DE3907198A1 - Vorrichtung mit einer, eine metallische schicht aufweisenden traegerfolie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit mindestens einer Trägerfolie, auf der eine metallische Schicht in Form einer Leiterbahn aufgebracht ist, über die ein Strom fließt, der in der Leiterbahn Verlustwärme erzeugt, die zumindest in einem Teil der Leiterbahn vom Wert einer zu messenden Größe abhängt.

Zur Messung des Füllstands von aggressiven und explosionsge­ fährdeten Medien, z. B. Benzin, werden unter anderem Geber verwendet, die aus einer Dünnschicht-Folie (Kapton) mit ge­ sputterter Metallisierung, z. B. Kupfer, bestehen. Zum Schutz vor Korrosion und mechanischer Verletzung wird die metallisierte Schicht mit Hilfe einer zweiten Kaptonfolie verkapselt. Die metalli­ sierte Schicht wird von einem definierten Strom für eine festge­ legte Zeit durchflossen. Der Strom erhitzt die Schicht und die Folie auf eine Temperatur, die vom Füllstand der Flüssigkeit abhängt. Von der Temperatur der Schicht hängt wiederum der Wert des Widerstands ab, der demnach ein Maß für die Füll­ standshöhe ist und bei konstantem Strom durch Messung der an der Schicht abfallenden Spannung aus dem Quotienten von Span­ nung und Strom bestimmt werden kann. Danach wird der Strom für eine definierte Zeit wieder abgeschaltet, wobei sich die Sonde wieder abkühlt. Dieser Ablauf wird von einer elektronischen Einrichtung mit einem Leistungsteil für die Stromregelung gesteu­ ert (elektrothermisches Meßprinzip).

Aufgrund eines technischen Defekts in der elektronischen Ein­ richtung kann es vorkommen, daß sich der Strom nach der vor­ gegebenen Zeit nicht mehr abschalten läßt. Infolgedessen könnte sich die metallische Schicht und die Folie allmählich unerwünscht hoch aufheizen, wodurch die metallische Schicht und die Folie im explosionsgefährdeten Bereich durchbrennen können. Die Einfü­ gung einer Feinsicherung in den Stromkreis bietet keinen Schutz, weil diese nur auf Überstrom reagiert. Außerdem sind Feinsiche­ rungen in der hier notwendigen engen Toleranz nicht verfügbar. Darüber hinaus ist eine Anpassung an die zu schützende Dünn­ schicht kaum möglich.

Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzu­ entwickeln, daß der Strom die Leiterbahn nach Ablauf einer bestimmten Zeit an einer wählbaren Stelle unterbricht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lei­ terbahn zumindest einen Abschnitt aufweist, dessen Querschnitt gegenüber den anderen Abschnitten der Leiterbahn vermindert ist. Querschnitt und Länge des Abschnitts richten sich nach der Größe, um die die im Abschnitt erzeugte Verlustwärme über der in einem gleichlangen anderen Abschnitt der Leiterbahn erzeugten Verlustwärme liegen muß, damit der Abschnitt vor der Gefähr­ dung der übrigen Abschnitte und der Trägerfolie durch zu hohe Temperaturen durchbrennen kann. Dabei ist die Schmelztempera­ tur bzw. Glühtemperatur des verwendeten Metalls von Bedeutung. Der im Querschnitt reduzierte Abschnitt stellt eine "Soll-Durch­ brennstelle" dar, die an einer Stelle außerhalb der Gefahrenzone vorgesehen werden kann.

