RU2036448C1 - Method of measurement of gas pressure and device for its implementation - Google Patents
Method of measurement of gas pressure and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2036448C1 RU2036448C1 SU4907449A RU2036448C1 RU 2036448 C1 RU2036448 C1 RU 2036448C1 SU 4907449 A SU4907449 A SU 4907449A RU 2036448 C1 RU2036448 C1 RU 2036448C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heated element
- gas
- temperature
- gas pressure
- heated
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах измерения давления газов в широком диапазоне давлений. The invention relates to measuring technique and can be used in gas pressure measuring devices in a wide pressure range.
Известны способы измерения давления газов, использующие зависимость от давления интенсивности передачи тепла от нагреваемого элемента в газ (воздух). Known methods for measuring gas pressure using pressure dependence of the intensity of heat transfer from the heated element to the gas (air).
Известен термоэлектрический датчик давления газов, обладающий высокой чувствительностью в области давлений около 1 атм. Коэффициент теплообмена определяется процессами естественной конвекции, и теплоотдача существенно зависит от ориентации датчика в поле тяжести, поэтому построение измерительного устройства, работающего в диапазоне давлений более ≈1 атм и основанного на известном способе, не обеспечивает требуемой точности. Known thermoelectric gas pressure sensor having high sensitivity in the pressure range of about 1 ATM. The heat transfer coefficient is determined by the processes of natural convection, and heat transfer substantially depends on the orientation of the sensor in the gravity field, therefore, the construction of a measuring device operating in the pressure range of more than ≈1 atm and based on the known method does not provide the required accuracy.
Известны также способы измерения давления газов, позволяющие устранить зависимость результата измерения от температуры газа, уменьшить энергопотребление и т. п. Для этого давление газа определяют по скорости разогрева и остывания термочувствительного элемента при включении или выключении электрического тока, перегревающего его относительно окружающего его газа, при этом измерения проводят в режиме установившегося теплообмена с газовой средой. Эти способы могут работать только при низких давлениях. Methods for measuring gas pressure are also known, which make it possible to eliminate the dependence of the measurement result on gas temperature, reduce energy consumption, etc. this measurement is carried out in the mode of steady heat exchange with a gaseous medium. These methods can only work at low pressures.
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения давления газов, использующий нагреваемый элемент с микроскопическими размерами, получаемый с помощью микроэлектронной технологии. Через нагреваемый элемент пропускают электрический ток, разогревая его. Рассеиваемая мощность автоматически подбирается таким образом, что величина разогрева нагреваемого элемента поддерживается постоянной. Давление определяют по градуировочной кривой, представляющей собой зависимость рассеиваемой мощности от давления газа при фиксированном разогреве нагреваемого элемента. Closest to the proposed is a method of measuring gas pressure using a heated element with microscopic dimensions, obtained using microelectronic technology. An electric current is passed through the heated element, heating it. Power dissipation is automatically selected so that the amount of heating of the heated element is kept constant. Pressure is determined by a calibration curve, which is the dependence of power dissipation on gas pressure with a fixed heating of the heated element.
Для осуществления данного способа измерения в качестве нагреваемого термочувствительного элемента используют металлический терморезистор, сформированный на тонкой диэлектрической пленке. Диэлектрическая пленка нависает над V-канавкой, изготовленной на поверхности кремниевой пластины методом химического травления. Для расширения диапазона измеряемых давлений в область высоких давлений специально используют нагреваемый термочувствительный элемент с микроскопическими размерами, обеспечивающий резкий градиент температуры у его поверхности. Данный способ имеет предел измерения давления, составляющий несколько атмосфер, поскольку длина свободного пробега молекул газа при таких давлениях достигает величины 10-6-10-5 см, а минимально достижимые размеры нагреваемого элемента (определяемые технологическими возможностями изготовления) ≈ 10-4 см.To implement this measurement method, a metal thermistor formed on a thin dielectric film is used as a heat-sensitive element to be heated. A dielectric film hangs over a V-groove made on the surface of a silicon wafer by chemical etching. To expand the range of measured pressures to high pressures, a heated thermosensitive element with microscopic dimensions is specially used, providing a sharp temperature gradient at its surface. This method has a pressure measurement limit of several atmospheres, since the mean free path of gas molecules at such pressures reaches 10 -6 -10 -5 cm, and the minimum achievable dimensions of the heated element (determined by the manufacturing technological capabilities) ≈ 10 -4 cm.
Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых давлений. The aim of the invention is to expand the range of measured pressures.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения давления газов путем определения интенсивности теплообмена между нагреваемым элементом и газом, включающем пропускание электрического тока через нагреваемый элемент, измерение зависимости температуры разогрева от рассеиваемой мощности и определение давления по градуировочной зависимости, пропускание электрического тока осуществляют в импульсном режиме, при этом деятельность импульсов в токе tимп выбирают из условия tимп < τ, где τ характерное время установления стационарного распределения температуры в газе при скачкообразном изменении температуры нагреваемого элемента.This goal is achieved by the fact that in the known method of measuring gas pressure by determining the intensity of heat transfer between the heated element and the gas, including passing an electric current through the heated element, measuring the dependence of the heating temperature on the power dissipation and determining the pressure from the calibration curve, the electric current is transmitted in a pulse mode, while the activity of the pulses in the current t imp is chosen from the condition t imp <τ, where τ is the characteristic settling time s stationary distribution of temperature in a gas with an abrupt change in the temperature of the heated element.
Поставленная цель достигается также тем, что в известном устройстве, содержащем кремниевую подложку, на которой сформирована диэлектрическая пленка с электрически нагреваемым элементом, расположенным на пленке, причем в подложке выполнено углубление, расположенное под нагреваемым элементом, отношение минимального поперечного размера нагреваемого участка диэлектрической пленки к суммарной толщине диэлектрической пленки и нагреваемого элемента превышает 50. This goal is also achieved by the fact that in the known device containing a silicon substrate on which a dielectric film is formed with an electrically heated element located on the film, and in the substrate there is a recess located under the heated element, the ratio of the minimum transverse size of the heated portion of the dielectric film to the total the thickness of the dielectric film and the heated element exceeds 50.
Предлагаемый способ характеризуется следующей последовательностью операций. The proposed method is characterized by the following sequence of operations.
Для его осуществления нужно изначально определить значение времени τ, необходимое для установления стационарного распределения температуры в газе при скачкообразном изменении температуры нагреваемого элемента. For its implementation, it is necessary to initially determine the value of time τ necessary to establish a stationary temperature distribution in a gas with an abrupt change in the temperature of the heated element.
Затем нагреваемый элемент помещают в исследуемую среду с температурой Тo, разогревают коротким импульсом тока с фиксированной мощностью и длительностью tимп (tимп < τ) до температуры То-Т, измеряют величину разогрева Т и по градуировочной кривой, представляющей зависимость Т от давления газа, определяют давление газа. Построение градуировочной кривой проводят стандаpтным методом путем сравнения показаний предлагаемого датчика и аттестованного средства измерения давления во всем рабочем диапазоне.Then the heated element is placed in the test medium with a temperature of T o , heated with a short current pulse with a fixed power and duration t imp (t imp <τ) to a temperature of T about -T, measure the value of the heating T and the calibration curve representing the dependence of T on pressure gas, determine the gas pressure. Construction of the calibration curve is carried out by the standard method by comparing the readings of the proposed sensor and a certified means of measuring pressure in the entire operating range.
Главным условием осуществимости способа является малая термическая масса термочувствительного элемента, т.е. постоянная времени его остывания должна быть меньше или по крайней мере сравнима со временем τ. The main condition for the feasibility of the method is the small thermal mass of the heat-sensitive element, i.e. its cooling time constant should be less than or at least comparable to the time τ.
Оптимальное отношение между величинами tимп и τ может определяться экспериментально, поскольку оно зависит от конструктивных особенностей нагреваемого элемента его формы, теплоемкости, площади теплообмена с газом и т.п.The optimal ratio between the values of t imp and τ can be determined experimentally, since it depends on the design features of the heated element of its shape, heat capacity, area of heat exchange with gas, etc.
В предлагаемом способе акт измерения температуры нагреваемого элемента проводят за время tимп меньше, чем время τ установления стадии регулярного теплообмена.In the proposed method, the act of measuring the temperature of the heated element is carried out in a time t imp less than the time τ of establishing the stage of regular heat transfer.
