Анемометрический датчик

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам. Анемометрический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих лепестков. Сам чувствительный элемент с электрическими контактами к нему выполнен из пьезоэлектрического материала и выполняет функцию датчика колебаний. Также упругие лепестки имеют разные длины. К чувствительному элементу каждого лепестка соответствующей определенной длины подводится отдельный контакт. Каждой длине соответствует свой динамический диапазон измерения потока и в зависимости от силы потока функционируют определенные лепестки: более длинные регистрируют малые потоки, более короткие - большие за счет разных частот собственных колебаний. Техническим результатом является создание простого в изготовлении анемометрического датчика с низким расходом энергии и малыми размерами, способного определять наличие потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам.

Известен термоанемометр, содержащий помещенный в поток нагреваемый элемент, и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры) /1/.

Известен и широко распространен термоанемометр, содержащий нагревательный элемент, помещаемый в измеряемый поток, и чувствительный к теплу элемент, установленный в том же потоке в заданном положении относительно нагревательного элемента: поток определяют при этом по интенсивности теплопереноса /2/. Оба типа приведенных термоанемометров известны и в микроисполнении: они содержат нагреваемые током слои-полоски, нанесенные на поверхность подложки или тонкой мембраны, а также содержат термочувствительные слои-термосопротивления, нагреваемые теплом, переносимым измеряемым потоком от полосок, нагреваемых током.

Недостатком этих анемометров является необходимость затрачивать энергию на питание нагревателя, как при наличии измеряемого потока, так и в его отсутствие.

Известен анемометр, содержащий чувствительный элемент в виде цилиндра-паруса, передающего усилие на гибкий стержень с тензодатчиками /3/. Он безразличен к температуре потока, а энергопотребление его ограничено потреблением датчиков.

Недостатками его являются низкая чувствительность, особенно в области малых потоков, а также сложность и громоздкость.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является микроэлектромеханический сенсор потока, содержащий подвешенный чувствительный элемент, усилия с которого преобразуются пьезодатчиками /4/.

Недостатками его являются сложность изготовления, а также низкая чувствительность, связанная с регистрацией лишь касательных сил, действующих на чувствительный элемент со стороны потока.

Задачей предлагаемого изобретения является создание простого в изготовлении анемометрического датчика с низким расходом энергии и малыми размерами, способного определять наличие потока.

Указанная задача решается тем, что анемометрический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих лепестков. Сам чувствительный элемент с электрическими контактами к нему выполнен из пьезоэлектрического материала и выполняет функцию датчика колебаний. Также упругие лепестки имеют разные длины. К чувствительному элементу каждого лепестка соответствующей определенной длины подводится отдельный контакт. Каждой длине соответствует свой динамический. диапазон измерения потока и в зависимости от силы потока функционируют определенные лепестки: более длинные регистрируют малые потоки, более короткие - большие за счет разных частот собственных колебаний.

В качестве датчика может использоваться тензодатчик, сформированный на поверхности лепестков.

Чувствительный элемент используется как тензорезистор.

Чувствительный элемент используется как пьезоэлектрический датчик, выполненный в виде покрытия из пьезоэлектрического материала на поверхности лепестков.

Чувствительный элемент используется как емкостный датчик.

Чувствительный элемент используется как оптический датчик.

В отличие от рассматриваемого прототипа за счет того, что сам лепесток является чувствительным элементом, упрощается технологический маршрут изготовления сенсора, а за счет разных длин лепестков регистрируется больший диапазон измерения скоростей потока.

Поток воздуха может быть направлен как нормально, так и касательно плоскости лепестка.

Выходные контакты с сенсора подключены в мостовую схему, снабженную усилителем.

На фиг.1 представлен чертеж кристалла анемометрического датчика, где стрелкой обозначено направление потока газа, 1 - массив из упругих лепестков, 2 - вытравленный колодец С-С - разрез функциональной части кристалла.

Принцип работы предлагаемого анемометрического датчика заключается в том, что при помещении его в измеряемый поток его лепестки, благодаря своей гибкости, начинают колебаться, и эти колебания регистрируются с помощью датчика колебаний.

