способ определения скорости потоков жидкостей и газов

Формула изобретения

Способ определения скорости потока с помощью платинового тонкопленочного резистора, выполненного на мембране, расположенной на кремниевой рамке-основании, включающий нагрев указанного резистора до достижения установленной величины сопротивления, отличающийся тем, что в режиме нагрева платиновый тонкопленочный резистор питают импульсами тока так, что в конце каждого импульса питания достигается установленная величина сопротивления, измеряют постоянную времени нагрева резистора, по которой определяют скорость потока, по величине постоянной времени остывания резистора устанавливают скважность импульсов питания, а в паузе между импульсами питания по величине сопротивления холодного резистора определяют температуру потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве датчиков расхода жидкостей и газов, работающих на тепловом эффекте взаимодействия датчика с движущейся средой.

Известны тепловые калориметрические и термоконвекционные расходомеры, в которых измеряется разность температур движущихся жидкостей или газов в двух точках тракта при постоянной мощности нагревателя, расположенном между точками измерения температуры, или же измеряется мощность, идущая на нагрев, при постоянной разности температур [1]. Эти расходомеры измеряют массовый расход при неизменной теплоемкости измеряемого вещества. Недостаток данных устройств заключается в большой инерционности и большом энергопотреблении, ограничивающих их применение в измерительных системах.

Ближайшим по технической сущности к изобретению является тепловой измеритель скорости потока, содержащий платиновый тонкопленочный резистор, выполненный на тонкой диэлектрической мембране, расположенной на кремниевой рамке-основани [2].

Платиновый резистор включен в одно из плечей электрического резистивного моста. Мостовая схема питается от источника постоянного напряжения. Критерием величины скорости потока служит количество теплоты, переданной платиновым нагретым резистором жидкости или газу. Изменение температуры резистора изменяет соответственно величину сопротивления, вызывая реакцию мостовой схемы, являющейся однозначным электрическим соответствием величины скорости потока. Вследствие интегрального исполнения платинового резистора на тонкой диэлектрической мембране величина потребляемой энергии здесь существенно меньше. Однако для поддержания рабочего режима резистора требуется мощность порядка 25-50 мВт, что существенно превышает мощность остальных элементов устройства измерения потока. При этом совершенно не обязательно непрерывное измерение потоков жидкости или газа в коммунальных газовых и водопроводных системах, в средствах учета расходов газа и нефти в магистральных трубопроводах и т.д. в силу того, что потоки в таких системах меняются медленно. Таким образом, недостатком данной системы определения скорости потоков жидкости и газа является необоснованно высокое энергопотребление.

Технической задачей данного изобретения является возможность уменьшения потребляемой энергии измерителем скорости потока. Задача решается за счет осуществления динамического способа управления чувствительным платиновым резистором, питаемым импульсами тока, позволяющим снизить потребляемую энергию в несколько раз или на несколько порядков для реальных различных временных значений потоков. Снижение потребляемой энергии необходимо для обеспечения требований автономной длительной работы измерителя потока от внутреннего источника энергии в случае отключения энергопитающей сети.

В предложенном изобретении задача решается благодаря предложенному способу определения скорости потока жидкости или газа, состоящего в том, что платиновый тонкопленочный резистор, выполненный на тонкой диэлектрической мембране, расположенной на кремниевой рамке-основании, включающему нагрев резистора до достижения установленной величины сопротивления импульсами питающего тока так, что в конце каждого импульса достигается установленная величина сопротивления. При этом измеряется постоянная времени нагрева резистора и по ней определяется скорость потока, а по величине постоянной времени остывания резистора устанавливают скважность импульсов питания, обеспечивающую минимально-оптимальное потребление энергии. В паузе между импульсами питания по величине сопротивления холодного резистора определяют температуру потока для обеспечения работы блока термокомпенсации устройства определения скорости потока.

На фиг.1-2 приведены топология и разрез кристалла с чувствительным резистором; на фиг.3 - диаграмма, поясняющая динамический способ управления; на фиг.4 - блок-схема устройства.

Кристалл содержит кремниевую рамку-основание (1), на которой расположена мембрана (2), на поверхности мембраны выполнен платиновый тонкопленочный резистор (3), защищенный слоем диэлектрика (4). На рамке-основании расположены контактные площадки (5). Для изготовления кристаллов используются стандартные кремниевые пластины КЭФ 4,5 (100) диаметром 100 мм и стандартные технологические операции: двухсторонняя фотолитография, анизотропное травление кремния, пиролиз, низкотемпературные процессы осаждения пленок SiO₂ и Si₃N₄, магнетронное напыление металлов, плазмохимические процессы травления и очистки поверхностей, процессы отжига в инертной среде.

Устройство датчика определения скорости потока, фиг.4, состоит из чувствительного элемента (3), импульсного регулируемого по амплитуде, длительности импульсов и частоте их повторений генератора (6), генератора импульсов считывания информации о величине сопротивления чувствительного элемента (7), блока термокомпенсации (8), микроконтроллера (9), источника питания (10), интерфейса (11) и программного обеспечения.

Устройство работает в динамическом режиме, где главную роль играют тепловые постоянные времени в режимах нагрева и охлаждения чувствительного элемента. В конце каждого импульса (момент t ₁, фиг.3) питания (переменной амплитуды, длительности и частоты повторений) достигается установленное и контролируемое значение величины сопротивления R₁. Величина R ₁ достигается с постоянной времени, зависящей от скорости потока, его температуры и теплоемкости. Импульсы генератора считывания, не показанные на фиг.3 (малой длительности и амплитуды), не вызывают нагрева резистора в пределах заданной точности измерений. Частота повторений этих импульсов, по крайней мере, выше частоты повторений импульсов питания на порядок, что обеспечивает точность слежения. По заданной программе вычисляется постоянная времени нагрева резистора _v1, величина которой соответствует однозначно скорости потока V₁ (теплоемкость среды учитывается при калибровке, температура - при корректировке).

По окончании импульса питания резистор остывает. В случае скорости потока, равной нулю, остывание происходит за счет конвекции и излучения с постоянной времени _o, при наличии движения потока со скоростью V₁ в момент t₂ резистор остывает быстрее за счет уноса теплоты потоком с постоянной времени _п1< _o. По заданной программе измеряется постоянная времени остывания резистора и по ней задается скважность импульсов питания, позволяющую минимизировать величину потребляемой мощности. В паузе между импульсами питания величиной сопротивления холодного резистора определяется температура потока (величина сопротивления R_n) для введения температурной коррекции при работе устройства в режиме измерения массового расхода (промежуток времени от t₅ до t₆). И в момент t₆ скорость потока возрастает до величины V₂, импульс питания, начинающийся в момент t₇, восстанавливает величину R₁. При этом измеряется _v2 и соответственно скорость V₂. Далее процесс измерений повторяется.

Предложенный способ определения скорости потоков жидкостей и газов обеспечивает существенное снижение энергопотребления, что открывает перспективу широкого использования его в устройствах, способных длительно работать с внутренним источником питания в случае возможного отключения сети питания, повышая надежность системы измерений.

Литература

1. П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л., Машиностроение, 1989 г., 701 с.

2. Патент США, №4685331.