Vorzugsweise ist die Stärke der Schicht der Leiterbahn auf der Trägerfolie an allen Stellen gleich, wobei der im Querschnitt verminderte Abschnitt eine geringere Breite hat als die anderen Abschnitte der Leiterbahn. Bei dieser Ausführungsform kann die "Soll-Durchbrennstelle" gemeinsam mit den anderen Teilen der Leiterbahn im gleichen Arbeitsgang hergestellt werden. Dadurch wird gewährleistet, daß die Schwankungstoleranzen an allen Stellen der Leiterbahn gleich sind. Es fallen auch keine zusätz­ lichen Kosten oder Mehraufwand bei der Fertigung der Schicht an, weil die "Soll-Durchbrennstelle" bereits im Folien-Layout enthalten ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der im Querschnitt verminderte Abschnitt nahe an einer der Kontaktierungsstellen in der Leiterbahn auf der Trägerfolie angeordnet. Die Kontak­ tierungsstellen und die an diese angrenzenden Leiterbahnbereiche befinden sich vorzugsweise außerhalb explosionsgefährdeter Zonen, so daß ein Durchbrennen der Leiterbahn an ihrem Ab­ schnitt mit vermindertem Querschnitt keine Gefahr darstellt. zweckmäßigerweise ist der im Querschnitt verminderte Abschnitt mit den Kontaktierungsstellen in einem Raum angeordnet, der gegenüber dem Raum, in dem sich für Messungen bestimmte Abschnitte befinden, abgedichtet ist. Der Raum kann z.B. im Inneren eines Flanschgehäuses liegen, mit dem die Trägerfolie an einer Wand eines Tanks befestigt wird, in den die Trägerfolie eingeführt ist, um z.B. den Füllstand zu erfassen.

Der "Soll-Durchbrennabschnitt" kann als rechteckige Leiterbahn mit vermindertem Querschnitt ausgebildet sein. Falls der "Soll- Durchbrennabschnitt" auf der Folie kompakter angeordnet werden soll, ist auch eine mäanderförmige, zickzackförmige oder wellen­ förmige Ausbildung des entsprechenden Leiterbahnabschnitts möglich.

Die Verminderung des Querschnitts des Abschnitts gegenüber demjenigen der anderen Abschnitte, der den kleinsten Querschnitt hat, beträgt mindestens 10% vorzugsweise etwa 50%.

Vorzugsweise wird die oben beschriebene Vorrichtung bei einem elektrothermischen Füllstandssensor eingesetzt. Eine Anwendung ist jedoch bei allen Sensoren möglich, die eine Dünnschicht-Folie mit metallischer Schicht enthalten und bei denen ein Schutz vor zu hoher Erhitzung der metallischen Schicht und der Folie benö­ tigt wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen elektrothermischen Füllstandssensor mit einer Dünnschicht-Folie in Seitenansicht,

Fig. 2 ein quaderförmiges Element einer dünnen Metallschicht auf einer Trägerfolie,

Fig. 3a, b einen Teil einer Leiterbahn auf einer Dünnschicht-Folie mit an die Meßbedingungen angepaßtem Querschnitt und einen Teil einer Leiterbahn auf der Dünnschicht-Folie mit redu­ ziertem Querschnitt,

Fig. 4 einen Teil einer Leiterbahn auf einer Trägerfolie von oben.