Примером конкретного исполнения может служить анемометрический датчик, выполненный в подложке из кремния толщиной 460 мкм путем создания, с помощью травления, мембраны толщиной 2 мкм, имеющей в плане вид прямоугольной трапеции высотой 0,1 мм и с основаниями 0,5 мм и 0,1 мм, и последующего формирования из этой мембраны шести лепестков шириной 10 мкм, толщиной 2 мкм и с разными длинами от 50 мкм до 450 мкм. Пьезоэлектрический слой датчика выполнен в виде пленки ZnO толщиной 0,5 мкм, нанесенной на поверхность лепестков и на подложку у их оснований. Роль проводящих слоев (контактов) пьезоэлектрического датчика выполняют кремниевые лепестки и подложка - с одной стороны - и слой Аl толщиной 0,2 мкм, нанесенный на поверхность пьезоэлектрика - с другой.

Предлагаемый анемометрический датчик может быть использован как самостоятельный анемометр или в качестве датчика наличия потока. В последнем случае он может быть использован для включения-отключения более точных, но неэкономичных, термоанемометров в зависимости от наличия или отсутствия потока. При этом технология его изготовления легко совместима с технологией изготовления термоанемометров, формируемых на мембранах, и они легко интегрируемы в одном кристалле.

При использовании в качестве самостоятельного анемометра используют тот факт, что величина сигнала (первично с прогиба лепестка) от датчиков зависит от скорости потока, а дополнительная информация о потоке содержится в частотном спектре сигнала.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США 3992940.

2. Патент США 6527835.

3. Патент США 4478076.

4. Патент США 6966231 - прототип.

1. Анемометрический датчик, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих пьезоэлектрических колеблющихся лепестков, отличающийся тем, что чувствительным элементом анемометрического датчика может служить набор из двух и более лепестков с разными длинами, при одинаковой толщине.

2. Анемометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент используется как тензорезистор, или пьезоэлектрический датчик, выполненный в виде покрытия из пьезоэлектрического материала на поверхности лепестков, или емкостный датчик, или оптический датчик.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при выполнении анемометрических измерений. Заявлен анемометрический зонд с проволочкой или с n (n≥1) проволочками, параллельными между собой, для измерения вблизи стенки, содержащий для каждой проволочки два стержня (4, 6) крепления проволочки.

Изобретение касается датчика (102) и блока (602) управления для взаимодействия с датчиком. Датчик (102) служит для измерения скорости жидкости (308), протекающей через канал (306).

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения тепловой энергии, подаваемой жидким теплоносителем от котлоагрегатов к отопительным системам и системам горячего водоснабжения зданий коммунального назначения, жилого фонда, школ, детских садов и иных сооружений промышленности.

Изобретение относится к области расходометрии. .

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве первичного преобразователя (сенсора) количества прошедшей по трубопроводу жидкости или газа в электрические сигналы расходомеров или счетчиков.

Изобретение относится к области измерения объема (массы жидкости), в частности к определению массы нефтепродукта, хранимого в больших эластичных контейнерах, и может быть использовано на автозаправочных станциях, резервуарных парках складов и нефтебаз, использующих для хранения нефтепродуктов эластичные резервуары.