Этот режим характеризуется возникновением больших градиентов температур ∂ Т2/∂ х, что определяет значительное преобладание роли процессов диффузионного переноса тепла над конвекционным во всем диапазоне измеряемых давлений. Решение системы уравнений в этом случае зависит от плотности газа, пропорциональной его давлению.This mode is characterized by the appearance of large temperature gradients ∂ Т 2 / ∂ х, which determines the significant predominance of the role of diffusion heat transfer over convection in the entire range of measured pressures. The solution of the system of equations in this case depends on the gas density proportional to its pressure.
Для создания устройства для измерения давления газов, эффективно реализующего предлагаемый способ измерения, необходимо существенно изменить геометрию нагреваемого элемента по сравнению с известными техническими решениями. Если в прототипе используется нагреваемый элемент с микроскопическим поперечным размером нагреваемого участка, сравнимым с его толщиной, то в предлагаемом устройстве он должен обладать максимальной площадью теплообмена и минимальной теплоемкостью. Поскольку теплоемкость пропорциональна суммарной толщине диэлектрической пленки и нагреваемого элемента d, должно обеспечиваться максимально возможное отношение l/d, где l минимальный поперечный размер нагреваемого участка диэлектрической пленки. Предельное значение данного отношения, полученное экспериментально и позволяющее осуществить предлагаемый способ, составляет величину l/d ≃ 50. При большей толщине d чувствительность устройства снижается. С другой стороны чрезмерное уменьшение толщины d приводит к снижению механической прочности устройства, что ограничивает отношение l/d. To create a device for measuring gas pressure, which effectively implements the proposed method of measurement, it is necessary to significantly change the geometry of the heated element in comparison with the known technical solutions. If the prototype uses a heated element with a microscopic transverse size of the heated area, comparable with its thickness, then in the proposed device it must have a maximum heat transfer area and minimum heat capacity. Since the specific heat is proportional to the total thickness of the dielectric film and the heated element d, the maximum possible ratio l / d should be provided, where l is the minimum transverse dimension of the heated portion of the dielectric film. The limiting value of this ratio, obtained experimentally and allowing the proposed method to be implemented, is l / d ≃ 50. With a larger thickness d, the sensitivity of the device decreases. On the other hand, an excessive decrease in the thickness d leads to a decrease in the mechanical strength of the device, which limits the ratio l / d.
Для осуществления предлагаемого способа измерения предпочтительной является геометрия плоского пленочного нагреваемого элемента, имеющего хорошую тепловую изоляцию от корпуса. Создание такого датчика возможно при использовании микроэлектронной технологии, позволяющей получать тонкие мембраны (толщиной 0,1-0,5 мкм) из материалов с малым значением коэффициента теплопроводности (например, SiO2 и SiN4).For the implementation of the proposed measurement method, the geometry of a flat film heated element having good thermal insulation from the housing is preferred. The creation of such a sensor is possible using microelectronic technology, which allows to obtain thin membranes (0.1-0.5 μm thick) from materials with a low thermal conductivity (for example, SiO 2 and SiN 4 ).
На чертеже представлен один из возможных вариантов предлагаемого устройства, две проекции. The drawing shows one of the possible options for the proposed device, two projections.
Устройство содержит кремниевую подложку 1 с углублением 2, диэлектрическую пленку 3 и нагреваемый элемент 4. Пунктиром линией отмечена граница углубления. Нагреваемый участок 5 диэлектрической пленки заштрихован. Его минимальный поперечный размер равен l. The device contains a silicon substrate 1 with a recess 2, a dielectric film 3 and a heated element 4. A dashed line marks the boundary of the recess. The heated portion 5 of the dielectric film is shaded. Its minimum transverse dimension is l.
