ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, в частности к конструкциям малогабаритных датчиков, применяемых в качестве детекторов скорости движения воздуха - анемометров.
Общеизвестны конструкции, в которых в качестве чувствительного элемента используются нагреваемые платиновые спирали. Они нагреваются до температуры, значительно превышающей температуру контролируемого потока. Под воздействием воздушного потока происходит унос тепла с чувствительного элемента, он охлаждается. Изменение температуры, пропорциональное уносу тепла, приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента. Измеряя изменение сопротивления, можно определить изменение температуры, и, в конечном счете, скорость воздушного потока.
Подобный принцип используется и в других датчиках, например анализаторах углеводородов. В них платиновые спирали покрываются катализатором. При взаимодействии с углеводородсодержащим газом на поверхности катализатора происходит реакция с выделением тепла, в результате чего его температура изменяется. Изменение температуры, пропорциональное выделению тепла, приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента. Измеряя изменение сопротивления, можно определить изменение температуры, и, в конечном счете, концентрацию углеводородов в анализируемой смеси. Датчик очень чувствителен к скорости анализируемого газовоздушного потока, и при отсутствии углеводородов в смеси (то есть нулевой концентрации) может использоваться как датчик скорости воздушного потока.
К недостаткам описанных конструкций относится ограниченная надежность из-за функционирования чувствительного элемента при повышенных значениях тока, служащего как для нагрева чувствительных элементов до высоких рабочих температур, так и для измерения сопротивления. В результате плотность тока в спиралях чувствительных элементов и проволочных выводах может превышать допустимые значения. Другим недостатком является паразитный унос тепла через выводы и держатели чувствительного элемента.
Известны различные конструкции датчиков, использующих этот принцип измерения, в той или иной степени нейтрализующие указанные недостатки конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является термохимический газоанализатор (патент РФ №2119663, G01N 27/12 приоритет
1996.06.18), содержащий чувствительный элемент в виде спирали, соединенной с проволочными выводами и заключенной внутри пористого носителя, обработанного катализатором, и установленный в держателе, в качестве держателя используется диэлектрическая подложка с отверстием и контактными площадками, к которым прикреплены проволочные выводы чувствительных элементов, а чувствительные элементы располагаются над отверстием, причем на участке диэлектрической подложки между отверстиями и ее боковыми кромками выполнен пленочный нагреватель по меньшей мере с двумя пленочными контактами. При этом нагреватель формирует заданную температуру подложки, выше максимальной температуры окружающей среды. Рабочая температура чувствительного элемента достигается за счет протекания через него измерительного тока, величина которого однозначно определяется параметрами конструкции и сопротивлением нагревателя.
Проволочные выводы чувствительного элемента одновременно выполняют функцию крепежных траверс.
В стабильных условиях концентрации и скорости газовоздушного потока температура чувствительного элемента постоянна, а падение напряжения на нем определяется рабочим режимом элемента. При изменении концентрации или скорости потока происходит изменение температуры чувствительного элемента. Изменение температуры приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента, что соответственно приведет к изменению падения напряжения на нем. Изменение напряжения на чувствительном элементе в зависимости от концентрации регистрируемого газа фиксируется схемой обработки сигнала.
В данной конструкции необходимая рабочая температура чувствительного элемента формируется при меньших значениях измерительного тока (за счет нагрева подложки пленочным нагревателем), что повышает надежность устройства.
Надежность устройства повышается также за счет применения промежуточной диэлектрической прокладки с отверстием, что повышает тепловое сопротивление нагревателя и снижает потребляемую им мощность. В конструкции достигается повышенная стабильность измерений из-за высокой равномерности температуры в объеме отверстия диэлектрической подложки (держателя), благодаря исключению теплопередачи за счет теплопроводимости в направлении к центру подложки, что позволяет обеспечить необходимую точность измерений.
К недостаткам данной конструкции можно отнести закрепление чувствительного элемента на двух проволочных выводах-траверсах, по которым проходит
электрический ток, что приводит к пониженной надежности крепления, к недостаточной механической устойчивости, раскачиванию элемента при тряске.
Предлагаемая полезная модель является адаптацией рассмотренной конструкции для цели измерения скорости газовоздушного потока. Техническим результатом, получаемым при использовании предлагаемой полезной модели, является устранение вышеуказанных недостатков, а именно задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в увеличение механической устойчивости крепления элемента при одновременном увеличение чувствительности датчика к скорости газового потока, исключение чувствительности датчика к концентрации углеводородов, снижение потребляемой мощности и повышение надежности устройства в целом.
