ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКА Российский патент 1994 года по МПК G01P5/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скоростей газовых потоков.

Известен термоанемометрический датчик, содержащий нагреваемый терморезистивный элемент из нитевидного полупроводникового кристалла Те, легированного серебром, подключенный в измерительную схему [1].

Его недостатком является сложность применения для работы в широком температурном диапазоне и невысокая точность.

Известен термоанемометр, содержащий нагреваемый терморезистор (ТР), а также компенсационный ТР для уменьшения температурной погрешности, который принимает температуру потока за счет конвекции, но защищен от него экраном, при этом ТР включены в мостовую измерительную схему, содержащую источник тока, резисторы, измерительный прибор [2].

Недостатком термоанемометра является сложность конструкции, связанная как с установкой в потоке дополнительного конструктивного элемента - защитного экрана, так и с наличием усилителя. Кроме того, разделение элементов конструкции повышает инерционность.

Цель изобретения - упрощение конструкции и снижение инерционности.

Цель достигается за счет того, что в термоэлектрический датчик скорости потока, содержащий терморезистор, включенный в измерительную схему, источник тока и защитный экран, введены ограничительный резистор и вольтметр постоянного тока с параллельно подключенным к нему конденсатором, причем вольтметр постоянного тока последовательно соединен с ограничительным резистором и терморезистором, при этом защитный экран выполнен в виде цилиндрического стакана, внутри которого размещена половина терморезистора, выполненного из нитевидного кристалла GaAs n-типа, легированного S и Zn, а источник тока выполнен переменным.

На фиг. 1 показана схема датчика; на фиг. 2 приведена его градуировочная характеристика.

Датчик содержит чувствительный элемент в виде ТР 1, электрические выводы 2, защитный экран 3, торцовый экран 4, регулируемый источник 5 переменного тока, вольтметр 6, ограничительное сопротивление 7, конденсатор 8.

Чувствительный элемент 1 выполнен из нитевидного полупроводникового кристалла (например, GaAs), к концам его присоединены методом электроимпульсной приварки золотого микропровода электрические выводы 2, часть чувствительного элемента 1 расположена внутри цилиндрического защитного экрана 3 таким образом, что он зафиксирован по оси цилиндра 3 с помощью торцового экрана 4. Характерные размеры чувствительного элемента: длина - 2/3 мм, сечение - 0,13-0,17 мм². Цилиндрический экран 3 выполнен из керамической трубки l = 5 мм; ⊘₁ = 0,75; ⊘₂ = 1,35 мм; торцовый экран 4 - из стеклотекстолита.

Работа датчика основана на следующем.

При разогреве ТР переменным током и расположении его защищенной частью вверх перпендикулярно потоку на единице длины ТР выдается мощность
θ = jρ, где j - действующее значение плотности тока;
ρ - удельное сопротивление материала ТР;
d - диаметр кристалла.

С защищенной части ТР, обмениваемой теплом с внешней средой в режиме свободной конвекции, с единицы длины ТР отводится мощность
θ₁ = λ (Т - Т_с), (1) где λ - коэффициент теплообмена в режиме свободной конвекции;
Т - температура ТР;
Т_с - температура среды.

Незащищенная часть ТР обменивается теплом с внешней средой в режиме вынужденной конвекции. Мощность, отводимая с единицы длины ТР, выразится
θ₂=λ(T-T_c)1+,
(2) где ρ_c, С - плотность и удельная теплоемкость среды;
V - скорость потока.

В отсутствие потока θ₁ = θ₂ и вдоль ТР установится однородное распределение температуры и перепад температуры Δ Т между концами ТР равен 0. При V ≠ 0 вдоль ТР установится неоднородное распределение температуры, причем температура защищенной части будет выше температуры незащищенной части, перепад Δ Т будет тем больше, чем выше скорость потока. Возникает термоЭДС между концами ТР
U = α˙ Δ T, (3) где α - коэффициент дифференциальной термоЭДС.

Напряжение через ограничительный резистор поступает на вход вольтметра и регистрируется. Переменная составляющая напряжения на концах ТР фильтруется конденсатором. Подбор значений ограничительного сопротивления и емкости С можно осуществить из условий:
R = 20 R_тр,
C ≥ , где ω - частота питающего тока;
U_~ - напряжение источника;
U - постоянная составляющая напряжения на ТР;
R_тр, R - сопротивления ТР и ограничительного резистора.

Пример конкретного исполнения.

Чувствительный элемент 1 был выполнен из нитевидного кристалла GaAs n-типа, легированного S и Zn, с удельным сопротивлением 0,23 Ом˙см, сопротивление ненагретого ТР≈ 500 Ом. Датчик включали в измерительную схему фиг. 1 с R = 10 кОм, С = 4 мкФ, использовали регулируемый источник 5 переменного тока с частотой 50 Гц, измерительным прибором 6 служил цифровой вольтметр В7-21. Задавали поток воздуха (до 2 м/с) с помощью специальной установки, содержащей системы подачи, регулирования, подогрева и измерения скорости потока. Градуировочный график приведен на фиг. 2 для двух температур 20 и 40 ^оС (кривые 9 и 10).

Использование: измерительная техника, измерение скорости газовых потоков. Сущность изобретения: половину терморезистора (ТР) из нитевидного кристалла GaAs n - типа, легированного S и Zn, размещают внутри защитного экрана, имеющего форму цилиндрического стакана. ТР подключен к переменному источнику тока и через ограничительный резистор соединен с вольтметром постоянного тока с параллельно подключенным к нему конденсатором. 2 ил.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКА, содержащий терморезистор, включенный в измерительную схему, защитный экран и источник тока, отличающийся тем, что в него введены ограничительный резистор и вольтметр постоянного тока с параллельно подключенным к нему кондесатором, причем вольтметр постоянного тока последовательно соединен с ограничительным резистором и терморезистором, при этом защитный экран выполнен в виде цилиндрического стакана, внутри которого размещена половина терморезистора, выполненного из нитевидного кристалла GaAS n-типа, легированного S и Zn, а источник тока выполнен переменным.