Способ измерения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа (варианты)

 

Использование: в измерительной технике для измерения пространственных распределений скоростей жидкостных и газовых потоков. Сущность изобретения: определение пространственного распределения скорости потока V(x) осуществляется одним протяженным полупроводниковым термочувствительным элементом. Способ основан на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током J_н термочувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p⁺- или n-p-n⁺-структуры протяженностью L и скоростью жидкости или газа, в котором термочувствительный элемент находится. Через p- или n-слой пропускают постоянный ток нагрева J_н от источника напряжения E, подключенного к двум концам p- или n-слоя, а между одним из концов p- или n-слоя и p⁺- или n⁺-слоем подают напряжение U. Изменяя U в пределах , измеряют зависимость J(U) от U, по которой определяют распределение локальной плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента. По распределению j(x) и по предварительно найденной зависимости j(V) - плотности обратного тока насыщения от скорости потока определяют распределение V(x). 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении пространственных распределений скоростей жидкостных и газовых потоков.

Известен термоанемометрический способ измерения скорости потока жидкости или газа (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л.: Машиностроение. 1989. - 701 с., стр. 399 - 402), основанный на зависимости между потерей тепла (т.е. изменением температуры) непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током I_н резистивного термочувствительного элемента и скоростью потока жидкости или газа, в котором этот термочувствительный элемент находится. Тепловая мощность P, теряемая термочувствительным элементом длиной l при обтекании его перпендикулярным потоком жидкости или газа, имеющего скорость V, определяется уравнением: P = (T - T_с) l (a + b Vⁿ) где a, b, n - постоянные коэффициенты (константы), определяемые температурой, теплофизическими свойствами и геометрическими параметрами термочувствительного элемента и потока; T_с - температура потока; T - температура нагреваемого термочувствительного элемента; P = I_нR_н (R_н - сопротивление нагреваемого термочувствительного элемента).

При заданном токе нагрева измеряют электрическое сопротивление нагреваемого резистивного термочувствительного элемента. По предварительно измеренной зависимости сопротивления термочувствительного элемента либо от температуры R_н = R(T), согласно формуле (1), либо от скорости потока R_н = R(V) определяют скорость потока жидкости или газа в точке размещения термочувствительного элемента. Недостатком этого термоанемометрического способа является низкая чувствительность термочувствительного элемента и возможность измерения скорости потока только в одной точке. Названным способом возможно измерение пространственного распределения скорости потока жидкости или газа V(x) только применением множества термоанемометрических датчиков (а.с. 590678 G 01 P 5/12 1976 г.), либо одного перемещаемого в потоке датчика (а. с. 1244594 G 01 P 5/12 1984 г.), что усложняет реализацию данного способа.

Наиболее близким является термоанемометрический способ измерения скорости потока жидкости или газа, реализованный устройством (а.с. N 584252 G 01 P 5/12 1977), основанный на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током I_н термочувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной транзисторной p-n-p- (или n-p-n)-структуры от скорости потока жидкости или газа, в котором этот термочувствительный элемент находится. При заданном токе нагрева измеряют падение напряжения U_п на p-n-переходе нагреваемого термочувствительного элемента. По предварительно измеренной зависимости U_п = f(V) падения напряжения на p-n-переходе термочувствительного элемента от скорости V потока, определяют скорость V потока жидкости или газа в точке размещения полупроводникового термочувствительного элемента. Недостатком этого термоанемометрического способа является невозможность измерения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа одним неподвижным термочувствительным элементом.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в определении пространственного распределения скорости потока V(x) жидкости или газа одним протяженным (одномерным) полупроводниковым термочувствительным элементом.

Эта задача решается тем, что в способе измерения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа V(x) в интервале координат 0 ≅ x ≅ L, основанном на зависимости между потерей тепла (т.е. изменением температуры) непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током I_н термочувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p- (или n-p-n)-структуры протяженностью L и скоростью потока жидкости или газа, в котором этот термочувствительный элемент находится, через p (или n) слой трехслойной p-n-p⁺- (или n-p-n⁺)-структуры пропускают постоянный ток нагрева I_н от источника напряжения E, подключенного к двум конца p- (или n)-слоя, а между одним из концов p- (или n)-слоя и слоем p⁺ (или n⁺) подают напряжение U, изменяя которое в диапазоне 0 ≅ U ≅ E с шагом ΔU/2 ≪ ϕ_т, где ϕ_т - температурный потенциал, измеряют зависимость тока I(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют разность токов ΔI(U) = I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2), определяют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = KΔI(U)/ΔL, где координата x пропорциональна U и определяется выражением x = UL/E, K - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = ΔUL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости j(V) плотности обратного тока насыщения от скорости потока определяют искомое пространственное распределение V(x) скорости потока жидкости или газа вдоль термочувствительного элемента.

