Кристалл с датчиком, имеющий поверхности с электрическим потенциалом, и способ предотвращения загрязнения кристалла с датчиком (варианты)
На кристалле с датчиком для измерения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды по меньшей мере частично перед чувствительной зоной датчика по ходу потока расположены первая поверхность и смежная с ней вторая поверхность. За чувствительной зоной по ходу потока на кристалле могут быть расположены третья поверхность и смежная с ней четвертая поверхность. По меньшей мере к одной из поверхностей приложено напряжение с обеспечением возможности установления заданного электрического потенциала поверхности. Под действием созданного электрического поля частицы, присутствующие в потоке текучей среды, отклоняются в сторону от чувствительной зоны или притягиваются, оседая перед чувствительной зоной или за ней. В чувствительной зоне расположены по меньшей мере один нагревательный резистор и по меньшей мере один термочувствительный элемент. Изобретение повышает точность измерения благодаря предотвращению загрязнения чувствительной зоны датчика. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к кристаллу с датчиком, имеющему поверхности с электрическим потенциалом, а также к способу предотвращения загрязнения кристалла с датчиком в двух вариантах.
Из заявки DE 19601791 А1 известен кристалл с датчиком, имеющий чувствительную зону и состоящий, например, из рамочного элемента, углубления и мембраны, которая и образует указанную чувствительную зону. Подобный кристалл с датчиком подвержен воздействию присутствующих в потоке анализируемой среды загрязнений, например масла, которые, оседая в его чувствительной зоне, могут оказывать нежелательное влияние на измерительный сигнал, выдаваемый расположенным на таком кристалле датчиком, соответственно его чувствительной зоной. Загрязнение чувствительной зоны или непосредственно окружающих ее участков маслом изменяет коэффициент теплопроводности поверхности кристалла и в результате приводит к искажению измерительного сигнала. Помимо этого осевшее на поверхности кристалла с датчиком масло образует своего рода адгезионную "ловушку" для присутствующих в потоке текучей среды твердых частиц. Подобные частицы, прилипая к маслу, в свою очередь дополнительно вносят нежелательные искажения в измерительный сигнал.
В патенте US 5705745 описан кристалл с датчиком, имеющий мембрану с расположенными на ней термочувствительными и нагревательными резисторами, при этом мембрана окружена по периметру теплопроводящим элементом, который может иметь также незамкнутую по периметру, т.е. П-образную, форму. Этот теплопроводящий элемент не снабжен подогревом, т.е. к нему не приложен электрический потенциал.
В патенте US 4888988 описан кристалл с датчиком, имеющий мембрану с расположенным вокруг нее по периметру металлическим проводником. Этот проводник выполняет при измерениях функцию общего нулевого (нейтрального) проводника в измерительной схеме датчика, выполненного на кристалле.
Из заявки DE 19801484 А1 известен кристалл с датчиком, имеющий мембрану, вокруг которой по ее периметру расположены электрические проводники, по которым протекает электрический ток. Подобные выполненные в виде токопроводящих дорожек проводники представляют собой термочувствительные элементы, используемые в процессе измерений.
Из заявки DE 2900210 А1, соответственно из патента US 4294114 известен кристалл с датчиком, имеющий терморезистор, выполненный на подложке, на которой выполнен еще один резистор, предназначенный для ее нагрева.
В заявке DE 4219454 А1, соответственно в патенте US 5404753 описан кристалл с датчиком, имеющий контрольный или эталонный термочувствительный элемент, который расположен с некоторым отступом от чувствительной зоны датчика.
В заявке DE 3135793 А1, соответственно в патенте US 4468963 описан кристалл с датчиком, имеющий чувствительный (измерительный) резистор и дополнительно еще один, расположенный по ходу потока перед и/или за ним резистор, который, однако, оказывает определенное влияние на измерительный сигнал.
