ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПОДГОНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к области разработки микроминиатюрных малоинерционных систем измерения и анализа жидких и газообразных сред, в частности - микроминиатюрных датчиков температуры.

Известен способ изготовления термочувствительного элемента (ПНР, №112705, G01К 1/00, 1982), включающий операцию изготовления спиралевидного провода и размещения его в канал керамического изолятора, засыпку канала теплопроводным изоляционным порошком, подгонку сопротивления термочувствительного элемента до номинального значения при реперной температуре и герметизацию концов термочувствительного элемента.

К недостатку известного способа относится низкая технологичность изготовления чувствительного элемента и неэффективность подгонки его сопротивления до номинального значения, обусловленные тем, что готовую спираль снимают с керна и укладывают в керамический цилиндр вручную. Концы цилиндра герметизируют в процессе вакууммирования цилиндра, а подгонку сопротивления до номинального значения осуществляют по оставленному снаружи выводу витка спирали. Что малоэффективно при массовом производстве подобных датчиков. Кроме того, применение массивного керамического корпуса с теплоизоляционным порошком приводит к увеличению массы корпуса готового термопреобразователя, а следовательно, и к увеличению его постоянной времени τ измерения, то есть к снижению точности измерений. Причем для изготовления термочувствительного элемента в известной технологии применяется дорогостоящий платиновый провод.

Известен микроминиатюрный термочувствительный датчик 700 Series Platinum RTDs (Honeywell, США, 2005 г.), технология изготовления которого отличается от предыдущей тем, что его спираль изготавливается методом платинового напыления в керамическом корпусе. Готовый термочувствительный элемент заливается теплопроводной пастой и герметизируется. Подгонка номинального сопротивления термочувствительного элемента осуществляется постепенным уменьшением длины концов выступающих из корпуса проводников.

Данная технология более эффективна при массовом производстве. Однако данный термочувствительный датчик малоэффективен в практическом применении. Так, для использования в условиях повышенного давления толщину корпуса известного датчика необходимо увеличивать, что в свою очередь приводит к увеличению его постоянной времени τ измерения, а следовательно - к снижению его чувствительности.

Задачей настоящего изобретения является повышение технологичности изготовления и подгонки сопротивления чувствительного элемента до номинального значения при массовом производстве термопреобразователей сопротивления.

Поставленная задача решается следующим образом.

По варианту 1 в соответствии с технологическим процессом изготовления и подгонки чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления, включающем операции изготовления чувствительного элемента в виде, как минимум, моноспирали, методом навивки термочувствительного провода на керн с последующим отжигом полученной спирали, химическим вытравливанием керна, подгонку номинального сопротивления чувствительного элемента, установку его в корпусе и герметизацию, согласно изобретению непрерывную моноспираль разбивают на последовательность участков с заданным параметром сопротивления, которые затем спирализуют на керне в биспираль с последующей подгонкой сопротивления биспирали до номинального значения, причем подгонку осуществляют сканированием параметра по первому витку моноспирали от конца биспирали. При этом подгонку сопротивления чувствительного элемента, при «минусовом» допуске от номинального значения - осуществляют дополнительным травлением керна с биспиралью, либо, при условии, что чувствительный элемент установлен в корпусе не касаясь внутренних стенок последнего, подгонку к номинальному значению осуществляют посредством частичного выпаривания биспирали пропущенным по ней током повышенного напряжения либо посредством выпаривания ровного участка провода - вывода от биспирали - фокусированным лазерным лучом.

Либо, по варианту 2, также в соответствии с технологическим процессом изготовления и подгонки чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления, включающем операции изготовления чувствительного элемента в виде, как минимум, моноспирали, методом навивки термочувствительного провода на керн с последующим отжигом полученной спирали, химическим вытравливанием керна, подгонку номинального сопротивления чувствительного элемента, установку его в корпусе и герметизацию, согласно изобретению термочувствительный провод разбивают магнитными метками на последовательность участков с заданным параметром сопротивления, которые затем спирализуют на керне в биспираль с последующей подгонкой сопротивления биспирали до номинального значения, причем подгонку осуществляют сканированием параметра по прямому участку провода от конца биспирали.

