WO2013009152A1 - 유량 센서 및 이를 이용한 유량계 - Google Patents

유량 센서 및 이를 이용한 유량계 Download PDF

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WO2013009152A1
WO2013009152A1 PCT/KR2012/005638 KR2012005638W WO2013009152A1 WO 2013009152 A1 WO2013009152 A1 WO 2013009152A1 KR 2012005638 W KR2012005638 W KR 2012005638W WO 2013009152 A1 WO2013009152 A1 WO 2013009152A1
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heating
pattern
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박창권
임시형
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주식회사 경동에버런
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
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    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a hot wire flow sensor and a flow meter using the same, and specifically, to manufacture a hot wire flow sensor using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, using the inlet and outlet side of the fluid flowing through the pipeline
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the present invention relates to a flow rate sensor and a flow meter using the same, wherein the position of the sensor and the heater can be easily changed according to the amount or type of fluid at the same time.
  • the heater is provided at the center of the inlet and the outlet, and the specific heat (Cp) is measured by measuring the temperature of the fluid passing through the inlet and the outlet temperature after supplying a constant amount of heat to the heater.
  • Cp specific heat
  • the values of m (mass) and temperature difference ( ⁇ T) are substituted into the following equations to calculate calories (sensible heat, Q).
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2008-0015926
  • Patent Document 2 The technical content based on the contents of the above-mentioned patent is shown in FIG.
  • Patent Document 3 In order to obtain the calorie value through the above-described formula, a bypass tube is separately formed in a part of the conduit 5 and then supplied to the heater 1 to supply a constant amount of heat to the center of the bypass tube 4. A constant amount of heat is supplied and calories are obtained by using temperature values of the inlet and the outlet measured by the temperature sensors 2 and 3 respectively provided at the inlet and the outlet.
  • Patent Document 4 Patent Document 4
  • the mechanical processing process is increased to construct a predetermined section of the pipeline as a bypass, and the structure is complicated, such as a separate temperature sensor must be installed at the entrance and the exit of the measurement section. There was a problem going up.
  • Patent Document 5 Since the flow paths of the pipes formed for each device and the fluid flowing through the pipes are different, the bypass lines have to be manufactured, respectively, and there is a big problem in that the manufacturing process is cumbersome and the cost is increased. .
  • the present invention has been invented to solve the above problems, the object of which is to form a heating wire flow sensor is formed through the MEMS technology, the heating wire flow sensor is a circuit to change the position of the heater and the sensing sensor It is an object of the present invention to provide a heat flow type sensor and a flow meter using the same, wherein the heating unit can be used by varying the heating unit into an Alti sensor and a temperature measuring sensor according to the amount or type of fluid through the circuit.
  • the present invention for achieving the above technical problem is a rectangular substrate, three or more heating patterns are formed side by side along the width direction of the substrate at one end of the longitudinal direction of the substrate, and the substrate from each end of the heating pattern An electric line pattern formed to extend to the other end, respectively, and an electrode pad formed on the substrate to be connected to the other end of the electric line pattern not connected to the heating pattern, wherein the heating pattern is disposed at both edges of the heating pattern.
  • the heating pattern inside the Alti sensor is characterized in that the heater.
  • the heat generating pattern characterized in that formed in a zigzag form along the longitudinal direction with a fine line width smaller than the electric line pattern.
  • the heat generation pattern characterized in that the depression is formed on the back surface.
  • a substrate on which a fluid flow path is formed, an input portion and an output portion coupled to both ends of the main body, and three or more heat generating patterns formed side by side in a width direction of the substrate are formed.
  • End of the flow sensor includes a flow sensor which is inserted in the middle of the conduit and a circuit board electrically connected with the flow sensor.
  • the heating pattern is characterized in that formed in a zigzag form along the longitudinal direction with a fine line width.
  • the heat generation pattern characterized in that the depression is formed on the back surface.
  • the flow rate sensor of the present invention and the flow meter using the same, it is possible to flexibly cope with the flow rate, speed and type of the fluid by using the variable by adjusting the RTD sensing unit and the temperature sensing unit.
  • FIG. 2 is a view showing a state of the flow sensor of the present invention.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view showing a state of the sensing unit of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a view showing a flow meter using the flow sensor of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a state of the flow sensor of the present invention
  • Figure 3 is a partially enlarged view showing the state of the heat generation pattern of FIG.
  • the flow sensor 100 of the present invention is formed along the width direction of the substrate 10 at a rectangular substrate 10 and at one end in the longitudinal direction of the substrate 10.
  • the heating pattern disposed at both edges of the heating pattern 20 is an Alti sensor, and the heating pattern inside the Alti sensor is configured as a heater.
  • the number of the heating pattern 20 can be further increased in order to correspond to the flow rate or the amount of flow of the fluid, and accordingly, the electric line pattern 30 and the electrode pattern 40 of the heating pattern 20 It corresponds to the number.
  • the heating pattern 20 is formed in a zigzag shape along the longitudinal direction with a smaller line width than that of the electric line pattern 30.
  • the heating pattern 20 becomes smaller than the width of the electric line pattern 30 while the heating pattern 20 passes through the heating pattern 20. It will happen.
  • the heating pattern 20 has a recessed portion 11 formed on a rear surface thereof. This is to increase the contact area with the fluid flowing through the conduit to accurately sense the temperature value of the fluid.
  • the cooling of the heating pattern 20 heated by heating is better. This is because the heating of the sensing part may be easily damaged when the heating and cooling are repeated several times.
  • FIG. 4 is a view showing a flow meter using the flow sensor of the present invention.
  • a flow meter having a flow sensor includes a main body 140 in which a conduit 110 through which a fluid flows is formed, an input unit 120 coupled to both ends of the conduit 110, and an output. Part 130 and one end of the substrate 10 in the middle of the pipeline 110 is inserted into the flow sensor 100 and the flow sensor 100 to measure the temperature of the fluid flowing through the pipeline 110 It consists of a circuit board 150 connected to. In addition, the substrate case 160 may be further provided to protect the circuit board 150.
  • the flow rate sensor applied to the flow meter is applied to the same sensor as the above embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the circuit board 150 may further include a controller (not shown) that is electrically connected to the circuit board 150.
  • the control unit controls the heating pattern 20 connected through the electrode pad 40 and the electric line pattern 30 to enable the role of the RTD sensor and the heater.
  • Alti sensor and heater Depending on the quantity or type, it is possible to change to Alti sensor and heater.
  • the heating pattern 20 positioned directly inside the function of the outermost heating pattern 20 serves as an Alti (RTD) sensor, and the ALTI
  • the heating pattern 20 located in the inner region of the sensor serves as a heater, and the temperature of the fluid flowing in the pipe can be measured by controlling the fluid state such as the type and flow rate of the fluid.
  • circuit board 160 substrate case