В настоящем изобретении предлагается кристалл с датчиком для измерения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды. Текучая среда характеризуется основным направлением движения ее потока, а кристалл с датчиком имеет чувствительную зону для проведения измерений по меньшей мере одним методом. Отличие предлагаемого в изобретении кристалла с датчиком заключается в том, что на нем по меньшей мере частично перед чувствительной зоной по ходу потока расположены первая поверхность и смежная с ней вторая поверхность, по меньшей мере к одной из которых, с обеспечением возможности установления заданного электрического потенциала поверхности, приложено напряжение, создающее электрическое поле, под действием которого частицы, присутствующие в потоке текучей среды и переносимые этим потоком, отклоняются в сторону от чувствительной зоны или притягиваются, оседая перед чувствительной зоной или за ней.
В частности, за чувствительной зоной по ходу потока текучей среды могут быть расположены третья поверхность и смежная с ней четвертая поверхность, по меньшей мере одна из которых имеет электрический потенциал. В этом случае третья или четвертая поверхности, выступая в качестве так называемых потенциальных поверхностей, защищают чувствительную зону от загрязнения, например при возникновении обратных потоков. Первая и вторая, а также третья и четвертая поверхности могут быть расположены с отступом от чувствительной зоны.
Предпочтительный градиент потенциала удается достичь в том случае, если одна из двух поверхностей, расположенных перед чувствительной зоной или за ней, имеет положительный потенциал, а другая, непосредственно смежная с ней поверхность, - не имеет электрического потенциала или имеет отрицательный электрический потенциал. При этом обе эти поверхности могут быть расположены, если смотреть в основном направлении движения потока текучей среды, перед чувствительной зоной или за ней.
Поверхностям с электрическим потенциалом предпочтительно придавать П-образную в плане форму, с нескольких сторон охватывающую по периметру чувствительную зону.
Поверхности с электрическим потенциалом, равно как и нагревательные резисторы, предпочтительно выполнять в виде токопроводящих дорожек, поскольку технология их изготовления достаточно хорошо известна и является простой в осуществлении.
Предпочтительно, чтобы чувствительная зона работала независимо от поверхностей с электрическим потенциалом, т.е. чтобы работа поверхностей с электрическим потенциалом не оказывала влияния на процесс измерений или на измерительный сигнал, выдаваемый чувствительной зоной, и наоборот.
Объектом настоящего изобретения является также способ предотвращения загрязнения кристалла с датчиком, имеющего чувствительную зону и расположенного в потоке текучей среды. Этот способ осуществим в двух вариантах, каждый из которых предусматривает подачу напряжения по меньшей мере на одну из первой и второй или третьей и четвертой поверхностей, расположенных на кристалле с датчиком соответственно перед чувствительной зоной по ходу потока или за ней. Это напряжение создает электрическое поле, под действием которого частицы, присутствующие в потоке текучей среды и переносимые этим потоком, отклоняются в сторону от чувствительной зоны (первый вариант способа) или притягиваются, оседая на участке соответствующей поверхности с электрическим потенциалом перед чувствительной зоной или за ней (второй вариант способа).
Преимущество предлагаемого в изобретении кристалла с датчиком, а также соответствующего способа предотвращения его загрязнения, состоит по сравнению с известными решениями в возможности простым путем уменьшить или даже полностью предотвратить загрязнение чувствительной зоны выполненного на кристалле датчика.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на упрощенные чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - известный кристалл с датчиком и
на фиг.2а-2в - первый, второй и третий варианты выполнения предлагаемого в изобретении кристалла с датчиком соответственно.
На фиг.1 показан известный из уровня техники кристалл с датчиком, а на фиг.2а-2в показан этот же кристалл с датчиком в различных вариантах его выполнения, но с внесенными в него согласно изобретению усовершенствованиями. Способ изготовления и применения такого кристалла с датчиком известны из заявки DE 19601791 А1, которая в этом отношении включена в настоящее описание в качестве ссылки.