Eine Vorrichtung zum elektrothermischen Erfassen der Höhe des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter (1) enthält eine Dünnschicht-Trägerfolie (2), die an einer Wand des Behälters (1) befestigt ist. Die Trägerfolie (2) besteht z.B. aus Kapton. Auf der Trägerfolie (2) befindet sich eine dünne Metallschicht, die z. B. durch Sputtern auf der Trägerfolie (2) abgeschieden worden ist. Die dünne Metallschicht, die z. B. aus Kupfer besteht, bildet eine Leiterbahn (3) für einen elektrischen Strom. Die Leiterbahn (3) hat an allen Stellen auf der Trägerfolie (2) die gleiche Stärke und erstreckt sich U-förmig zwischen zwei, am oberen Ende der Trägerfolie (2) angeordneten Kontaktierungsstellen (4, 5). Im Verlauf der Leiterbahn (2) sind mehrere Abschnitte vorhanden, deren Enden in der zeichnung gestrichelt angedeutet sind und die sich zumindest im Querschnitt voneinander unterscheiden. An die Kontaktierungsstelle (4) schließt sich ein erster Abschnitt (6) von gleicher Breite wie die Kontaktierungsstelle (4) an. Der Abschnitt (6) erstreckt sich bis zu einem zweiten Abschnitt (7), der eine "Soll-Durchbrennstelle" bildet und unten noch eingehender erläu­ tert wird. Auf den zweiten Abschnitt (7) folgt ein dritter Ab­ schnitt (8), der hinter dem Abschnitt (7) die gleiche Breite wie der Abschnitt (6) hat und sich gegen einen vierten Abschnitt (9) hin verjüngt, bei dem es sich um den aktiven Teil einer Meßsonde zur Füllstandshöhenerfaßung handelt. Der Abschnitt (9) erstreckt sich senkrecht im Behälter (1) und hat an allen Stellen die gleiche Breite. Nahe am unteren Rand der Trägerfolie (2) schließt sich an den Abschnitt (9) ein fünfter Abschnitt (10) an, der die Verbindung zwischen dem Abschnitt (9) und der Kontaktierungs­ stelle (5) herstellt und zum größten Teil parallel zum Abschnitt (9) und zu den Abschnitten (6 und 8) verläuft. Die auf der Trägerfolie (2) angeordnete Metallschicht ist durch eine weitere Kaptonschicht, die nicht näher dargestellt ist, vor Korrosion und Einwirkungen durch den Inhalt des Behälters geschützt.

Die Kontaktierungsstellen (4, 5) sind je über Drähte (11, 12) mit einer elektronischen Einrichtung (13) verbunden, die ein nicht dargestelltes Leistungsteil enthält, das einen konstanten Strom erzeugt, der in die Leitungen (11, 12) eingespeist wird und über die Leiterbahn (3) fließt.

Der Abschnitt (9) ist so bemessen, daß ein bestimmter elek­ trischer Widerstand vorhanden ist, der sich durch die vom Strom erzeugte Verlustwärme mit der Temperatur ändert. Die Tempera­ tur hängt von der Wärmeabfuhr, d. h. von der Eintauchtiefe des Abschnitts (9) in eine Flüssigkeit (14) im Behälter (2) ab. Es besteht also ein Zusammenhang zwischen dem Stromflußabhängigen Widerstand des Abschnitts (9) und der Höhe des Flüssigkeitsni­ veaus. Dieser Zusammenhang ist durch die Geometrie des Ab­ schnitts (9), die Höhe des Stroms und die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit sowie des Gases oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gegeben. Durch Messung des Widerstands kann daher die Füll­ standshöhe bestimmt werden. Die Leitungen (11, 12) und die Abschnitte (6, 7, 8 und 10) sind so bemessen, daß ihr Einfluß auf das Meßergebnis gegenüber dem Einfluß des Abschnitts (9) gering bzw. vernachlässigbar ist.

Die Fig. 2 zeigt ein quaderförmiges Element (15) als Ausschnitt aus einer Leiterbahn, die als dünne Schicht auf eine Trägerfolie aufgebracht ist. Das Element (15) hat die Stärke d. Die Länge und die Breite des Elements sind gleich und mit a bezeichnet. Die Breite des Elements (15) entspricht der Breite einer quadra­ tischen bzw. rechteckigen Leiterbahn. Der elektrische Widerstand des Elements (15) ergibt sich aus folgender Beziehung:

R = ϕ/d,

wobei mit ϕ der spezifische Widerstand bezeichnet ist. Der Widerstand R wird auch als Quadratwiderstand bezeichnet.

Der Quadratwiderstand wird bei konstanter Schicht dicker also in erster Linie durch den spezifischen Widerstand des verwendeten Materials bestimmt. Eine dünne Schicht kann als aus in Reihe geschalteten Quadraten angesehen werden, wie dies in Fig. 3a bei einem rechteckigen Abschnitt einer Leiterbahn dargestellt ist.

