Термоанемометр Советский патент 1992 года по МПК G01P5/12 

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

Известны термоанемометры, в которых в качестве чувствительных элементов, нагревателей и термокомпенсаторов используются транзисторы и отдельные элементы транзисторной структуры.

Известен термоанемометр, состоящий из двух транзисторов, выполненных на одном кристалле в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель, источник питания, электрические выводы, при этом p-n-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему. В первом транзисторе используется толькор - п-пе- реход эмиттер-база в функции термочувствительного элемента, а нагревателем для него служит диффузионный резистор, сформированный в транзисторе со стороны коллектора. Второй транзистор включен как диод и используется в рассматриваемом устройстве в качестве термокомпенсатора.

Недостатком такого устройства является малая мощность выходного сигнала, что требует для обеспечения необходимой точности измерения использования стандартных усилительных устройств, усложняющих термоанемометр и повышающих его стоимость.

Наиболее близким по технической сущности является термоанемометр, состоящий из первого транзистора, в котором переход коллектор-база используется как нагреватель, а p-n-переход эмиттер-база - в качестве термочувствительного элемента. В качестве термокомпенсатора применен второй транзистор, включенный в диодном режиме, помещенный непосредственно в измеряемую среду и управляющий базой Третьего транзистора для поддержания постоянного перегрева корпуса первого транзистора относительно измеряемой среды. Поскольку для обеспечения значительного перегрева корпуса первого транзистора, сосл

с

XI

ю о о ю о

держащего нагреватель и термочувствительный элемент, требуется пропускать через переход коллектор-база токи большой величины, а вывод базы, как правило, изготавливается слаботочным, то на практике такие устройства обладают либо низкой надежностью (при работе со значительными перегревами), либо низкой чувствительностью (при работе с малыми перегревами).

Целью изобретения является повыше- ние чувствительности и точности измерения.

На чертеже представлена электрическая схема термоанемометра.

Термоанемометр содержит два полу- проводниковых кристалла 1 и 2, каждый из которых имеет по два транзистора 3, 4 и 5, 6 соответственно, я также первый, второй, .третий и четвертый резисторы 7, 8, 9 и 10.

В кристалле 1 транзистор 4 включен как усилительный элемент, коллекторной нагрузкой которого является p-n-переход коллектор-база второго транзистора 3, зашунтированный резистором 8. Транзистор 4 выполняет роль нагревателя.

Диод эмиттер-база второго транзистора 3 предназначен для обеспечения обратной связи по температуре между кристаллами и выполняет роль термочувствительного элемента. В кристалле 2 транзи- стор 6 выполняет роль усилителя мощности сигнала, поступающего от термочувствительного элемента. Коллекторной нагрузкой транзистора 6 служит переход коллектор-база транзистора 5, зашунтиро- ванный резистором 10, а переход эмиттер- база этого транзистора выполняет роль термокомпенсатора, Для установки нуля и условий термокомпенсации резисторы 9 и выполнены переменными.

При условии однозначности параметров транзисторных структур в пределах, допустимых на практике, резисторы в схеме термоанемометра выбираются исходя из соотношений: R7 R10n R8 R9. При оди- паковой мощности, рассеиваемой в транзисторах 4 и 6, кристалл 1 нагрет до более высокой температуры за счет ухудшенных условий отвода тепла от него. Так, например, тепловое сопротивление кристалла 1 по отношению, к окружающей среде равно 20° С/мВт, а тепловое сопротивление кристалла 2 равно 0,2° С/мВт, тогда при рассеиваемой мощности в кристаллах порядка 20 мВт, кристалл 1 будет иметь перегрев над окружающей средой равный 40° С, в то время как перегрев кристалла 2 не будет превышать 4° С (за счет теплоотвода его перегрев может быть сколь угодно малым). .

Термоанемометр работает следующим образом.

При подаче напряжения от источника питания Еп через транзисторные структуры протекают токи I 10 мА. При постоянном напряжении источника питания Еп ра рабочий режим транзисторов 4 и 6 определяется коэффициентами усиления / этих транзисторов и величинами резисторов...10. Если коэффициенты усиления транзисторов 4 и 6 одинаковы, то, учитывая ,что на диоде в прямом направлении падает примерно 0,7 В, можно использовать для расчета номиналов резисторов следующие простые соотношения:

R8 R9

Ј(Еп-1.4)

R7 R10AUK P2

TKH-ST

где Т - рабочий диапазон температур; ТКН - температурный коэффициент прямого падения напряжения на р-п-переходе эмиттер-база транзисторов 3 и 5; A UK - изменение напряжения на коллекторе транзисторов 4 и 6, обусловленное изменением температуры окружающей среды Л Т. При этом в каждом кристалле выделяется одинаковая мощность, но температура горячего кристалла значительно превышает температуру холодного кристалла.

При наличии потока среды им уносится некоторая часть тепла от кристалла 1, температура его уменьшается, увеличивается ток через p-n-переход эмиттер-база транзистора 3 вследствие уменьшения прямого падения напряжения на данном р-п-переходе и изменяется напряжение на коллекторе транзистора 6. Если температура окружающей среды в процессе измерения потока остается неизменной, то изменение напряжения на коллекторе транзистора 6 определяется только наличием потока среды. Поскольку тепловая постоянная времени холодного кристалла превышает тепловую постоянную времени горячего кристалла, то компенсация температуры отражающей среды будет происходить со скоростью, соответствующей скорости изменения температуры холодного кристалла таким образом, что при изменении температуры окружающей среды изменяются на одинаковую величину токи в базы транзисторов 4 и 6, что вызовет одинаковое изменение напряжения на коллекторах транзисторов 4 и 6 и на выходе термоанемометра напряжение не изменится.

Формула изобретения Термоанемометр, содержащий источник питания, термочувствительный элемент и термокомпенсатор, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, в него введены первый, второй, третий и четвертый резисторы, а термочувствительный элемент и термокомпенсатор выполнены в виде двух- эмиттерных транзисторных структур, объединенных первыми эмиттерами, подключенными к положительной шине источника питания, отрицательная шина кото0

рого подключена к первым базам двухэмит- терных транзисторных структур, соединенных соответственно каждая первой базой со своим коллектором через первый и второй резисторы, вторая база первой транзисторной структуры соединена через третий резистор со вторым эмиттером второй транзисторной структуры, подключенной второй базой через четвертый резистор ко второму эмиттеру первой транзисторной структуры, коллектор первой и второй транзисторных структур подключены к выходам термоанемометра.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить чувстви- тельность и точность измерения термоанемометров. Термоанемометр содержит два полупроводниковых кристалла. . каждый из которых имеет двухэмиттер- ные транзисторные структуры. Первый кристалл выполняет роль чувствительного элемента, а второй - роль термокомпенсатора. Разность температур между кристаллами обеспечивается различными условиями отвода тепла от них, т.е. зависит от скорости потока жидкости или газа. 1 ил.

+ 8ь/х