Эта задача решается также тем, что в способе измерения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа V(x) в интервале координат 0 ≅ x ≅ L, основанном на зависимости между потерей тепла (т.е. изменением температуры) непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током I_н термочувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p- (или n-p-n)-структуры протяженностью L и скоростью потока жидкости или газа, в котором этот термочувствительный элемент находится, через p- (или n)-слой трехслойной p-n-p-⁺ (или n-p-n⁺)-структуры пропускают постоянный ток нагрева I_н от источника напряжения E, подключенного к двум концам p- (или n)-слоя, а между одним из концов p- (или n)-слоя и слоем p⁺ (или n⁺) подают суммарное напряжение U_Σ = U+Um sinωt, где Um ≪ ϕ_т, ϕ_т - температурный потенциал, а частоту гармонического сигнала выбирают из условия ω_н ≪ ω ≪ 1/(LRC), где ω_н - верхняя частота спектра электрического сигнала U, R - погонное сопротивление p-слоя, C - входная емкость между p- и p⁺-слоями, и, изменяя напряжение U в диапазоне 0 ≅ U ≅ E, измеряют зависимость амплитуды переменного тока I_m(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = 2KIm(U)/ΔL, где координата x пропорциональна U и определяется выражением x = UL/E, K - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = 2Um L/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости j(V) плотности обратного тока насыщения от скорости потока, определяют искомое пространственное распределение V(x) скорости потока жидкости или газа вдоль термочувствительного элемента.

На фиг. 1 представлена измерительная схема, реализующая способ, и возможное пространственное распределение профиля скорости потока жидкости или газа V(x) вдоль чувствительного элемента, которое необходимо измерить. На фиг. 2, а приведена эквивалентная электрическая схема термочувствительного элемента. На фиг. 2, б эквивалентная электрическая схема элементарного участка термочувствительного элемента длиной dx. На фиг. 3 изображен график функции S(x) при L = 1;
ϕ_т = 0,025 В;
E = 1000ϕ_т;
c = 1.

Кривая 1 соответствует x_b = 0,3L, а кривая 2 соответствует x_b = 0,8L. На фиг. 4 представлена измерительная схема, реализующая способ, с применением переменного сигнала. На фиг. 5 представлен один из вариантов устройства, реализующего способ, с применением переменного сигнала.

Устройство по фиг. 1 содержит: полупроводниковый термочувствительный элемент 1 с p-n-p⁺-структурой, источник 2 постоянного напряжения E = const, регулируемый источник 3 напряжения U, вольтметр постоянного напряжения 4, микроамперметр постоянного тока 5. Устройство по фиг. 4 содержит полупроводниковый термочувствительный элемент 1 с p-n-p⁺- структурой, источник 2 постоянного напряжения E = const, регулируемый источник 3 напряжения U, вольтметр постоянного напряжения 4, источник гармонического сигнала U_s(t) 5, микроамперметр переменного тока 6. Устройство по фиг. 5 содержит полупроводниковый термочувствительный элемент 1 с p-n-p⁺-структурой, источник 2 постоянного напряжения E, генератор гармонического сигнала U_s(t) 7, генератор пилообразного напряжения U 8, сумматор 9, усилитель 10, детектор 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13, токосъемный резистор R₀, разделительный конденсатор C_p.

Способ измерения заключается в следующем. Помещают термочувствительный элемент в исследуемую среду. Длина L термочувствительного элемента определяется размерами области, в которой измеряют профиль скорости V(x). Нагревают полупроводниковый термочувствительный элемент, пропуская ток нагрева I_н через его p-слой (фиг. 1) от источника напряжения E, подключенного к двум концам p-слоя. Вдоль термочувствительного элемента устанавливается некоторое распределение температурного поля T(x), в соответствии с интенсивностью охлаждения термочувствительного элемента, т.е. в соответствии с профилем скорости V(x). Температурное поле T(x) вследствие температурной зависимости обратного тока насыщения p-n-перехода (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. стр. 33, 204) вызывает соответствующее пространственное распределение j(x) локальной плотности обратного тока насыщения p-n - перехода вдоль (0 ≅ x ≅ L) термочувствительного элемента.