Сущность модели заключается в том, что анемометрический датчик, содержащий чувствительный элемент, установлен в держателе, выполненным в виде диэлектрической подложки с отверстием, а чувствительный элемент расположен над отверстием, причем на участке диэлектрической подложки между отверстием и ее боковыми кромками расположен индукционный нагреватель с по меньшей мере двумя пленочными контактами, а чувствительный элемент представляет собой электропроводящее вещество, и закреплен на по меньшей мере трех диэлектрических траверсах, прикрепленных к держателю, а соосно с отверстием держателя и вне его плоскости расположен фотоприемник со светофильтром, прозрачным в синей области оптического излучения, при этом оптический вход фотоприемника оптически сопряжен с чувствительным элементом.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что исключен проходящий через чувствительные элемент ток нагрева, нагрев чувствительного элемента осуществляется за счет индукционного нагревателя, а измерение температуры чувствительного элемента осуществляется оптическим методом. Это позволяет для закрепления элемента использовать не менее трех диэлектрических траверс, что увеличивает механическую устойчивость чувствительного элемента. Отсутствие протекающего через элемент измерительного тока увеличивает надежность конструкции, позволяет отказаться от проволочных выводов, уменьшить размеры траверс, выбрать для их изготовления материал с необходимыми теплофизическими и механическими свойствами, снизить влияние паразитных факторов. Применение фоторегистрации температуры чувствительного элемента за счет измерения оптического излучения в синей области спектра повышает чувствительность измерений. Все это снижает воздействие паразитных теплопотерь и увеличивает
пороговую чувствительность, снижает потребляемую мощность, повышает надежность устройства в целом.
От прототипа предлагаемая модель отличается наличием новых элементов и связей. Новыми элементами являются дополнительные траверсы крепления, фотоприемное устройство со светофильтром. Кроме того, в предлагаемом устройстве по-новому применен чувствительный элемент. Через элемент исключено протекание нагревательно-измерительного тока, что повышает надежность чувствительного элемента, исключен катализатор, что делает его нечувствительным к углеводородным газам.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено из элементов и материалов, выпускаемых отечественной промышленностью. Улучшенные характеристики датчика при малых габаритах и энергопотреблении, простота конструкции позволяют использовать устройство в различных областях науки и техники, следовательно, предлагаемая полезная модель отвечает критерию промышленной применимости.
На фиг.1 и 2 показана схема выполнения варианта заявляемого устройства. На фиг.1 показан вид устройства в плане. Анемометрический датчик содержит чувствительный элемент 1, представляющий электропроводящее вещество, установленный в держателе 2, выполненным в виде диэлектрической подложки с отверстием 3, а чувствительный элемент 1 располагаются над отверстием 3, причем на участке диэлектрической подложки 2 между отверстием 3 и ее боковыми кромками выполнен индукционный нагреватель 4 с по меньшей мере с двумя контактами, при этом чувствительный элемент 1 закреплен не менее чем на трех диэлектрических траверсах 5, прикрепленных к диэлектрической подложке 2, а соосно с отверстием 3 и вне его плоскости расположен фотоприемник 6 со светофильтром 7 (фиг.2), прозрачным в синей области оптического излучения, при этом вход фотоприемника оптически сопряжен с чувствительным элементом 1.
На фиг.2 приведен разрез А-А устройства, на котором за чувствительным элементом 1, диэлектрической подложкой 2 с отверстием 3, соосно с отверстием 3, расположен фотоприемник 6 со светофильтром 7.
Устройство работает следующим образом. При включении датчика происходит индукционный нагрев электропроводящего чувствительного элемента 1 при помощи индукционного нагревателя 4 (за счет подачи на него переменного напряжения от внешнего генератора, в заявке не рассматриваемого). В отсутствие движения газовоздушной среды газа температура чувствительного элемента 1 постоянна и определяется рабочим режимом индукционного нагревателя 4 и параметрами
теплообмена чувствительного элемента 1. При появлении движения окружающей газовоздушной среды начинается унос тепла с чувствительного элемента, в результате чего его температура изменяется. Изменение температуры, пропорциональное скорости газовоздушного потока, приводит к изменению характеристик теплового оптического излучения чувствительного элемента, а именно к одновременному изменению мощности излучения и сдвигу максимума излучения в синей область спектра, что соответственно приведет к изменению сигнала с фотоприемника 6, установленного за светофильтром 7 и оптически сопряженного с чувствительным элементом 1. Сигнал с фотоприемника, сигнал работы индукционного нагревателя поступает на измерительно-управляющее устройство (на фиг 1-2 не показано). Исполнение измерительно-управляющего устройства выбирается разработчиком аппаратуры применительно к конкретным целям. Изменение сигнала фотоприемника в зависимости от скорости движения анализируемой газовоздушной среды в дальнейшем фиксируется схемой обработки сигнала. Измерительное устройство выбирается из конкретной задачи.
Спектральная фильтрация оптического сигнала и его регистрация в синей области спектра позволяет увеличить чувствительность устройства. Формирование температуры чувствительного элемента только за счет индукционного нагрева повышает надежность устройства.
Вся совокупность признаков за счет увеличения надежности устройства и повышении чувствительности датчика позволяет создать малогабаритное устройство, пригодное для работы в промышленных условиях.
Полезная модель найдет применение для измерения скорости движения газовоздушных газовых сред в разнообразных анемометрических системах.