DE69709132T2

DE69709132T2 - Verfahren zur Schaffung eines Mikro-Thermoelement-Sensors für die Massendurchflussmessung und entsprechende Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE69709132T2
Application number: DE69709132T
Authority: DE
Inventors: Andre Boyer; Alain Giani; Pascal Rudent
Original assignee: Qualiflow S A
Current assignee: Qualiflow S A
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2017-12-31
Also published as: EP0927874B1; DE69709132D1; ATE210819T1; US20020121136A1; US6670582B2; EP0927874A1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Durchflußmessung von Fluiden in einer Leitung.
Das erfindungsgemäße Thermoelement ist bestimmt zum Einbau in einem Massendurchflußmesser, der beispielsweise in einer Kette zur Führung und Regelung eines Kreislaufes von hochreinem Gas angeordnet ist.
Diese Massendurchflußmesser weisen gewöhnlich ein Kapillarrohr für den Durchfluß des Fluids auf, an dem die für den Durchfluß repräsentativen Messungen durchgeführt werden und das parallel zum Hauptkreis des Fluidstroms angeordnet ist.
Dem Fachmann sind bereits zahlreiche Arten von Massendurchflußmessern bekannt. Sie beruhen zumeist auf einer örtlichen Erwärmung des im Kapillarrohr strömenden Fluids und einer Messung der Veränderung des Widerstands von Widerstandselementen in Abhängigkeit von der Temperatur, wobei die Messung repräsentativ für den Fluß von Gas im Rohr und damit für den Durchfluß ist. Die Meßwiderstände sind zumeist einfach um das isolierte Kapillarrohr gewickelt (U.S. Patent 3,938,384).
In dem Patent mit der Bezeichnung "Richtungsempfindlicher Durchflußanzeiger" (EP 0 313 120) gibt Bronkhorst eine Durchflußmeßvorrichtung an, die auf den Gasdurchfluß in zwei zueinander senkrechten Richtungen anspricht, indem auf einem Substrat zwei in orthogonalen Richtungen angeordnete Thermoelemente verwendet werden.
In einer anderen Patentanmeldung "Massenströmungsmesser mit Temperaturmeßsonden" (EP 0 395 126 B1) schlägt Bronkhorst eine Geometrie eines sehr langen U-Rohrs vor, das mit einer Reihe von symmetrisch angeordneten Thermoelementen und einem zentralen Heizwiderstand in zwei Teilen sowie gegebenenfalls mit Peltier-Kühlelementen versehen ist, um die Probleme von Meßfehlern zu begrenzen, die auf einer Luftzirkulation außerhalb des Sensors oder auf Konvektion im Kapillarrohr beruhen.
Zahlreiche andere Patentdokumente oder Artikel in wissenschaftlichen Zeitschriften betreffen Thermoelemente, die zur Integration in Massendurchfluß-Meßvorrichtungen bestimmt sind.
Das japanische Patent Nr. 59105522 beschreibt eine Vorrichtung, welche eine große Meßempfindlichkeit erreichen soll, indem ein Widerstandsfilm auf einem elektrisch isolierenden Film auf der ebenen Fläche eines Kapillarmaterials aus kristallinem Silizium mit rechteckigem Querschnitt gebildet wird, das im Inneren einen Kapillardurchlaß bildet. Ein Kapillarrohr aus Metall für den Durchgang von Gas wird nicht verwendet.
Das Dokument von Barralis und Maeder ""piéces de métallurgie: élaboration, structures, propriétés et normalisation", édition Afnor Nathan, Seiten 70 bis 72, offenbart das Prinzip der Temperung von Stahl in allgemeiner Weise, ohne genauere Angaben noch Vorschlägen einer Verwendung auf dem technischen Gebiet der Erfindung.
Das Patent EP 0 809 090 beschreibt eine Massenduchfluß-Meßvorrichtung, in der ein Kapillarrohr mit elektrisch isolierender Schicht einen Sensor in Form eines Widerstandsfilms von Nickel oder Platin aufnimmt.
Die Erfindung schlägt ein neues Verfahren zur Herstellung des Thermoelements vor. Gemäß einem zweiten Zweck der Erfindung ermöglicht das Verfahren der Herstellung der Vorrichtung eine Herstellung von Thermoelementen mit genau bekannten und reproduzierbaren Eigenschaften.