Таким образом, по найденному пространственному распределению локальной плотности тока насыщения j(x) вдоль термочувствительного элемента и известной зависимости j(T) плотности тока насыщения от температуры T можно определить пространственное распределение температурного поля T(x) вдоль термочувствительного элемента, а по найденному T(x) - распределение скорости потока жидкости или газа V(x) вдоль термочувствительного элемента согласно соотношению (2):
ΔP(x) = [T(x)-T_c]dx[a+bVⁿ(x)],(2)
где
ΔP(x) - тепловая мощность, теряемая элементарным участком термочувствительного элемента длиной dx, на расстоянии x от начала термочувствительного элемента.

Рассмотрим чувствительный элемент, изображенный на фиг. 1. Количество основных носителей заряда в p-слое меньше, чем в обогащенном p⁺-слое, значит, погонное сопротивление R p-слоя значительно больше погонного сопротивления R₊ p⁺-слоя, т.е. R >> R₊. Следовательно, в эквивалентной электрической схеме чувствительного элемента погонным сопротивлением p⁺-слоя можно пренебречь. Эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента представлена на фиг. 2,а, а эквивалентная электрическая схема элементарного участка чувствительного элемента длиной dx изображена на фиг. 2,б. Элементарный участок dx включает два сопротивления R/2 и два встречно включенных диода D₁, D₂.

Найдем зависимость локальной плотности тока j_l(x) произвольного участка dx чувствительного элемента (фиг. 2,б) от воздействующего на него напряжения U(x). Для этого выразим j(x) через плотности обратных токов насыщения j₀₁(x) и j₀₂(x) диодов D₁, D₂ (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. стр. 12):


где
ϕ_т = KT/q - температурный потенциал;
U₁(x) и U₂(x) - падение напряжения на диодах D₁ и D₂ соответственно.

Появление знака минус (-) в показателе экспоненты в соотношении (4) для данной полярности напряжения U(x) (фиг. 2,б) обусловлено обратным включением диода D₂. Напряжение U(x) равно сумме напряжений U₁(x) и U₂(x):
U(x) = U₁(x) + U₂(x).

Выразим напряжения U₁(x) и U₂(x) через плотности обратных токов насыщения j₀₁(x) и j₀₂(x):


Подставив (6) и (7) в (5), найдем зависимость локальной плотности тока j_l(x) от напряжения U(x):

где
j(x) = j₀₁(x) - плотность обратного тока насыщения диода D₁;
c = j₀₁(x)/j₀₂(x) - const для всех элементарных участков dx, т.к. на оба перехода p-n-p-структуры действует одно и тоже измеряемое поле T(x). При идентичности диодов D₁, D₂ c = 1, т.к. j₀₁(x) = j₀₂(x).

Рассмотрим включение чувствительного элемента по схеме фиг. 1. Полный ток I, протекающий через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, является суммой локальных токов от всех элементарных участков dx по длине чувствительного элемента:

К концам p-слоя приложено напряжение E = const, а общее сопротивление p-слоя R_Σ = LR. Следовательно, ток нагрева I_н, протекающий в цепи источника E -
I_н = E/R_Σ = E/LR. (10)
При условии I_н >> I вдоль чувствительного элемента устанавливается линейное распределение потенциала

Условие I_н >> 1 легко обеспечивается соответствующим выбором значений E и R, а также из-за малости обратных токов p-n-перехода (порядка десятков микроампер).

При указанной полярности напряжений E и U (фиг. 1) левый конец p-слоя (электрический вывод "a") находится под положительным потенциалом, а правый конец p-слоя (электрический вывод "c") - под отрицательным. Следовательно, вдоль p-слоя устанавливается некоторое распределение потенциала U(x) и имеется некоторая точка B с координатой x_B, потенциал в которой равен нулю (т. е. U(x_B) = 0). Координату x_B точки нулевого потенциала B для заданного напряжения U найдем из (11), решив уравнение U(x_B) = 0 относительно x_B:
x_B = UL/E (12)
Как видно из (12), координата x прямо пропорциональна напряжению U.