Кристалл с датчиком имеет рамочный элемент 3, который выполнен, например, из кремния. В этом рамочном элементе 3 имеется выемка или углубление 5. На рамочный элемент нанесен, например, диэлектрический слой 21, например слой SiO2. Этот слой 21 может либо занимать всю поверхность рамочного элемента 3, либо располагаться только на том его участке, на котором размещено углубление 5. Этот участок образует мембрану 33, которая с одной стороны полностью или частично ограничивает углубление 5. На мембрану 33 с ее обратной углублению 5 стороны нанесена по меньшей мере одна, а в рассматриваемом примере - три металлические полоски или дорожки 19. Такие металлические дорожки 19 образуют, например, электрические нагреватели и/или измерительные резисторы и совместно с мембраной 33 образуют собственно датчик или, если говорить точнее, его чувствительную зону 17. В подобном датчике защитным слоем 23 покрыта по меньшей мере эта его чувствительная зона 17. Однако в другом варианте таким защитным слоем 23 могут быть покрыты только металлические дорожки 19.
Кристалл 1 с датчиком имеет поверхность 27, которая непосредственно контактирует с потоком текучей среды.
На фиг.2а в виде сверху показан первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении кристалла 1 с датчиком. В чувствительной зоне 17 размещены, например, металлические дорожки, которые образуют, например, по меньшей мере один электронагревательный резистор 35 и по меньшей мере один термочувствительный элемент 37. Такой термочувствительный элемент 37 также может представлять собой, например, резистор (резистивный элемент). В рассматриваемом варианте предусмотрены один нагревательный резистор 35 и два термочувствительных элемента 37, которые расположены преимущественно параллельно друг относительно друга, при этом нагревательный резистор 35 расположен между двумя термочувствительными элементами 37. Металлические дорожки большей частью расположены в чувствительной зоне 17 и являются необходимыми компонентами, используемыми для измерения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды, например ее температуры и/или расхода. С учетом этого чувствительная зона 17 подсоединена к не показанной на чертеже известной схеме контроля и регулирования. Чувствительная зона 17 может быть образована, например, описанной выше мембраной 33.
Для измерения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды подобный датчик вместе с несущим его кристаллом 1 расположен ("погружен") в этом потоке, при этом основное направление потока текучей среды, проходящего вдоль кристалла 1 с датчиком, соответственно вдоль поверхности 27 этого кристалла обозначено стрелкой 42. В потоке текучей среды могут присутствовать различного рода примеси или загрязнения, которые, оседая на поверхности кристалла 1 с датчиком, могут загрязнять его. Примером подобных загрязняющих примесей служат масло или растворенные в воде соли. Во избежание загрязнения или для уменьшения степени загрязнения кристалла перед чувствительной зоной 17, если смотреть по ходу потока, движущегося в основном направлении 42, предусмотрены первая 44 и вторая 47 поверхности с электрическим потенциалом (потенциальные поверхности). Первая поверхность 44 с электрическим потенциалом имеет, например, положительный потенциал, равный 1 В и приложенный к ней, например, от не зависимого от схемы контроля и регулирования источника низкого напряжения. Вторая поверхность 47 с электрическим потенциалом не имеет потенциала или имеет отрицательный потенциал. Градиент потенциала может иметь любую величину, а также может иметь обратную направленность.
Электрическое взаимодействие между поверхностями с электрическим потенциалом и присутствующими в потоке текучей среды капельками жидкости, соответственно частицами загрязняющих веществ позволяет предотвратить их осаждение на поверхности чувствительной зоны 17, поскольку такие частицы загрязняющих веществ, попадая в электрическое поле, создаваемое напряжением, приложенным к поверхностям с электрическим потенциалом, отталкиваются этим полем и тем самым отклоняются им в сторону от чувствительной зоны. Подобный эффект проявляется в том случае, когда потенциал поверхностей и заряд указанных капелек жидкости, соответственно частиц загрязняющих веществ, одноименны, т.е. когда и поверхности с электрическим потенциалом, и капельки жидкости, соответственно частицы загрязняющих веществ, имеют либо только положительный, либо только отрицательный заряд. Если же потенциал поверхностей и заряд капелек жидкости, соответственно частиц загрязняющих веществ, разноименны, т.е. если указанный потенциал имеет положительный знак, а заряд капелек жидкости, соответственно частиц загрязняющих веществ, имеет отрицательный знак или наоборот, то такие капельки жидкости, соответственно частицы загрязняющих веществ, будут притягиваться к поверхности 27 и принудительно оседать на участке расположения поверхностей с электрическим потенциалом, но не в чувствительной зоне 17. Предпочтительно при этом использовать электростатические поля. Однако можно создавать и переменные поля.
