PL213525B1 - Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium, przeznaczone 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 meso- scale 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 jest 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, 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 wytwarzania dwuelementowego termicznego czujnika, według wynalazku, polega na tym, że na dwa mostki warstwy dolnej metodą sitodruku, nanosi się dwa termistory ze ścieżkami przewodzącymi, przy czym na każdym z mostków nanosi się jeden termistor. Następnie z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się i zgrywa co najmniej jedną warstwę spodu czujnika, co najmniej jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkami, co najmniej jedną warstwę dolną z dwoma mostkami z naniesionymi na każdym z nich jednym termistorem ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z dwoma mostkami z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne, co najmniej jedną warstwę z kanałem nad mostkiem i z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne, oraz co najmniej jedną warstwę pokrycia czujnika z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne i otworami na przepływające medium, po czym warstwy laminuje się, a następnie wypala 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 (OG) umieszcza się rurki doprowadzające i odprowadzające.

PL 213 525 B1

Korzystnie, folią jest niskotemperaturowa współwypalana ceramika.

Korzystnie, warstwy folii są łączone za pomocą niskotemperaturowej laminacji chemicznej, w temperaturze co najmniej pokojowej oraz przy ciśnieniu co najmniej atmosferycznym.

Istota czujnika według wynalazku polega na tym, że ma co najmniej jedną warstwę spodu czujnika połączoną poprzez co najmniej jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkami, co najmniej jedną warstwę dolną z dwoma mostkami z naniesionymi metodą sitodruku na każdym z nich jednym termistorem ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z dwoma mostkami z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne, co najmniej jedną warstwę z kanałem nad mostkiem i z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne, z co najmniej jedną warstwą pokrycia czujnika z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne i z otworami na przepływające medium, przy czym wszystkie warstwy wykonane są z folii, korzystnie z folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki.

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 gazów/cieczy. Dodatkową zaletą jest to, że każdy z termistorów jest na osobnym mostku co zmniejsza bezwładność cieplną układu przez zmniejszenie masy mostków i umożliwienie chłodzenia ich z każdej ze stron. Kolejną zaletą tego czujnika jest to, że elementy termistorowe nadrukowane na mostkach metodą sitodruku, są odizolowane elektrycznie od cieczy/gazu przepływających przez kanał gazowy/cieczowy, umożliwia to pomiar przepływu gazów oraz cieczy o niskiej rezystywności i nie ma ryzyka porażenia prądem elektrycznym. Ponadto szerokością i wysokością kanałów dla medium w postaci cieczy lub gazu można regulować maksymalne zakresy pomiarowe czujnika, przy czym im mniejsze pole przekroju kanału medium, 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 medium przez środek mostka w widoku z boku, fig. 2 - przekrój wzdłużny czujnika przepływu medium przez środek mostka wykonanego w widoku z góry, fig. 3 - widok pokrycia czujnika z otworami gazowymi/cieczowymi i doprowadzeniami elektrycznymi.

P r z y k ł a d 1

Sposób wytwarzania czujnika przepływu wykonanego z folii w postaci niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, polega na tym, że na dwa mostki lewy ML i prawy MP warstwy dolnej (MD) metodą sitodruku, nanosi się dwa termistory ze ścieżkami przewodzącymi, przy czym na każdym z mostków nanosi się jeden termistor. Następnie z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się i zgrywa jedną warstwę spodu czujnika SC, jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkami KP, jedną warstwę dolną z dwoma mostkami MD z naniesionymi na każdym z nich jednym termistorem ze ścieżkami przewodzącymi, jedną warstwę górną z dwoma mostkami MG z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE, jedną warstwę z kanałem nad mostkiem KN i z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE, oraz jedną warstwę pokrycia czujnika PC z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE i otworami OG na przepływające medium, po czym warstwy laminuje się, a następnie wypala podczas wieloetapowej obróbki termicznej. Następnie warstwy laminuje się w temperaturze 85°C przy ciśnieniu 5 MPa, 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 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 40 minut do temperatury 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 czujnika przepływu wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że wycina się kształty czterech warstw spodu czujnika SP, czterech warstw pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie gazu jednej warstwy kanału pod mostkami PM, jednej warstwy z dwoma mostkami MD z nadrukowanymi metalizacjami i dwoma termistorami, jednej warstwy górnej z dwoma mostkami MG z doprowadzeniami elektrycznymi DE, jednej warstwy kanału nad mostkami KN z doprowadzeniami elektrycznymi DE. Po czym warstwę dolną z dwoma mostkami MD i termistorem na każdym z nich i warstwę górną z dwoma mostkami MG laminuje się w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 10 MPa, następnie laminuje się wszystkie warstwy ze sobą w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 5 MPa. Po laminacji, 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

PL 213 525 B1 przez 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się przez 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 czujnika przepływu przebiega jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że warstwy laminuje się za pomocą niskotemperaturowej laminacji chemicznej w temperaturze pokojowej przy ciśnieniu od atmosferycznym przy użyciu rozcieńczalnika do past sitodrukowalnych.

