АНЕМОМЕТР
ANEMOMETER

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов и определения направления этих потоков - МЭМС-анемометрам.
Известно множество конструкций анемометров, которые способны измерять направления и скорости потоков газов и жидкостей, но имеют большие размеры: механические [US 4671108], с трубками Пито [US 3443431], акустические [US 6601447] и др.
Известен более миниатюрный анемометр, имеющий четыре разнонаправленные камеры с датчиками [US 3646811] - он способен определять скорость и направление потока, но недостаточно точен, инерционен так, что не может регистрировать колебания давления, связанные с турбулентностью потока, а также содержит отверстия и полости, подверженные загрязнению
При загрязнении датчиков, определяющих одновременно скорость и направление потока, спадает преимущественно точность определения скорости потока при сохранении на приемлемом уровне точности определения направления потока, и известен анемометр, в котором для преодоления этого недостатка разделены функции по определению скорости потока (использован цилиндр отклоняющийся) и его направления (использованы термоанемометры) [WO 9422022, WO 1992003749 A1]. Недостатком его является наличие подвижных частей, сложность и громоздкость.
Анемометр по патенту US 5299455 позволяет определять скорость и направление потока по анализу показаний термодатчиков, сформированных на поверхностях двух взаимно перпендикулярных цилиндров. При анализе учитывается распределение теплоотвода по отдельным термодатчикам, колебания теплоотвода от отдельных датчиков, связанные с неустойчивостью потока (вихреобразованием, отрывом вихрей и т.п.) - в том числе противофазные в определенных точках цилиндров, частоты колебаний потока, пропорциональные скорости потока, распределение фаз колебаний теплоотвода от отдельных датчиков. Термодатчиками служат нанесенные на поверхность цилиндров пленочные терморезисторы, работающие в режиме постоянного напряжения. Использование цилиндров со встроенными датчиками для определения скорости и направления потока по регистрации колебаний показаний датчиков (сравнение фаз колебаний), вызванных колебанием потока, позволяет принять его в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является наличие термодатчиков, необходимость нагрева элементов которых приводит к ускоренной деградации (например, из-за химического взаимодействия, диффузии, механических напряжений). Другим существенным, особенно для военного применения, недостатком устройств с термодатчиками является наличие у них ИК-излучения, демаскирующего объект. Наличие нагретых элементов ограничивает возможности применения подобных (но еще более миниатюрных) анемометров в медицине.
Задачей предлагаемого изобретения является исключение термической деградации анемометра и расширение возможностей применения.
Указанная задача решается тем, что анемометр выполнен в виде сплошного или полого цилиндра с не менее чем двумя продольными полостями на цилиндрической (внешней) поверхности, покрытыми упругими стенками того же радиуса кривизны, что и цилиндр, а на каждой упругой стенке сформирован по крайней мере один тензодатчик, соединенный с блоком съема и анализа данных.
При обтекании цилиндра потоком газа или жидкости возникает турбулентный поток (в частности, вихри, перемещающиеся вдоль поверхности и отрывающиеся), вызывающий колебания скоростей потока в разных точках у поверхности цилиндра [Pat. US 5299455], по характеру которых можно сделать однозначный вывод о скорости и направлении потока. Аналогичный характер носят, в соответствии с законом Бернулли, и колебания давления в разных точках поверхности цилиндра. Поэтому анализ колебаний давления (вместо теплоотвода) в разных точках поверхности обтекаемого потоком цилиндра также дает информацию о скорости и направлении потока. Этот анализ проводят так же, как в устройстве по патенту US 5299455 - с помощью блока съема и анализа данных, который содержит измерители показаний тензодатчиков, анализаторы фазы и частоты сигналов с каждого тензодатчика, вычислительное устройство, выполняющее обработку информации по заданной программе и средства передачи и/или хранения результатов анализа.
Упругая стенка с тензодатчиком (или тензодатчиками), меняющая форму под воздействием разности локального внешнего давления и давления внутри полости, приводит к изменению состояния тензодатчика, что позволяет определять локальное давление на поверхность цилиндра. Упругость стенки зависит от ее материала и толщины, и их выбирают в зависимости от ширины продольных полостей в цилиндре, от требуемых пределов измерений и условий эксплуатации. Необходимая упругость может рассчитываться теоретически (по характеристикам тензодатчиков, геометрическим параметрам анемометра и свойствам используемого материала), экспериментальным путем или сочетанием обоих подходов. Например, для измерения высоких скоростей потоков упругость должна быть выше, чем для измерения низких скоростей. Аналогично, для измерения скоростей потоков высокой плотности упругость должна быть выше, чем в случае потоков низкой плотности. Это не исключает возможности изготовления анемометра с широким диапазоном измерения скоростей потоков, в том числе имеющих различную плотность.
