Способ измерения скорости газового потока и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Кемитет Рессийсквй Федерации пе патентам и теварным знакам (21) 5066108!10 (22) 13.1032 (45) 30.1293 Бкв Na 47-48 (71) Малое предприятие CEHC0P-TENON" (7ф Груде ОМ (73) Малое предприятие СЕНСОР-ТЕКОМ (54} СйОСОВ ИЗМИИНИЯ СКОЕОСтИ ИЗОВОГО ЛОТОКА И УИРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩ ИЛВЛЕНИЯ (Ill ((. исспедовамях и медицине дпя измеревя скорости газового потока Сущность изобретения: при moсобе измерена скорости газового потока, основан,we на разогреве центрааного терморезистора, входящего в состав термоеамометра, и определеев скорости газового потока по разности температур двух его боковых терморезисторов, реализован («Ф твтъный разогрев двух боковых терморезисторов, (19) RU (и) 2()(6 ))0 1 (5Х) что отношение мощности рассеиваемой на централыюм терморезисторе, к суммарной мощносщ рассеиваемой на двух боковых тзрморезистора а таоке разница между температурой центра ного терморезистора и средней теюературой двух боковых терморезисторов поддерживаются постоюным что позволяет повысить точность измерений и расширить диаазон измерений в область болыаа скоростей потока Устройство. реализующее способ, вавочает зпектронную схему обработки ав наnos термоанемометра, содержащего три терморезистора выполнееую таверн образов что увеличе- ние теюоотдае при ботвале скоростях потока компенсируется увепичемем рассеиваемой мощности за счет увеличения напряженна Ори этом увеличение налрвкения U приводит к допоевпеп увеличению чувствитеа ности устройства посложительному наржеаео U. 2 ит.

2005300

55

Изобретение относится к технике измерения скоростей газовых поТоК08 и может быть использовано в промышленности, научных исследованиях и медицине.

Принцип действия термоанемометра, содержащего центральный нагревательный элемент и два термочувствительных элемента, расположенных с двух сторон от него, заключается в измерении разности температур термочувствительных элементов при обдуве датчика газовым потоком.

Достоинством такого термоанемометра является возможность одновременного определения величины и направления скорости газового потока, а также отсутствие смещения при нулевой скорости потока. Чувствительность термоанемометра пропорциональна температуре нагрева нагреваемого элемента по отношению к температуре газового потока. По этой причине охлаждение нагревателя при больших скоростях газового потока приводит к уменьшению чувствительности и, следовательно. к сужению диапазона его измерений.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения скорости газового потока, состоящий в разогреве центрального терморезистора, входящего в состав термоанемометра, и определении скорости газового потока по разности температур двух его боковых термореэисторов, Для расширения диапазона измерений увеличивают мощность, рассеиваемую на терморезисторе таким образом, чтобы препятствовать его остыванию при увеличении скорости потока, При этом контролируется разница температур нагреваемого терморезистора и дополнительного(четвертого) терморезистора. расположенного на подложке.

Способ осуществляется устройством, состоящим иэ термоанемометра, содержащего центральный терморезистор, два терморезистора, расположенных с двух сторон от него, дополнительного (четвертого) терморезистора, расположенного на подложке, и электронного устройства, реализующего данный режим разогрева.

Недостаток данного способа измерений заключается в следующем. Температура четвертого терморезистора може существенно отличаться от температуры газа вследствие большой термической массы (инерционности) подложки и хорошего теплового контакта между ней и четвертым терморезистором, В этом случае температуры перегрева нагревателя по отношению к температуре газового потока может изменяться во времени, что приводит к изменению чуа5

30 ствительности, термоанемометра и погрешности измерений.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений в область больших скоростей газового потока и повышение точности измерений за счет устранения влияния разности температур газа и подложки-корпуса на чувствительность измерителя.

Поставленная цель достигается тем, что при способе„включающем разогрев центрального термореэистора и определение скорости газового потока по разности температур двух его боковых терморезисторов, одновременно дополнительно разогревают два боковых терморезистора так, чтобы отношение мощности, рассеиваемой на центральном терморезисторе, к суммарной мощности, рассеиваемой на двух боковых терморезисторах, а также разница между температурой центрального терморезистора и средней температурой двух боковых терморезисторов поддерживались постоянными.

На фиг. 1 представлено качественное распределение температур по сечению чувствительного элемента, Т1, Т2 и T3 — температуры соответственно первого, второго и третьего терморезисторов, Т вЂ” температура пленки в точке С, удаленной как от нагреваемых терморезисторов, так и от края углубления. Вследствие малой теплопроводности вдоль диэлектрической пленки температура равна температуре газового потока и не эависит от температуры подложки и нагрева термореэисторов.

