ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01P5/12 

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

Известен полупроводниковый термоанемометр, содержащий два стабилитрона, измерительный и термокомпенсационный, включенные в смежные плечи мостовой схемы [1] При этом для измерительного стабилитрона величина напряжения определяется скоростью потока, поскольку в измерениях используется нетермостабильный переход стабилитрона.

Недостатком известного полупроводникового термоанемометра является невысокая стабильность его работы, связанная с объединением измерительной и нагревательной цепей в схеме прямого перегрева, по которой собран известный термоанемометр.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полупроводниковый термоанемометр косвенного перегрева, содержащий два термочувствительных элемента в виде p-n-переходов, включенных в смежные плечи мостовой схемы в прямом направлении, причем один из них является датчиком, другой термокомпенсатором, а также нагреватель, источник питания и дифференциальный усилитель с показывающим прибором на его выходе, при этом источник питания и дифференциальный усилитель включены соответственно в питающую и измерительную диагонали мостовой схемы. В качестве нагревателя датчика используется коллекторный переход транзистора, а эмиттерный р-n-переход транзистора является термочувствительным элементом датчика [2]
Недостатком известного термоанемометра является невысокая точность.

Это связано с тем, что потенциал эмиттерного p-n-перехода транзистора будет зависит в конечном итоге не только от температуры эмиттера и коллектора транзистора, т.е. скорости потока, но и от тока нагревателя (цепь нагрева неизбежно влияет на измерительную цепь термоанемометра). Кроме того, в известном устройстве на характеристики термоанемометра влияет нестабильность питающего напряжения.

Технический результат изобретения повышение точности полупроводникового термоанемометра.

Это достигается тем, что в известном полупроводниковом термоанемометре, содержащем два термочувствительных элемента в виде p-n-переходов, включенных в смежные плечи мостовой схемы в прямом направлении, причем один из них является датчиком, другой термокомпенсатором, а также нагреватель, источник питания и дифференциальный усилитель с показывающим прибором, на его выходе, при этом источник питания и дифференциальный усилитель включены соответственно в питающую и измерительную диагонали мостовой схемы, в качестве нагревателя датчика используется стабилитрон с термостабильным переходом, включенный в обратном направлении в вершину питающей диагонали мостовой схемы в точке соединения термочувствительных элементов.

На фиг.1 представлена схема термоанемометра; на фиг.2 вольт-амперная характеристика стабилитрона, поясняющая его работу.

Полупроводниковый термоанемометр содержит два термочувствительных элемента в виде p-n-переходов, включенных в смежные плечи мостовой схемы в прямом направлении, как показано на фиг.1. Первый p-n-переход является датчиком 1, второй p-n-переход термокомпенсатором 2. Имеется также нагреватель, в качестве которого используется стабилитрон 3 с термостабильным переходом, вольт-амперная характеристика которого представлена на фиг.2.

Термостабильный стабилитрон 3 имеет тепловую связь с датчиком 1 (показана стрелкой на фиг. 1) и тепловую развязку с термокомпенсатором 2 (показана пунктиром на фиг.1). Стабилитрон 3 включен в вершину 4 питающей диагонали мостовой схемы в обратном направлении в точке соединения термочувствительных элементов.

Как у любой мостовой схемы термоанемометра, помимо термочувствительных элементов, включенных в ее смежные плечи, имеются также два постоянных резистора 5 и 6, включенные в два других смежных плеча схемы.

К питающей диагонали мостовой схемы подключен источник 7 питания, к измерительной дифференциальный усилитель 8. На выходе дифференциального усилителя установлен показывающий прибор (не показан). Для изменения величины тока нагрева в питающую диагональ мостовой схемы включено переменное сопротивление 9, роль которого может выполнять транзистор.

Все элементы мостовой схемы целесообразно выполнять по интегральной технологии.

Полупроводниковый термоанемометр работает следующим образом.

Располагают предварительно отградуированный датчик 1 термоанемометра с термокомпенсатором 2 в исследуемую среду и подают на датчик напряжение перегрева U. Исследуемый поток охлаждает датчик, пропорционально скорости потока V. При этом теряемая перегретым термочувствительным элементом мощность W при обтекании его потоком равна
W=c(a+b) (1) где V скорость потока;
a, b, c коэффициенты, зависящие от физических свойств текучей среды и физических свойств термочувствительного элемента и определяемые, как правило, при градуировке термоанемометра.

Для известных термоанемометров, в том числе и для прототипа, градуировочную кривую прибора получают, исходя из уравнения (1) и зависимости
W R i², (2), где i сила электрического тока, протекающего через датчик;
R сопротивление датчика.

Градуировочная зависимость у таких термоанемометров имеет вид
i=K+i_o (3) где К коэффициент пропорциональности;
i₀ ток в условиях неподвижной среды.

Для предлагаемого термоанемометра при термостабильной обратной ветви вольт-амперной характеристики напряжение U постоянно при изменении тока нагрева и температуры (фиг.2) и градуировочная кривая при прочих равных условиях с прототипом имеет вид
i ≃ +i_o где U_ст напряжение на стабилитроне при работе на термостабильном переходе, смещенном в обратном направлении.

Таким образом, в прототипе информативный сигнал пропорционален минус четвертой степени от скорости потока, а в предлагаемом термоанемометре пропорционален минус второй степени от скорости потока.

Выходной сигнал термокомпенсатора 2, как и в прототипе, пропорционален температуре потока. В связи с этим на выходе дифференциального усилителя 8 появляется выходной сигнал, пропорциональный корню квадратному от скорости потока, не зависящей от температуры среды.

Таким образом, использование в качестве нагревателя датчика стабилитрона с термостабильным переходом, включенного в вершину питающей диагонали мостовой схемы в точке соединения термочувствительных элементов в виде p-n-переходов, позволяет существенно повысить точность термоанемометра и устранить зависимость его показаний от нестабильностей питающего датчик напряжения.

Использование: в устройствах для измерения скоростей потоков жидкостей и газов. Сущность изобретения: термоанемометр содержит два термочувствительных элемента в виде p-n-переходов, включенных в смежные плечи мостовой схемы в прямом направлении. Нагреватель одного из термочувствительных элементов выполняют в виде стабилитрона с термостабильным переходом, включенного в обратном направлении в вершину питающей диагонали мостовой схемы в точке соединения термочувствительных элементов. Это позволяет получить зависимость информативного тока от скорости потока не в минус четвертой степени, как в известном случае, а от минус второй степени, что обеспечивает повышение точности измерения. 2 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТР, содержащий два термочувствительных элемента в виде p - n-переходов, включенных в смежные плечи мостовой схемы в прямом направлении, причем один из них является датчиком, другой - термоконденсатором, а также нагреватель, источник питания и дифференциальный усилитель с показывающим прибором на его выходе, при этом источник питания и дифференциальный усилитель включены соответственно в питающую и измерительную диагонали мостовой схемы, отличающийся тем, что в качестве нагревателя датчика используется стабилитрон с термостабильным переходом, включенный в обратном направлении в вершину питающей диагонали мостовой схемы в точке соединения термочувствительных элементов.