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для определения расхода слабых (порядка десятков - сотен миллилитров в секунду) потоков жидкости.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для учета тепловой энергии. Способ измерения тепловой энергии реализуется на измерении текущих значений температуры и переноса их значений на показатели расхода теплоносителя посредством деления потока на две составляющие и распределения теплоносителя в два выходных канала - Tmin канал начала отсчета и Tmax информационный канал, согласованные со шкалой термометра. Устройство, реализующее способ, содержит блок разделения каналов, два счетчика расхода теплоносителя и выходной коллектор, соединяющий два потока в один. Устройство состоит из корпуса 1 с входным 2 и двумя выходными каналами 3 - Tmin (Сч13) и 4 - Tmax (Сч14), термометра 5, установленного на оси 7 механизма распределения теплоносителя 6, который перекрывает одновременно оба канала (заслонки 8 и 10) в корпусе стабилизаторов потока 12 по формуле обратно пропорционального перекрытия. Теплоноситель распределяется в два выходных канала пропорционально измеренной температуре, а счетчики в этих каналах фиксируют объем прошедшего теплоносителя за определенный период времени. Устройство позволяет по показаниям счетчиков рассчитать среднюю температуру пройденного теплоносителя, суммарный объем прошедшего теплоносителя и объем потребленной тепловой энергии. Технический результат - повышение точности определения потребленной тепловой энергии. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к задаче энергосбережения в системах потребления пара и может быть использовано для контроля рационального использования пара в теплообменниках путем определения эффективности конденсатоотводчика. Способ мониторинга состояния конденсатоотводчика включает измерение температуры греющего пара, давления греющего пара, температуры стенки конденсатопровода и давления в конденсатопроводе, дополнительно определяют массовый расход греющего пара и диаметр конденсатопровода, затем по величине массового расхода греющего пара сначала вычисляют коэффициент теплоотдачи от пролетного пара к стенке конденсатопровода, а потом вычисляют коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке конденсатопровода, после этого исходя из данных о давлении в конденсатопроводе вычисляют соответствующую этому давлению температуру насыщения, далее, используя отношение величины коэффициента теплоотдачи от конденсата к стенке конденсатопровода к величине коэффициента теплоотдачи от пролетного пара к стенке конденсатопровода и данные о температуре греющего пара, поступающего в теплообменник, температуре насыщения, соответствующей давлению в конденсатопроводе, и температуре стенки конденсатопровода, вычисляют эффективность конденсатоотводчика по уравнениям теплового баланса. 2 н. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к газовым счетчикам. Газовый счетчик содержит корпус счетчика с впускным отверстием для газа с относящимся к нему присоединительным штуцером для подводящего газопровода и выпускным отверстием для газа с относящимся к нему присоединительным штуцером для отводящего газопровода. Корпус (2) счетчика представляет собой корпус мембранного газового счетчика, в котором на выпускном отверстии (11) для газа расположено имеющее корпус (13) с встроенным микротермическим расходомерным сенсором (20) измерительное устройство (12). Корпус (13) измерительного устройства (12) герметично соединен с присоединительным штуцером (10) со стороны выпускного отверстия для газа или с корпусом (2) счетчика в зоне выпускного отверстия (11) для газа. Технический результат - обеспечение предельно точного измерения расхода газа совместно с обеспечением возможности подключения такого счетчика без доработок в здании геометрии мест подключения на стороне сети. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам для измерения потоков жидкостей и газов с использованием микроэлектромеханических датчиков. Измеритель потока содержит тело обтекания, датчик потока и средства управления и съема информации. Тело обтекания выполнено с переменным сечением в форме, обеспечивающей ламинарность потока, и выполнено с возможностью задания его положения относительно измеряемого потока, а один или несколько датчиков потока установлены на поверхности тела обтекания заподлицо с ней. Технический результат - увеличение пределов и точности измерения потоков. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к диагностике технического состояния систем контроля технологических процессов. Предложен способ проверки работоспособности системы контроля течи трубопровода, который включает воспроизведение системой параметров эталонного имитатора измеряемых системой физических величин, сравнение воспроизведенных параметров с заданными параметрами эталонного имитатора и выработку заключения о работоспособности системы. Параметры эталонного имитатора течи задают перед каждой проверкой работоспособности системы в виде величин массового расхода и местоположения течи. Рассчитывают временной и температурный режимы теплового воздействия на каждый первичный преобразователь температуры системы при течи с заданными эталонным имитатором параметрами. Проводят тепловое воздействие на каждый первичный преобразователь температуры с соблюдением рассчитанных временного и температурного режимов. Регистрируют воспроизведенные системой параметры эталонного имитатора. Сравнивают их с заданными параметрами эталонного имитатора течи и признают систему работоспособной при условии совпадения указанных параметров в пределах допустимых нормированных погрешностей. Технический результат- повышение достоверности и точности диагностики. 2 табл.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0÷20 мг/с. Расходомер содержит: цилиндрическую камеру 1; канал 2 подачи в камеру газового потока и канал 2′ для его вывода; диафрагму 3 с отверстием для прохода газа, вставляемую в канал (каналы) со стороны начала канала; нагреваемую электрическим током нихромовую проволочную спираль 4 (диаметр проволоки 0,2 мм); шесть каналов 5 для оптических окон-световодов 6, вклеиваемых в каналы высокотемпературным клеем К-500; шесть идентичных преобразователей оптического излучения. Технический результат - повышение интенсивности процесса конвективной теплоотдачи теплочувствительного элемента и, как следствие, увеличение чувствительности расходомера вследствие уменьшения верхней границы доступного измерению диапазона расхода; увеличение выходного сигнала с целью гарантированного обеспечения помехозащищенности; уменьшение массогабаритного показателя конструкции. 1 ил.
Наверх