Zweck der Erfindung ist, ein Verfahren zur Schaffung eines Mikro-Thermoelement-Sensors zum Einbau in einem Massendurchflußmesser für einen Kreislauf von gasförmigen Fluiden, wobei der Sensor auf einem Kapillarrohr aus Metall hergestellt wird.
Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:
- Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf dem Kapillarrohr;
- anschließend auf der genannten Isolierschicht Aufbringen der aktiven Elemente des Thermoelements, aufgeteilt in zwei seitliche Bereiche aus einem gleichen Material, welche eine Mittelzone aus einem anderen Material umgeben;
- dann Erwärmen (Tempern) des Kapillarrohrs;
- Montage eines Heizelements auf dem so behandelten Rohr.
Gemäß einer anderen Ausführung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Bereiche durch Abscheidung von Wismut und der Mittelbereich durch Abscheidung von Antimon hergestellt sind.
Der erfindungsgemäße Mikro-Thermoelement-Sensor weist auf:
- eine Isolierschicht auf dem Kapillarrohr;
- aktive Elemente, die in zwei seitliche Bereiche aufgeteilt sind, auf denen das aktive Element von gleicher Art ist, und einen Mittelbereich, auf dem das aktive Element von anderer Art ist;
- ein Kapillarrohr als Träger der aktiven Elemente, das vor der Montage des Heizelements erwärmt (getempert) wird.
Vorteilhafterweise sind die aktiven Elemente des Thermoelements Wismut für die seitlichen Bereiche und Antimon für den Mittelbereich.
Diese Maßnahmen ermöglichen die Herstellung eines Thermoelements, das auf einem Kapillarrohr abgeschieden ist, mit einer großen Präzision der Herstellung und Endmerkmale des Thermoelements und einer ausgezeichneten Reproduzierbarkeit der Herstellung.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform erhält das Heizelement für das Thermoelement für eine Massendurchfluß-Meßvorrichtung die Form einer Wicklung aus einem Draht aus Nickel- (75%) Chrom- (25%) Legierung mit einem Durchmesser von einigen Dutzend Mikrometern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform erhält das Heizelement die Form einer Hülse aus Kupfer, auf welche die CMS-Widerstände aufgeklebt sind.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform ist das Heizelement auf dem Rohr durch Elektronenkanone abgeschieden, wobei das Material dieses Elements eine Nickel-Chrom- Legierung ist und der auf dem Mittelbereich des Thermoelements abgeschiedene Widerstand weist einen Mittelbereich und an seinen Enden zwei Kontakte auf, und zwei Phasen aufeinanderfolgender Abscheidungen werden mit Masken aus Nickel vorgenommen, die auf die verschiedenen Geometrien des Widerstands und der Kontakte abgestimmt sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht das Heizelement aus dem einen der Materialien des Thermoelements und die Heizwirkung wird durch Joule-Effekt im Wechselstrom erhalten.
Diese Maßnahmen entsprechen verschiedenen Ausführungsformen und ermöglichen nach Bedarf entweder Vorrichtungen zu erhalten, die billiger herzustellen sind oder sehr genaue Vorrichtungen.
Die folgende Beschreibung erläutert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen die Vorteile, Zwecke und Eigenschaften der Erfindung.
Fig. 1 zeigt das Funktionsschema einer Durchfluß-Meßvorrichtung der klassischen Technologie;
Fig. 2 zeigt das Funktionsprinzip des klassischen Durchflußmengen-Sensors;
Fig. 3 ist ein Schema des Aufbaus des erfindungsgemäßen Thermoelements;
Fig. 4 ist eine Abwandlung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Thermoelements;
Fig. 5 ist ein Schema einer anderen Anwandlung des erfindungsgemäßen Thermoelements;
Fig. 6 ist ein Schema einer anderen Abwandlung des erfindungsgemäßen Thermoelements.
Wie für eine klassische Anordnung in Fig. 1 gezeigt ist eine Durchfluß-Meßvorrichtung 1 in einer Leitung eines Gaskreislaufs eingesetzt und weist einen Gaseinlaß 2 und Gasauslaß 23 auf (die Richtung des Gasstroms ist durch die Pfeile angegeben). Der Gaskreislauf weist in der Durchfluß-Meßvorrichtung 1 eine laminare Verengung 4 des Querschnitts des Hauptdurchlasses des Gases und parallel dazu einen Nebendurchlaß (Bypass) 5 auf, durch den ein Teil des Gasflusses in einem Kapillarrohr 6 im Sensor 7 strömt.
