NL7905356A

NL7905356A - Richtingsgevoelige stroomsnelheidsmeter en opneemplaat ten gebruike daarin.

Info

Publication number: NL7905356A
Application number: NL7905356A
Authority: NL
Original assignee: Brooks Instr Bv
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1979-07-09
Publication date: 1981-01-13
Also published as: FR2468912B1; FR2468912A1; CA1146771A; JPS5710459A; NL177629B; DE3025720A1; US4373386A; GB2053491A; NL177629C

Description

> Λ * VO 7968 - 1 -

Brooks Instrument B.V. Uitvinders: VESUEMDAAL. Johan Hendrik Huijsing.

Jacob Petrus ochuddemat

Richtingsgevoelige stroomsnelheidsmeter en opneemplaat ten gebruike daarin.

De uitvinding heeft betrekking op een richtingsgevoelige strooa-snelheidsmeter voor een gas of een vloeistof, omvattende een opneemplaat met een sensorgedeelte en met organen voor het opwekken van warmte, en elektronische middelen voor het verwerken van door het sen-5 sorgedeelte geleverde elektrische signalen. De uitvinding heeft tevens betrekking cp een opneemplaat ten gebruike in een dergelijke stroomsnelheidsmeter .

Een dergelijke stroomsnelheidsmeter is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7609696. De bekende stroomsnelheidsmeter bevat als 10 opneemplaat een chip waarop het sensorgedeelte en een signaal verwerkend gedeelte zijn geïntegreerd. Het sensorgedeelte bestaat daarbij uit twee of meer temperatuurgevoelige transistoren, waarvan, in de meetrichting gezien, er tenminste een zich aan de voorkant en tenminste één zich aan de achterkant van de chip bevindt. Wanneer de chip 15 wordt verwarmd zal het stromende· medium, dat eerst de transistor(en) aan de vóórkant van de chip ontmoet, bij het langs de chip stromen worden verwarmd en er op zijn beurt de oorzaak van zijn dat de transis-tor(en) aan de achterkant van de chip een hogere temperatuur krijgt of krijgen dan de voorste transistor(en). Dit geeft aanleiding tot 20 een verschil in uitgangssignaal van de voorste en de achterste transistor (en). Dit verschil in uitgangssignaal is een indicatie voor de stroomsnelheid.

Hoewel met de bekende meter zeer bevredigende resultaten worden bereikt doet zich daarbij soms toch een probleem voor.

25 De meettransistoren vertonen, zoals alle transistoren een driftver-schijnsel, dat wil zeggen dat na verloop van tijd het bij een bepaald temperatuurverschil tussen voor·en achterzijde van de chip door de temperatuur-gevcelige transistoren afgegeven uitgangssignaal in geringe mate gewijzigd is. Weliswaar is het verschijnsel zodanig dat 20 slechts zeer geringe temperatuurverschillen, in de orde van honderd- 790 5 3 56 4 - 2 - ' \ sten van graden, in het geding lijken te zijn, maar hij stroomsnel-heidsmetingen in langzaam, stromende media kan een dergelijke afwijk«. king reeds in de orde van grootte van de meting zelf liggen. Nu is het uiteraard mogelijk de meter op gezette tijden te herijken, ten-5 einde voor de driftverschijnselen te corrigeren, maar in een aantal gevallen, hijvoorbeeld in de chemische procestechnologie, is het ongewenst om een eenmaal geïnstalleerde meter na enige tijd weer voor herijken te demonteren.

Doel van. de uitvinding nu is een oplossing voor het gesigna-10 leerde probleem te bieden door het verschaffen van een stroomsnel-heidsmeter waarin zich geen driftverschijnselen in de tijd in het sen-sorgedeelte voordoen of waarin althans dergelijke driftverschijnselen in het sensorgedeelte geen merkbare invloed hebben.