Auf der Basis des Quadratwiderstands R wird dann der Wider­ stand der in Draufsicht rechteckigen dünnen Metallschicht be­ stimmt, in dem der Quadratwiderstand mit der Zahl der Quadrate multipliziert wird, die aneinander gereiht das jeweilige Rechteck ergeben. In Fig. 3a ist eine rechteckige Leiterbahn (16) aus fünf Elementen (15) dargestellt.

Fließt ein Strom durch die Leiterbahn (16), dann wird eine dem Produkt aus dem Widerstand und dem Quadrat des Stroms ent­ sprechende Leistung in Wärme umgesetzt.

Für die Messung des Flüssigkeitsniveaus im Behälter (1) ist es notwendig, daß der Strom über die Leiterbahn (3) nach einer festgelegten Zeit unterbrochen wird. Versagt die Unterbrechung, z. B. infolge eines Defekts in der Einrichtung (13) dann kann durch eine ständige Wärmeerzeugung in einer nicht geschützten Leiterbahn die Temperatur in dieser unzulässig hoch ansteigen wodurch die Leiterbahn und oder die Trägerfolie eventuell zer­ stört werden. Darüber hinaus können durch die hohen Tempera­ turen weitere Gefahren, z. B. bei brennbaren Flüssigkeiten, hervorgerufen werden.

Die Gefahren werden bei der oben beschriebenen Vorrichtung durch den Abschnitt (7) beseitigt, der einen kleineren Quer­ schnitt als die anderen Abschnitte (6, 8, 9 und 10) der Leiter­ bahn (3) hat. Aufgrund des geringeren Querschnitts ist die im Abschnitt (7) erzeugte Verlustwärme pro Einheit der Länge grö­ ßer als in den Abschnitten (6, 8, 9 und 10). Die Fig. 3b zeigt einen rechteckigen Abschnitt (17), der aneinandergereihte, von oben quadratische Elemente (18) aufweist, die kleiner sind als die Elemente (15). Deshalb ist die pro Flächeneinheit erzeugte Wärme­ menge höher als in anderen Abschnitten der Leiterbahn, wenn ein gleich großer Strom über die Leiterbahnen (16, 17) fließt. Die Temperatur des Abschnitts (7) bzw. der Leiterbahn (17) über­ steigt daher die Temperaturen der Abschnitte (6, 8, 9, 10) bzw. der Leiterbahn (16), wodurch der Abschnitt (7) bzw. die Leiter­ bahn (17) durchbrennen, bevor die Abschnitte (6, 8, 9, 10) bzw. die Leiterbahn (17) zerstört werden. Die Querschnittsverminde­ rung des Abschnittes (7) gegenüber dem Abschnitt (9), d.h. demjenigen Abschnitt, der den kleinsten Querschnitt der Ab­ schnitte (6, 8, 10) hat, beträgt mindestens 10%, insbesondere aber etwa 50%.

Der Abschnitt (7) befindet sich nahe an der Kontaktierungsstelle (4) und zusammen mit dieser in einer Zone, die bei einer brenn­ baren Flüssigkeit (14) im Behälter (1) nicht von der Flüssigkeit (14) oder deren Dämpfen erreicht wird. Das Durchbrennen des Abschnitts (7) löst daher keine kritischen Zustände aus, schützt aber den Behälter (1) und die Flüssigkeit (14). Die Abschnitte (6, 7, 8) und die Kontaktierungsstellen (4, 5) sind zweckmäßiger­ weise im einem Gehäuse (21) angeordnet, das gegen das Innere des Behälters (1) abgedichtet ist, in dem sich z.B. eine leicht verdunstende Flüssigkeit befindet, die mit Luft ein explosives Gemisch bildet. insbesondere ist das Gehäuse (21) ein Aufsatz mit einem Flansch zur Befestigung des Endes der Meßeinrichtung am Behälter (1), in den der die Abschnitte (9, 3) und teilweise (2) tragende Folienteil ragt.

