FI126956B - Menetelmä ja mitta-anturi lämpötilan mittaamiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä ja mitta-anturi lämpötilan mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä lämpötilan mittaamiseksi, jossa menetelmässä mitta-anturin mittaelementti sovitetaan mitattavan prosessin kanssa lämpökosketukseen ja jossa mittaelementiltä saatava mittasignaali johdetaan mittaelementtiin yhdistettyjen mittajohdinten avulla eteenpäin. Keksinnön kohteena on myös mitta-anturi lämpötilan mittaamiseksi. Lämpötilan tarkkaan mittaamiseen prosessiteollisuudessa käytetään esimerkiksi puolijohde- termopari- tai vastusanturia chip-muodossa.

Tunnetussa tekniikassa käytetyt anturitekniikat perustuvat usein nk. paksukalvotekniikalle, jossa aktiivinen elementti on valmistettu metalloimalla elementti keraamista materiaalia olevan levyn pinnalle kemiallisesti, höyrystä-mällä tai sputteroimalla.

Tunnetuissa ratkaisuissa mitattavan pinnan ja itse mittaelementin välissä on näin ollen keraamista materiaalia, joka on tavallisesti mitoiltaan luokkaa noin 2,5 x 2,0 mm ja paksuus noin 0,7 mm. Mittaelementtiin on liitetty mittajohtimet, joiden halkaisija on tyypillisesti noin 0,2 mm.

Aiemmin tunnetun tekniikan mukaisten ratkaisujen ongelmana on lämmön siirtäminen mahdollisimman pienellä lämpötilaerolla itse mittausele-menttiin alumiinioksidikerroksen läpi. Tunnetun tekniikan mukaisten ratkaisujen ongelmana on edelleen ollut liitäntäjohdinten kautta tapahtuva lämmön siirtyminen pois mittauselementistä, jonka estäminen on muodostunut ongelmalliseksi. Liitäntäjohdinten on oltava suhteellisen paksut suhteessa chipin pinta-alaan. Liitäntäjohdinten halkaisijaa ei voida käytännön liitettävyyden takia juuri pienentää. Myös johdinvastus mittauselementin kohdalla alkaa kasvaa häiritsevästi jos liitäntäjohdinten halkaisijaa pienennetään liiallisesti.

Aiemmin tunnetusta tekniikasta tunnetaan myös ratkaisuja joissa antureita on valmistettu palavastuksen muotoon. Tällaisissa ratkaisuissa keraamista materiaalia olevan palan päätyihin on metalloitu juotoskohtiot, joiden kautta mittausviesti siirretään eteenpäin.

Kummassakin edellä mainitussa tunnetun tekniikan mukaisessa konstruktiossa lämmönhukka mittaelementiltä aiheuttaa merkittävää mittausvirhettä kun lämpötilaero mitattavan prosessin lämpötilan ja ympäristön lämpötilan välillä kasvaa.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä ja mitta-anturi, joiden avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat pystytään eliminoimaan. Tähän on päästy keksinnön mukaisen menetelmän ja mitta-anturin avulla. Keksinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että mittaelementin läheisyyteen sovitetaan välineet, joiden avulla muodostetaan liitäntäalueet, jotka sovitetaan olemaan esteettä lämpökosketuksessa mitattavan prosessin kanssa ja että mittajohtimet yhdistetään mittaelementtiin liitäntäalueiden kautta. Keksinnön mukainen mitta-anturi on puolestaan tunnettu siitä, että mitta-anturi käsittää välineet, jotka on sovitettu muodostamaan liitäntäalueet mittaelementin läheisyyteen, jotka liitäntäalueet on tarkoitettu olemaan mittaustilanteessa esteettä lämpökosketuksissa mitattavan prosessin kanssa ja että mittajohtimet on yhdistetty mittaelementtiin liitäntäalueiden kautta.

