SU1002967A1

SU1002967A1 - Hot wire anemometer

Info

Publication number: SU1002967A1
Application number: SU813250029A
Authority: SU
Inventors: Валентин Алексеевич Дроздов; Сергей Петрович Костенко; Юрий Иванович Кузовлев
Original assignee: Одесский Технологический Институт Холодильной Промышленности
Priority date: 1981-02-16
Filing date: 1981-02-16
Publication date: 1983-03-07

Description

(5) ТЕРМОАНЕМОМЕТР(5) THERMO-ANEMOMETER

1one

Изобретение относитс к измерительной технике, в частности к измерению скоростей потоков жидкостей и газов.The invention relates to a measurement technique, in particular to the measurement of the flow rates of liquids and gases.

Известен термоанемометр, состо щий из транзистора, в котором переход коллектор - база используетс как нагреватель, рт-переход эмиттер - база - как термочувствительный элемент. В схеме применен термокомпенсатрр Ту, включенный в диодном режиме, помещенный непосредственно в измер емую среду и управл ющий базой транзистора Т дл поддержани посто нного перегрева корпуса транзистора относительно измер емой среды 1.A thermo-anemometer is known, consisting of a transistor, in which the collector-base transition is used as a heater, the emitter-base transition is a heat-sensitive element. The circuit uses a thermocompensator TU, connected in diode mode, placed directly into the measured medium and controlling the base of the transistor T to maintain a constant overheating of the transistor case relative to the measured medium 1.

Недостатком данного устройства вл етс его низка надежность, обусловленна возможностью выхода из стро р-п-переходов база-коллектор, служащего нагревателем.The disadvantage of this device is its low reliability due to the possibility of failure of the base-collector pn-junctions, which serves as a heater, to fail.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс термоанемометр , состо щий из двух транзисторов , выполненных в виде трехслойного полупроводника, и содержащий термочувствительный элемент, термокомпенсатор , нагреватель, источник питани , электрические выводы, при этом р-п-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувстви10 тельного элемента включены в дифференциальную схему .The closest in technical essence to the invention is a thermal anemometer consisting of two transistors made in the form of a three-layer semiconductor, containing a temperature-sensitive element, a thermal compensator, a heater, a power source, electrical leads, while the pn junctions of the emitter-base of the thermal compensator and A temperature sensing element is included in the differential circuit.

Недостатком устройства вл етс низка точность измерени -.The disadvantage of the device is low measurement accuracy.

Цель -повышение точности измере15 ний и надежности.The goal is to increase measurement accuracy and reliability.

Поставленна цель достигаетс тем, что термоанемометр, состо щий из двух транзисторов, выполненных The goal is achieved by the fact that a hot-wire anemometer consisting of two transistors made