Ток I(U), протекающий через внешний вывод от p⁺-слоя, при заданном напряжении U найдем из (9):

Пусть напряжение U изменится на величину ΔU. Тогда координата x_B, определяемая по соотношению (12), сместится на величину ΔL:

а новое значение тока I(U + ΔU) определяется выражением

Приращение тока ΔI(U), вызванное изменением напряжения U на ΔU, будет

Представим выражение j_l(x,U+ΔU) рядом Тейлора:

В линейном приближении выражение (17) примет вид:

Подставив соотношение (18) и (16) получим:

Подставив соотношение (8) с учетом соотношения (12) в выражение (19) получим:

Из соотношения (12) следует Тогда выражение (20) примет вид:

Представим ΔI в виде:

где
(23)
Рассмотрим функцию S(x), входящую в подынтегральное выражение (22).

Графики функции S(x), при ϕ_т = 0,025 В, E = 1000ϕ_т, L = 1, c = 1 представлен на фиг. 3. Кривая 1 соответствует x_B = 0,3L, а кривая 2 соответствует x_B = 0,8L. Как видно из фиг. 3 максимум функции S_max находится в точке с координатой x = x_B = 1/(c + 1)² = 0,25.

Внутри интервала (x_в-Δl/2) ≅ x ≅ (x_в+Δl/2), при E ≫ ϕ_т, функцию S(x) можно полагать постоянной и равной S_max , а вне этого интервала функцию S(x) - равной нулю. Тогда функцию S(x) можно представить в виде:

где
Δl имеет смысл разрешающей способности.

Соотношение (22) с учетом (24) примет вид:

Разрешив выражение (25) относительно плотности обратного тока насыщения f(x_B) и заменив (из соотношения (12)) ΔU на ΔLE/L получим:

где

Следовательно, координата произвольной точки x, в которой необходимо найти j(x_B), определяется напряжением U. При изменении напряжения U в диапазоне 0 ≅ U ≅ E, координата x меняется в интервале 0 ≅ x_B ≅ L. Преобразуем соотношение (26) к следующему виду:

где
x = (U/E)L;
экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности;
ΔL = (ΔU/E)L.
Температурный потенциал ϕ_т = KT/q, так же является функцией координаты x вдоль чувствительного элемента ϕ_т(x) = KT(x)/q. Влияние ϕ_т при измерении пространственного распределения скорости потока жидкости или газа V(x) учитывается при экспериментальном нахождении коэффициента K.

Для упрощения выкладки при определении j(x) производились для правосторонних разностей ΔI(U) = I(U+ΔU)-I(U). Подобные же выкладки можно сделать и для центральных разностей I(U) = I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2). (Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. изд. 5-е. - М.: Наука 1984, стр. 668). Но применение центральных разностей способно обеспечить более точное определение j(x), а значит, и более точное определение пространственного распределения температурного поля V(x).

Таким образом, способ измерения заключается в следующем (фиг. 1):
- устанавливают чувствительный элемент в исследуемую среду;
- подключают источники напряжения согласно фиг. 1;
- задают значение U от 0 до E с шагом ΔU/2 ≪ ϕ_т (U₁, U₂, U₃...), и измеряют зависимость тока I(U) (I(U₁), I(U₂), I(U₃)...), протекающего через внешний электрический вывод p⁺-слоя, от напряжения U;
- находят зависимость разности токов ΔI(U) от U
ΔI(U) = I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2); (28)
- вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента:
j(x) = KΔI(U)/ΔL,
где
x = (U/E)L;
K - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности;
ΔL = (ΔU/E)L.
Затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости j(V) плотности обратного тока насыщения от скорости потока определяют искомое пространственное распределение скорости потока жидкости или газа вдоль p-n-p⁺- (или n-p-n⁺)-структуры.

Рассмотрим включение термочувствительного элемента по схеме фиг. 4. От способа по фиг. 1 способ по фиг. 4 отличается тем, что между p- и p⁺-слоями чувствительного элемента подают суммарное напряжение U_Σ, равное сумме напряжения U с гармоническим сигналом малой амплитуды U_S(t) = U_msin(ωt)(U_m ≪ ϕ_т). Через внешний вывод от p⁺-слоя протекает ток I(U_Σ):

Решим уравнение (30) относительно I_m(U)sin(ωt):
I_m(U)sin(ωt) = I(U+U_msin(ωt))-I(U). (31)
Из соотношения (31) найдем амплитуду I_m(U), для этого рассмотрим выражение (31) при sin(ωt) = ±1 и получим соответственно:
I_m(U) = I(U + U_m) - I(U); (32)
-I_m(U) = I(U - U_m) - I(U). (33)
Вычтем из соотношения (32) соотношение (33):
2I_m(U) = I(U + U_m) - I(U - U_m).