Het gestelde doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een 15 stroomsnelheidsmeter waarin het sensorgedeelte bestaat uit tenminste een Seebeckrdetector. Een Seebeck-detector is een detector waarin gebruik wordt gemaakt van het zogenaamde Seebeck-verschijnsel. Dit verschijnsel houdt, zoals bekend mag worden verondersteld, in dat indien een geleidende strook aan de respectievelijke uiteinden elektrisch 20 wordt verbonden met twee stroken van een ander geleidend materiaal en de verbindingsplaatsen op onderling verschillende temperaturen worden gehouden er in de stroken een elektromotorische kracht wordt opgewekt. Aan de uiteinden van de twee stroken van ander materiaal kan een klein spanningsverschil worden geconstateerd. Omgekeerd kan uit de aanwe-25 zigheid van een bepaald spanningsverschil tot een bepaald· temperatuurverschil worden geconcludeerd. In de stromingsmeter volgens de uitvinding nu wordt een opneemplaat met een Seebeck-element in de fluidum-stroom geplaatst. Het ene uiteinde van de Seebeck-sensor bevindt zich daarbij aan die zijde van de opneemplaat waar de fluidumstroom bij de o 30 plaat aankomt. Het andere uiteinde bevindt zich stroomafwaarts aan de andere zijde van de plaat. Tussen beide zijden van de plaat bevindt zich het verwarmingselement. Wanneer nu het verwarmingselement of de verwarmingselementen werkt of werken zal de plaat worden verwarmd ten opzichte van het medium. Het stromende medium dat eerst het ene uit-35 einde van de Seebeck-detector aan de voorkant van de opneemplaat 790 5 3 56 ♦ - 3 - ontmoet zal de vóórkant van de opneemplaat koelen en zal zelf bij het langs de plaat stromen worden verwarmd. Wanneer de stroom daarna hij het andere uiteinde van de Seebeck-detector aan de achterkant van de opneemplaat aankomt zal dit andere uiteinde door de verwarmde medium-5 stroom minder worden gekoeld dan het voorste uiteinde, zodat de temperatuur van het achterste deel hoger zal zijn dan van het voorste deel van de plaat. Tussen de uiteinden van de detector kan aldus een spanningsverschil. worden gemeten.

De grootte van dit spanningsverschil nu is een maat voor de stroom-10 snelheid van het medium.

Een voordeel van het toepassen van een Seeheck-detector als sensor is dat een dergelijke detector in wezen een passieve component is. Er vindt geen stroomdoorgang plaats, slechts wordt een spanning aan, de uitgang gemeten. Driftverschijnselen in de tijd doen zich dan 15 ook niet in merkbare mate voor.

De opneemplaat die in de stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding wordt toegepast kan op geschikte wijze een geïntegreerd ketenplaatje omvatten met tenminste een Seebeck-detector en een of meer verwarmingselementen. Bij voorkeur bevat de geïntegreerde keten daar-20 bij tevens delen van de middelen voor het' verwerken van de door de Seebeck-detector of detectoren geleverde signalen.

Bij een andere uitvoeringsvorm van de opneemplaat voor de stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding omvat deze een plaatje van een keramisch materiaal; waarop tenminste een Seebeck-detector is ge-25 monteerd en waarop of waarin voorts een of meer verwarmingselementen zijn voorzien. In dat geval is sprake van een zogenaamde hybride.

In het geval van een uit een geïntegreerde keten bestaande opneemplaat kan bijvoorbeeld een plaatje van silicium worden toegepast.

De Seebeck-detector in een dergelijk halfgeleiderplaatje kan bijvoor-30 beeld bestaan uit een N-type gedoteerde baan in het plaatje en een elektrisch daarvan gescheiden P-type gedoteerde baan op enige afstand naast de N-type baan, waarbij contactlaagjes van bijvoorbeeld aluminium op de uiteinden van de respectieve banen zijn aangebrachr. De metaal haifgeleiderovergangen vormen de bij temperatuurverschil een 35 kleine spanning leverende overgangen van de Seebeck-detector. De /90 5 3 56 '- V- * i spanning tussen de metaalcontacten aan de uiteinden van de N-type taan is tegengesteld aan die aan dezelfde uiteinden van de P-type baan, zodat wanneer een paar naast elkaar gelegen uiteinden van de N-type baan en van de P-type baan door een contactiaagje wordt verbonden, 5 het spanningsverschil tussen- de metaallaagjes van de metaal-halfge-leiderovergangen aan de andere uiteinden de som zal zijn van de spanningsverschillen voor iedere baan. afzonderlijk.