Датчики обладают высокой чувствительностью в диапазоне давлений до 100 атм, что подтверждается проведенными предварительными экспериментами с использованием стандартных средств измерений, в то время как и в прототипе верхний предел измерений составляет величину около 1 атм. The sensors have high sensitivity in the pressure range up to 100 atm, which is confirmed by preliminary experiments using standard measuring instruments, while in the prototype the upper limit of measurements is about 1 atm.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Через нагреваемый элемент 4 пропускают электрический ток, разогревая его до температуры То-Т, где То температура окружающей среды. Длительность импульса тока tимп и его амплитуда поддерживаются постоянными. Измеряют величину Т и по градуировочной кривой, представляющей зависимость Т от давления газа, определяют давление газа. Построение градуировочной кривой проводят стандартным методом путем сравнения показаний предлагаемого датчика и аттестованного средства измерения давления в требуемом рабочем диапазоне.An electric current is passed through the heated element 4, heating it to a temperature T o -T, where T o is the ambient temperature. The duration of the current pulse t imp and its amplitude are kept constant. The value of T is measured and the gas pressure is determined from a calibration curve representing the dependence of T on gas pressure. The construction of the calibration curve is carried out by the standard method by comparing the readings of the proposed sensor and a certified means of measuring pressure in the desired operating range.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4907449 RU2036448C1 (en) | 1991-02-04 | 1991-02-04 | Method of measurement of gas pressure and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4907449 RU2036448C1 (en) | 1991-02-04 | 1991-02-04 | Method of measurement of gas pressure and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2036448C1 true RU2036448C1 (en) | 1995-05-27 |
Family
ID=21558390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4907449 RU2036448C1 (en) | 1991-02-04 | 1991-02-04 | Method of measurement of gas pressure and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2036448C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530540C1 (en) * | 2013-04-30 | 2014-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of gas pressure measurement in soldered discharge chambers of plasma focus |
-
1991
- 1991-02-04 RU SU4907449 patent/RU2036448C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Авторское свидетельство СССР N 1509655, кл. G 01L 21/12, 1989. * |
| 2. Патент США N 4682503, кл. G 01L 21/12, 1987. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530540C1 (en) * | 2013-04-30 | 2014-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of gas pressure measurement in soldered discharge chambers of plasma focus |
| RU2530540C9 (en) * | 2013-04-30 | 2014-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of gas pressure measurement in soldered discharge chambers of plasma focus |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1336621C (en) | Measurement of thermal conductivity and specific heat | |
| Pecharsky et al. | A 3–350 K fast automatic small sample calorimeter | |
| JP3175887B2 (en) | measuring device | |
| Abeles et al. | Apparatus for the measurement of the thermal diffusivity of solids at high temperatures | |
| CN110873730B (en) | Measuring device for determining the thermal conductivity of a fluid | |
| US4117712A (en) | Emissimeter and method of measuring emissivity | |
| US5629482A (en) | Measuring device utilizing a thermo-electromotive element | |
| Nagai et al. | Thermal conductivity measurement of molten silicon by a hot-disk method in short-duration microgravity environments | |
| Maglić et al. | The apparatus for thermal diffusivity measurement by the laser pulse method | |
| JPH09502551A (en) | Method and device for constant temperature | |
| RU2036448C1 (en) | Method of measurement of gas pressure and device for its implementation | |
| US3332285A (en) | Fast precision temperature sensing thermocouple probe | |
| JP3501746B2 (en) | Fluid measurement method | |
| Cutler et al. | Heat‐Wave Methods for the Measurement of Thermal Diffusivity | |
| Castellini et al. | Dynamic characterization of temperature sensors by laser excitation | |
| Bertman et al. | Diffusive temperature pulses in solids | |
| Haacke et al. | Method for thermal conductivity measurements on solids | |
| RU2797313C1 (en) | Method for measuring thermal conductivity of solids under conditions of heat exchange with the environment and device for its implementation | |
| JP3146357B2 (en) | Precise measurement method of thermal conductivity of liquid material using short-time microgravity environment | |
| Knobler et al. | Thermal and Hydrostatic Behavior of Miniature Platinum Resistance Elements | |
| US3257840A (en) | Apparatus for comparative determination of thermal conductivity | |
| JP4042816B2 (en) | Moisture content detection sensor | |
| SU1721490A1 (en) | Device for determining thermal and physical characteristics of materials | |
| Lutset et al. | A study of transient heat transfer from the heater surface to a boiling liquid | |
| SU1659815A1 (en) | Method of determining thermal conductivity of a material |