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  • Fluid Mechanics (AREA)
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Abstract

본 발명은 열선식 유량 센서 및 이를 이용한 유량계에 관한 것으로, 구체적으로는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술을 이용하여 열선식 유량센서를 제조하고, 이를 이용하여 관로를 흐르는 유체의 입구 쪽과 출구 쪽의 온도를 측정함과 동시에 유체의 양 또는 종류에 따라 센서 및 히터의 위치를 용이하게 가변할 수 있도록 하는 유량 센서 및 이를 이용한 유량계에 관한 것이다. 본 발명은 장방형의 기판과, 상기 기판의 길이방향 일측 끝단부에 기판의 폭 방향을 따라 나란히 형성되는 3개 이상의 발열패턴과, 상기 발열패턴의 각 양단으로부터 기판의 타측 끝단부로 각각 연장되어 형성되는 전기선로패턴과, 상기 발열패턴과 연결되지 않은 전기선로패턴의 타측 끝단에 연결되도록 기판에 형성되는 전극패드로 이루어지되, 상기 발열패턴 중에서 양측 가장자리에 배치된 발열패턴은 알티디센서이고, 알티디센서 내측의 발열패턴은 히터인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 유량 센서 및 이를 이용한 유량계에 의하면, RTD 센싱부와 온도센싱부를 가변적으로 조절하여 사용함으로 유체의 유량, 속도 및 종류에 따라 유연하게 대처할 수 있는 큰 효과가 있는 것이다.