Keksinnön etuna on se, että keksinnössä luodaan olosuhteet, joissa liitäntäalueiden lämpötila on sama kuin mitattava lämpötila, jolloin lämpötila-gradienttia ei synny. Myös mittaustarkkuus keksinnön mukaista ratkaisua käytettäessä paranee huomattavasti aiemmin tunnetun tekniikan mukaisiin ratkaisuihin verrattuna. Vaikutus myös reagointiaikaan on merkittävä verrattuna tunnettuun tekniikkaan.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkemmin oheisessa piirustuksessa kuvattujen sovellutusesimerkkien avulla, jolloin kuvio 1 esittää esimerkkiä tunnetun tekniikan mukaisesta ratkaisusta, kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun perusperiaatetta, kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun ensimmäistä sovellu-tusmuotoa, kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun toista sovellutusmuo-toa, kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun kolmatta sovellutus- muotoa, kuvio 6 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun neljättä sovellutus- muotoa, kuviot 7 ja 8 esittävät keksinnön mukaisen ratkaisun viidettä sovellu-tusmuotoa sivulta nähtynä periaatekuvantona ja perspektiivikuvantona, kuvio 9 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun kuudetta sovellutus- muotoa, kuvio 10 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun seitsemättä sovellu-tusmuotoa ja kuvio 11 esittää keksinnön mukaisen ratkaisun kahdeksatta sovellu-tusmuotoa.

Kuviossa 1 on esitetty tyypillinen aiemmin tunnetun tekniikan mukainen anturiratkaisu. Viitenumeron 1 avulla on merkitty mittaelementti. Mitta-elementti voi olla mikä tahansa sinänsä tunnettu elementti, esimerkiksi Pt1000 vastuselementti.

Viitenumeron 2 avulla on merkitty mittajohtimet.

Kuvion 1 mukainen ratkaisu ja sen toiminta on täysin tavanomaista tekniikkaa alan ammattihenkilölle, joten ko. seikkoja ei esitetä tarkemmin tässä yhteydessä.

Kuvion 1 mukaisella tunnettua tekniikkaa kuvaavalla esimerkkirat-kaisulla on kaikki ne epäkohdat, johon on viitattu edellä tunnettua tekniikkaa kuvaavan tekstiosan yhteydessä.

Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukaisen ratkaisun perusperiaate. Kuviossa 2 on vastaavissa kohdissa käytetty samoja viitenumerolta kuin kuviossa 1.

Keksinnön perusajatuksen mukaisesti mittaelementin 1 läheisyyteen sovitetaan välineet 3. Välineiden 3 avulla muodostetaan liitäntäalueet, jotka sovitetaan olemaan esteettä lämpökosketuksessa mitattavan prosessin 4 kanssa. Mittajohtimet 2 yhdistetään mittaelementtiin 1 liitäntäalueiden kautta. Yhteys liitäntäalueilta mittaelementtiin 1 on esitetty kuviossa 2 periaatteellisesti viitenumeron 5 avulla.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa luodaan olosuhteet, joissa itse mittaelementin 1 läheisyyteen muodostetaan liitäntäalueet välineiden 3 avulla. Välineiden 3 muodostamien liitäntäalueiden pinta-alat ovat suuremmat kuin mittaelementin pinta-ala, joka on lämpökosketuksessa mitattavaan prosessiin 4. Tällöin mittaelementin 1 ja liitäntäalueiden välillä ei ole lämpötilaeroa, joten haitallista lämpötilagradienttia ei pääse syntymään.

Edellä kuvatun ratkaisun avulla aikaansaadaan myös mittatarkkuudeltaan ja reagointiajaltaan parempi ratkaisu kuin aiemmin tunnetun tekniikan mukaiset ratkaisut.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen ratkaisun ensimmäinen sovellutusmuoto. Kuviossa 3 on käytetty vastaavissa kohdissa samoja viitenumerolta kuin kuviossa 2.

Kuvion 3 mukaisessa sovellutusmuodossa mittaelementti 1 ja liitäntäalueet muodostavat välineet 3 on sovitettu prosessin 4 kanssa kosketuksiin sovitettavan ikkunan 6 pinnalle. Viitenumeron 7 avulla on merkitty prosessiput-ki.