Die Durchfluß-Meßvorrichtung 1 weist auch ein Ventil 8 zur Steuerung des Gasflusses 2 auf, das die Durchflußmenge regelt, und einen elektronischen Kreis 9 vom Typ Komparator (P.I.D., d.h. Proportional Integrator Derivator) zwischen einem von außen zugeleiteten Stellwert und der durch den Sensor 7 realisierten Messung. Ein Regelkreis 10 von dem Fachmann bekannter Art dient zur Steuerung der Funktion der Regelung des Betriebs der Durchfluß- Meßvorrichtung 1.
Im Prinzip erhält und erwärmt der Sensor 7 einen kleinen Teil des laminaren Durchflusses:(in vollem Maßstab 103/mn), der dem gesamten Durchfluß proportional ist. Der Massendurchfluß wird bestimmt ausgehend von dem von ihm erzeugten Wärmetransfer: Das Temperaturprofil ohne Strom von Gas 11 längs des Kapillarrohrs 6 des Sensors 7, das über einen Teil seiner Länge erwärmt wird, wird zu einem unsymmetrischen Profil 12 modifiziert, wenn Gas im Kapillarrohr 6 strömt, und dieser Temperaturunterschied ΔT zwischen stromaufwärts 13 und stromabwärts 14 vom Kapillarrohr 6 ist ein Maß für den Massendurchfluß.
Der Massendurchflußmesser in der nicht der Erfindung entsprechenden klassischen Vorrichtung weist, wie Fig. 2 zeigt, zwei Spulen 15, 16 aus Widerstandsdraht auf, welche gleichzeitig zwei Funktionen erfüllen: das Erwärmen und das Messen der Temperatur.
Diese Temperaturmessung wird erhalten, indem man die Veränderung der zwei Widerstände mißt, die in klassischer Weise in einer Wheatstone-Brücke montiert sind. Das Anlegen eines konstanten Stroms zwischen den Klemmen der Widerstände, die von äquivalentem Wert R (bei der gleichen Temperatur) gewählt sind, bewirkt das Erwärmend des Sensorrohrs in zwei benachbarten Bereichen.
In Abwesenheit eines Gasstroms in der Kapillare entspricht die Temperaturverteilung der Kurve 11 in Fig. 2 (die Kurve zeigt die Werte Temperatur in der Ordinate und den Abstand längs des Rohrs in der Abszisse) und ist natürlich symmetrisch bezüglich der Mitte 17 der zwei Spulen 15, 16. Dagegen ist im Fall von Gasstrom im Rohr (Kurve 12) die Temperaturverteilung asymmetrisch, und man beobachtet zwischen zwei vom Zentrum 17 gleich entfernten Punkten 18, 19 der Spulen 15, 16 eine Temperaturdifferenz ΔT, welche sich durch die Messung verschiedener Widerstände für die zwei Widerstandselemente 15, 16 zeigt, R - δR und R + δR.
In einem Sensor mit Thermoelement wird die Montage mit zwei Widerständen in einer Wheatstone-Brücke funktionell ersetzt durch ein Thermoelement, das wie bekannt, zwei verschiedene Materialien aufweist, so daß ein Temperaturunterschied zwischen diesen Materialen das Auftreten eines direkt meßbaren elektrischen Stroms hervorruft, was zu einer einfacheren Montage als das klassische Schema mit zwei Meßwiderständen führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Thermoelement Bi(n)-Sb(p) (Wismut-Antimon) in Dünnschicht-Technologie verwendet. Die thermoelektrische Kraft dieses Elements in der Größenordnung von 120 Mikro V/ºC wird erhalten, indem man die Parameter der Abscheidung optimiert: die Temperatur des Substrats, Geschwindigkeit der Abscheidung, Temperatur (0 bis 100ºC) und Dauer der Nacherhitzung.
Verschiedene Ausführungsformen von Thermoelementen werden in Betracht gezogen. In einer in Fig. 3 genauer gezeigten Ausführungsform besteht die Struktur aus einem Heizelement 20, einem Draht aus Nickel-(75%) und Chrom- (25%) Legierung, der die Besonderheit eines hohen spezifischen Widerstands (1,33 Ohm.mm².m&supmin;¹) und eines geringen Koeffizienten der Veränderung des Widerstands in Abhängigkeit von dem Temperatur (10 ppm/ºC) zeigt (sein Durchmesser beträgt 28 um, und er wird mit einem Strom von 12,5 mA gespeist) und dem Thermoelement Bi(n)-Sb(p) mit zwei seitlichen Bereichen 21, 22 aus Wismut, welche einen Mittelbereich 23 aus Antimon umgeben.