Het zal duidelijk zijn dat in plaats van het verwarmen van de mediiMstroom die over de opneemplaat beweegt ook een afkoelen daar-10 van kan worden toegepast. Ook in dat geval zal er een temperatuurverschil tussen de beide uiteinden van de Seebeck-detector bestaan, zodat een spanningsverschil kan worden gemeten, welk spanningsverschil weer een maat is voor de stroomsnelheid.

Het verwarmen van de over de opneemplaat bewegende mediumstroom 15 kan op verschillende wijzen geschieden.

Een mogelijkheid is het verwarmen met behulp van straling van buitenaf. Op geschikte wijze evenwel kan de opneemplaat een weerstand of vermogenstransistor omvatten via welke de gewenste energie kan worden toegevo“erd voor het ontwikkelen van warmte. Als de opneemplaat een 20 geïntegreerd ketenplaatje omvat kan de weerstand of vermogenstransistor daarin geïntegreerd zijn. Ook is het mogelijk dat de in het ketenplaatje geïntegreerde componenten van de schakeling voor verdere verwerking van de signalen dienst doen als warmtebron. Bij toepassing van een zogenaamde hybride kunnen weerstanden op het dan bij voorbeeld ge-25 bruikte keramische plaatje zijn aangebracht.

Bij de stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding wordt" de stroomsnelheid bepaald uit het verschil in temperatuur tussen voorzijde en achterzijde van de opneemplaat, welk verschil in temperatuur wordt vastgesteld met behulp van een Seebeck-detector of -detectoren.

30 Indien de stromingsrichting wordt omgekeerd, keert het signaal van de Seebeck-detector van teken om. De Seebeck-detector verschaft derhalve ook informatie met betrekking tot de stromingsrichting. In feite levert de Seebeck-detector gegevens over de stromingscomponent evenwijdig aan de lijn tussen de contactplaatsen van de detector. Door twee 35 opneemplaten toe te passen waarvan de Seebeck-detectoren in een plat 790 5 3 56 % - 5 - vlak onderling onder een hoek staan (hij voorkeur van 90°) kan de stromingsrichting in dat vlak nauwkeurig worden vastgesteld.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: 5 fig. 1 een schematische weergave in bovenaanzicht is van een uitvoeringsvorm van een opneemplaat voor een stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding; fig. 2 een weergave in doorsnede is door de opneemplaat volgens fig. 1, genomen langs de lijn II-II; 10 fig. 3 een soortgelijke weergave is, genomen langs de lijn III- III, en fig. een schema weergeeft van een uitvoeringsvorm van de stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding.

In fig. 1 is een uitvoeringsvorm van een opneemplaat voor een 15 stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding schematisch weergegeven.

De opneemplaat heeft in deze uitvoeringsvorm de vorm van een halfge-leiderplaatje 1 bijvoorbeeld van silicium waarin een Seebeck-detector is geïntegreerd. De Seebeck-detector omvat in wezen twee stroken half-geleidermateriaal met onderling tegengesteld geleidingstype in het 20 halfgeleiderplaatje. Sen eerste strook 2 is bijvoorbeeld ïl-type en de op geringe afstand daarnaast gelegen strook 3 is bijvoorbeeld P-type.

De stroken kunnen bijvoorbeeld worden verkregen door middel van geschikte masker- en diffusiebewerkingen van het halfgeleiderplaatje 1.

De stroken zijn aan een uiteinde met elkaar verbonden door middel van 25 een contactlaag U van een geschikt metaal, bijvoorbeeld aluminium.

