Odporny na korozję czujnik ciśnienia dla mikroreaktorów chemicznych

Transkrypt

1 MIKROMASZYNY I MIKRONAPĘDY DETEKCJA W MIKRO- I NANOOBJĘTOŚCIACH Laboratorium nr 1 Odporny na korozję czujnik ciśnienia dla mikroreaktorów chemicznych Charakterystyka badanego elementu: Odporny na korozję czujnik cisnienia został opracowany w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaki na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki w ramach projektu europejskiego NEPUMUC PR6 (New Eco-efficient Industrial Process Using Microstructured Unit Components). W tym nowym rozwiązaniu czujnika, odwrócono ogólnie znaną zasadę konstruowania czujników ciśnienia ze strukturami mikromechanicznymi. W rozwiązaniach dotychczas stosowanych, struktura czujnika ciśnienia umieszczona jest w obudowie (Rys. 1a), natomiast w nowym rozwiązaniu, to obudowa zawieszona jest na strukturze czujnika nowego typu (Rys. 1b) 1. Rys. 1. Schemat budowy czujnika ciśnienia: a) według rozwiązań dotychczasowych, b) według nowego rozwiązania własnego. Do budowy tego czujnika wykorzystano krzemowe struktury czujników ciśnienia na kwadratowym słupku szklanym (ITE Warszawa), które po spojeniu z podkładka krzemową i specjalnym okrągłym słupkiem szklanym, zostały zamknięte w obudowie z zewnętrznym gwintem, umożliwiającym wkręcenie czujnika w obudowę chipu mikroreaktora. Połaczenia cieczowe czujnika z wnętrzem chipu mikroreaktora wykonano w podobny sposób jak dla podłączeń cieczowych firmy UpChurch (Rys. 2). Badany czujnik charakteryzuje się całkowitą odpornością chemiczna na stężone, gorące kwasy (siarkowy, azotowy) i niebezpieczne rozpuszczalniki organiczne (benzen, toluen). 1 Trwa postępowanie patentowe.

2 Rys. 2. Dyskretny czujnik ciśnienia w obudowie z chipem mikroreaktora. Cel ćwiczenia: W ćwiczeniu zostaną określone parametry piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia, który przeznaczony jest do platformy pomiarowej dla mikroreaktora chemicznego do prowadzenia reakcji nitrowania. Opis stanowiska: 1. Dyskretny, wkręcany czujnik ciśnienia w obudowie, 2. zawór odcinający (umieszczony z boku stołu pomiarowego), 3. regulator ciśnienia, 4. referencyjny czujnik ciśnienia Festo, 5. zawór elektromagnetyczny Festo oraz przełącznik do sterowania jego pracą (nie stosowany podczas ćwiczenia), 6. elementy elektroniczne w obudowie, 7. zasilacz, 8. miernik uniwersalny. Przebieg ćwiczenia: Przygotowanie stanowiska do pomiarów: 1. Włączyć zasilacz LPS-305 (nie regulować nastaw!). 2. Załączyć zasilanie przyciskiem ON/OFF na klawiaturze zasilacza. 3. Odczekać 2 minuty do ustabilizowania się prądu zasilającego czujnik (źródło prądowe zasilające czujnik zamknięte jest wewnątrz obudowy). 4. Włączyć miernik uniwersalny, ustawić na pomiar napięcia stałego VDC. 5. Dopilnować, aby wylot z kapilary teflonowej był szczelnie zamknięty. 6. Regulacja offsetu - dla ciśnienia P = 0 kpa zrównoważyć wskazanie woltomierza regulując potencjometrem OFFSET dążyć do wartości U = 0V. Wyznaczenie charakterystyki U out (P): Zmierzyć charakterystykę sygnału wyjściowego U out w funkcji ciśnienia. Czujnik ciśnienia zasilany jest stałym prądem I supp = 1 ma.

