RU2207576C2

RU2207576C2 - Sensor of hot-wire anemometer

Info

Publication number: RU2207576C2
Application number: RU2001116440A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Шиплюк; В.А. Селезнев; В.М. Анискин
Original assignee: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of characteristics of gas flows. SUBSTANCE: sensor has sensitive element coming in the form of substrate made of monocrystalline semiconductor material and having tubular shape with outer diameter 0.1-100.0 mcm and wall thickness 0.001-1.0 mcm. Sensitive layer of current conducting material is deposited on internal or external surface of substrate. EFFECT: enlarged frequency range of sensor. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений характеристик газовых потоков. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the characteristics of gas flows.

Известны датчики термоанемометров проволочный и пленочный [1]. Проволочные датчики изготавливают из тонких металлических проволочек с типичным диаметром 2,5-10 мкм длиной 100-200 диаметров. Такие датчики имеют большую постоянную времени (порядка миллисекунд) и недостаточное разрешение вдоль чувствительного элемента. Калибровка проволочных датчиков хорошо отработана и достаточно проста. Пленочные датчики представляют собой тонкую металлическую пленку, нанесенную на массивную подложку из изолятора. Из-за сильного влияния подложки эти датчики обладают пониженной чувствительностью, и получение количественных данных с их помощью сильно затруднено. Оба типа чувствительных элементов имеют перечисленные недостатки, ограничивающие область их применения. Known sensors of hot-wire anemometers wire and film [1]. Wire gauges are made of thin metal wires with a typical diameter of 2.5-10 microns and a length of 100-200 diameters. Such sensors have a large time constant (of the order of milliseconds) and insufficient resolution along the sensing element. Calibration of wire sensors is well established and quite simple. Film sensors are a thin metal film deposited on a massive substrate of insulator. Due to the strong influence of the substrate, these sensors have reduced sensitivity, and obtaining quantitative data with their help is very difficult. Both types of sensitive elements have the listed disadvantages that limit their scope.

Задачей изобретения является увеличение частотного диапазона датчика термоанемометра. The objective of the invention is to increase the frequency range of the sensor of the hot-wire anemometer.

Поставленная задача достигается благодаря тому, что датчик термоанемометра, содержит чувствительный элемент, закрепленный на державках, и выполнен в виде подложки из монокристаллического полупроводникового материала трубчатой формы с наружным диаметром 0,1-100 мкм и толщиной стенки 0,001-1 мкм, на внутреннюю или наружную поверхность которой нанесен чувствительный слой электропроводного материала. The task is achieved due to the fact that the hot-wire anemometer sensor contains a sensitive element mounted on the holders and is made in the form of a substrate of a single-crystal semiconductor material of a tubular shape with an outer diameter of 0.1-100 microns and a wall thickness of 0.001-1 microns, on the inside or outside the surface of which is coated with a sensitive layer of conductive material.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень. These features are not identified in other technical solutions when studying the level of this technical field and, therefore, the solution is new and has an inventive step.

Датчик термоанемометра изображен на чертеже. The hot-wire anemometer sensor is shown in the drawing.

Датчик термоанемометра содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде подложки 3 из монокристаллического полупроводникового материала трубчатой формы с наружным диаметром 0,1-100 мкм и толщиной стенки 0,001-1 мкм, на поверхность которого нанесен чувствительный слой электропроводного материала 2. Чувствительный элемент закреплен на двух державках-тоководах 4. The hot-wire anemometer sensor contains a sensitive element 1 made in the form of a substrate 3 of a single-crystal semiconductor material of a tubular shape with an outer diameter of 0.1-100 μm and a wall thickness of 0.001-1 μm, on the surface of which a sensitive layer of electrically conductive material is applied 2. The sensitive element is fixed on two lead holders 4.

Датчик термоанемометра работает следующим образом. The hot-wire anemometer sensor operates as follows.

Для измерения скорости газа чувствительный элемент 1 подключается с помощью тоководов 4 через мостовую измерительную схему (не показано) к регистрирующему устройству и нагревается электрическим током. Датчик устанавливают в потоке так, чтобы чувствительный элемент был расположен перпендикулярно направлению течения. Чувствительный элемент охлаждается потоком газа, что вызывает падение его температуры и, следовательно, уменьшение электрического сопротивления. По показаниям регистрирующего устройства с помощью предварительно полученной индивидуальной градуировочной характеристики датчика определяют скорость потока. To measure the gas velocity, the sensing element 1 is connected using current leads 4 through a bridge measuring circuit (not shown) to a recording device and is heated by electric current. The sensor is installed in the stream so that the sensor is perpendicular to the direction of flow. The sensing element is cooled by the gas flow, which causes a drop in its temperature and, consequently, a decrease in electrical resistance. According to the testimony of the recording device using a previously obtained individual calibration characteristics of the sensor determine the flow rate.

