрический контакт предназначен для обеспечения электропроводности через токопроводящие каналы или переходные отверстия в печатной плате, но не допускает прохождения нежелательной влаги и других загрязняющих веществ через плату. Сквозной электрический контакт может быть выполнен путем использования структуры со "слепым переходным отверстием" (фиг.5B) или структуры с прямым переходным отверстием типа (фиг.6B).
Поскольку электрические сигналы переносятся в сборку по полевой электропроводке и передаются через CCA 270, то передача сигнала через CCA 270 к экранированным электронным схемам может осуществляться с одновременной фильтрацией ЭМП скрытым слоем 430 заземления и задержкой веществ, загрязняющих окружающую среду, с помощью CCA 270. Таким образом, слой 430 заземления служит как экраном ЭМП, так и экраном для защиты от влаги или экологическим диффузионным барьером. В частности, слой заземления создает канал для прохождения ЭМП к корпусу, а корпус электронного прибора создает канал для прохождения ЭМП к земле и экранирует электронные схемы под печатной платой внутри корпуса от ЭМП. Кроме того, проводящий слой, покрывающий кромку платы, предотвращает капиллярное распространение влаги в печатную плату, а слой заземления создает диффузионный барьер для влаги, так что даже в случае, если влага так или иначе обходит проводящий слой и проникает в верхний слой соединительной платы, то слой заземления задерживает эту влагу и препятствует ее прохождению по всему пути через соединительную CCA 270 к электронным схемам, размещенным ниже.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что CCA, являющаяся предметом настоящего изобретения, может быть изготовлена с использованием стандартных технологий МПП. Также следует понимать, что слой заземления, скрытый в толще CCA, являющейся предметом настоящего изобретения, должен быть достаточно толстым, чтобы экранировать электронные схемы датчика от электромагнитных помех. В зависимости от частоты помех толщина слоя заземления должна быть подобрана так, чтобы обеспечить достижение требуемого скин-эффекта. "Скин-эффект" заключается в таком распределении высокочастотного электрического тока в толще твердотельного проводника, что плотность тока вблизи поверхности проводника больше, чем в его сердцевине. Для использования принципа клетки Фарадея слой заземления должен быть достаточно толстым, чтобы обеспечить диффузию высокочастотных ЭМП в корпус и их заземление и, следовательно, изоляцию электронных схем датчика и других электрических схем от нежелательных электромагнитных и радиопомех.
В результате покрытия обрезанных кромок и отверстий платы проводящим материалом и увеличения площади покрытия слоя заземления до максимального значения, при котором непокрытой остается лишь очень небольшая часть площади платы, CCA, являющаяся предметом настоящего изобретения, служит как экраном ЭМП, так и экраном для защиты от воздействий окружающей среды. Это позволяет использовать структуры электронных приборов с единственным отверстием для доступа как к выводам полевой электропроводки, так и к выводам локального интерфейса оператора (LOI) или ЖК дисплея (LCD) и только одной крышкой, обеспечивая при этом защиту чувствительных электронных схем внутри корпуса. Кроме того, при наличии только одной крышки электронный прибор имеет более компактные размеры и более "линейный коэффициент" формы.
Выше настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные примеры осуществления, однако специалистам в данной области очевидно, в него могут быть внесены изменения по форме и в деталях, не выходящие за пределы существа и объема изобретения.
1. Полевой промышленный прибор для эксплуатации в жестких условиях, содержащий корпус с электропроводящими стенками, окружающими полость, имеющую открытый конец; электронный модуль на печатных платах, предназначенный для размещения внутри этой полости; и печатную плату в сборе, предназначенную для электрического соединения с электронным модулем и содержащую многослойную печатную плату со сквозными электрическими контактами и скрытым слоем заземления, электрически соединенным с корпусом для экранирования электронного модуля от электромагнитных помех и обеспечения защиты электронного модуля от воздействий окружающей среды.
2. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что печатная плата в сборе дополнительно содержит проводящий слой, размещенный на кромках печатной платы и предназначенный для предотвращения проникновения влаги через кромки многослойной печатной платы.
3. Промышленный прибор по п.2, отличающийся тем, что проводящий слой электрически соединен со скрытым слоем заземления, при этом печатная плата в сборе имеет размер, обеспечивающий контакт проводящих стенок корпуса с кромками для электрического соединения скрытого слоя заземления с корпусом.
4. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит съемную наружную крышку, предназначенную для крепления с возможностью съема на корпусе над его открытым концом.
5. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит фильтры для подавления радиопомех, соединенные с печатной платой в сборе для защиты электронного модуля на печатных платах от наводок по цепям питания.
6. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что печатная плата в сборе содержит две или более печатные платы, скрытый слой заземления, размещенный между этими двумя или более печатными платами; и проводящий периферийный слой, размещенный по кромкам этих двух или более печатных плат и слоя заземления.
