Устройство для измерения параметров среды

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) 3(51) 6 О1 F 1/68; G 01 L 9/08;:

01 Р 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H Д 0й и ч СВИД Л С у фив

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3290074/18-10 (22) 13, 05. 81 (46) 15.07.83. Бюл. 0 26 (72) B,А.Дроздов, С.ПвКостенко и В.А.Сафонов (53) 601.121(088.8) (56) 1, Авторское свидетельство СССР

< 539237, кл, 0 01 1. 9/08, 1975

2. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. Экспрессинформация. И., 1977, И 19, с. 5-8, (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ.-НИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ.» содержащее полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него и включенных в смежные плечи моста измерительной схемы, ббщая точка которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с компенсационным термочувствительным элементом, расположенным вне зоны нагрева, а Выход подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттер и коллектор. которого подключены к источнику питания, измерительная диагональ моста соединена со входами первого дифференциального усилителя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей устройства, нагреватель" выполнен в виде тензорезистора с поперечной пье зоЭДС, на другой стороне полупроводниковой пластины сформирована мембрана, а в измерительную схему введен второй дифференциальный усили- а тель, при этом коллектор регулирующего транзистора соединен с одним из токовых контактов тензорезистора, другой токовый контакт которо" С го подключен непосредственно к источнику питания, а потенциальные контакты тензорезистора подключены к вхо" > дам второго дифференциального усилителя.

1029011

2, Устройство по и, 1, о т л и - рого дифференциального усилителя вклю" чающее ся тем, что, с целью чен полевой транзистор, затвор кото- повышения точности измерения давле- рого соединен с выходом первого дифния среды, в цепь обратной связи вто ференциального усилителя.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров среды - ско. рости, расхода и давления. Изобретение может быть использовано в метеорологии, автомобильной, химичес", кой, электронной промышленностях, Известно устройство для измерения параметров среды, содержащее корпус с размещенным в нем датчиком давления в виде пьезоэлектрической пластинки с внутренним и наружным пленочным электродами.

Наружный электрод соединен с источником постоянного тока и измерителем электрического сопротивления.

Известное устройство позволяет измерять скорость и давление среды t 1).

Однако известное устройство)обладает Hp.aûñoêoé точностью, вследствии изменения коэффициента пьеэочувствительности ат температуры среды, а также температуры наружного электрода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройствуявляется расходомер на интегральных схемах с функцией определения направления потока, содержащий монолитный полупроводниковый кристалл, на котором сформированы методами планарной технологии регулирующий транзистор, обеспечивающий постоянный перегрев кристалла над темпера35 турой потока и два термочувствительных элемента, представляющие собой. биполярные транзисторы. Термочувстви тельные элементы расположены по обе сторонь от транзистора-нагревателя и включены в смежные плечи мостовой измерительной схемы. Схема управления транзистора-нагревателя содержит компенсатор, представляющий собой транзистор, помешенный отдельно в поток среды и измеряющий температуру потока. Термокомпенсатор соединен с операционным усилителем, выход которого подключен к базе транзистора-нагревателя f2).

Известное устройство предназначено для измерения скорости и расхода потока и не дает информации о других параметрах потока, Цель изобретения — повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается

ТеМ что в устройстве для измерения параметров среды, содержащем полупроводниковую пластину, на одной стороне которой сформированы регулирующий транзистор, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных по обе стороны от него и включенных в смежные плечи моста измерительной схемы, общая точка которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с компенсационным термочувствительным элементом, расположенным вне зоны нагрева, а выход подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттер, и коллектор которого подключены к источнику питания, измерительная диагональ моста соединена со входа ми первого дифференциального усилителя, нагреватель выполнен в виде тензорезистора с поперечной пьеэоЭДС, на другой стороне полупроводниковой пластины сформирована мембрана, а в измерительную схему введен второй дифференциальный усилитель, при этом коллектор регулирующего транзистора соединен с одним иэ токовых контактов тензорезистора, другой токовый контакт которого подключен непосредственно к источнику питания, а потенциальные контакты тензорезистора подключены к входам второго дифференциального усилителя.