Op de andere uiteinden van de stroken 2 en 3 zijn contactlagen 6, respektievelijk 5 aangebracht, die uit hetzelfde metaal bestaan als de laag U. De contactlagen 5 en 6 grenzen niet aan elkaar, hetgeen duidelijk blijkt uit fig. 2, die een doorsnede langs de lijn II-II 30 door het plaatje volgens fig. 1 weergeeft. Op het plaatje 1, waarin de stroken 2 en 3 zijn gevormd, bevindt zich een isolatielaag 7, bijvoorbeeld van siliciumdioxyde. In de isolatielaag 7 zijn boven de stroken 2 en 3 vensters 8, respektievelijk $ aangebracht. Door de vensters 8 en 9 reiken de respectievelijke contactlagen 6 en 5 naar 35 de stroken 2 respektievelijk 3. De contactlagen 5 en 6 worden van 790 53 56 - β - elkaar gescheiden door een deel van de isolerende en passiverende laag 7. In fig. 3 is een doorsnede weergegeven langs de lijn III-III door het plaatje van fig. 1. In de isolerende laag 7 zijn hoven het uiteinde van de stroken 2 en 3 vensters 10 aangehracht waardoor die 5 uiteinden bloot liggen. In de vensters en over het daartussen gelegen . deel van de isolerende laag 7 is de contactlaag U aangebracht.

Indien de temperatuur van het halfgeleiderplaatje 1 ter plaatse van het ene uiteinde van de stroken 2 en 3 verschilt van de temperatuur ter plaatse van de tegenovergestelde uiteinden, bestaat er een 10 gering spanningsverschil tussen de contactlagen 1+ en 6 en tussen de contactlagen U en 5, tengevolge van het Seebeck-effect. Het spanningsverschil tussen de contactlagen U en 5 heeft een tegengesteld teken aan dat tussen de lagen ^ en'6. Tussen de contactlagen 5· en 6 kan derhalve een spanningsverschil worden gemeten gelijk aan de som van de 15 verschillen tussen de eerdergenoemde paren contactlagen. Dit spanningsverschil nu is een maat voor het temperatuurverschil.

In het plaatje 1 zijn voorts verhittingselementen geïntegreerd die schematisch zijn aangegeven door de blokjes 11 en 12. Dergelijke elementen kunnen, bijvoorbeeld in het plaktje geïntegreerde weerstanden 20 zijn. De plaats van de elementen 11 en 12 is niet essentieel, zolang zij zich maar ergens tussen voor en achterkant van het plaatje 1 bevinden. Wanneer nu in bedrijf een mediumstroom over het plaatje wordt geleid, bijvoorbeeld in een richting evenwijdig aan de stroken 2 en 3 van de zijde, van de contactlagen 5 en 6 naar de zijde van de contact-25 laag U, zal indien in de elementen 11 en 12 warmte wordt ontwikkeld, deze warmte zich door het plaatje verspreiden. Door het medium wordt het plaatje aan de voorzijde gekoeld. Het medium warmt daardoor iets op en kan derhalve de zijde van het plaatje stroomafwaarts van de elementen 11 en 12 minder goed koelen. Die zijde van het plaatje 1 en o '*t 30 in het bijzonder de uiteinden van de stroken 2 en 3 ter plaatse van de contactlaag k krijgen daardoor een hogere temperatuur dan de voorzijde van het pl'aatje 1 en de uiteinden van de stroken 2 en 3 ter plaatse van de contactlagen 6, respektievelijk 5· Het temperatuurverschil is afhankelijk van de aard en de temperatuur van het stromende medium, 35 de hoeveelheid in de elementen 11 en 12 ontwikkelde warmte, of wel de 790 5 3 56

V

- 7 - temperatuur van het plaatje 1 en van de stroomsnelheid van het medium.

De eerste twee grootheden kunnen -worden vastgesteld, waarna de laatste kan worden "berekend. Een en ander kan geheel automatisch met "behulp van geschikte elektronica en meetsensoren worden gerealiseerd.