При этом так же, как и по варианту 1 изобретения, подгонку сопротивления чувствительного элемента, при «минусовом» допуске от номинального значения, осуществляют дополнительным травлением керна с биспиралью, либо, при условии, что чувствительный элемент установлен в корпусе не касаясь внутренних стенок последнего, подгонку к номинальному значению осуществляют посредством частичного выпаривания биспирали пропущенным по ней током повышенного напряжения либо посредством выпаривания ровного участка провода - вывода от биспирали - фокусированным лазерным лучом.

Предложенное изобретение обеспечивает высокую технологичность изготовления и подгонки чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления по сравнению с известными аналогами.

Подгонка сопротивления к номинальному значению по витку спирали (вариант 1) обеспечивает дискретную настройку чувствительного элемента, как у известных аналогов. Однако изготовление чувствительного элемента как по первому, так и по второму вариантам изобретения, из цепочки участков термочувствительного провода с заведомо заданным параметром сопротивления, близким к номинальному, обеспечивает более высокую точность подгонки, а также возможность изготовления идентичных чувствительных элементов в массовом производстве. Причем подгонка сопротивления чувствительного элемента к номинальному значению фокусированным лазерным лучом (вариант 2) отличается высокой точностью, достаточная проста и эффективна.

Предложенная технология обеспечивает возможность массового производства термопреобразователей сопротивления с достаточно точным номинальным значением заданного параметра. Это обусловлено тем, что при массовом производстве из изготовленной партии берется группа чувствительных элементов, у которых подгонка сопротивления осуществляется способом п.3 формулы изобретения и/или берется группа готовых термопреобразователей, подгонка сопротивления которых осуществляется способом по п.4 формулы изобретения, что дает априорную информацию о параметре сопротивления всей партии чувствительных элементов, позволяет на выборочной группе установить оптимальный режим подгонки полученного параметра к номинальному значению и провести подгонку сопротивления всей партии, и тем самым повысить технологичность изготовления термопреобразователей сопротивления в массовом производстве.

Кроме того, применение дополнительного травления или шлифовки сфокусированным лазерным лучом (сканирования) биспирали обеспечивает возможность изготовления тонких или сверхтонких чувствительных элементов (диаметром менее 4 мкм) для микроминиатюрных термопреобразователей сопротивления с высокой термочувствительностью, что невозможно при применении известных технологий.

Изготавливаемые по предложенной технологии термопреобразователи сопротивления отличаются малой массой, высокой чувствительностью, и за счет использования вакуумированного стеклянного корпуса могут применяться в условиях повышенного давления.

На практике подгонку чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления производят следующим образом.

При единичном производстве: - чувствительный элемент (далее - биспираль), изготовленный по варианту 1 или 2 изобретения, проверяют на соответствие заданному номинальному значению сопротивления следующим образом. Биспираль подключают в мостовую схему электрической цепи с эталонным резистором номинального значения - так называемую схему сравнения. При этом один конец биспирали жестко фиксируют, а к участку провода - вывода, отходящего от свободного конца биспирали, - подключают скользящий контакт, передвигая который подгоняют сопротивление биспирали к номинальному значению эталонного резистора. При совпадении параметров сопротивления биспирали и эталонного резистора на выходе схемы сравнения возникает импульс - сигнал (или звуковой сигнал), по которому вывод от биспирали в месте скользящего контакта отсекается. Далее биспираль с номинальным значением сопротивления монтируют в корпус и вакуумируют.

При массовом производстве в процессе спирализации термочувствительного провода на керн биспираль изготавливают с заведомо минусовым допуском от номинального значения сопротивления. Затем из готовой партии берут группу биспиралей на керне, включают каждую из них в электрическую схему сравнения и производят химическое травление и/или дотравливание керна. При этом одновременно с керном частично травится и термочувствительный провод биспирали, в результате чего ее сопротивление изменяется. По сигналу схемы сравнения травление прекращается, при этом фиксируется время травления и концентрация химического раствора. Далее с учетом этих параметров производят подгонку сопротивления всей партии биспиралей. Готовые биспирали монтируют в корпуса и вакуумируют.