Кроме того, для повышения. точности измерения давления среды, в цепь

3 0 обратной связи второго дифференци= ального усилителя включен полевой транзистор, затвор которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя.

На фиг. 1 показана монолитная полупроводниковая пластина во взаимо. действии с потоком контролируемой среды, разрез; на фиг. 2 - электри-. ческая схема устройства для измерения параметров среды.

Устройство содержит монолитную полупроводниковую пластину 1, на од,ной стороне 2 которой размещены два. термочувствительных элемента 3 и 4 представляющие собой биполярные транзисторы, включенные в смежные плечи мостовой измерительной схемы.

На стороне 2 пластины 1 расположен тензорезистор 5 C поперечной пьеэоЭДС имеющий токовые контакты 6 и 7 и потенциальные контакты 8 и 9. Со стороны JO в пластине 1 сформирована тонкая мембрана 11 для увеличения чувствительности к давлению, увеличения теплового сопротивления. между тенэорезистором 5, термочувствигельными элементами 3 и 4 по массе монолитной полупроводниковой пластины а также для уменьшения тепловой инерционности измерений. Полупроводни ковая пластина с мембраной представляют собой одно целое и изготавлива" ются по групповой планарной интегральной технологии из полупроводникового материала.

Токовый контакт 6 тензореэистора

5 соединен с плюсом источника питания 12, а токовйй контакт 7 - с коллектором регулирующего транзистора

13, база которого соединена с выходом 14 операционного усилителя 15.

Неинвертирующий вход 16 усилителя

15 соединен с эмиттером транзистора

17, служащего термокомпенсатором, который помещен в среду и измеряет ,ее температуру. Коллектор транзистора 17 через ограничительное сопротивление 18 соединен с плюсом источника питания 12. Транзистор 17 включен в режиме датчика температуры, ток через который поддерживается постоянным при помощи источника постоянного тока 19, 20 транзистор 32 своим затвором подключен к выходу дифференциального уси25 лителя 22.

Устройство работает следующим образом.

При скорости потока среды, равной нулю, задается определенный перегрев монолитной полупроводниковой пластины 1, определяемый заданной величиной нагревательного тока, протекающего по тензорезистору 5 через токовые контакты 6 и 7. Пластина 1 равномерно прогревается, термочувствительные элементы 3 и 4 имеют равные сигналы на коллекторах, Выходной сиг-. нал мостовой измерительной схемы равен нулю, При движении контролируемой среды вдоль поверхности 10 монолитной полупроводниковой пластины 1 происходит теплообмен между элементами пластины 1 и средой. Пограничный слой

34 частично нагревается от участка мембраны 11, расположенного вблизи термочувствительного элемента 4, охлаждая несколько его, дополнительно нагревается от тенэорезистора 5 и передает часть своего избыточного тепла термоэлемент. 3. В результате возникает перепад температур между термочувствительными элементами.3 и 4, пропорциональный корню квадратному из скорости потока. Этот дифференциальный сигнал усиливается дифференциальным усилителем 22. Далее его можно возвести в квадрат для .получения линейной зависимости вы3S

Термочувствительные элементы 3 и 4 включены в мостовую измерительную схему, разностный сигнал которой подается на входы 20 и 21 дифферен29011 4 циального усилителя 2. Сопротивления

23 и 24 являются плечами мостовой измерительной схемы. Токи через термочувствительные элементы 3 и 4 поддерживаются постоянными посредством источника постоянного тока 25. Точка подключения 26 эмиттеров транзисторов, являющихся термочувствительными элементами 3 и 4 соединена с инвертирующим входом 27 операционного усилителя 15.

Потенциальные контакты 8 и 9 размещены в зоне наибольших деформаций, на краях, либо в центре мембраны, в зависимости от кристаллогрзфической ориентации исходного полупроводни" кового материала, и подключены между входами 28 и 29 дополнительного дифференциального усилителя 30, между выходом 31 и входом 29 которого вклю чен полевой транзистор 32, реализующий цепь обратной связи. Полевой

1029011 ходного сигнала от скорости потока;

При изменении скорости потока, например увеличении, некоторая часть тепла уносится с пограничным слоем

34 от пластины 1, температура которой уменьшается. Увеличивается при этом напряжение на термоэлементах 3 и 4, тем самым уменьшается потенциал точки подключения 26, а соответственно, и потенциал инвертирующего входа 27, увеличивается коэффициент усиления операционного усилителя 15, увеличивается ток базы регулирующего транзистора 13, соответственно - нагревательный ток, т.е. ток через токовые контакты тензорезистора 5 с поперечной пьезоЭДС. Так поддерживается постоянным перегрев пластины 1 над температурой среды при изменении скорости.