Сравним выражение (34) с выражением (28), откуда следует, что
ΔI(U) = 2I_m(U):ΔU/2 = U_m
Тогда соотношение (29) для распределения плотности тока насыщения j(x) примет вид:

где


Частоту ω гармонического сигнала следует выбирать из условий ω_н ≪ ω ≪ ω_в, где частота ω_в = 1/(RLC) - определяется влиянием входной емкости C между p- и p⁺-слоями, а частота ω_н - влиянием на измерения спектральных составляющих напряжения U.

Таким образом, способ измерения заключается в следующем (фиг. 4):
- устанавливают чувствительный элемент в исследуемую среду;
- подключают источники напряжения согласно фиг. 4, причем частота ω гармонического сигнала U_S(t) = U_msin(ωt) выбирается из условия ω_н < ω < 1/(RLC), а амплитуда U_m ≪ ϕ_т.
- изменяя напряжение U от 0 до E измеряют зависимость амплитуды тока I_m(U), протекающего через электрический вывод p⁺-слоя, от напряжения U;
- вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента:
j(x) = 2KI_m(U)/ΔL, (36)
где
x = (U/E)L;
K - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности;
ΔL = (2U_m/E)L.
Затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости j(V) плотности обратного тока насыщения от скорости потока определяют искомое пространственное распределение скорости потока жидкости или газа вдоль p-n-p⁺- (или n-p-n⁺)-структуры.

Способ по фиг. 1 реализуется следующим образом. Предварительно находят зависимость плотности обратного тока насыщения j(V) от температуры.

Один из вариантов нахождения j(V) состоит в следующем. Подключают к термочувствительному элементу источник напряжения U и измерительные приборы согласно фиг. 1 (источник напряжения E - отключен). Помещают чувствительный элемент в однородное (не зависящее от x температурное поле T(x) = T, изменяя температуру которого (T = T1, T = T2, T = T3 ...), измеряют зависимость тока I(T) от температуры, по которой сначала определяют зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры (j(T) = I(T)/L), а затем по соотношению (1) - зависимость плотности обратного тока насыщения j(V) от скорости потока жидкости или газа.

Устанавливают термочувствительный элемент 1 в исследуемую среду. Подают к концам p-слоя чувствительного элемента 1 (фиг. 1) постоянное напряжение E от источника 2. От регулируемого источника 3 подают напряжение U на вольтметр 4 и (через микроамперметр постоянного тока 5) на термочувствительный элемент 1 (электрические выводы "a" и "b"). Изменяя напряжение U, контролируемое при помощи вольтметра 4, в пределах от 0 до E с шагом ΔU/2, т.е. U = U_i = (ΔU/2)i, где i - порядковый номер измерения (0 ≅ i ≅ 2E/ΔU), измеряют микроамперметром 5 ток I(U_i), где U_i, I(U_i) - показания вольтметра 4 и микроамперметра 5 в i-м измерении. Затем находят разность токов ΔI_i(U) = I(U_i+1)-I(U_i-1). По найденной разности токов ΔI(U_i), по соотношению (26) определяют распределение j(x) вдоль чувствительного элемента, причем координата x определяется из выражения x = (U/E)L. Затем по предварительно найденной зависимости j(V) определяют искомое пространственное распределение T(x).

Устройство по фиг. 5 реализует способ следующим образом. Предварительно находят зависимость плотности обратного тока насыщения j(V) и скорость потока жидкости или газа (аналогично изложенному выше). Эту зависимость закладывают в функциональный преобразователь 12.