5 De temperatuur van het plaatje kan worden vastgesteld met een afzonderlijke in het plaatje te integreren temperatuursensor. Indien evenwel de elementen 11 en 12 de vorm hehben van temperatuur afhankelijke transistoren dan kunnen de elementen 11 en 12 dienen als temperatuur-sensor.

10 Opgemerkt wordt nog dat ook het aan de verwarmingslementen 11 en 12 toegevoerde vermogen reeds een maat is voor de stroomsnelheid van het medium. Richtingsgevoeligheid is daarbij evenwel geheel afwezig.

Een schema van een uitvoeringsvorm van de stroomsnelheidsmeter volgens de uitvinding is in fig. k weergegeven. De opneemplaat 13 15 heeft bijvoorbeeld de vorm zoals weergegeven in fig. 1, 2 en 3 en bevat een Seebeck-detector. Daarnaast bevat de opneemplaat bij voorkeur nog een temperatuurmeter om de temperatuur die de opneemplaat op een gegeven moment heeft vast te stellen. De informatie met betrekking tot de temperatuur van de opneemplaat wordt doorgegeven aan de rege-20 laar 1k. Deze regelaar 1k ontvangt tevens gegevens betreffende-de temperatuur van het stromende medium van de temperatuursensor 15, die in de mediumstroom is cpgesteld. Het is gewenst het temperatuurverschil tussen opneemplaat met Seebeck-detector en fluïdum constant te houden. Bij variërend temperatuurverschil zal bij een bepaalde fluï-25 dumsnelheid de door de Seebeck-detector verschafte meetwaarde ook variëren. Weliswaar kan hiervoor worden gecorrigeerd en kunnen met behulp van geschikte elektronica ook uit dergelijle meetwaarden in verband met de andere gemeten grootheden de juiste gevolgtrekkingen worden gemaakt, maar eenvoudiger is het het temperatuurverschil constant 30 te houden. De regelaar 1k nu zorgt daarvoor. Uit de temperatuurgege-vens die aan de regelaar ik worden verstrekt wordt door de regelaar ik vastgesteld of meer of minder warmte door de elementen van de op-nesmplaat 13 moet worden ontwikkeld. Een verbinding tussen de regelaar Ik en de verwarmingselementen is schematisch aangegeven door de pijl 35 16. De regelaar 1k is een voor het beoogde doel geschikt instrument, 790 5 3 56 •φ - 8 - bijvoorbeeld een zogenaamde proportioneel/differentieel regelaar. De deskundige zal aan. de hand van het bovenstaande kunnen vaststellen hoe de regelaar dient te zijn opgebouwd.

Wanneer het temperatuurverschil tussen medium en opneemplaat 5 op de bovenaangegeven wijze constant wordt gehouden is het signaal van de op de. opneemplaat aanwezige Seebeck-detector of Seebeck-detec-toren reeds direkt een maat voor de stroomsnelheid van het medium.

Dit signaal dat deze stromingsinformatie bevat wordt toegevoerd aan de gelijkstroomversterker 17 met lage drift. Het uitgangssignaal van 10 deze-versterker'wordt voor verdere verwerking af genomen aan de aansluiting 18.

Bij toepassing van een geïntegreerd ketenplaatje als opneemplaat in de in figuur 4 schematisch weergegeven inrichting kan deze opneemplaat nog gedeelten bevatten van de regelaar 1U en van de ver-15 sterker 17, welke gedeelten in het plaatje zijn geïntegreerd.