ОЬЬП l lA7Cyq — с ЕПИт

b где (m) - множитель, зависящий от кристаллографи ческой плоскости мембраны и располо" жения центра тензоэлемента на мембране;

Š— разность потенциалов между пчт токовыми контактами; а и 4 — длина и ширина прямоугольной области, в которой происходит растекание тока;

А » И

Я интенсивность нагрузки; толщина мембраны;

l где

При изменении температуры среды изменяется напряжение на термокомпенсаторе, изменяя тем самым потенциал неинвертирующего входа 16 операционного усилителя 15, что приводит к изменению величины тока базы регулирующего транзистора 13, далеенагревательного тока. Таким образом поддерживается постоянным пер грев пластины 1 над температурой среды.

Контролируемая среда воздействует на тонкую мембрану 11, создавая в ней деформации, пропорциональные давлению. На потенциальных контактах 8 и 9 возникает при этом разность потенциалов, пропорциональная указанному давлению среды

d - радиус;

74< коэффи циент и ьезосопроти в* ления.

Эта разность потенциалов увеличивается прямо пропорционально при увеличении давления на мембрану 11, Сигнал И ЬГ„усиливается дополнительным дифференциальным усилителем 30

1в и является функцией давления, величины тока, протекающего через токовые контакты, т.е. напряжения питания тенэорезистора 5 Е т, коэффициента пьеэосопротивления, а также за<> висит от конструктивных параметров мембраны 11 и тензореэистора

При увеличении температуры среды коэффициент пьеэосопротивления уменьшается.

Одновременно схема управления перегревом чипа 1, включающая термокомпенсатор 17, операционный усилитель 15 и регулирующий транзистор

13, увеличивает напряжение питания 5 тенэорезистора, обеспечивая постоянный перегрев пластины l над температурой среды.

Таким образом, одновременно с уменьшением коэффициента пьезосопроЗО тивления при увеличении температуры среды происходит увеличение напряжения питания тензорезистора 5 (или нагревательного тока).

Известно, что температурная ха рактеристика коэффициента пьеэо,0противления изменяется в широких пределах в зависимости от концентрации легирующей примеси пьеэорезистора 5 и возможен выбор такого удельно ного сопротивления тензорезистора

5, а значит и концентрации легирующей примеси, при которой будет автоматически выполняться компенсация уменьшения коэффициента пьезочувст вительности повышением напряжения питания при увеличении температуры среды. .При уменьшении температуры среды, схема работает аналогично: уве® личивается коэффициент пьезосопро,тивления - уменьшается пропорционально напряжение питания Е:п>т, При изменении скорости потока (как y*e было показано) для обеспечения по1 стоянного перегрева изменяется величина нагревательного тока, Изменение величины сигнала по скорости потока среды на выходе 33

Составитель H.Àíäðååâà

Редактор Т.Парфенова Техред А.Ач Корректор О.Билак Заказ 4945/38 Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж"35, Рауаская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 10290 диференциального усилителя 22 влечет за собой изменение входного сигнала на затворе полевого транзистора 32, что приводит к измерению сопротивления сток - исток полевого транзистора и, следовательно„ изменению коэф-: фициента усиления дополнительного дифференциального усилителя 30.

Таким образом, помимо точного из-,,мерения екорости патока среды и рас- 10 хода при известном сечении измери11 8 тельного участка при использовании предлагаемого устройства возможно получение дополнительной информации о давлении, которая не зависит от изменения температуры среды. Также исключается влияние измеряемой скорости потока среды на выходной сигнал по давлению за счет изменения нагре вательного тока при поддержании поcToHHHblM перегрева пластины 1; над температурой среды.