Der Abschnitt (7) kann, wie in Fig. 1 dargestellt, eine mäan­ derförmige Leiterbahn (19) enthalten, um den Raumbedarf in senkrechter Richtung der Trägerfolie (2) zu vermindern. Es ist auch möglich, die Leiterbahn des Abschnitts (7) wellenförmig oder zickzackförmig auszubilden. Auch eine rechteckige Leiterbahn (20), die in Fig. 4 dargestellt ist, kann verwendet werden.

Durch Normierung der Kennlinie wird der Einfluß des Abschnitts (7) auf die Messung berücksichtigt. Das Meßergebnis wird dann nachher durch den Abschnitt (7) nicht beeinträchtigt. Der Ab­ schnitt (7) bzw. die Leiterbahnen (18, 19 oder 20) erhitzen sich in der Mitte wegen der Wärmeableitung an den Übergängen an den benachbarten Abschnitten am stärksten, so daß die Zerstörung dieser Leiterbahnen im wesentlichen in der Mitte, also an einer genau bestimmten Stelle, eintritt. Die Leiterbahnen (17, 19, 20) bilden somit "Dünnschichtsicherungen" die allerdings nicht aus­ tauschbar sind. Bei einem ansprechen einer derartigen "Dünn­ schichtsicherung" muß die gesamte Dünnschicht-Folie ersetzt werden.

Die oben beschriebene Vorrichtung hat noch folgende Vorteile: Die Herstellung einer Foliensonde mit einer "Dünnschichtsiche­ rung" erfolgt im gleichen Arbeitsgang. Dadurch wird immer gewährleistet, daß die Schwankungstoleranzen auf der gesamten Folie gleich sind.

Es fallen keine zusätzlichen Kosten oder Mehraufwand bei der Herstellung an, weil die "Dünnschichtsicherung" schon im Folien- Layout enthalten ist.

Diese "Dünnschichtsicherung" wird zweckmäßigerweise bei elektro­ thermischen Vorratsgebern eingesetzt. Sie läßt sich jedoch auf alle Sensoren übertragen, in deren Aufbau eine Dünnschicht vorkommt und deren Einsatzgebiet eine zusätzliche Schutzvorrich­ tung notwendig macht.

Claims (8)

1. Vorrichtung mit mindestens einer Trägerfolie, auf der eine metallische Schicht in Form einer Leiterbahn aufgebracht ist, über die ein Strom fließt, der in der Leiterbahn Verlustwär­ me erzeugt, die zumindest in einem Teil der Leiterbahn vom Wert einer zu messenden Größe abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (3) zumindest einen Abschnitt (7) auf­ weist, dessen Querschnitt gegenüber den anderen Ab­ schnitten (6, 8, 9, 10) der Leiterbahn (3) vermindert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Schicht der Leiterbahn (3) auf der Trägerfolie (2) an allen Stellen gleich ist und daß der im Querschnitt verminderte Abschnitt (7) eine geringere Breite hat als die anderen Abschnitte (6, 8, 9, 10) der Leiterbahn.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Querschnitt verminderte Abschnitt (7) nahe an einer der Kontaktierungsstellen (4) der Leiterbahn auf der Trägerfolie (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im Querschnitt verminderte Abschnitt (7) mit den Kontaktierungsstellen (4) in einem Raum angeordnet, der gegenüber dem Raum, in dem sich die Abschnitte für die Messung befinden, abgedichtet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (19) des Abschnitts (7) mit vermindertem Querschnitt mäanderförmig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (7) in seinem Querschnitt gegenüber demjenigen anderen Abschnitt, der den kleinsten Querschnitt hat, um mindestens 10% vermindert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung des Querschnitts etwa 50% beträgt.

8. Vorrichnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer elektrothermischen Füllstandsmeß­ sonde.