PL213524B1 - Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium, przeznaczony do wykrywania kierunku i szybkości przepływów gazów i cieczy, w szczególności gazów i cieczy żrących.

Czujnik znany z publikacji M. Gongora- Rubio, L. M. Sola- Laguna, P. J. Moffett, J. J. SantiagoAviles, „The ultimation of low temperature co- fired ceramic (LTCC-ML) technology for mesoscale EMS, a simple thermistor base flow sensor”, Sensors and Actuators A, 73, 1999, 215-221, jest wykonany z dwóch termistorów i jednego rezystora spełniającego rolę grzejnika. Termistory i rezystor nadrukowane są na mostku wiszącym w środku kanału przepływowego. W razie pojawienia się przepływu zmienia się rozkład temperatur na termistorach i na podstawie różnicy temperatur między tymi elementami wyznacza się wartość przepływu.

Sposób pomiaru przepływu znany z publikacji K. Tezuka, M. Mori, T. Suzuki, T. Kanamine, „Ultrasonic pulse-Doppler flow meter application for hydraulic Power plants”, Flow Measurment and Instrumentation, 2008 vol. 19 nr 3 s 155-162, polega na tym, że mierzy się wartości przepływu na podstawie efektu Dopplera. Na rurze w której przepływa ciecz jest umieszczany czujnik, który emituje falę o odpowiedniej długości i mierzy czas powrotu tej fali do detektora. Na podstawie zmierzonego czasu powrotu wyznacza się wartość przepływu.

Znany z publikacji T.S.J. Lammerink, N.R. Tas, G.J.M. Krijnen, M. Elwenspoek, „A new class of thermal flow sensors using ΔΤ = 0 as a control signal”, IEEE 2000, 525-530, sposób pomiaru przepływu zrealizowany jest na dwóch termorezystorach lub innych elementach rezystywnych, przy czym parametry rezystywne jednego z nich silnie zależą od temperatury. W sposobie mierzy się rezystancję przy utrzymywanej stałej temperaturze. Regulacja temperatury odbywa się przez zmianę wartości dostarczanej mocy. Na podstawie pomiaru wartości różnicy mocy dostarczanych do obu elementów ustalana jest wartość przepływu.

Z opisu patentowego USA nr US 5493100 znany jest termistorowy czujnik przepływu i sposób pomiaru. Czujnik ma jeden termistor o rezystancji elektrycznej, która zmienia się w zależności od temperatury, przy czym termistor jest chłodzony przepływającym płynem. Termistor układu zasilającego i w początkowym okresie zasilany jest stałym napięciem, a następnie stałym prądem, przy czym mierzy się odpowiednio prąd przepływający przez termistor albo napięcie na termistorze, na podstawie których wyznacza się zmiany rezystancji termistora. Na podstawie zmian rezystancji termistora spowodowanych chłodzeniem przepływającego płynu przy zasilaniu go stałym prądem, określa się szybkość przepływu płynu.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego PCT nr WO 2006/047752 znany jest impulsowy termistorowy czujnik przepływu, w którym energia dostarczana jest do termistora impulsowo ze stałym czasem zaniku temperatury, a szybkość przepływu jest obliczana w oparciu o zmierzone chwilowe zmiany wartości oporności termistora przy znanych stałych odstępach czasowych.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że na folię stanowiącą warstwę izolacyjną metodą sitodruku nanosi się dwa termistory ze ścieżkami przewodzącymi, po czym z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się co najmniej jedną warstwę spodu czujnika, co najmniej jedną warstwę wyciętym kanałem, co najmniej jedną warstwę izolacyjną z naniesionymi na niej dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę pokrycia czujnika z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne i otworami, po czym warstwy laminuje się, następnie wypala się podczas wieloetapowej obróbki termicznej.

Korzystnie, warstwy laminuje się w temperaturze od 70°C do 85°C przy ciśnieniu od 5 MPa do 10 MPa.

Korzystnie, wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C do 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 do 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 40 do 55 minut do temperatury od 840°C do 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i wypalony czujnik powoli chłodzi się do temperatury otoczenia.

Korzystnie, w otworach umieszcza się rurki doprowadzające i odprowadzające, które korzystnie skleja się ze ściankami otworów.