Для измерения скоростей и направлений потоков газов предложен вариант изобретения, в котором давление в полостях поддерживают равным давлению (среднему) во внешней среде, например давлению в ламинарной части потока. Для исключения загрязнения полостей они сообщаются с внешней средой через фильтр. Такой вариант может быть реализован путем использования не сплошного, а полого цилиндра, внутренняя полость которого сообщается с внешними продольными полостями и в которой установлен фильтр, например, внутренняя полость может быть заполнена фильтрующим материалом. При этом вероятность его критического загрязнения существенно меньше, чем если бы каждая продольная полость была снабжена отдельным фильтром малого размера. Кроме того, внутренняя полость демпфирует колебания на входе в нее, если такие колебания имеют место, и в под упругими стенками поддерживается одинаковое давление.
Для измерения скоростей и направлений потоков жидкостей предложен вариант изобретения, в котором продольные полости выполнены герметичными и газонаполненными.
На упругой стенке каждой продольной полости формируется по меньшей мере один тензодатчик. Тензодатчик может располагаться на внутренней или внешней поверхности упругой стенки. Тензодатчики могут быть сформированы и на обеих поверхностях упругой стенки. Кроме этого, с любой стороны каждой упругой стенки могут быть сформированы дополнительные тензодатчики, в том числе и отличающиеся по используемому физическому эффекту, например, в виде тензорезисторов или пьезоэлементов.
При использовании в качестве тензодатчиков пьезоэлементов отпадает необходимость подачи питания на датчики.
При деформации упругой стенки под действием разности давлений ее кривизна в поперечном сечении имеет области с разным знаком (как у нагруженной балки с защемленными концами): в центре - один знак, по краям - противоположный. Тензодатчики, сформированные в этих областях, будут давать противоположные сигналы, что является благоприятным обстоятельством для регистрации. Тензодатчики, сформированные с двух сторон упругой стенки в пределах области с одним знаком кривизны, будут также давать противоположные сигналы.
Тензодатчики могут быть выполнены тонкопленочными с заданной, наиболее выгодной топологией, например, в виде меандра, эффект от деформации поперечных частей которого при деформации складывается.
На Фиг.1 схематично изображен общий вид анемометра в варианте со сплошным цилиндром и тензодатчиками, сформированными в средней части внутренней поверхности упругой стенки, а на Фиг.2 изображено сечение того же анемометра.
Цифрами обозначены:
1 - цилиндр (твердый);
2 - продольная полость;
3 - упругая стенка, являющаяся в данном примере частью упругого цилиндра, приклеенного к твердому цилиндру в области вне продольных полостей;
4 - тензодатчик.
Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения может быть анемометр, у которого твердый цилиндр длиной 3 см и диаметром 5 мм выполнен из алюминия с 10-ю продольными не доходящими до торцов канавками прямоугольного сечения длиной 2 см размерами в сечении 1×1 мм, закрытыми упругими стенками из полиимида толщиной 0,5 мм, являющимися частью наклеенной (вне канавок) на твердый цилиндр полиимидной пленки, на которой в рассчитанных местах заранее нанесены тензорезисторы из нихрома в виде пленки толщиной 2 мкм с топологией меандра с шагом 0,2 мм, шириной 0,3 мм и шириной шины 0,1 мм, так чтобы после наклейки тензодатчики оказались внутри полостей. (Коммутация и устройство блоков съема и анализа общеизвестны.) Другим примером конкретного исполнения может быть анемометр, в котором продольные полости закрыты упругими стенками из установленных заподлицо с внешней поверхностью цилиндра кремниевыми мембранами толщиной 100 мкм со сформированных на них тензодатчиках. В этом случае собранный анемометр подвергают дополнительной полировке для обеспечения цилиндричности.
Предлагаемый анемометр устойчив к воздействию внешней среды, не содержит подвижных и нагреваемых частей, не подвержен деградации, связанной с нагревом, не является источником паразитных излучений (ИК, например) и полей (тепловых, например), что позволяет использовать его в военных целях без опасений демаскировать себя и в медицинских (например, для определения скорости воздуха в бронхах, при котором нагрев зондов недопустим). При этом анемометр сохраняет все полезные качества прототипа: в частности, измеряемой величиной является частота, зависящая от скорости потока.