Трубчатая форма чувствительного элемента и выбранный материал несмотря на минимальные размеры (толщина стенки) обладают высокой прочностью. Из-за уменьшения поперечного сечения пропорционально уменьшается теплопередача вдоль чувствительного элемента, поэтому его длину можно сделать значительно меньше, чем у проволочного датчика. При этом прочность и пространственное разрешение датчика увеличивается. Кроме того, частотная характеристика предлагаемого датчика будет подобна частотной характеристике проволочного датчика, но постоянная времени при одинаковом наружном диаметре уменьшится пропорционально уменьшению площади поперечного сечения, то есть примерно в 25 раз. The tubular shape of the sensing element and the selected material, despite the minimum dimensions (wall thickness), have high strength. Due to the reduction of the cross section, heat transfer along the sensitive element is proportionally reduced, therefore, its length can be made much shorter than that of the wire sensor. In this case, the strength and spatial resolution of the sensor increases. In addition, the frequency response of the proposed sensor will be similar to the frequency response of the wire sensor, but the time constant with the same outer diameter will decrease in proportion to the decrease in cross-sectional area, that is, about 25 times.

При выбранной толщине стенки время, за которое выравнивается температура внешней и внутренней поверхностей трубочки при приведенной толщине стенки, составляет 10^-7-10^-10 с. При больших временах можно считать, что температуры внешней и внутренней поверхностей равны, поэтому чувствительный слой электропроводящего материала можно размещать как внутри, так и снаружи трубчатой подложки. Внутреннее расположение чувствительного слоя уменьшает влияние загрязнения чувствительного элемента на его характеристики.With the selected wall thickness, the time for which the temperature of the outer and inner surfaces of the tube is aligned with the given wall thickness is 10 ^-7 -10 ^-10 s. At large times, we can assume that the temperatures of the external and internal surfaces are equal, therefore, the sensitive layer of the electrically conductive material can be placed both inside and outside the tubular substrate. The internal arrangement of the sensitive layer reduces the effect of contamination of the sensitive element on its characteristics.

Предлагаемый чувствительный элемент можно размещать на державках игольчатого типа (как у проволочных датчиков термоанемометра), в этом случае цилиндрическая форма чувствительного элемента позволяет применять для калибровки известные законы теплообмена, использующиеся при калибровке проволочных датчиков. Трубчатый чувствительный элемент можно размещать также на различных подложках (как у пленочных датчиков термоанемометра), в этом случае из-за малости зоны контакта чувствительного элемента с подложкой частотная характеристика датчика не изменится, вид законов теплообмена также не изменится. The proposed sensing element can be placed on needle-type holders (as with wire gauges of the hot-wire anemometer), in this case the cylindrical shape of the sensing element allows applying the known heat transfer laws used for calibration of wire gauges for calibration. The tubular sensitive element can also be placed on various substrates (like film sensors of a hot-wire anemometer), in this case, due to the small contact area of the sensitive element with the substrate, the frequency response of the sensor will not change, and the form of heat transfer laws will also not change.

Пример. Example.

В ИТПМ СО РАН был изготовлен и использован датчик термоанемометра с чувствительным элементом из монокристалической полупроводниковой трубочки с наружным диаметром 5 мкм и толщиной стенки 0,1 мкм. На наружную поверхность трубочки был нанесен чувствительный слой электропроводного материала (золота) толщиной 0,03 мкм. Постоянная времени этого датчика в дозвуковом потоке при скорости 10 м/с равна 0,05 мс. Постоянная времени вольфрамового проволочного датчика диаметром 5 мкм в тех же условиях составила 0,5 мс. Таким образом, постоянная времени предлагаемого трубчатого датчика в 10 раз меньше, чем у проволочного, а значит частотный диапазон выше. A thermoanemometer sensor with a sensing element made of a single-crystal semiconductor tube with an outer diameter of 5 μm and a wall thickness of 0.1 μm was manufactured and used at the Institute of Applied Mathematical Problems SB RAS. A sensitive layer of electrically conductive material (gold) with a thickness of 0.03 μm was applied to the outer surface of the tube. The time constant of this sensor in the subsonic flow at a speed of 10 m / s is 0.05 ms. The time constant of a tungsten wire sensor with a diameter of 5 μm under the same conditions was 0.5 ms. Thus, the time constant of the proposed tubular sensor is 10 times less than that of the wire, and therefore the frequency range is higher.

Предлагаемый датчик термоанемометра позволяет увеличить частотный диапазон и улучшить пространственное разрешение, используя при этом известные методы обработки полученных данных, что особенно важно при измерении турбулентных течений. The proposed hot-wire anemometer sensor allows you to increase the frequency range and improve spatial resolution, using well-known methods of processing the obtained data, which is especially important when measuring turbulent flows.

Источники информации
1. Ярин Л.П., Генкин А.Л., Кукес В.И. Термоанемометрия газовых потоков. Л.: Машиностроение, 1983, 198 с.Sources of information
1. Yarin L.P., Genkin A.L., Kukes V.I. Hot-wire anemometry of gas flows. L .: Engineering, 1983, 198 p.

2. Патент РФ 2075243, МКИ G 01 P 5/12, 10.03.97 - прототип. 2. RF patent 2075243, MKI G 01 P 5/12, 03/10/97 - prototype.

Claims

A hot-wire anemometer sensor containing a tubular sensing element mounted on holders, characterized in that the sensing element is made in the form of a substrate of a single-crystal semiconductor material of a tubular shape with an outer diameter of 0.1-100 μm and a wall thickness of 0.001-1 μm, on the inner or outer surface which applied a sensitive layer of conductive material.