20 в виде трехслойного полупроводника, и содержадий термочувствительный элемент, термокомпенсатор, нагреватель , источник питани , электрические выводы, при этом р-п-переходы эмиттер-база термокомпенсатора и термочувствительного элемента включены в дифференциальную схему, снабжен дополнительным источником питани , св занным через два электрических вывода с нагревателем, выполненным в виде дополнительного четвертого сло , нанесенного на. коллектор термочувствительного элемента. На фиг, 1 представлен датчик, раз рез, на фиг, 2 - электрическа схема термоанемометра. Устройство содержит полупроводниковый прибор, состо щий из корпуса 1, в котором размещен полупроводниковый кристалл 2« В кристалле 2 сформирован р-п-переход 3 эмиттер k - база 5, служащий термочувствител ным элементом, а также коллектор 6, образующий с базой 5 р-п-переход (5-6) база 5 - коллектор 6. Со стороны , противоположной этому р-п-переходу (5-6), коллектор 6 образует р-п-переход 7 с дополнительным четвертым слоем 8, служащим нагревателе и имеющим противоположный коллектору тип проводимостиiК нему подсоединены электрические выводы 9 и 10, К базе 5 подключен вывод 11, а к эмиттеру k - вывод 12, р-п-переход 3 включен с термокомпенсатором 13 в дифференци альную схемуо Оба термочувствительны элемента, термокомпенсатор 13 и датчик 3 подсоединены к источнику 14 пи тани через токоограничительные сопротивлени 15 и 16 и балансное сопротивление 17, служащее дл начальн установки нул . Дополнительный четвертый слой 8, служащий нагревателем выводами 9 и 10 соединен с дополнитель ным источником 18 питани , который управл етс через ограничительное со противление 19 от термокомпенсатора 13. Дополнительный источник 18 питани может быть построен по схеме пар метрического стабилизатора, тогда со противление 19 будет определ ть вели чину смещени транзистора, управл ющего нагревательным током. Коллектор в данном случае не подключен ни к одному из элементов схемы и служит в качестве защиты обратносмещенным р-п-переходом 7 и , изолирующим слоем. Коллектор 6 можно также подключить к эмиттеру Ц. Термоанемометр работает следующим образом. При подаче напр жени от источника 14 питани через р-п-переходы эмиттер - база кристалла 2 и термокомпенсатора 13 протекают измерительные токи величиной до 500 мкА Значени последних определ ютс минимальной погрешностью (за счет протекани , например , измерительного тока по участку базы от электрического вывода 11 до р-п-перехода 3). Помимо того, увеличение измерительного тока влечет за собой возрастание погрешности термоанемометра от саморазогрева. При подаче напр жени от дополнительного источника 18 питани через выводы 9 и 10 по дополнительному четвертому слою 8 потечет нагревательный ток, величина которого будет определ тьс внутренними параметрами дополнительного источника 18 питани , сопротивлением 19 и значением сопротивлени самого нагревател 8. Зададим нагревательным током необходимую температуру кристалла 2, т.е. перегрев над температурой среды, которую измер ет термокомпенсатор 13.. Сопротивлением 17 устанавливаем выходной сигнал равным нулю либо какому-то определенному значению при скорости потока, равной нулю. При наличии потока среды им уноситс некотора часть тепла от корпуса 1, который нагреваетс от дополнительного четвертого сло 8 Корпус 1 охлаждаетс , уменьшаетс и температура кристалла 2, вл юща с мерой измер емой скорости, которую фиксирует датчик 3. При изменении температуры потока мен етс напр жение на термокомпенсаторе 13 и через сопротивление 19 управл ет дополнительным источником 18 питани дл поддержани посто нным перегрева „ Кроме того, мен етс точка отсчета выходного сигнала на электрическом выводе 13 относитель- . но изменившегос напр жени эмиттербаза термокомпенсатора 13. При быстрых изменени х состо ни среды протекающего потока (резкое изменение скорости либо температуры) может быть увеличенный нагрев кристалла 2 о Однако это обсто тельство не выведет из стро датчик 3, поскольку тот питаетс очень малым измерительным током и может сохран ть свои свойства до температуры 170ISO C . Надежность нагревател 8 обусловлена тем, что монокристаллический полупроводниковый материал, например кремний, свойства которого сохран ютс до температуры 300-350 С и есть дополнительный четвертый слой Сопротивление его с температурой измен етс монотонно, поэтому не проис ходит никаких скачкообразных и лавин ных процессов как в р-п-переходе (в случае, когда нагреватель - р-п-переход эмиттер-база), В термоанемометре исключено вли ние нагревательного тока на выход .ной си гнал, потому что коллектор 6 сл жит изолирующим слоем и должен иметь толщину, достаточную чтобы обедненна область или область пространственного зар да не вли ла на выходной сигнал, а также чтобы не было смыкани слоево Подключение дополнительного четвертого сло 8 электрическими выводами 9 и 10 к дополнительному источнику 18 питани позвол ет значительно повысить точность поддержани посто нным перегрева датчика 3 над температурой среды. Применение в качестве нагревател Дополнительного четвертого сло 8 вл ющегос монокристаллом кремни , позвол ет перегревать кристалл 2 до температуры 170-l80 c без угрозы выJ ff (Sff) 67820 in the form of a three-layer semiconductor, and a temperature-sensitive element, a temperature compensator, a heater, a power source, electrical leads, and the pn junctions of the emitter-base of the temperature compensator and the temperature-sensitive element are included in the differential circuit, equipped with an additional power source connected through two electric output with a heater made in the form of an additional fourth layer applied on. heat sensitive element collector. Fig. 