Met behulp van de aan de hand van figuur U beschreven inrich-ting kan continu, de waarde van de stroomsnelheid van een medium worden vastgesteld aan de hand van de continu te meten uitgangssignalen van de Seebeck-detector. Hodig is in dat geval de temperatuurmeter 15» 20 die de temperatuur van het medium meet en aan de regelaar 1U doorgeeft zich buiten de opneemplaat 13 bevindt. Het is evenwel ook mogelijk dat de temperatuurmeter in de opneemplaat is geïntegreerd. In dat geval wordt afwisselend de temperatuur van het medium gemeten en de stromingssnelheid vastgesteld. Op het moment dat de mediumtemperatuur 25 wordt gemeten zullen dan de verwarmingselementen die het plaatje dienen te verwarmen, niet mogen werken en zal het plaatje de temperatuur van het medium hebben. In de elektronische verwerking van de -signalen dienen bij een dergelijke uitvoeringsvorm voorzieningen te worden getroffen zodat gedurende de tijd. dat de temperatuurgegevens of de stro-30 mingsgegevens niet direkt kunnen worden afgelezen, deze langs elektronische weg beschikbaar worden gehouden, bij voorbeeld met behulp van een zogenaamde "sample and hold" schakeling. De elektronische onderdelen kunnen hierbij, evenals bij de uitvoeringsvorm met afzonderlijke temperatuurmeter, bijvoorbeeld door een microprocessor worden 35 bestuurd. Een meetcyclus voor een stromingsmeting verloopt bij de 790 5 3 56 - 9 - variant met temperatuurmeter 15 geïntegreerd in het plaatje 13 "bij voorbeeld als volgt: Eerst wordt met uitgeschakelde verwarmingselementen de temperatuur van het stromende medium vastgesteld. De tempera-tuurgegevens worden in een elektronisch geheugen opgeslagen. Vervol-5 gens wordt de temperatuur van de opneemplaat tot een bepaald aantal graden boven de mediumtemperatuur gebracht met behulp van de door de regelaar bestuurde verwarmingselemeneten. Met behulp van de Seebeek-detector wordt het door de mediumstroom veroorzaakte temperatuurverschil tussen voor- en achterzijde van de opneemplaat vastgesteld en 10 aan de hand daarvan de stroomsnelheid van het medium, bepaald. De verkregen gegevens worden opgeslagen in een elektronisch geheugen en de verwarmingselementen worden uitgesehakeld. De opneemplaat koelt vervolgens af tot de mediumtemperatuur waarna de cylcus kan worden herhaald.

15 De warmtecapaciteit van een geïntegreerd ketenplaatje is dermate gering dat het afkoelen zeer snel plaatsvindt: Een hele meetcyclus

Van daarom plaatsvinden binnen een onderdeel van een seconde.

790 5 3 56

Claims

1. Richtingsgevoelige stroomsnelheidsmeter voor een gas of een •vloeistof, omvattende een opneemplaat met een sensorgedeelte en met · organen voor het opwekken van warmte, en elektronische middelen voor 5 het verwerken van door het sensorgedeelte geleverde elektrische sig- t nalen, met het kenmerk dat het sensorgedeelte bestaat uit tenminste een Seebeck-detector.

2. Opneemplaat ten gebruike in de stroomsnelheidsmeter volgens conclusie 1, gekenmerkt door een geïntegreerd ketenplaatje met ten- 10 minste een Seebeck-detector en een of meer verwarmingselementen.

3. Opneemplaat volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de Seebeck-detector in wezen bestaat uit twee op geringe afstand van elkaar gelegen stroken van het plaatje met onderling tegengesteld type geleidingsvermogen, van welke stroken de uiteinden aan een zijde 15 zijn verbonden door een metalen contactlaag en van welke stroken de uiteinden aan de tegenover gelegen zijde zijn voorzien van afzonderlijke contactlagen. k. Opneemplaat volgens conclusies 2-3s met het kenmerk dat de geïntegreerde keten tevens delen van de middelen voor het verwerken 20 van de door de Seebeck-detector(en) geleverde signalen bevat.

5. Opneemplaat ten gebruike in de stroomsnelheidsmeter volgens conclusie. 1, gekenmerkt door een plaatje van een keramisch materiaal, waarop tenminste een Seebeck-detector is gemonteerd en waarop of waarin voorts een of meer verwarmingselementen zijn voorzien. 790 5 3 56 ’<