7. Промышленный прибор по п.6, отличающийся тем, что две или более печатные платы выполнены из изоляционного материала и снабжены переходными отверстиями и металлическими токопроводящими дорожками, сформированными на их поверхностях для обеспечения электрических межсоединениий.
8. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что слой заземления содержит проводящий слой, проходящий практически по всему диаметру печатной платы в сборе.
9. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит уплотнение, размещенное между печатной платой в сборе и электропроводящими стенками корпуса.
10. Промышленный прибор по п.9, отличающийся тем, что уплотнение содержит электроизолирующее уплотнение, предназначенное для электрической изоляции печатной платы в сборе от корпуса.
11. Промышленный прибор по п.9, отличающийся тем, что уплотнение содержит электропроводящее уплотнение, предназначенное для электрического соединения скрытого слоя заземления с корпусом.
12. Промышленный прибор по п.9, отличающийся тем, что уплотнение и печатная плата в сборе формируют герметичное соединение с корпусом для обеспечения защиты электронного модуля на печатных платах от воздействий окружающей среды.
13. Промышленный прибор по п.4, отличающийся тем, что наружная крышка является проводящей, а слой заземления делит корпус на две клетки Фарадея, достаточные для изоляции электронных схем внутри корпуса от электромагнитных помех.
14. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит отверстие под электропроводку на участке корпуса, имеющее размер, требуемый для прокладки полевой электропроводки, для соединения прибора с системой управления технологическим процессом или монитором.
15. Промышленный прибор по п.14, отличающийся тем, что полевая электропроводка электрически соединена с печатной платой в сборе.
16. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что электронный модуль на печатных платах содержит датчик параметра технологического процесса, предназначенный для мониторинга (текущего контроля) технологического процесса; и электрическую схему, соединенную с датчиком параметра технологического процесса.
17. Промышленный прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит активируемый переключатель, размещенный в верхней части корпуса и электрически соединенный с печатной платой в сборе для коррекции параметра схемы технологического процесса.
18. Печатная плата в сборе для полевого защищенного промышленного прибора, содержащая многослойную печатную плату со сквозными электрическими контактами, имеющую размер, требуемый для размещения внутри полости корпуса прибора, слой заземления, скрытый в толще печатной платы и проходящий практически по всей площади многослойной печатной платы, электрически соединенный с корпусом прибора для экранирования электронных схем внутри корпуса прибора от электромагнитных помех и обеспечения защиты этих электронных схем от воздействий окружающей среды.
19. Печатная плата по п.18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электрические контактные площадки, размещенные по меньшей мере на одной открытой поверхности многослойной печатной платы, имеющие размер, требуемый для соединения с электронными компонентами.
20. Печатная плата в сборе по п.18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит проводящий слой, размещенный на кромках многослойной печатной платы и предназначенный для предотвращения проникновения влаги через кромки многослойной печатной платы.
21. Печатная плата по п.20, отличающаяся тем, что проводящий слой электрически соединен со скрытым слоем заземления и корпусом прибора.
22. Печатная плата по п.18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит переходное отверстие, сформированное в многослойной печатной плате и проходящее в толще многослойной печатной платы по меньшей мере через один слой, причем это отверстие ограничивает отверстие со стенками, покрытыми проводящим слоем.
23. Печатная плата по п.22, отличающаяся тем, что переходное отверстие заполнено влагостойким материалом.
24. Печатная плата по п.18, отличающаяся тем, что слой заземления содержит проводящий слой, электрически соединенный с заземлением через корпус прибора.
25. Передатчик для использования в технологическом процессе, содержащий корпус с электропроводящими стенками, окружающими полость, имеющую открытый конец, электронный модуль, предназначенный для размещения внутри этой полости; и печатную плату в сборе, предназначенную для электрического соединения с электронным модулем и содержащую многослойную печатную плату со сквозными электрическими контактами и скрытым слоем заземления, соединенным с корпусом для экранирования электронного модуля на печатных платах от электромагнитных помех и обеспечения защиты электронного модуля на печатных платах от воздействий окружающей среды.
26. Передатчик по п.25, отличающийся тем, что дополнительно содержит съемную наружную крышку, предназначенную для крепления на корпусе над его открытым концом.
27. Передатчик по п.25, отличающийся тем, что дополнительно содержит фильтры для подавления радиопомех, соединенные с печатной платой в сборе для защиты электронного модуля от наводок по цепям питания.
28. Передатчик по п.25, отличающийся тем, что многослойная печатная плата содержит две или более печатные платы, скрытый слой заземления, размещенный между этими двумя или более печатными платами, и проводящий слой кромки, размещенный на кромках двух или более печатных плат и слоя заземления.
29. Передатчик по п.28, отличающийся тем, что две или более печатные платы выполнены из изоляционного материала и снабжены переходными отверстиями и металлическими токопроводящими дорожками, сформированными на их поверхностях для обеспечения электрических межсоединениий.
30. Передатчик по п.25, отличающийся тем, что слой заземления содержит проводящий слой, проходящий практически по всему диаметру печатной платы в сборе.