Vor der Abscheidung der aktiven Elemente wird eine nicht dargestellte Isolierschicht aus Zirkon (ZrO&sub2;) auf dem Metallrohr 6 von metallischer Art abgeschieden. Das Zirkon (ZrO&sub2;) ist wegen seiner guten Stabilität und guten dielektrischen Eigenschaften ausgewählt und wird durch Elektronenkanone auf dem Kapillarrohr 6 des Sensors mit einer Dicke von 2,5 um abgeschieden. Das Substrat besteht aus dem Kapillarrohr 6 aus rostfreiem Stahl 316L und wird auf einem nicht im einzelnen dargestellten, jedoch dem Fachmann bekannten Typ von heizendem Träger gehalten. Die Abscheidung der Isolierschicht geschieht durch Zugabe von Sauerstoff in die Abscheidungskammer. Die Parameter der Abscheidung des Zirkons mit Elektronenkanone auf den Kapillarrohren 6 sind somit die folgenden: Ziel: ZrO&sub2;, abgeschiedene Dicke: 2 bis 3 um, Restdruck unter 10&supmin;&sup6; Torr, O&sub2;-Druck: 8·10&sup0;&sup5; Torr, Substrattemperatur: 300ºC, Abscheidungsgeschwindigkeit: 20 bis 40 Angström pro Sekunde.
Die Abscheidungen der Bestandteile aus Wismut 21, 22 und Antimon 23 des Thermoelements werden in einer dem Fachmann bekannten Art typischerweise mit einer Abscheidung mit Elektronenkanone durch Masken aus Nickel bei einem Restdruck unter 106 Torr und mit einer Dicke von einigen um realisiert. Wie Fig. 3 zeigt, überlagern die Wismutabscheidungen 21, 22 die Ränder 24, 25 der Mittealbscheidung 23 aus Antimon (Konfiguration NPN).
Der das Heizelement 20 bildende Widerstandsdraht wird um den Bereich gewickelt der die Abscheidung 23 von Antimon aufweist.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist identisch mit der klassischen Arbeitsweise im Rahmen einer Massendurchfluß-Meßvorrichtung 1 mit Thermoelement für einen Fluidkreislauf.
In einer nicht gezeigten Abwandlung wird stall des Thermoelements Bi(n)-Sb(p) das Thermoelement Bi&sub2;Te&sub3;(n)-Bi&sub2;Te&sub3;(p) (Wismut-Tellurit) in Dünnschicht-Technologie verwendet.
Die erreichte Empfindlichkeit liegt in der Größenordnung 400 MikroV/ºC über einen Temperaturbereich von 0ºC bis 150ºC.
In einer anderen in Fig. 4 gezeigten Abwandlung ist das Heizelement 20 eine Hülse aus Kupfer, auf welche Widerstände 27, 28 vom Typ CMS aufgeklebt sind. Die Kupferhülse dient dazu, die Temperatur über einen Abschnitt des Kapillarrohrs 6 gleichmäßig zu halten.
In noch einer anderen Abwandlung des Aufbaus, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist das Heizelement 20 auf dem Rohr 6 nach einer dem Fachmann bekannten Methode abgeschieden, beispielsweise durch Elektronenkanone oder Magnetron-Zerstäubung. Das Material dieses Elements ist eine Nickel-Chrom-Legierung. Der auf dem Antimonbereich 23 des Thermoelements abgeschiedene Widerstand weist einen Mittelbereich 29 und an seinen Enden zwei Kontakte 30, 31 auf. Im Fall der Abscheidung durch Elektronenkanone sind zwei aufeinanderfolgende Abscheidungsphasen mit Nickelmasken vorgesehen, die den - verschiedenen Geometrien des Mittelbereichs 29 des Widerstands und der Kontakte 30, 31 angepaßt sind.
In einer dritten Ausführungsform des Aufbaus, in Fig. 6 gezeigt, besteht das Heizelement 20 aus einem der Materialien des Thermoelements. Es wird dann durch Joule-Effekt mit Wechselstrom geheizt. Im Verlauf des Betriebs der Massendurchfluß-Meßvorrichtung, wenn das Gas strömt, wird der Temperaturunterschied zwischen den zwei Verbindungsstellen des Thermoelements kontinuierlich dauernd durch ein Mikrovoltmeter 32 mit hoher Eingangsimpedanz bestimmt.
Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht durch die dargestellten Ausführungsformen begrenzt, sondern umfaßt für den Fachmann mögliche Verbesserungen und Abwandlungen.