Korzystnie, folią jest niskotemperaturowa współwypalana ceramika.

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wyposażony w termistor, znamienny tym, że ma co najmniej jedną warstwę spodu czujnika połączoną poprzez co najmniej jedną

PL 213 524 B1 warstwę spodu czujnika, co najmniej jedną warstwę wyciętym kanałem, co najmniej jedną warstwę izolacyjną z naniesionymi na niej dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, z co najmniej jedną warstwą pokrycia czujnika z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne i otworami.

Korzystnie, w otworach osadzone są rurki doprowadzające i odprowadzające medium. Korzystnie, rurki sklejone są ze ściankami otworów, korzystnie klejem epoksydowym.

Korzystnie w otworach mogą być umieszczone rurki umożliwiające podłączenie czujnika z zewnętrznym systemem przepływowym.

Korzystnie rurki mogą być wklejone przy pomocy kleju epoksydowego.

Zaletą czujnika jest wykonanie go z niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, która jest odporna na wysokie temperatury oraz na żrące gazy i ciecze, umożliwia to pomiary przepływu żrących mediów. Dodatkową zaletą jest umieszczenie termistorów na warstwie izolacyjnej, umożliwia to korekcję laserową lub piaskową wartości rezystancji termistorów przez specjalne otwory w warstwie pokrycia czujnika. Kolejną zaletą tego czujnika jest to, że elementy termistorowe nadrukowane na warstwie izolacyjnej metodą sitodruku, są odizolowane elektrycznie od cieczy/gazu przepływających przez kanał gazowy/cieczowy, umożliwia to pomiar wartości przepływu gazów oraz cieczy o niskiej rezystywności i zapobiega ryzyku porażenia prądem elektrycznym. Ponadto szerokością i wysokością kanałów można regulować maksymalne zakresy pomiarowe czujnika, przy czym im mniejsze pole przekroju kanału gazowego/cieczowego tym mniejszy zakres pomiarowy, ale większa czułość. Kolejną zaletą jest możliwość określenia kierunku przepływu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny czujnika przepływu gazu/cieczy przez środek mostka w widoku z boku, fig. 2 - przekrój wzdłużny czujnika przepływu gazu/cieczy przez środek mostka wykonanego w widoku z góry, fig. 3 - widok przykrycia z otworami gazowymi/cieczowymi i doprowadzeniami elektrycznymi.

P r z y k ł a d 1

Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu polega na tym, że na folię stanowiącą warstwę izolacyjną WT metodą sitodruku nanosi się dwa termistory TT ze ścieżkami przewodzącymi MM, po czym z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się jedną warstwę spodu czujnika SC, co najmniej jedną warstwę wyciętym kanałem KK, jedną warstwę izolacyjną WT z naniesionymi na niej dwoma termistorami TT ze ścieżkami przewodzącymi MM, jedną warstwę pokrycia czujnika PC z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE i otworami OG, po czym warstwy laminuje się, następnie wypala się podczas wieloetapowej obróbki termicznej. Warstwy laminuje się w temperaturze 85°C przy ciśnieniu od 5 MPa, a wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 minut, po czym czujnik podgrzewa się przez 40 minut do temperatury do 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i wypalony czujnik powoli chłodzi się do temperatury otoczenia.

P r z y k ł a d 2

Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu z folii wykonanej z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, na warstwie folii stanowiącej warstwę izolacyjną nanosi się metodą sitodruku dwa termistory TT ze ścieżkami przewodzącymi MM, następnie wycinana się kształty czterech warstw spodu czujnika SP, czterech warstw pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie gazu jednej warstwy izolacyjnej z dwoma termistorami TT ze ścieżkami przewodzącymi MM i z otworami OG, jednej warstwy kanału KK, czterech warstw spodu czujnika SC. Po czym kolejno laminuje się wszystkie warstwy ze sobą w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 10 MPa, następnie czujnik wypala się w piecu komorowym podczas wieloetapowej obróbki termicznej. Wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C, w której wygrzewa się czujnik przez 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 55 minut do temperatury 840°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i chłodzi się powoli wypalony czujnik do temperatury otoczenia.