3 Cykl pomiarowy: Wartość ciśnienia zmieniać w zakresie kpa co 50 kpa podczas narostu i spadku ciśnienia (nastawa regulatorem ciśnienia, dokłdane wskazania odczytywać z referencyjnego czujnika ciśnienia Festo). Po każdorazowej zmianie nastaw odczekać około 15 sekund do ustabilizowania się ciśnienia - obserwować wskazanie referencyjnego czujnika ciśnienia Festo i woltomierza. Wartości napięcia zanotować. Cykl pomiarowy powtórzyć trzykrotnie. Częściowe pracowanie wyników: 1. Należy dążyć do wykreślenia krzywych i obliczenia parametrów w trakcie ćwiczenia. 2. Przeskalować otrzymane wskazania napięcia (dla wszystkich cykli) aproksymując je funkcją liniową A*x + B (Oś X napięcie w woltach, oś Y ciśnienie w kpa). Pomiar histerezy pneumatycznej. Zmierzyć histerezę H p czujnika ciśnienia. Ciśnienie zmieniać w zakresie kpa. Czujnik ciśnienia zasilany jest stałym prądem I supp = 1 ma. Cykl pomiarowy: Ciśnienie zmieniać skokowo zgodnie z cyklem opisanym poniżej. 0P 1 -> 0P 2 -> ½ (P 2 P 1 ) -> 1P 1 -> ½ (P 2 P 1 ) -> 2P 2 -> 2P 1 Cykl pomiarowy powtórzyć trzykrotnie. Histerezę pneumatyczną H p wyliczyć dla każdego cyklu, dla narostu i spadku ciśnienia. * xp 1 = 0 kpa, xp 2 = 400 kpa zapisać w kolejności i porównać P 1, 1P 1, ½ (P 2 P 1 ), P 2, 2P 2, P 1, 1P 1, 2P 1

4 Opracowanie wyników: Dane: U zaś napięcie zasilania mostka, typowo U zaś = 5V V 0 napięcie niezrównoważeni w mv/v, czyli odniesione do napięcia zasilającego czujnik, jest to napiecie występujące na przekątniej mostka Wheatstone a w czujniku bez obciążenia ciśnieniowego. V 0 wynika z błędów produkcyjnych rezystorów i wynosi typowo: V 0 = 3 do 5 mv/v dla bardzo dobrych producentów V 0 = 5 do 10 mv średnio R br rezystancja mostka widziana od strony zasilania w kω, wynosi z reguły R br = 5 kω ± 10% P MAX jest to stałe ciśnienie maksymalne jakie może być doprowadzone do czujnika P max = 400 kpa Wyznaczyć: S czułość: jest to przyrost sygnału wyjściowego pod wpływem przyrostu ciśnienia odniesiony do wartości napięcia zasilania; wyrażony w mv/100 kpa/5 V. U FSO napięcie pełnego zakresu: jest to całkowity przyrost sygnału wyjściowego tzn. maksymalny sygnał wyjściowy pomniejszony o napięcie niezrównoważenia V 0, powstający dla ciśnienia maksymalnego dla danego rodzaju czujnika, odniesiony do napięcia zasilającego; wyrażony w mv/v N nieliniowość: jest to błąd w % wskazań czujnika dla ½ P MAX w stosunku do teoretycznych wartości otrzymanych dla ½ P MAX wg prostej łączącej punkty: V 0, P = 0 i P MAX U N = *100% 1 U / P = P max 2 N < 0,1% H histereza pneumatyczna: jest to % błąd wskazań czujnika występujący dla P=½ P MAX dla wzrostu ciśnienia od P = 0 do P = P MAX i malenia ciśnienia od P = P MAX do P = 0 U H = *100% 1 U / P = P max 2 gdzie: ΔU przy wzroście i maleniu ciśnienia P Gdzie ΔU = ((U Pmax + U Pmin )/2) U 1/2 Pmax

5 Literatura: 1. Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Strony internetowe producentów piezorezystancyjnych czujników ciśnienia np. Motorola lub modułów do pomiaru ciśnienia np. Peltron. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania: 1. Klasy dokładności czujników ciśnienia. 2. Efekt piezorezystancyjny. 3. Zasada pomiaru mostkiem Wheatstone a. 4. Konstrukcja mechaniczna piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia. 5. Technologia mikromechanicznego, piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia (wykonanie membrany krzemowej, wykonanie piezorezystorów). 6. Bonding anodowy krzemu ze szkłem podstawowe parametry procesu. 7. Szkło stosowane do wytwarzania struktur mikromechanicznych typy i podstawowe właściwości.