P r z y k ł a d 4

Sposób wytwarzania czujnika przepływu przebiega jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że w otworach gazowych/cieczowych OG, umieszcza się rurki doprowadzające i odprowadzające gaz, które skleja się z kanałami gazowymi OG klejem epoksydowym.

P r z y k ł a d 5

Sposób wytwarzania czujnika przepływu przebiega jak w przykładzie drugim z tą różnicą, że w otworach OG, umieszcza się rurki doprowadzające i odprowadzające gaz, które skleja się ze ściankami otworów OG klejem epoksydowym.

P r z y k ł a d 6

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium ma co najmniej jedną warstwę spodu czujnika SC połączoną poprzez jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkami KP, jedną warstwę dolną MD z dwoma mostkami lewym ML i prawym MP z naniesionymi metodą sitodruku na każdym z nich jednym termistorem ze ścieżkami przewodzącymi, jedną warstwę górną z dwoma mostkami MG z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE, jedną warstwę z kanałem nad mostkiem KN i z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE, z jedną warstwą pokrycia czujnika PC z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE i z otworami OG na przepływające medium, przy czym wszystkie warstwy wykonane są z folii, korzystnie z folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki.

P r z y k ł a d 7

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wykonany jak w przykładzie szóstym z tą różnicą, że ma cztery warstwy spodu czujnika SP, cztery warstwy pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie gazu jedną warstwę kanału pod mostkami PM, jedną warstwę z dwoma mostkami MD z nadrukowanymi metalizacjami i dwoma termistorami, jedną warstwę górną z dwoma mostkami MG z doprowadzeniami elektrycznymi DE, jedną warstwę kanału nad mostkami KN z doprowadzeniami elektrycznymi DE.

Działanie czujnika przepływu według wynalazku, polega na tym, że każdy z termistorów jest grzany stałą mocą, w przypadku zaistnienia przepływu medium w postaci cieczy lub gazu, termistor bliżej wlotu medium jest chłodzony, natomiast termistor znajdujący się dalej od wlotu medium jest dogrzewany, ze względu na różnicę temperatur każdy z termistorów posiada inną rezystancję. Wartość oraz kierunek przepływu medium określana jest przez pomiar rezystancji każdego z termistorów.

Claims (9)

1. Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu, znamienny tym, że na dwa mostki (ML, MP) warstwy dolnej (MD) metodą sitodruku, nanosi się dwa termistory ze ścieżkami przewodzącymi, przy czym na każdym z mostków nanosi się jeden termistor, następnie z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się i zgrywa co najmniej jedną warstwę spodu czujnika (SC), co najmniej jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkami (KP), co najmniej jedną warstwę dolną z dwoma mostkami (MD) z naniesionymi na każdym z nich jednym termistorem ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z dwoma mostkami (MG) z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE), co najmniej jedną warstwę z kanałem nad mostkiem (KN) i z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE), oraz co najmniej jedną warstwę pokrycia czujnika (PC) z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE) i otworami (OG) na przepływające medium, po czym warstwy laminuje się, a następnie wypala 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 5 MPa 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

PL 213 525 B1 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.

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

6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwy folii są łączone za pomocą niskotemperaturowej laminacji chemicznej, w temperaturze co najmniej pokojowej oraz przy ciśnieniu co najmniej atmosferycznym.

7. 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 z wyciętym kanałem pod mostkami (KP), co najmniej jedną warstwę dolną z dwoma mostkami (MD) z naniesionymi metodą sitodruku na każdym z nich jednym termistorem ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z dwoma mostkami (MG) z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE), co najmniej jedną warstwę z kanałem nad mostkiem (KN) i z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE), z co najmniej jedną warstwą pokrycia czujnika (PC) z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne (DE) i z otworami (OG) na przepływające medium, przy czym wszystkie warstwy wykonane są z folii, korzystnie z folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki.

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

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