PL213530B1

PL213530B1 - Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium

Info

Publication number: PL213530B1
Application number: PL386688A
Authority: PL
Inventors: Dominik Jurków; Leszek Golonka
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2013-03-29
Also published as: PL386688A1

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. Santiago-Aviles, „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 US5493100 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 WO2006/047752 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 mostek warstwy dolnej metodą sitodruku nanosi się dwa termistory ze ścieżkami przewodzącymi, po czym z folii, korzystnie z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, 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 mostkiem z naniesionymi na nim dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z 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 5MPa 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 prowadzające i odprowadzające medium, które korzystnie skleja się ze ściankami otworów.

PL 213 530 B1

Korzystnie, warstwy folii łączy się 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 mostkiem, co najmniej jedną warstwę dolną z mostkiem z naniesionymi metodą sitodruku dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z mostkiem 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 folii, korzystnie z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki.

Korzystnie, w otworach czujnika osadzone są rurki doprowadzające i odprowadzające medium.

Korzystnie, rurki sklejone są ze ściankami otworów, korzystnie klejem epoksydowym.

Zaletą czujnika jest wykonanie go z niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, która jest odporna na wysokie temperatury oraz na żrące gazy i ciecze, umożliwia to pomiary parametrów przepływu żrących mediów. Dodatkową zaletą nowego czujnika jest to, że element termistorowy nadrukowany na mostku metodą sitodruku, jest odizolowany elektrycznie od mediów 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 reguluje się maksymalne zakresy pomiarowe czujnika, przy czym im mniejsze pole przekroju kanału 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 do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium przez środek mostka w widoku z boku, fig. 2 - przekrój wzdłużny czujnika do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium przez środek mostka wykonanego w widoku z góry, fig. 3 - widok pokrycia czujnika z otworami i doprowadzeniami elektrycznymi.

P r z y k ł a d I

Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu polega na tym, że na mostek warstwy dolnej MD 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 i zgrywa jedną warstwę spodu czujnika SC, jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkami KP, jedną warstwę dolną z mostkiem MD z naniesionymi na nim dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, jedną warstwę górną z 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. Po czym warstwę dolną mostka MD i warstwę górną mostka MG laminuje się w temperaturze 85°C przy ciśnieniu 5 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 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 minut, po czym czujnik podgrzewa się przez 40 minut do temperatury 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i chłodzi się powoli wypalony czujnik do temperatury otoczenia.

P r z y k ł a d II

Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu z folii wykonanej z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, na warstwie folii stanowiącej dolną warstwę mostka drukuje się metodą sitodruku metalizację i dwa termistory, następnie wycinana się kształty czterech warstw spodu czujnika SP, czterech warstw pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie gazu jednej warstwy kanału pod mostkiem PM, jednej warstwy mostka MD z nadrukowanymi metalizacjami i dwoma termistorami, jednej warstwy mostka MG bez nadrukowanych metalizacji i termistorów, ale z doprowadzeniami elektrycznymi DE, jednej warstwy kanału nad mostkiem KN z wyciętymi otworami na doprowadzenia elektryczne DE. Po czym warstwę dolną mostka MD i warstwę górną mostka MG laminuje się w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 10 MPa, kolejno laminuje się wszystkie warstwy ze sobą w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 50 MPa, następnie czujnik wypala się w piecu komorowym podczas wieloetapowej obróbki termicznej. Wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się przez 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 przez 55 minut do temperatury

PL 213 530 B1

840°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i chłodzi się powoli wypalony czujnik do temperatury otoczenia.

P r z y k ł a d III

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

P r z y k ł a d IV

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

P r z y k ł a d V

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium ma jedną warstwę spodu czujnika SC połączoną poprzez jedną warstwę z wyciętym kanałem pod mostkiem KP, jedną warstwę dolną z mostkiem MD z naniesionymi metodą sitodruku dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, jedną warstwę górną z mostkiem MG z wycięciami pod doprowadzenia elektryczne DE, 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 folii, korzystnie z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki.

P r z y k ł a d VI

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wykonany jak w przykładzie piątym, z tą różnicą, że wycina się kształty czterech warstw spodu czujnika SP, czterech warstw pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie medium, jednej warstwy kanału pod mostkiem PM, jednej warstwy czujnika SP, czterech warstw pokrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie medium, jednej warstwy kanału pod mostkiem PM, jednej warstwy mostka MD z nadrukowanymi metalizacjami i dwoma termistorami, jednej warstwy mostka MG bez nadrukowanych metalizacji i termistorów, ale z doprowadzeniami elektrycznymi DE, jednej warstwy kanału nad mostkiem KN z wyciętymi otworami na doprowadzenia elektryczne DE, a w otworach OG osadzone ma rurki doprowadzające i odprowadzające medium.

P r z y k ł a d VII

Czujnik do pomiaru kierunku i/lub wartości przepływu medium wykonany jak w przykładzie siódmym, z tą różnicą, że rurki sklejone są ze ściankami otworów OG, korzystnie klejem epoksydowym.

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

Claims

1. Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu, znamienny tym, że na mostek warstwy dolnej (MD) 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 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 mostkiem (MD) z naniesionymi na nim dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z 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.

PL 213 530 B1

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 oprowadzające i odprowadzające, które korzystnie skleja się ze ściankami otworów (OG).

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

6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwy folii łączy się 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 mostkiem (KP), co najmniej jedną warstwę dolną z mostkiem (MD) z naniesionymi metodą sitodruku dwoma termistorami ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną z mostkiem (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 folii, korzystnie z 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.