Термоанемометр Советский патент 1983 года по МПК G01P5/12 

(5) ТЕРМОАНЕМОМЕТР

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению скоростей потоков жидкостей и газов.

Известен термоанемометр, состоящий из транзистора, в котором переход коллектор - база используется как нагреватель, рт-переход эмиттер - база - как термочувствительный элемент. В схеме применен термокомпенсатрр Ту, включенный в диодном режиме, помещенный непосредственно в измеряемую среду и управляющий базой транзистора Т для поддержания постоянного перегрева корпуса транзистора относительно измеряемой среды 1.

Недостатком данного устройства является его низкая надежность, обусловленная возможностью выхода из строя р-п-переходов база-коллектор, служащего нагревателем.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является термоанемометр, состоящий из двух транзисторов, выполненных в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источник питания, электрические выводы, при этом р-п-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувстви10тельного элемента включены в дифференциальную схему .

Недостатком устройства является низкая точность измерения-.

Цель -повышение точности измере15ний и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что термоанемометр, состоящий из двух транзисторов, выполненных

20 в виде трехслойного полупроводника, и содержадий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источник питания, электрические выводы, при этом р-п-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему, снабжен дополнительным источником питания, связанным через два электрических вывода с нагревателем, выполненным в виде дополнительного четвертого слоя, нанесенного на. коллектор термочувствительного элемента. На фиг, 1 представлен датчик, раз рез, на фиг, 2 - электрическая схема термоанемометра. Устройство содержит полупроводниковый прибор, состоящий из корпуса 1, в котором размещен полупроводниковый кристалл 2« В кристалле 2 сформирован р-п-переход 3 эмиттер k - база 5, служащий термочувствител ным элементом, а также коллектор 6, образующий с базой 5 р-п-переход (5-6) база 5 - коллектор 6. Со стороны, противоположной этому р-п-переходу (5-6), коллектор 6 образует р-п-переход 7 с дополнительным четвертым слоем 8, служащим нагревателе и имеющим противоположный коллектору тип проводимостиiК нему подсоединены электрические выводы 9 и 10, К базе 5 подключен вывод 11, а к эмиттеру k - вывод 12, р-п-переход 3 включен с термокомпенсатором 13 в дифференци альную схемуо Оба термочувствительны элемента, термокомпенсатор 13 и датчик 3 подсоединены к источнику 14 пи тания через токоограничительные сопротивления 15 и 16 и балансное сопротивление 17, служащее для начальн установки нуля. Дополнительный четвертый слой 8, служащий нагревателем выводами 9 и 10 соединен с дополнитель ным источником 18 питания, который управляется через ограничительное со противление 19 от термокомпенсатора 13. Дополнительный источник 18 питания может быть построен по схеме пар метрического стабилизатора, тогда со противление 19 будет определять вели чину смещения транзистора, управляющего нагревательным током. Коллектор в данном случае не подключен ни к одному из элементов схемы и служит в качестве защиты обратносмещенным р-п-переходом 7 и , изолирующим слоем. Коллектор 6 можно также подключить к эмиттеру Ц. Термоанемометр работает следующим образом. При подаче напряжения от источника 14 питания через р-п-переходы эмиттер - база кристалла 2 и термокомпенсатора 13 протекают измерительные токи величиной до 500 мкА Значения последних определяются минимальной погрешностью (за счет протекания, например, измерительного тока по участку базы от электрического вывода 11 до р-п-перехода 3). Помимо того, увеличение измерительного тока влечет за собой возрастание погрешности термоанемометра от саморазогрева. При подаче напряжения от дополнительного источника 18 питания через выводы 9 и 10 по дополнительному четвертому слою 8 потечет нагревательный ток, величина которого будет определяться внутренними параметрами дополнительного источника 18 питания, сопротивлением 19 и значением сопротивления самого нагревателя 8. Зададим нагревательным током необходимую температуру кристалла 2, т.е. перегрев над температурой среды, которую измеряет термокомпенсатор 13.. Сопротивлением 17 устанавливаем выходной сигнал равным нулю либо какому-то определенному значению при скорости потока, равной нулю. При наличии потока среды им уносится некоторая часть тепла от корпуса 1, который нагревается от дополнительного четвертого слоя 8 Корпус 1 охлаждается, уменьшается и температура кристалла 2, являющаяся мерой измеряемой скорости, которую фиксирует датчик 3. При изменении температуры потока меняется напряжение на термокомпенсаторе 13 и через сопротивление 19 управляет дополнительным источником 18 питания для поддержания постоянным перегрева „ Кроме того, меняется точка отсчета выходного сигнала на электрическом выводе 13 относитель- . но изменившегося напряжения эмиттербаза термокомпенсатора 13. При быстрых изменениях состояния среды протекающего потока (резкое изменение скорости либо температуры) может быть увеличенный нагрев кристалла 2 о Однако это обстоятельство не выведет из строя датчик 3, поскольку тот питается очень малым измерительным током и может сохранять свои свойства до температуры 170ISO C. Надежность нагревателя 8 обусловлена тем, что монокристаллический полупроводниковый материал, например кремний, свойства которого сохраняются до температуры 300-350 С и есть дополнительный четвертый слой Сопротивление его с температурой изменяется монотонно, поэтому не проис ходит никаких скачкообразных и лавин ных процессов как в р-п-переходе (в случае, когда нагреватель - р-п-переход эмиттер-база), В термоанемометре исключено влияние нагревательного тока на выход.ной си гнал, потому что коллектор 6 сл жит изолирующим слоем и должен иметь толщину, достаточную чтобы обедненная область или область пространственного заряда не влияла на выходной сигнал, а также чтобы не было смыкания слоево Подключение дополнительного четвертого слоя 8 электрическими выводами 9 и 10 к дополнительному источнику 18 питания позволяет значительно повысить точность поддержания постоянным перегрева датчика 3 над температурой среды. Применение в качестве нагревателя Дополнительного четвертого слоя 8 являющегося монокристаллом кремния, позволяет перегревать кристалл 2 до температуры 170-l80 c без угрозы выJ ff (Sff) 678

0Vf. / хода из строя элементов термоанемометра, тем самым повысить надежность последнего в целом. Формула изобретения Термоанемометр, состоящий из двух транзисторов выполненных в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источники питания, электрические выводы, при этом р-п-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений и надежности, он снабжен дополнительным источником питания, связанным через два электрических вывода с нагревателем, выполненным в виде дополнительного четвертого слоя, нанесенного на коллектор термочувствительного элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 Авторское свидетельство СССР № 584252, кл. G 01 Р 5/12, 1977. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке P 2999 58/18-10, кл, G 01 Р 5/12, 08.08,80.(прототип).