Если в процессе массового производства биспиралей после вытравливания керна измеренное значение готовых биспиралей не достигает номинального значения сопротивления, то подгонку сопротивления осуществляют уже в смонтированном термопреобразователе сопротивления. Для этого из готовой партии, как и в предыдущем варианте, берут группу термопреобразователей сопротивления, подключают каждый из них в электрическую схему сравнения и при условии, что биспираль не касается стенок корпуса, пропускают через биспираль ток максимально допустимой величины. Под воздействием тока происходит нагрев и частичное испарение металла биспирали, ее сопротивление падает. По сигналу схемы сравнения воздействие тока на биспираль прекращается, величина тока и время его воздействия фиксируются. Далее с учетом этих параметров производят подгонку сопротивлений всей партии.

Технико-экономические преимущества заявляемого способа по сравнению с известными аналогами заключается в высокой технологичности изготовления чувствительного элемента для микроминиатюрного термопреобразователя сопротивления и подгонки его номинального значения как при единичном, так и при массовом производстве.

Область применения: системы измерительной техники. Сущность изобретения: предлагаются варианты изготовления серии чувствительных элементов из участков моноспирали или прямого термочувствительного провода с заданными параметрами сопротивления, осуществляют подгонку параметра пробной группы из партии готовых чувствительных элементов к номинальному значению, а затем в выбранном режиме осуществляют подгонку всей партии. Причем подгонку номинала пробной группы чувствительных элементов осуществляют методом электрического сканирования либо сканированием сфокусированным лазерным лучом выводов биспирали. При этом, при «минусовом» допуске, подгонку также осуществляют дополнительным травлением керна с чувствительным элементом либо, если чувствительный элемент в вакуумированном корпусе не касается стенок последнего, подгонку осуществляют посредством частичного выпаривания чувствительного элемента пропущенным по нему током повышенного напряжения. Положительный эффект: высокая технологичность подгонки сопротивления чувствительных элементов к номинальному значению при массовом производстве термопреобразователей сопротивления. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Технологический процесс изготовления и подгонки чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления, включающий операции изготовления чувствительного элемента в виде, как минимум, моноспирали, методом навивки термочувствительного провода на керн с последующим отжигом полученной спирали, химическим вытравливанием керна, и подгонку номинального сопротивления чувствительного элемента, установку его в корпусе и герметизацию, отличающийся тем, что непрерывную моноспираль разбивают на последовательность участков с заданным параметром сопротивления, которые затем спирализуют на керне в биспираль с последующей подгонкой сопротивления биспирали до номинального значения, причем подгонку осуществляют электрическим сканированием по первому витку моноспирали от конца биспирали.

2. Технологический процесс по п.1, отличающийся тем, что при «минусовом» допуске от номинального значения подгонку осуществляют дополнительным травлением керна с биспиралью.

3. Технологический процесс по п.1, отличающийся тем, что при «минусовом» допуске от номинального значения при условии, что чувствительный элемент установлен в корпусе не касаясь внутренних стенок последнего, подгонку к номинальному значению осуществляют посредством частичного выпаривания биспирали пропущенным по ней током повышенного напряжения либо посредством выпаривания ровного участка провода - вывода от биспирали - фокусированным лазерным лучом.

4. Технологический процесс изготовления и подгонки чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления, включающий операции изготовления чувствительного элемента в виде, как минимум, моноспирали, методом навивки термочувствительного провода на керн с последующим отжигом полученной спирали, химическим вытравливанием керна, и подгонку номинального сопротивления чувствительного элемента, установку его в корпусе и герметизацию, отличающийся тем, что термочувствительный провод разбивают магнитными метками на последовательность участков с заданным параметром сопротивления, которые затем спирализуют на керне в биспираль с последующей подгонкой сопротивления биспирали до номинального значения, причем подгонку осуществляют электрическим сканированием параметра по прямому участку провода от конца биспирали.

5. Технологический процесс по п.4, отличающийся тем, что при «минусовом» допуске от номинального значения подгонку осуществляют дополнительным травлением керна с биспиралью.

6. Технологический процесс по п.4, отличающийся тем, что при «минусовом» допуске от номинального значения при условии, что чувствительный элемент установлен в корпусе не касаясь внутренних стенок последнего, подгонку к номинальному значению осуществляют посредством частичного выпаривания биспирали пропущенным по ней током повышенного напряжения либо посредством выпаривания ровного участка провода - вывода от биспирали - фокусированным лазерным лучом.