На фиг.2б показан второй вариант выполнения предлагаемого в изобретении кристалла 1 с датчиком. У такого кристалла 1 с датчиком по ходу потока за чувствительной зоной 17 дополнительно предусмотрены третья 50 и четвертая 53 поверхности с электрическим потенциалом. При этом одноименные потенциалы попарно имеют, например, первая 44 и четвертая 53 поверхности и вторая 47 и третья 50 поверхности. Подобная конструкция позволяет избежать отложения загрязнений в чувствительной зоне 17 и при наличии обратных потоков, обусловленных, например, возникновением пульсаций в движущемся в направлении 42 основном потоке и направленных навстречу этому основному потоку. Поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом, расположенные по ходу потока перед чувствительной зоной 17 и за ней, необязательно должны иметь одинаковую разность потенциалов.
На фиг.2в показан третий вариант выполнения предлагаемого в изобретении кристалла 1 с датчиком. В этом варианте каждая из поверхностей 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом образует часть соответственно одной из имеющих в плане П-образную форму фигур, которые по меньшей мере частично охватывают по периметру чувствительную зону 17. Таким образом, в отличие от приведенного на фиг.2в изображения в третьем варианте вторая поверхность 47 соединена с третьей поверхностью 50, образуя с ней единую поверхность с электрическим потенциалом, а первая поверхность 44 аналогичным образом соединена с четвертой поверхностью 53, также образуя с ней единую поверхность с электрическим потенциалом.
Кроме того, сказанное ниже относится ко всем вариантам выполнения предлагаемого в изобретении кристалла с датчиком.
Кристалл 1 с датчиком выполнен, например, в виде пластины и имеет поверхность 27, вдоль которой движется поток текучей среды. При этом и чувствительная зона 17, и поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом находятся на этой поверхности 27.
Такие поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом выполнены, например, таким образом, чтобы по ходу потока по меньшей мере перед чувствительной зоной 17 или за ней их длина превышала длину 1 этой чувствительной зоны 17, измеренную в направлении, перпендикулярном основному направлению 42 движения потока текучей среды. Благодаря этому чувствительная зона 17 оказывается по всей ее длине 1 защищена от загрязнений. Резисторы 35, 37 и/или поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом предпочтительно выполнять в виде токопроводящих дорожек.
Поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом могут полностью или частично располагаться в чувствительной зоне 17, непосредственно примыкать к чувствительной зоне 17 или располагаться с некоторым отступом от нее.
Чувствительная зона 17 может работать независимо от поверхностей 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом, т.е. поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом при их работе не влияют на процесс измерений или на измерительный сигнал, выдаваемый чувствительной зоной 17. Хотя схема контроля и регулирования, с которой соединена чувствительная зона 17, и может подавать определенные сигналы на поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом, например прикладывать к ним определенное напряжение или отключать подачу на них напряжения, тем не менее эти поверхности 44, 47, 50 и 53 с электрическим потенциалом не входят в состав контура измерения или регулирования, частью которого является чувствительная зона 17. При этом величина указанного напряжения, подаваемого на поверхности с электрическим потенциалом, может варьироваться. Потенциал поверхностей 44, 47, 50 и 53 можно также задать постоянным уже на стадии проектирования, в результате чего отпадает необходимость в использовании специальной схемы управления ими для установления указанного потенциала на определенное значение, который в этом случае задается постоянным на весь срок службы кристалла с датчиком.