Description

유량 센서 및 이를 이용한 유량계
본 발명은 열선식 유량 센서 및 이를 이용한 유량계에 관한 것으로, 구체적으로는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술을 이용하여 열선식 유량센서를 제조하고, 이를 이용하여 관로를 흐르는 유체의 입구 쪽과 출구 쪽의 온도를 측정함과 동시에 유체의 양 또는 종류에 따라 센서 및 히터의 위치를 용이하게 가변할 수 있도록 하는 유량 센서 및 이를 이용한 유량계에 관한 것이다.
일반적으로 관로를 흐르는 유체의 열량을 구하기 위해서는 입구 및 출구의 중심부에 히터를 구비하고, 상기 히터에 정열량을 공급한 후 입구를 지나는 유체의 온도와 출구의 온도를 측정하여 그 비열(Cp), m(질량) 및 온도차(ΔT)의 값을 아래 식에 대입하여 열량(현열,Q)을 구하게 된다.
* Q=Cp*m*ΔT
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 10-2008-0015926호
(특허문헌 2) 상기 공개특허의 내용을 토대로 한 기술내용을 도 1에 도시하였다.
(특허문헌 3) 상기와 같은 식을 통하여 열량을 구하기 위해서는 관로(5)의 일부에 바이패스 관을 별도로 형성한 후 바이패스 관(4)의 중심부에 정열량을 공급하기 위하여 히터(1)에 정열량을 공급하고, 입구 및 출구 각각에 온도센서(2, 3)를 구비하여 측정되는 입, 출구의 온도값을 이용하여 열량을 구하게 된다.
(특허문헌 4) 그러나 이와 같은 구조에서는 관로의 소정구간을 바이패스로 구성하기 위하여 기계적인 가공공정이 늘어나게 되고, 측정구간의 입출구에 별도로 온도센서를 설치해야 하는 등 그 구조가 복잡하게 되므로 제조비가 상승하게 되는 문제점이 있었다.
(특허문헌 5) 또한, 기기마다 형성되는 관로 및 그 관로를 흐르는 유체의 유량이 각기 다르기 때문에 바이패스 라인을 각각 제작하여야 하므로, 제조 공정의 번거로움 및 제조에 따른 비용이 증가되는 큰 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 멤스 기술을 통하여 발열부가 형성되는 열선식 유량 센서를 형성하되, 상기 열선식 유량 센서는 히터 및 센싱하는 위치를 가변가능 하도록 회로를 구성하고, 그 회로를 통하여 유체의 양 또는 종류에 따라 상기 발열부를 알티디 센서 및 온도 측정용 센서로 가변하여 사용이 가능하도록 된 열선식 유량 센서 및 이를 이용한 유량계를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 장방형의 기판과, 상기 기판의 길이방향 일측 끝단부에 기판의 폭 방향을 따라 나란히 형성되는 3개 이상의 발열패턴과, 상기 발열패턴의 각 양단으로부터 기판의 타측 끝단부로 각각 연장되어 형성되는 전기선로패턴과, 상기 발열패턴과 연결되지 않은 전기선로패턴의 타측 끝단에 연결되도록 기판에 형성되는 전극패드로 이루어지되, 상기 발열패턴 중에서 양측 가장자리에 배치된 발열패턴은 알티디센서이고, 알티디센서 내측의 발열패턴은 히터인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 발열패턴은, 전기선로패턴보다 작은 미세선폭으로 길이방향을 따라 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 발열패턴은, 그 이면에 함몰부가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일면은, 유체가 흐르는 관로가 형성되는 본체와, 상기 본체의 양 단부와 결합되는 입력부와 출력부와, 기판의 폭 방향을 따라 나란히 형성되는 3개 이상의 발열패턴이 형성되는 기판의 끝단부가 상기 관로의 도중에 삽입되는 유량센서 및 상기 유량센서와 전기적으로 연결되는 회로기판을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 발열패턴은, 미세선폭으로 길이방향을 따라 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 발열패턴은, 그 이면에 함몰부가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유량 센서 및 이를 이용한 유량계에 의하면, RTD 센싱부와 온도센싱부를 가변적으로 조절하여 사용함으로 유체의 유량, 속도 및 종류에 따라 유연하게 대처할 수 있는 큰 효과가 있는 것이다.
또한, 반도체 칩의 형태로 열선식 유량 센서를 제조함으로서 대량으로 센서를 제조할 수 있어 생산성이 향상되는 큰 효과가 있는 것이다.
도 1은 종래기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 유량 센서의 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 센싱부의 모습을 나타낸 부분확대도이다.
도 4는 본 발명의 유량 센서를 이용한 유량계를 나타낸 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 유량 센서 및 이를 이용한 유량계를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 유량 센서의 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 발열패턴의 모습을 나타낸 부분확대도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 유량 센서(100)는, 장방형의 기판(10)과, 상기 기판(10)의 길이방향 일측 끝단부에 기판(10)의 폭 방향을 따라 나란히 형성되는 3개 이상의 발열패턴(20)과, 상기 발열패턴(20)의 각 양단으로부터 기판의 타측 끝단부로 각각 연장되어 형성되는 전기선로패턴(30) 및 상기 발열패턴과 연결되지 않은 전기선로패턴(30)의 타측 끝단에 연결되도록 기판에 형성되는 전극패드(40)로 구성된다. 여기서 상기 발열패턴(20) 중에서 양측 가장자리에 배치된 발열패턴은 알티디센서이고, 알티디센서 내측의 발열패턴은 히터로 구성된다.
상기한 발열패턴(20)은 유체의 유량 또는 흐르는 양에 따라 대응되도록 하기 위하여 그 개수를 더 늘릴 수 있는 것이고, 그에 따라 전기선로패턴(30) 및 전극패턴(40)도 발열패턴(20)의 개수에 대응되는 것이다.
상기 발열패턴(20)은, 전기선로패턴(30)보다 작은 미세선폭으로 길이방향을 따라 지그재그 형태로 형성된다. 이는 발열패턴(20)과 연결되는 전극패드(40)로 전류를 흘려보낼 경우 상기 발열패턴(20)을 통과하는 동안 상기 발열패턴(20)은 전기선로패턴(30)의 폭보다 작게 되므로 발열이 일어나게 되는 것이다.
상기 발열패턴(20)은 그 이면에 함몰부(11)가 형성된다. 이는 관로를 흐르는 유체와의 접촉면적을 넓혀 유체의 온도 값을 정확히 센싱하기 위한 것이다.
또한, 가온에 의해 가열된 발열패턴(20)의 냉각이 더욱 잘되도록 하는 것이다. 왜냐하면, 센싱부에 가온이 수회 가온 및 냉각이 반복 되다보면 센싱부가 위치한 부분의 기판이 쉽게 파손될 수 있기 때문이다.
이하, 상기한 각각의 실시예에서 제조되는 열선식 유량 센서가 적용되는 유량계에 대하여 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 유량 센서를 이용한 유량계를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 유량 센서가 구비되는 유량계는, 유체가 흐르는 관로(110)가 형성되는 본체(140)와, 상기 관로(110)의 양 단부와 결합되는 입력부(120)와 출력부(130)와, 상기 관로(110)의 도중에 기판(10)의 일측 끝단부가 삽입되어 상기 관로(110)를 흐르는 유체의 온도측정을 하는 유량센서(100) 및 상기 유량센서(100)와 전기적으로 연결되는 회로기판(150)으로 구성된다. 또한, 상기 회로기판(150)을 보호하는 기판케이스(160)가 더 구비될 수 있다. 여기서 상기 유량계에 적용되는 유량 센서는 상기한 실시예와 동일한 센서를 적용한 것으로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편 상기 회로기판(150)에는 전기적으로 연결되는 제어부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 상기 제어부는 각각의 전극패드(40) 및 전기선로패턴(30)을 통해 연결되는 발열패턴(20)을 알티디(RTD(Resistance Temperature Detector))센서 및 히터의 역할이 가능하도록 제어하며, 유체의 양 또는 종류에 따라 알티디 센서 및 히터로의 가변이 가능하다. 예를 들어 최외곽의 발열패턴(20)의 사용이 불필요할 경우, 최외곽 발열패턴의 기능을 바로 내측영역에 위치하는 발열패턴(20)이 알티디(RTD)센서의 역할을 하고, 상기 알티디센서의 내측 영역에 위치하는 발열패턴(20)이 히터의 역할을 하는 것으로, 유체의 종류 및 유속 등 유체의 상태에 따라 가변적으로 제어하여 관로를 흐르는 유체의 온도를 측정할 수 있는 것이다.
이상에서 설명된 본 발명의 열선식 유량 센서 및 이를 이용한 유량계의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
[부호의 설명]
10 : 기판 11 : 천공부
20 : 발열패턴 30 : 전기선로패턴
40 : 전극패턴 100 : 유량센서
110 : 관로 120 : 입력부
130 : 출력부 140 : 본체
150 : 회로기판 160 : 기판 케이스