P r z y k ł a d 3

Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu cieczy przebiega jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że warstwy laminuje się za pomocą niskotemperaturowej laminacji chemicznej w temperaturze pokojowej przy ciśnieniu atmosferycznym przy użyciu rozcieńczalnika do past sitodrukowalnych.

PL 213 524 B1

P r z y k ł a d 4

Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu cieczy przebiega jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że w otworach OG, umieszcza się rurki doprowadzające i odprowadzające medium, które skleja się z kanałami gazowymi OG korzystnie, klejem epoksydowym.

P r z y k ł a d 5

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium ma jedną warstwę spodu czujnika SC połączoną poprzez jedną warstwę spodu czujnika SC, jedną warstwę z wyciętym kanałem KK, jedną warstwę izolacyjną WT z naniesionymi na niej dwoma termistorami TT ze ścieżkami przewodzącymi MM, z jedną warstwą pokrycia czujnika PC z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE i otworami OG.

P r z y k ł a d 6

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wykonany jak w przykładzie piątym, z tą różnicą, że ma cztery warstwy spodu czujnika SP, cztery warstwy pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie medium jednej warstwy izolacyjnej z dwoma termistorami TT ze ścieżkami przewodzącymi MM i z otworami OG, jednej warstwy z wyciętym kanałem KK.

P r z y k ł a d 7

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wykonany jak w przykładzie piątym albo szóstym, z tą różnicą, że w otworach OG osadzone są rurki doprowadzające i odprowadzające medium, przy czym rurki sklejone są ze ściankami otworów OG, klejem epoksydowym.

Działanie termicznego czujnika przepływu dwuelementowego według wynalazku, polega na tym, że każdy z termistorów TT grzeje się stałą mocą, w przypadku zaistnienia przepływu termistor TT bliżej wlotu medium jest chłodzony, natomiast termistor TT znajdujący się dalej od wlotu medium jest dogrzewany, różnica temperatur, w której pracuje każdy z termistorów TT powoduje, że każdy z nich posiada inną rezystancję. Na podstawie pomiaru rezystancji każdego z termistorów TT określa się wartość oraz kierunek przepływu medium.

Claims (8)

1. Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu, znamienny tym, że na folię stanowiącą warstwę izolacyjną (WT) metodą sitodruku nanosi się dwa termistory (TT) ze ścieżkami przewodzącymi (MM), po czym z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się co najmniej jedną warstwę spodu czujnika (SC), co najmniej jedną warstwę wyciętym kanałem (KK), co najmniej jedną warstwę izolacyjną (WT) z naniesionymi na niej dwoma termistorami (TT) ze ścieżkami przewodzącymi (MM), co najmniej jedną warstwę pokrycia czujnika (PC) z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE) i otworami (OG), po czym warstwy laminuje się, następnie wypala się podczas wieloetapowej obróbki termicznej.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwy laminuje się w temperaturze od 70°C do 85°C przy ciśnieniu od 5MPa do 10 MPa.

3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C do 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 do 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 40 do 55 minut do temperatury od 840°C do 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i wypalony czujnik powoli chłodzi się do temperatury otoczenia.

4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że w otworach (OG) umieszcza się rurki doprowadzające i odprowadzające, które korzystnie skleja się ze ściankami otworów (OG).

5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że folią jest niskotemperaturowa współwypalana ceramika.

6. Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wyposażony w termistor, znamienny tym, że ma co najmniej jedną warstwę spodu czujnika (SC) połączoną poprzez co najmniej jedną warstwę spodu czujnika (SC), co najmniej jedną warstwę wyciętym kanałem (KK), co najmniej jedną warstwę izolacyjną (WT) z naniesionymi na niej dwoma termistorami (TT) ze ścieżkami przewodzącymi (MM), z co najmniej jedną warstwą pokrycia czujnika (PC) z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE) i otworami (OG).

7. Czujnik według zastrz. 6, znamienny tym, że w otworach (OG) osadzone są rurki doprowadzające i odprowadzające medium.

PL 213 524 B1

8. Czujnik według zastrz. 7, znamienny tym, że rurki sklejone są ze ściankami otworów (OG), korzystnie klejem epoksydowym.