1. Кристалл с датчиком для измерения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды, имеющим чувствительную зону для проведения измерений по меньшей мере одним методом, при этом указанная текучая среда характеризуется основным направлением (42) движения ее потока, отличающийся тем, что на нем по меньшей мере частично перед чувствительной зоной (17) по ходу потока расположены первая поверхность (44) и смежная с ней вторая поверхность (47), по меньшей мере к одной из которых, с обеспечением возможности установления заданного электрического потенциала поверхности, приложено напряжение, создающее электрическое поле, под действием которого частицы, присутствующие в потоке текучей среды и переносимые этим потоком, отклоняются в сторону от чувствительной зоны (17) или притягиваются, оседая перед чувствительной зоной или за ней.
2. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что на нем за чувствительной зоной (17) по ходу потока текучей среды расположены третья поверхность (50) и смежная с ней четвертая поверхность (53), по меньшей мере одна из которых имеет электрический потенциал.
3. Кристалл с датчиком по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхности (44, 47, 50, 53) расположены с отступом от чувствительной зоны (17).
4. Кристалл с датчиком по п.1 или 2, отличающийся тем, что одна из двух поверхностей (44, 47, 50, 53), расположенных перед чувствительной зоной (17) или за ней, имеет положительный электрический потенциал, а непосредственно смежная с ней другая поверхность - нулевой или отрицательный электрический потенциал.
5. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что поверхность (44, 47, 50, 53) с электрическим потенциалом имеет П-образную в плане форму.
6. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что чувствительная зона (17) имеет мембрану (33).
7. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что в чувствительной зоне (17) расположены по меньшей мере один нагревательный резистор (35) и по меньшей мере один термочувствительный элемент (37), которые (35, 37) большей частью размещены в пределах этой чувствительной зоны (17).
8. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что чувствительная зона (17) характеризуется длиной (1), измеренной в поперечном к основному направлению (42) движения потока текучей среды направлении, при этом поверхность (44, 47, 50, 53) с электрическим потенциалом расположена перпендикулярно этому основному направлению (42) потока текучей среды, а ее длина превышает указанную длину (1) чувствительной зоны.
9. Кристалл с датчиком по п.7, отличающийся тем, что резисторы (35) или термочувствительный элемент (37) выполнены в виде токопроводящих дорожек.
10. Кристалл с датчиком по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхность (44, 47, 50, 53) с электрическим потенциалом выполнена в виде токопроводящей дорожки.
11. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одну поверхность (27), вдоль которой движется поток текучей среды и на которой расположены чувствительная зона (17) и поверхность (44,47, 50, 53) с электрическим потенциалом.
12. Кристалл с датчиком по п.1, отличающийся тем, что электрически работа чувствительной зоны (17) не зависит от работы поверхностей (44, 47, 50, 53) с электрическим потенциалом.
13. Способ предотвращения загрязнения расположенного в потоке текучей среды кристалла (1) с датчиком, имеющим чувствительную зону (17), отличающийся тем, что подачей напряжения по меньшей мере на одну из первой и второй или третьей и четвертой поверхностей (44, 47, 50, 53), расположенных на кристалле (1) с датчиком соответственно перед чувствительной зоной (17) по ходу потока или за ней, создают электрическое поле, под действием которого частицы, присутствующие в потоке текучей среды и переносимые этим потоком, отклоняются в сторону от чувствительной зоны (17).
14. Способ предотвращения загрязнения расположенного в потоке текучей среды кристалла (1) с датчиком, имеющим чувствительную зону (17), отличающийся тем, что подачей напряжения по меньшей мере на одну из первой и второй или третьей и четвертой поверхностей (44, 47, 50, 53), расположенных на кристалле (1) с датчиком соответственно перед чувствительной зоной (17) по ходу потока или за ней, создают электрическое поле, под действием которого присутствующие в потоке текучей среды и переносимые этим потоком частицы притягиваются, оседая на участке соответствующей поверхности (44, 47, 50, 53) c электрическим потнециалом перед чувствительной зоной (17) или за ней.