1 shows a sensor, a section, Fig. 2 shows an electrical circuit of a hot-wire anemometer. The device contains a semiconductor device consisting of a housing 1 in which a semiconductor crystal 2 is placed. In crystal 2, a pn junction 3 is formed; emitter k is base 5, serving as a temperature-sensitive element, and also collector 6 forming a base 5 p- p-junction (5-6) base 5 - collector 6. On the side opposite to this pn-junction (5-6), collector 6 forms a pn-junction 7 with an additional fourth layer 8 serving as a heater and having the opposite the collector of the conductivity type; to it electrical terminals 9 and 10 are connected, to the base 5 Output 11 is connected, and to the emitter k - output 12, pn-junction 3 is connected with a thermal compensator 13 to a differential circuit. Both thermally sensitive elements, thermal compensator 13 and sensor 3 are connected to a power source 14 through current limiting resistances 15 and 16 and balanced resistance 17 serving for initial zero setting. An additional fourth layer 8, serving as a heater, leads 9 and 10 is connected to an additional power source 18, which is controlled via limiting resistance 19 from the thermal compensator 13. An additional power source 18 can be built according to the metric stabilizer pair, then the resistance 19 will be determined the magnitude of the bias of the transistor controlling the heating current. In this case, the collector is not connected to any of the circuit elements and serves as protection by the reverse-biased pn-junction 7 and the insulating layer. The collector 6 can also be connected to the emitter C. Thermoanemometer works as follows. When voltage is applied from the power source 14, up to 500 µA measuring currents flow through the pn-junctions emitter-base of crystal 2 and thermal compensator 13. The latter values are determined by the minimum error (due, for example, to the measuring current flowing through the base section from the electrical output 11 to the pn junction 3). In addition, an increase in the measuring current leads to an increase in the error of the hot-wire anemometer from self-heating. When applying voltage from additional power source 18 through pins 9 and 10, heating current flows through the additional fourth layer 8, the value of which will be determined by the internal parameters of additional power source 18, resistance 19 and resistance value of heater 8 itself. 2, i.e. overheating above the temperature of the medium, which the temperature compensator 13 measures. With resistance 17, we set the output signal to zero or to a certain value at a flow rate equal to zero. In the presence of a flow of medium, some of the heat is removed from the housing 1, which is heated by the additional fourth layer 8. The housing 1 is cooled, and the temperature of the crystal 2 decreases, which is a measure of the measured speed that the sensor 3 detects. The thermocompensator 13 and through the resistance 19 controls an additional source 18 of the power supply to maintain a constant superheat. In addition, the reference point of the output signal at the electrical output 13 is relative. but changing the voltage of the emitter base of the thermal compensator 13. With rapid changes in the state of the flow medium (sudden change in speed or temperature) there may be an increased crystal heating 2 o However, this circumstance will not disable the sensor 3, since it feeds a very small measuring current and can retain its properties up to a temperature of 170ISO C. The reliability of the heater 8 is due to the fact that single-crystal semiconductor material, such as silicon, whose properties are maintained to a temperature of 300-350 ° C and there is an additional fourth layer. Its resistance varies monotonically with temperature, so no abrupt and avalanche processes occur as in p -n-junction (in the case when the heater is a pn junction emitter-base), the thermo-anemometer eliminates the influence of the heating current on the output signal, because the collector 6 has an insulating layer and must there is a thickness sufficient for the depleted region or region of spatial charge not to affect the output signal, and also not to close the layer. Connecting the additional fourth layer 8 with electrical leads 9 and 10 to the additional power source 18 significantly improves the accuracy of maintaining a constant overheating sensor 3 over medium temperature. The use of the Additional Fourth Layer 8, which is a silicon single crystal, as a heater, allows the crystal 2 to overheat to a temperature of 170-180 sec without jeopardizing you ff (Sff) 678

Claims

0Vf. / stroke of the hot-wire anemometer elements, thereby increasing the reliability of the latter as a whole. The invention of the Thermoanemometer, consisting of two transistors made in the form of a three-layer semiconductor, and containing a temperature-sensitive element, a temperature compensator, a heater, power supplies, electrical leads, while the pn-junction emitter-base of the temperature compensator and the temperature-sensitive element are included in a differential circuit in order to increase measurement accuracy and reliability, it is equipped with an additional power source connected through two electrical leads with a heater, ennym as an additional fourth layer deposited on the collector temperature sensing element. Sources of information taken into account in the examination of 1 USSR Author's Certificate No. 584252, cl. G 01 P 5/12, 1977.

2. USSR author's certificate according to the application P 2999 58 / 18-10, cl, G 01 P 5/12, 08.08.80. (Prototype).