Kuvion 3 mukainen sovellutus on tarkoitettu esimerkiksi aggressiivisten kemikaalien mittaamiseen. Mittaelementti 1 ja välineet 3, jotka muodostavat liitäntäalueet on sovitettu ikkunan pinnalle kuviossa 2 esitetyn periaatteen mukaisesti. Ikkuna voi olla esimerkiksi mineraalimateriaa tai muovimateriaalia oleva ikkuna. Esimerkkinä sopivista materiaaleista voidaan mainita safiiri. Tällaisen ratkaisun etuna on se, että ratkaisun avulla on mahdollista mitata prosessista lämpötiloja tarkasti ja nopeasti ilman metalliosia.

Edellä esitetyn ratkaisun yhteydessä voidaan myös käyttää erikois-metallista valmistettua kalvoa. Esimerkkeinä erikoismetallista voidaan mainita kulta tai platina. Välineet 3, jotka muodostavat liitäntäalueet, voidaan liimata, metal-loida jne. ikkunan 6 pintaan. Voidaan myös käyttää ns. flex-johtimia ym. vastaavia komponentteja. Mittaelementti voidaan liittää edellä mainitulla tavalla muodostettuihin liitäntäalueisiin johdoin, pintaliitoksella tai bondaamalla.

Keksinnön mukainen mitta-anturi voidaan toteuttaa myös niin, että mittaelementti on sovitettu prosessiin 4 ulottuvaksi sovitettavan runkorakenteen 8 sisään. Tällaisia sovellutuksia on esitetty kuvioissa 4 ja 5.

Kuvioiden 4 ja 5 sovellutusmuodoissa mittaelementti 1 ja liitäntäalueet muodostavat välineet 3 on sovitettu runkorakenteen 8 pohjaan.

Kuvioiden 4 ja 5 sovellutusten yhteydessä runkorakenne valmistetaan edullisesti hyvin lämpöä johtavasta ja sähköä eristävästä materiaalista. Liitäntäalueet ja mittaelementin asennusalue on metalloitu. Mittaelementin 1 pohja on myös metalloitu ja mittaelementti on kiinnitetty esimerkiksi juottamalla alustaansa. Mittaelementin liittäminen voidaan toteuttaa samoin kuin on esitetty edellä kuvion 3 yhteydessä. Välineinä 3, joiden avulla muodostetaan liitäntäalueet, voidaan käyttää myös flex-johtimia. Tällaisessa sovellutuksessa mittaelementti 1 on asennettu esimerkiksi probemaisen putken sisään. Liitäntäalueet ja mittajohtimet on toteutettu flex-johtimella, joka on saatettu lämpökontaktiin lämpöäjohtavan probeputken sisäpintaan. Rakenne voidaan toteuttaa myös niin, että aikaansaadaan anturi, jossa on massiivinen osa, johon mittaelementti 1 on upotettu. Rakenteessa on edelleen holkkimainen osa, johon flex-johtimen avulla muodostetut liitosalueet on sovitettu.

Edellä esitetty sovellutus on esitetty kuvioissa 6, 7 ja 8. Kuviossa 6 on esitetty perusperiaate ja kuvioissa 7 ja 8 eräs sovellutusesimerkki. Kuvioissa 6 - 8 on käytetty vastaavissa kohdissa samoja viitenumerolta kuin kuvioiden 2-5 esimerkeissä.

Kuvioissa 9-11 on esitetty vielä keksinnön erään sovellutusmuo-don kolme erilaista variaatiota. Kuvioissa 9-11 on käytetty vastaavissa kohdissa samoja viitenumerolta kuin kuvioissa 2-8.

Kuvioiden 9-11 sovelluksissa mittaelementti 1 on sovitettu lämpöä johtavalle substraatille 9. Liitäntäalueet muodostavat välineet 3 on muodostettu sähköä johtavan metalloinnin avulla substraatin 9 pinnalle. Lämpöä johtava substraatti 9 voi olla mitä tahansa sopivaa materiaalia, esimerkiksi alumiininit-ridiä (AIN).

Kuvion 9 sovellutuksessa mittaelementti 1 on vastuskuvio, joka on metalloitu substraatille 9.

Kuvion 10 sovellutuksessa mittaelementti 1 on juotettuna substraatille 9.

Kuvion 11 sovellutus on mittaelementin 1 kiinnityksen osalta kuviota 10 vastaava. Kuvion 11 sovellutuksessa mittaelementti 1 on yhdistetty liitäntä-alueisiin bondauslankojen 10 avulla.

