Термоанемометр

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (1ц1002967 (61) Дополнительное к авт. свид-ву" (22) Заявлено 16. 02. 81 (21) 3250029/18-10 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет (5))N. Кл.

6 01 Р 5/12

Гееулзрстееекые кемктет

ЕССР

Опубликовано 07.03. 83. Бюллетень МЭ (53у УДK 532 574 (088. 8) яв лелем изобретений и етерытий

Дата опубликования описания 97.03.83

В.А.дроздов, С.П.Костенко и Ю.И.Кузовлев. -,т (72) Авторы изобретения

Одесский технологический институт холодильной промышленности (71) Заявитель. (4) ТЕРМОАНЕМОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению скоростей потоков жидкостей и газов.

Известен термоанемометр, состоящий из транзистора, в котором переход коллектор - база используется как нагреватель, реп-переход эмиттер - база - как термочувствительный элемент. В схеме применен термоком" пенсатор Тх, включенный в диодном режиме, помещенный непосредственно в измеряемую среду и управляющий ба» зой транзистора Т для поддержания постоянного перегрева корпуса транзистора относительно измеряемой сре" ды Li).

Недостатком данного устройства является еro низкая надежность, обу:словленная возможностью выхода из строя р-и-переходов база-коллектор, служащего нагревателем.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является термоанемометр, состоящий из двух транзисторов, выполненных в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источник питания, электрические выводы, при этом р-и-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему 1 2) .

Недостатком устройства является низкая точность измерения.

Цель -повышение точности измерений и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что термоанемометр, состоящий из двух транзисторов, выполненных в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источник питания, электричес1002967 кие выводы, при этом р-и-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему, снабжен дополнительным источником питания, связанным через два электрических вывода с нагревателем, выполненным в виде дополнительного четвертого слоя, нанесенного на. коллектор термочувствительного элемента, 16

На фиг, 1 представлен датчик, разрез, на фи г ° 2 — электрическая схема термоанемометра.

Устройство содержит полупроводниковый прибор, состоящий из корпуса 1, в котором размещен полупроводниковый кристалл 2. В кристалле 2 сформирован р-и-переход 3 эмиттер

4 - база 5, служащий термочувствительным элементом, а также коллектор 6, 2о образующий с базой 5 р-и-переход (5-6) база 5 - коллектор 6, Со сто роны, противоположной этому р-п-переходу (5-6), коллектор 6 образует р-и-переход 7 с дополнительным чет- 25

BepTbtM слоем 8, служащим нагревателем и имеющим противоположный коллектору тип проводимости . К нему подсоединены электрические выводы 9 и 1О, К базе

5 подключен вывод 11, а к эмиттеру 1!

4 — вывод !2, р-и-переход 3 включен с термокомпенсатором 13 в дифференциальную схему. Оба термочувствительных элемента, термокомпенсатор 13 и датчик 3 подсоединены к источнику 14 пи3S тания через токоограничительные сопротивления 15 и 16 и балансное сопротивление 17, служащее для начальной установки нуля. Дополнительный четвертый слой 8, служащий нагревателем, выводами 9и 10 соединен с дополнительным источником 18 питания, который управляется через ограничительное сопротивление 19 от термокомпенсатора

13. Дополнительный источник 18 пита45 ния может быть построен по схеме параметрического стабилизатора, тогда сопротивление 19 будет определять величину смещения транзистора, управляющего нагревательным током.

Коллектор в данном случае не под- ключен ни к одному из элементов схемы и служит в качестве защиты обратносмещенным р-и-переходом 7 и 5-6, т.е. изолирующим слоем. Коллектор 6 можно также подключить к эмиттеру 4.

Термоанемометр работает следующим образом.

При подаче напряжения от источника 14 питания через р-и-переходы эмит. тер - база кристалла 2 и термокомпенсатора 13 протекают измерительные токи величиной до 500 мкА, Значения последних определяют ся сии ни мал ь ной погрешностью (за счет протекания, например, измерительного тока по участку базы от электрического вывода 11 до р-и-перехода 3).

Помимо того, увеличение измерительного тока влечет за собой возрастание погрешности термоанемометра от саморазогрева.

При подаче напряжения от дополнительного источника 18 питания через выводы 9 и 10 по дополнительному четвертому слою 8 потечет нагревательный ток, величина которого будет определяться внутренними параметрами дополнительного источника 18 питания, сопротивлением 19 и значением сопротивления самого нагревателя 8.

Зададим нагревательным током необходимую температуру кристалла 2, т ° е. перегрев над температурой среды, которую измеряет термокомпенсатор 13.

Сопротивлением 17 устанавливаем выходной сигнал равным нулю либо какому-то определенному значению при скорости потока, равной нулю.

При наличии потока среды им уносится некоторая часть тепла от корпуса 1, который нагревается от дополнительного четвертого слоя 8.

Корпус 1 охлаждается, уменьшается и температура кристалла 2, являющаяся мерой измеряемой скорости, которую фиксирует датчик 3. При изменении температуры потока меняется напряжение на термокомпенсаторе 13 и через сопротивление 19 управляет дополнительным источником 18 питания для поддержания постоянным перегрева. Кроме того, меняется точка отсчета выходного сигнала на электрическом выводе 13 относительно изменившегося напряжения эмиттербаза термокомпенсатора !3.

При быстрых изменениях состояния среды протекающего потока (резкое изменение скорости либо температуры) может быть увеличенный нагрев кристалла 2. Однако это обстоятельство не выведет из строя датчик 3, поскольку тот питается очень малым измерительным током и может сохранять свои свойства до температуры 170""

967

Формула изобретения

5 1002

180 С. Надежность нагревателя 8 обусловлена тем, что монокристаллический полупроводниковый материал, например кремний, свойства которого о сохраняются до температуры 300-350 С, и есть дополнительный четвертый слой.

Сопротивление его c температурой изменяется монотонно, поэтому не происходит никаких скачкообразных и лавинных процессов как в р-и-переходе (в случае, когда нагреватель - р-и-переход эмиттер-база).

В термоанемометре исключено влияние нагревательного тока на выход.ной сигнал потому что коллектор 6 слу жит изолирующим слоем и должен иметь толщину, достаточную чтобы обедненная область или область пространственного заряда не влияла на выходной сигнал, а также чтобы не было 2О смыкания слоев.

Подключение дополнительного четвертого слоя 8 электрическими выводами 9 и 10 к дополнительному источнику 18 питания позволяет значительно повысить точность поддержания постоянным перегрева датчика 3 над температурой среды, Применение в качестве нагревателя дополнительного четвертого слоя 8,3о являющегося монокристаллом кремния, позволяет перегревать кристалл 2 до температуры 170-.180 С без угрозы выхода из строя элементов термоанемометра, тем самым повысить надежность последнего в целом.

Термоанемометр, состоящий из двух транзисторов, выполненных в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источники питания, электрические выводы, при этом р"и-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений и надежности, он снабжен дополнительным источником питания, связанным через два электрических вывода с нагревателем, выполненным в виде дополнительного четвертого слоя, нанесенного на коллектор термочувствительного элемента.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство CCCP

М 584252, кл. G 0 1 P 5/12, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке И 2999458/18- 10, G 0 1 P У12, 08.08.80.(прототип).

1002967

Фиа Г

Составитель Е.Сыс

Редактор Н.Гунько Техред Т.йаточка Корректор Е.Ровко

Заказ 1539/26 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП иПатент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4