Устанавливают термочувствительный элемент 1 в исследуемую среду. Подают к концам p-слоя чувствительного элемента 1 фиг. 5 (электрический вывод "a" и "c") с источника 2 постоянное напряжение E. На сумматор 9 подают с генератора 8 периодическое пилообразное напряжение U(t)(0 ≅ U(t) ≅ E) и с генератора 7 гармоническое напряжение U_S(t) = U_msin(ωt), где U_m ≪ ϕ_т. С выхода сумматора 9 напряжение U_Σ = U(t) + U_S(t) подают между p- и p⁺-слоем термочувствительного элемента 1 (электрические выводы "a" и "b"). С токосъемного резистора R₀ напряжение через усилитель 10 поступает на амплитудный детектор 11. С выхода детектора 11 напряжение пропорциональное плотности обратного тока насыщения j(x), в точке x, подается на вход функционального преобразователя 12. С выхода которого напряжение U_V, пропорциональное V(x), подается на регистратор 13, на которое также поступает напряжение U(t), пропорциональное координате x вдоль чувствительного элемента.

Опытный образец (макет) термочувствительного элемента 1 представляет собой дискретную модель из двадцати последовательно соединенных элементарных ячеек, выполненных на диодах типа КД104А. Диоды подобраны по обратному току насыщения с погрешностью не более 1%. Резистивный элемент выполнен на основе нихромовой проволоки, с погонным сопротивлением 1,2 Ом/мм. Измерительная база - 200 мм.

В качестве блоков по фиг. 1 были взяты следующие стандартные приборы: источник 2 постоянного напряжения E - ТЕС-20, регулируемый источник 3 напряжения U - Г6-27, вольтметр постоянного напряжения 4 - В7-16, микроампертметр постоянного тока 5 - В7-21.

В качестве блоков по фиг. 5 были взяты следующие стандартные приборы: источник 2 постоянного напряжения E - ТЕС-20, генератор гармонического сигнала U_s(t) 7 - Г3-118, генератор пилообразного напряжения 8 - Г6-27, регистратор 13 - осциллограф С1-68. Усилитель 10, амплитудный детектор 11, функциональный преобразователь 12 - выполнены на основе интегральных операционных усилителей типа К140УД17, К140УД6.

Формула изобретения

1. Способ измерения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа V(X) в интервале координат 0 ≅ X ≅ L, основанный на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током I_н термочувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p или n-p-n-структуры протяженности L и скоростью потока жидкости или газа, в которой этот термочувствительный элемент находится, отличающийся тем, что через p- или n-слой трехслойной p-n-p⁺- или n-p-n⁺-структуры пропускают постоянный ток нагрева I_н от источника напряжения E, подключенного к двум концам p- или n-слоя, а между одним из концов p- или n-слоя и слоем p⁺ или n⁺ подают напряжение U, изменяя которое в диапазоне 0 ≅ U ≅ E с шагом ΔU/2 ≪ ϕ_т, где ϕ_т - температурный потенциал, измеряют зависимость тока I(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют разность токов ΔI(U)= I(U+ΔU/2)-I(U-ΔU/2), определяют распределение плотности обратного тока насыщения j(X) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = KΔI/(U)/ΔL, где координата X определяется выражением X = UL/E, K - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = ΔUL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости j(V) плотности обратного тока насыщения от скорости потока определяют искомое пространственное распределение V(X) скорости потока жидкости или газа вдоль термочувствительного элемента.

2. Способ измерения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа V(X) в интервале координат 0 ≅ X ≅ L, основанный на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого постоянным электрическим током I_н термочувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p или n-p-n-структуры протяженностью L и скоростью потока жидкости или газа, в котором этот термочувствительный элемент находится, отличающийся тем, что через p- или n-слой трехслойной p-n-p⁺- или n-p-n⁺-структуры пропускают постоянный ток нагрева I_н от источника напряжения E, подключенного к двум концам p- или n-слоя, а между одним из концов p- или n-слоя и слоем p⁺ или n⁺ подают суммарное напряжение U_Σ= U+U_msinωt, где U_m≪ ϕ_т, ϕ_т - температурный потенциал, а частоту ω гармонического сигнала выбирают из условия ω_н≪ ω ≪ 1/(LRC), где ω_н верхняя частота спектра электрического сигнала U, R - погонное сопротивление p-слоя, C-входная емкость между p- и p⁺-слоями, и, изменяя напряжение U в диапазоне 0 ≅ U ≅ E, измеряют зависимость амплитуды переменного тока I_m(U), протекающего через внешний электрический вывод от p⁺-слоя, от напряжения U, вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(X) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = 2KIm(U)/ΔL, где координата X определяется выражением X = UL/E, K - экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а ΔL = 2UmL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости j(V) плотности обратного тока насыщения от скорости потока определяют искомое пространственное распределение V(X) скорости потока жидкости или газа вдоль термочувствительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5