Kuvion 10 sovellutuksessa mittaelementti 1 on liitetty liitäntäalueisiin johdinten 11 avulla. Kuvion 9 sovellutuksessa mittaelementti 1 on liitetty liitäntäalueisiin pintaliitosten 12 avulla.

Kuvioiden 9-11 sovellutusmuotoja voidaan käyttää esimerkiksi kuvion 4 mukaisessa sovellutusmuodossa.

Edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä ei ole tarkoitettu mitenkään rajoittamaan keksintöä, vaan keksinnön rakennetta ja rakenteen yksityiskohtia voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa täysin vapaasti.

Claims (9)

1. Menetelmä lämpötilan mittaamiseksi, jossa menetelmässä mitta-anturin mittaelementti (1) sovitetaan mitattavan prosessin (4) kanssa kosketuksiin sovitettavan rakenteen (6, 8) avulla mitattavan prosessin (4) kanssa lämpö-kosketukseen jolloin mittaelementti (1) sovitetaan rakenteen (6, 8) pinnalle ja jossa mittaelementiltä saatava mittasignaali johdetaan mittaelementtiin (1) yhdistettyjen mittajohdinten (2) avulla eteenpäin, tunnettu siitä, että mitta-elementin (1) läheisyyteen, rakenteen (6, 8) pinnalle välimatkan päähän mittaele-mentistä (1) sovitetaan välineet (3), joiden avulla muodostetaan liitäntäalueet, jotka sovitetaan olemaan esteettä lämpökosketuksessa mitattavan prosessin (4) kanssa, että liitäntäalueet pidetään olennaisesti mittatavan prosessin (4) lämpötilassa ja että mittajohtimet (2) yhdistetään mittaelementtiin liitäntäalueiden kautta.

2. Mitta-anturi lämpötilan mittaamiseksi, joka mitta-anturi käsittää mitattavan prosessin (4) kanssa kosketuksiin sovitettavan rakenteen (6, 8) avulla mitattavan prosessin kanssa lämpökosketukseen sovitettavan mittaelementin (1), jolloin mittaelementti (1) on sovitettu rakenteen (6, 8) pinnalle ja mittaelementtiin yhdistetyt mittajohtimet (2) mittasignaalin johtamiseksi eteenpäin, tunnettu siitä, että mitta-anturi käsittää välineet (3), jotka on sovitettu rakenteen (6, 8) pinnalle välimatkan päähän mittaelementistä (1) ja sovitettu muodostamaan liitäntäalueet mittaelementin (1) läheisyyteen, jotka liitäntäalueet on tarkoitettu olemaan mittaustilanteessa esteettä lämpökosketuksissa mitattavan prosessin (4) kanssa, että liitäntäalueet on tarkoitettu olemaan olennaisesti mitattavan prosessin (4) lämpötilassa ja että mittajohtimet (2) on yhdistetty mitta-elementtiin (1) liitäntäalueiden kautta.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että liitäntäalueiden pinta-alat on muodostettu suuremmiksi kuin mittaelementin (1) pinta-ala.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että rakenne (6) on prosessin kanssa kosketuksiin sovitettava ikkuna.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että ikkuna on valmistettu mineraalimateriaalista tai muovimateriaalista.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että rakenne (8) on prosessiin (4) ulottuva runkorakenne.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että mittaelementti (1) ja liitäntäalueet muodostavat välineet on sovitettu runkorakenteen (8) pohjaan.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että mittaelementti (1) on sovitettu putkimaisen runkorakenteen (8) sisään ja että liitäntäalueet muodostavat välineet (3) ja mittajohtimet on muodostettu flex-joh-timen avulla, joka on sovitettu putkimaisen runkorakenteen (8) sisäpintaan.

9. Patenttivaatimuksen 2 mukainen mitta-anturi, tunnettu siitä, että mittaelementti (1) on sovitettu lämpöä johtavalle substraatille (9) ja että liitäntäalueet muodostavat välineet (3) on muodostettu sähköä johtavan metalloinnin avulla substraatin (9) pinnalle. Patentkrav