Claims

1. Verfahren für das Herstellen eines Fühlers (7) mit Mikrothermoelement für den Einbau in einem Massendurchflußmesser (1) für Kreisläufe mit gasförmigen Fluiden, wobei der genannte Fühler auf einem Kapillarröhrchen aus Metall (6) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritten aufweist:

- Aufbringen einer elektrischen Isolierschicht auf dem Kapillarröhrchen;

- anschließend auf der genannten Isolierschicht Aufbringen der aktiven Elemente des Thermoelements, aufgeteilt in zwei seitliche Bereiche (21, 22) aus demselben Material. die einen zentralen Bereich (23) aus einem anderen Material umschließen;

- dann Erhitzen des Kapillarröhrchens (6);

- Montage eines Heizelements (20) auf dem so behandelten Rohr (6).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Bereiche (21, 22) durch das Aufbringen von Wismut und der zentrale Bereich durch das Aufbringen von Antimon hergestellt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der aktiven Elemente (21, 22, 23) des Thermoelements bei einem Restdruck unter 10&supmin;&sup6; Torr und mit einer Dicke von einigen um erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Kapillarröhrchens, das mit den aktiven Elementen des Thermoelements (21, 22, 23) versehen wurde, während einer Stunde durchgeführt wird.

5. Fühler (7) mit Mikrothermoelement hergestellt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Elemente aufweist:

- eine Isolierschicht auf dem Kapillarröhrchen;

- ein Heizelement (20),

- aktive Elemente aufgeteilt in zwei seitliche Bereiche (21, 22), auf denen das aktive Element dasselbe ist und in einen zentralen Bereich (23); auf dem das aktive Element ein anderes ist;

- das die aktiven Elemente tragende Kapillarröhrchen, das vor der Montage des Heizelements (20) erhitzt wird.

6. Fühler mit Mikrothermoelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente des Thermoelements auf den seitlichen Bereichen (22) aus Wismut und im zentralen Bereich aus Antimon sind.

7. Fühler mit Mikrothermoelement nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) für den Fühler (7) eine Wicklung aus einem Draht aus der Legierung Nickel (75%) und Chrom (25%) mit einem Durchmesser von einigen Zehn um auf dem mittleren Bereich (23) der aktiven Elemente des Thermoelements ist.

8. Fühler mit Mikrothermoelement nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Überschiebrohr aus Kupfer (26) ist, auf das die CMS- Widerstände (27, 28) geklebt sind, wobei sich das genannte Überschiebrohr im mittleren Bereich befindet.

9. Fühler mit Mikrothermoelement nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) aus einem der Materialien des Thermoelements besteht und dadurch, daß die Heizwirkung durch Joule-Effekt bei Wechselstrom erzielt wird.

10. Fühler mit Mikrothermoelement nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) eine Legierung aus Nickel und Chrom ist, die im zentralen Bereich (23) des Thermoelements aufgebracht ist, mit einem zentralen Berich (29) und zwei Kontakten (30, 31) an den Enden.