Увеличение скорости газового потока должно приводить к уменьшению как абсолютного перегрева центрального терморезистора Т2-Т, так и температуры neperpeaa центрального терморезистора по отношению к средней температуре двух боковых терморезисторов Т2 — (T1 + T3)/2. Поддержание в этом случае величины Т2 -(T1+ T3)/2 постоянной за счет увеличения рассеиваемой на трех терморезисторах тепловой мощности при постоянном отношении мощностей, рассеиваемых на центральном и двух боковых терморезисторах, препятствует их охлаждению и, следовательно, уменьшению чувствительности термоанемометра. По сравнению с прототипом при предложенном способе дополнительно расширяется диапазон измерений в область больших скоростей, поскольку увеличение рассеиваемой на двух боковых термореэисторах мощности достигается за счет увеличения падения напряжения на них, Это приводит к дополнительному увеличению чувствительности термоанемометра при больших скоростях (B прототипе напря2ОО5300 жение, подаваемое на измерительный мост, в который включены два боковых термореэистора, поддерживается постоянным). В отличие от прототипа заявляемый способ позволяет также ограни иться для его реализации только тремя терморезисторами, теплоиэолированн ыми от корпуса и находящимися в хорошем тепловом контакте с газовой средой. Это обеспечивает нечувствительность термоанемометра к изменениям разности температур газа и корпуса-подложки, что повышает точность измерений и стабильность его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения скорости газового потока, содержащем первый, второй (центральный), третий терморезисторы и электронную схему обработки сигналов, включающую четыре операционных усилителя и резисторы, первые выводы первого, второго и третьего терморезисторов подключены к общей шине, а их вторые выводы соединены с первыми выводами соответственно первого, второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены между собой, второй вывод центрального терморезистора подключен к неинвертирующим входам первого и второго операционных усилителей, вторые выводы первого и третьего терморезисторов подключены к инвертирующим входам соответственно первого и второго операционных усилителей, в первом и втором операционных усилителях инвертирующие входы соединены с выходами через соответственно четвертый и пятый резисторы, выходы первого и второго операционных усилителей соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя через соответственно шестой и седьмой резисторы, неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к общей шине, а его инвертирующий вход через конденсатор соединен с его выходом, выход третьего операционного усилителя подключен к общей точке соединения первого, второго и третьего резисторов, выход первого операционного усилителя через восьмой резистор, з выход второго операционного усилителя через девятый резистор подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам четвертого оперзционного усилителя, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя через десятый резистор соединен с общей шиной, 3 инвертирующий вход через одиннадцатый резистор — с его выходом.

Нз фиг. 2 приведена принципиальная схема устройства, Устройство содержит центральный 1 и два боковых 2 и 3 терморезистора, входящих в состав термоанемометра, постоянные резисторы 4 — 14, операционные усилители

5 15 — 18, а также конденсатор 19. Термореэисторы 2, 1, 3 с номиналами RT>, 8тг. 8тэ соответственно подключены к постоянным резисторам 4, 5 и 6 с номиналами Rf, R2, R3 и образуют три делителя напряжения. One10 рационные усилители 15 и 16 с сопротивлениями 7 и 8 в обратной связи, имеющими номиналы R4. R5, подключены к трем делителям напряжения. Выходы операционных усилителей 16 и 15 подключены к суммиру15 ющему интегратору, образованному операционным усилителем 17, резисторами 9 и 10 с номиналами R6 и 87 и конденсатором 19

С. Выходы этих усилителей подключены также к вычитающему усилителю нэ базе one20 рационного усилителя 18 и постоянных резисторов 11, 12, 13 и 14 с номиналами 88, R9, R10 и R11 соответственно.

Поддержание постоянной разницы температур Т2 — (Т1 + ТЗ)/2 с помощью сумми25 рующего интегратора (при условии, что R6

R7) происходит следующим образом. При настройке схемы устанавливается отношение R2/R I > R /йт1, что приводит к формированию напряжений 01 < О. U2 < О.

30 Интегратор, суммирующий напряжения 01 и 02 формирует пег.ожительное напряжение U. С увеличением О происходит paso-, грев термореэисторов и возникает профиль температуры, показанный на фиг. f. При

35 этом увеличивается разница температур Т2— (Т1+ ТЗ)/2, При определенном значении U достигается условие

- — ехр(а(Тз 2 )) °

Ртз Tf + Тз

ch(a ) =g-. (1) в результате чего сумма напряжений Ut +

U2 - О, В дальнейшем условие (1) поддерживается автоматически в процессе измере45 ний при постоянном отношении мощностей, рассеиваемых нэ центральном

1 и двух боковых 2 и 3 терморезисторэх.