Claims (6)

  1. 장방형의 기판(10);
    상기 기판(10)의 길이방향 일측 끝단부에 기판(10)의 폭 방향을 따라 나란히 형성되는 3개 이상의 발열패턴(20);
    상기 발열패턴(20)의 각 양단으로부터 기판의 타측 끝단부로 각각 연장되어 형성되는 전기선로패턴(30);
    상기 발열패턴과 연결되지 않은 전기선로패턴(30)의 타측 끝단에 연결되도록 기판에 형성되는 전극패드(40);로 이루어지되,
    상기 발열패턴(20) 중에서 양측 가장자리에 배치된 발열패턴은 알티디센서이고, 알티디센서 내측의 발열패턴은 히터인 것을 특징으로 하는 유량센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발열패턴(20)은,
    전기선로패턴(30)보다 작은 미세선폭으로 길이방향을 따라 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 유량센서.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 발열패턴(20)은,
    그 이면에 함몰부(11)가 형성된 것을 특징으로 하는 유량센서.
  4. 유체가 흐르는 관로(110)가 형성되는 본체(140);
    상기 본체(140)의 양 단부와 결합되는 입력부(120)와 출력부(130);
    기판(10)의 폭 방향을 따라 나란히 형성되는 3개 이상의 발열패턴(20)이 형성되는 기판(10)의 끝단부가 상기 관로(110)의 도중에 삽입되는 유량센서(100) 및
    상기 유량센서(100)와 전기적으로 연결되는 회로기판(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 발열패턴(20)은,
    미세선폭으로 길이방향을 따라 지그재그 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 유량계.
  6. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 발열패턴(20)은,
    그 이면에 함몰부(11)가 형성된 것을 특징으로 하는 유량계.
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