ТЕПЛОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к компактным микроэлектромеханичеким устройствам для измерения направления и скорости потока газа или жидкости, и может применяться, например, в системах анемометрии для определения направления и скорости ветра, а также в различных пневматических и гидравлических системах.
Известен "Датчик направления и скорости потока жидкости", выбранный за прототип. Устройство состоит из корпуса, снабженного штуцерами для подключения к гидравлической/пневматической системе, через который протекает поток жидкости в произвольном направлении. В корпусе находятся подвижные элементы (дефлекторы). Дефлекторы представляют собой плоские, ортогонально ориентированные, пластины, закрепленные на гибком подвесе. Дефлекторы отклоняются от равновесного положения под действием давления, создаваемого потоком жидкости. По величине отклонения дефлекторов, так как известна жесткость подвеса дефлектора, измеряется скорость потока, при этом по отклонениям, полученных с ортогонально ориентированных дефлекторов можно вычислять направление потока в одной плоскости. Измерение отклонения дефлектора осуществляется по изменению угла отраженного от отклонившегося от равновесного положения дефлектора луча света [Патент US №7117735].
Недостатками данного устройства являются наличие громоздкой и дорогостоящей системы оптического детектирования отклонения дефлекторов, внесение дефлекторами, стоящими непосредственно в потоке вклада в гидравлическое сопротивление измеряемой системы, что влияет на точность измерения направления и скорости потока, подвижность дефлекторов, вызывающая разрушение подвеса дефлекторов за счет непрерывных вибрация, вызванных колебаниями направления и скорости потока.
Задачей изобретения является увеличение точности измерения направления и скорости потока газа или жидкости, а также увеличение долговечности и устройства.
Для решения поставленной задачи предложен тепловой измеритель направления и скорости потока газа или жидкости, представляющий собой чувствительный элемент, помещенный в корпус произвольной формы, снабженный штуцерами для подключения к гидравлической системе.
2
3
4
2
Чувствительный элемент выполнен в виде неподвижной многослойной мембраны, расположенной на рамке. Мембрана состоит из чередующихся слоев, например, из пяти чередующихся слоев соединений кремния: трех слоев оксида кремния (SiO) и двух слоев нитрида кремния (SiN) и расположена на рамке, например, из кремния, которая выполнена заедино с мембраной. На плоскости мембраны со стороны противоположной рамке, расположен терморезистивный элемент произвольной формы, (например, П-образной формы, или в форме незамкнутого квадрата или многоугольника), вокруг которого расположены батареи термопар и теплопроводящий слой, например, слой оксида кремния (SiO). Контактные площадки терморезистивного элемента расположены на рамке, а горячие спаи термопар - на мембране, холодные спаи и контактные площадки термопар расположены на рамке. (Фиг 1.)
Такая конструкция чувствительного элемента из соединений кремния позволяет согласовать коэффициенты теплового расширения мембраны и рамки, что позволяет избежать, в случае изменения температуры, возникновения механических напряжений в конструкции. Мембрана имеет малую теплопроводность, основной поток тепла идет к горячим спаям термопар через теплопроводящий слой. Рамка более массивна, чем мембрана и обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью, что обеспечивает эффективное охлаждение холодных спаев термопар. Это позволяет эффективно измерять малые изменения температуры вдоль мембраны.
Чувствительный элемент теплового измерителя направления и скорости потока газа или жидкости содержит: 1 - контактные площадки батарей термопар, 2 - контактные площадки терморезистивного элемента, 3 - батареи термопар, 4 - терморезистивный элемент, 5 - многослойная неподвижная мембрана, 6 - рамка, на которой расположена мембрана. Тепловой измеритель направления и скорости потока газа или жидкости содержит: 7 - корпус, 8 - поток газа или жидкости, текущий через корпус, 9 - соединительные штуцера (Фиг.1, 2).
2
3
4
2
Для измерения направления и скорости потока газа или жидкости в плоскости, параллельной чувствительному элементу, чувствительный элемент помещен в корпус, снабженный переходными штуцерами и подключенный к гидравлической/пневматической системе, в которой существует поток жидкости или газа, направление и скорость которого требуется измерить (Фиг.2). Чувствительный элемент представляет собой многослойную неподвижную мембрану, состоящую из пяти чередующихся слоев соединений кремния: трех слоев оксида кремния (SiO) и двух слоев нитрида кремния (SiN), расположенную на рамке. Толщина мембраны составляет 1-1,5 мкм. Мембрана выполнена заедино с рамкой из кремния, толщина рамки 400 мкм. На плоскости мембраны со стороны противоположной рамке, расположен терморезистивный элемент П-образной формы, вокруг которого расположены батареи термопар и теплопроводящий слой из оксида кремния (SiO).
Предварительно для измерения направления и скорости потока газа или жидкости измеритель подключают через соединительные штуцера к гидравлической/пневматической системе и в системе возникает поток жидкости или газа, направленный параллельно мембране чувствительного элемента. При этом через терморезистивный элемент, расположенный на мембране чувствительного элемента, течет нагревающий его переменный или постоянный ток. Поток жидкости или газа будет проходить первую, по направлению потока, батарею термопар, нагреваться, протекая над терморезистивным элементом, и проходить над второй, по направлению потока, батареей термопар. Основной поток тепла, идет к горячим спаям термопар через теплопроводящий слой, находящийся на мембране, расположенной на рамке. Детектируя разность электрических напряжений между противоположными батареями термопар, расположенных параллельно направлению потока, можно определить скорость потока газа или жидкости. Также, определяя между какими батареями термопар, имеется разность электрических напряжений, можно определить Х и Y компоненты скорости потока - направление потока.
Например, терморезистивный элемент представляет собой незамкнутый квадрат, и четыре батареи термопар находятся вдоль сторон квадрата, поток направлен перпендикулярно одной из сторон терморезистивного элемента, в этом случае разность температур и, соответственно, разность измеряемых напряжений, будет возникать между парами батарей, расположенных выше и ниже по потоку. Батареи, расположенные перпендикулярно направлению потока будут находиться при одинаковой температуре. Если поток направлен под углом к стороне терморезистивного элемента разность напряжений будет возникать между всеми четырьмя батареями термопар, благодаря чему измеряется направление потока. Перед началом эксплуатации выполняют калибровку измерителя, например, при помощи калиброванной гидравлической пневматической системы в которой можно регулировать скорость потока газа или жидкости с высокой точностью. Измеритель подключают к системе и строят калибровочный график - зависимость разностных электрических напряжений термопар от скорости потока и сопоставляя их с полученной разностью измеряемых напряжений определяют скорость потока.
Подобным же образом, посредством изменения положения штуцеров на корпусе, Измеритель калибруется для измерения направления потока
Таким образом, в предлагаемом тепловом измерителе направления и скорости потока газа или жидкости, за счет отсутствия элементов, помещаемых непосредственно в поток, и отсутствия специальных (оптических) детекторов достигается возможность увеличения точности измерений, а также увеличение долговечности устройства.