Если разница температур ТЗ вЂ” Т1 не превышает нескольких градусов, то значением(ТЗ50 — Т1)/2 «1 (a 3 t0 !/K). В этом случае уравнение (f) приводится к виду

1 R2 8т1

Т2 — (Tf + ТЗ)/2 — - In а 8f 8и

-const Р)

Выходное напряжение устройства, формируемое рвзностным усилителем с коэффициентом усиления К, равно (с учетом уравнения(1))

Uavx - К (U f — U2) 2КОх

2005300 первого и второго операционных усилите30 лей, вторые выводы первого и третьего термореэисторов подключены к инвертирующим входам соответственно первого и второго операционных усилителей, в первом и втором операционных усилителях

35 инвертирующие входы соединены с выходами через соответственно четвертый и пятый резисторы, выходы первого и второго операционных усилителей соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя через соответственно шестой и седьмой резисторы, неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к общей шине, а его

45 инвертирующий вход через конденсаторс его выходом, выход третьего операционного усилителя подключен к общей точке соединения первого, второго и третьего резисторов, выход первого операционного

50 усилителя через восьмой резистор, а выход второго операционного усилителя - через девятый резистор подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам четвертого операционного

55 усилителя, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя через десятый резистор соединен с общей шиной, а инвертирующий вход через одиннадцатый резистор - с его выходом.

R2R4 ТЗ-Т4

R 1 (R 2 + Ry z)- Й (а 2 — ) (31

При а (ТЗ вЂ” Т1)/2 «1

0вых= а K U

R2 R4 (T3 — Т1) (4) Предлагаемое устройство позволяет расширить диапазон измерений в область больших скоростей. Увеличение теплоотдачи при больших скоростях потока, которое должно приводить к охлаждению терморезисторов, компенсируется увеличением рассеиваемой мощности за счет увеличения напряжения U. При этом увеличение U приводит к дополнительному увеличению чувствительности устройства, поскольку выходное напряжение, определяемое уравнениями (3) и (4), пропорционально напряжению U.

Предлагаемый способ целесообразно применять в высокочувствительных термоанемометрах. терморезисторы которых обладают высокой тепловой изоляцией от корпуса. Для изготовления подобных термоанемометров в настоящее время применяется технология формирования

Формула изобретения

1. Cnocob измерения скорости газового потока, заключающийся в разогреве центрального термореэистора и определении скорости газового потока по разности температур двух боковых терморезисторов, отличающийся тем, что дополнительно разогревают два боковых терморезистора, при этом отношение мощности, рассеиваемой на центральном терморезисторе, к суммарной мощности, рассеиваемой на двух боковых термореэисторах, а также разница между температурой центрального терморезистора и средней температурой двух боковых терморезисторов поддерживаются постоянными.

2. Устройство для измерения скорости газового потока, содержащее первый, второй, третий термореэисторы и электронную схему обработки сигналов, включающую четыре операционных усилителя и резисторы, отличающееся тем, что первые выводы первого, второго и третьего термореэисторов подключены к общей шине, а их вторые выводы соединены с первыми выводами соответственно перво го, второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены между собой, второй вывод центрального терморезистора подключен к неинвертирующим входам

20 микромеханических структур на кремнии, позволяющая создавать пленочные термореэисторы на тонких диэлектрических пленках, нависающих над углублением в кремниевой подложке. Пленки площадью

0,01.„0,1 мм имеют контакт с подложкой

2 только в определенных участках по периметру углубления, а их толщина может быть менее 1 мкм. Данные конструктивные особенности чувствительного элемента и малый коэффициент теплопроводности пленок (менее 0,02 Вт/см К) обеспечивают не только исключительно высокую тепловую изоляцию термореэисторов от подложки, но и их малую массу и хороший тепловой контакт с окружающим газом. По этой причине пленочные терморезисторы, расположенные на диэлектрической пленке, обладают быстродействием около 5 мс, что позволяет им отслеживать изменение температуры газа, а их температура практически не зависит от температуры подложки. (56) Патент США N- 4542650, кл. G 01 F 1/68, 1985.

Патент США N- 4548078, кл. G 01 F 1/68, 1985, 4

Составитель И.Полунина

Техред М.Моргентал Корректор М.Куль

Редактор А,Бер

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Заказ 3431

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101