ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА РАСХОДА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно к датчикам расхода жидкости или газа, работающим по принципу термоанемометра.
Известен чувствительный элемент датчика расхода жидкости, состоящий из резистивного нагревателя и датчика температуры жидкости, которые расположены на изолирующей подложке (источник информации: IST_mass_flow.pdf, HandbookfModernSensors.pdf).
Чувствительный элемент датчика расхода жидкости располагается в канале, через который проходит поток жидкости.
Недостатком данного чувствительного элемента датчика расхода жидкости является то, что при эксплуатации поверхность чувствительного элемента датчика расхода жидкости загрязняется посторонними частицами, находящимися в жидкости, что приводит к потере чувствительности. Так же, при использовании данного чувствительного элемента датчика расхода жидкости, затруднена очистка канала от загрязнений без демонтажа чувствительного элемента.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является чувствительный элемент датчика расхода жидкости, включающий в себя тонкостенную металлическую трубку для протекания жидкости, на которой снаружи расположены нагреватель и датчик температуры жидкости, причем нагреватель подключен к блоку управления нагревом, состоящему из регулирующего элемента и схемы управления (источник информации: URL http://www.ist-usadivision.com/sensors/flow/, документ: Out-of-liquid-modul.pdf).
Недостатком данного технического решения является низкий КПД чувствительного элемента датчика расхода жидкости из-за рассеяния дополнительной мощности на регулирующем элементе. Рассеиваемая на регулирующем элементе мощность не используется для нагрева жидкости.
Целью данной полезной модели является повышение КПД чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый чувствительный элемент датчика расхода жидкости или газа включаете себя тонкостенную металлическую трубку для протекания жидкости или газа, на которой снаружи расположены нагреватель и датчик температуры среды, причем нагреватель подключен к блоку управления нагревом, состоящему из регулирующего элемента и схемы управления, отличающийся тем, что в качестве нагревателя используется регулирующий элемент.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение КПД, за счет использования в качестве нагревателя регулирующего элемента. Вся рассеиваемая на регулирующем элементе мощность используется для нагрева жидкости или газа.
Сущность полезной модели поясняется графически.
На фиг. 1 изображен пример конструкции чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа.
На фиг. 2 изображена функциональная схема чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа.
На фиг. 3 изображена принципиальная электрическая схема примера реализации чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа.
Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:
1 - тонкостенная металлическая трубка
2 - теплопроводящий клей
3 - кристалл микросхемы с нагревателем - регулирующим элементом
4 - кристалл микросхемы с датчиком температуры среды
5 - генератор тока микросхемы 3
6 - генератор тока микросхемы 4
7 - диод - датчик температуры нагревателя - регулирующего элемента, в составе кристалла микросхемы 3
8 - диод-датчик температуры среды, в составе кристалла микросхемы 4
9 - резистор, задающий температуру перегрева нагревателя - регулирующего элемента относительно температуры среды
10 -  операционный усилитель микросхемы 3
11 - регулирующий составной транзистор микросхемы 3
12 - резистор, ограничивающий выходной ток операционного усилителя
13 - RS-триггер микросхемы 3
14 - токосъемный резистор
15 - операционный усилитель микросхемы 4
16, 17 - резисторы, задающие коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе микросхемы 4
Чувствительный элемент датчика расхода жидкости или газа, изображенный на фиг. 1, может состоять из кристалла микросхемы КР1156ЕУ1 с нагревателем 3 и кристалла микросхемы КР1156ЕУ1 с датчиком температуры среды 4, которые могут быть смонтированы на металлическую трубку 1, например, при помощи теплопроводящего клея 2.
На фиг. 2 показана функциональная схема чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа на двух кристаллах микросхемы КР1156ЕУ1. На функциональной схеме показаны: резистор, задающий температуру перегрева нагревателя относительно температуры среды 9, резистор, ограничивающий выходной ток операционного усилителя 12, токосъемный резистор 14, и резисторы, задающие коэффициент усиления неинвертирующего усилителя 16, 17. В составе микросхемы 3 показаны: генератор тока 5, диод - датчик температуры нагревателя 7, операционный усилитель 10, регулирующий составной транзистор 11, а так же RS-триггер 13. В составе микросхемы 4 показаны: генератор тока 6, диод - датчик температуры среды 8, и операционный усилитель 15.
На фиг. 3 показана принципиальная электрическая схема чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа и схемы управления на двух кристаллах микросхемы КР1156ЕУ1. Реализация чувствительного элемента и схемы управления возможна путем размещения пассивных компонентов схемы, не входящих в состав микросхем, на печатной плате, которая крепится к тонкостенной металлической трубке с кристаллами и присоединяется к контактным площадкам на кристаллах микросхем при помощи разварки проволокой.
Устройство работает следующим образом. Генераторами тока 5 и 6 на каждом из диодов 7 и 8 создается термозависимое падение напряжения. Напряжение на диоде 7 зависит от температуры кристалла с нагревателем, а напряжение на диоде 8 - от температуры кристалла для контроля температуры среды. В момент включения чувствительного элемента, за счет резистора 9 имеет место разбаланс напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя 10. На выходе операционного усилителя 10 устанавливается напряжение, питающее составной транзистор 11. Резистор 12 ограничивает выходной ток операционного усилителя 10. Составной транзистор 11 открывается за счет установления RS-триггера 13 во включенное состояние. Протекающий через составной транзистор 11 ток разогревает кристалл микросхемы 3, на котором расположен диод 7. При этом падение напряжения на диоде 7 уменьшается. Разогрев кристалла микросхемы 3 происходит до тех пор, пока падение напряжения на диоде 7 не уменьшится на величину падения напряжения на резисторе 9. На кристалле микросхемы 4 располагается диод 8, падение напряжения на котором зависит от температуры среды. Таким образом, резистор 9 задает температуру перегрева нагревателя относительно температуры среды. Ток коллектора составного транзистора 11, протекая через токосъемный резистор 14, создает на нем падение напряжения пропорциональное греющей мощности. Напряжение на токосъемном резисторе 14 усиливается неинвертирующим усилителем на операционном усилителе 15 микросхемы 4 и резисторах 16, 17. Резисторы 16 и 17 задают коэффициент усиления неинвертирующего усилителя для требуемого масштабирования выходного сигнала чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа.
При протекании потока жидкости или газа через тонкостенную металлическую трубку, в направлении от микросхемы 3 к микросхеме 4, тепловое поле от нагревателя сносится потоком на датчик температуры среды. При этом напряжение на не инвертирующем входе операционного усилителя 10 увеличивается, а на инвертирующем входе уменьшается. На коллектор составного транзистора 11 поступает большее напряжение, что приводит к протеканию большего тока через составной транзистор 11. Протекание большего тока через составной транзистор 11 приводит к повышению падению напряжения на токосъемном резисторе 14, и, следовательно, к повышению выходного напряжения чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа.
В соответствии с фиг. 1-3 был собран опытный образец чувствительного элемента датчика расхода жидкости или газа, работоспособность которого была подтверждена при протекании через тонкостенную металлическую трубку потока воды. Внутренний диаметр металлической трубки 4,3 мм, толщина стенки трубки около 0,5 мм и расстоянии между кристаллами микросхем на трубке 17,5 мм. Измерения производились при напряжении питания +12 В. При заполнении трубки водой и в отсутствие движения потока воды, было зафиксировано выходное напряжение +1,1 В. При протекании через трубку потока воды с расходом 82 мл/мин, было зафиксировано выходное напряжение +3,6 В. Проведенные измерения демонстрируют работоспособность устройства.