Датчик метеорологических параметров

Датчик метеорологических параметров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения метеопараметров таких как давление, температура и относительная влажность воздуха. Изобретение позволяет уменьшить габаритные размеры датчика, упростить конструкцию и повысить чувствительность Датчик выполнен в виде общего корпуса 1 с тремя интегральными тензопреобразователями 2, 3 и 4, на один из которых нанесен материал 6 с высоким температурным коэффициентом расширения, а на другой-материал обладающий гидродеформационными свойствами Таким образом, все измеряемые величины (давление, температура, влажность) преобразуются в перемещение, которое измеряется с помощью идентичных интегральных тензопреобразователей 2, 3 и 4, выполненных совместно с упругим элементом - мембраной. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 G 01 W 1/02, 1/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Р„ 4 (21) 4297905/10 (22) 24.08,87 (46) 15.02.91, Бюл. М 6 (71) Специальное опытное проектно-конструкторско-технологическое бюро СО ВАСХНИЛ (72) А.Ф.Алейников (53) 621,317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N- 163398, кл. G 01 W 1/08, 1963. (54) ДАТЧИК МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения метеопараметров. таких как давление, температура и относительная

„„5U „„1628037 А1 влажность воздуха. Изобретение позволяет уменьшить габаритные размеры датчика, упростить конструкцию и повысить чувствительность. Датчик выполнен в виде общего корпуса 1 с тремя интегральными тензопреобразователями 2, 3 и 4, на один из которых нанесен материал 6 с высоким температурным коэффициентом расширения, а на другой-материал7,обладающий гидродеформацион ными свойствами. Таким образом, все измеряемые величины (давление, тем ература, влажность) преобразуются в перемещение, которое измеряется с помощью идентичных интегральных тензопреобразователей 2, 3 и 4, выполненных совместно с упругим элементом — мембраной. 1 ил.

1628037

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения метеорологических параметров, таких как давление, температура и относительная влажность воздуха, Целью изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров и повышение чувствительности.

На чертеже представлена конструкция датчика метеорологических параметров.

Датчик метеорологических параметров содержит полый корпус 1, первую 2, вторую

3 и третью 4 полупроводниковые мембраны со сформированными на них тензопреобразователями (не показаны), теплопровод 5, первый слой терглочувствительно о материà1а 6, размеры которого изменяюгся в зависимости от изменении температуры, второй слой влагочунстнительного материала 7, размеры которого изменяются н зависимости от изменений относительной влажности воздуха, токосъемник S с контактными площадками и электрический кабель 9. В корпусе изготовлено специальное микроотнерстие 10, пропускающее молекулы воды к второму слою материала 7. Корпус 1 имеет внешнюю резьбу, предназначенную для установки его на обьекте, и выполнен из Tefiлоизоляционного материала с высокими диэлектрическигли свойствами, например пластмассы. В верхней части корпуса изготовлено углубление, н которое устананливается и закрепляется первая полупроводниковая мембрана 2, например, с помощью клея нэ основе эпоксидного компаунда.

Б качестве полупроводниковых мембран 2 — 4 могут быть использонань изнестн ые интеграл ьн ые тен зопреобразанатели, изготовlettHbti.. на кнэдратной пластине из кремния (с толщиной мембраны 10 — 100 мкм) за единый техгюлогический цикл методами термической диффузии, ионной имплантации или эпитаксиального выращивания.

Корпус 1 имеет Отверстие, в которое установлен теплопровод 5, выполненный из материала с высокими теплопронодными свойствами, например из меди, серебра и т.п, Сп стороны воздействия окружающей среды на теплопронод нанесен слой защитного покрытия (не показан), предохраняющий теплопровод от окисления в процессе эксплуатации датчика. На вторую мембрану

3 нанесен первый слой термочувствительного материала 6, выполненного, например, на основе полиэтилена, капрона, воска и т,п. Температурный коэффициент обьемного расширения материала 6 должен превышать хотя бы на один порядок температурные коэффициенты обьемного расширения материалов теплопровода 5, 5

5G

55 корпуса 1, мембраны 3 и клея, с помощью которого осуществляется сборка элементов датчика. На третью мембрану 4 нанесен второй слой влагочувствительного материала 7, выполненного на основе материала с гигродеформационными свойствами, например нейлона, органического вещества и т,п. Вторая 3 и третья 4 мембраны закреплены на внутренней поверхности корпуса, например, с помощью клея. При этом обеспечивается механический и тепловой контакт второй мембраны 3 (с нанесенным на нее первым слоем 6) с теплопроводником 5 и механический контакт третьей мембраны 4 (с нанесенным на нее вторым слоем материала 7) с поверхностью углубления в корпусе

1, где устанавливается мембрана 7.

Токосьемник 8 изготовлен, например, в виде шайбы иэ фольгированного текстолита с вытравленными химическим путем отдельныгли металлическими электропроводными площадками, к которым припаиваются элект рические выводы тензопреобразователей мембран 2 — 4 и кабеля 9 (не показаны). Токосъемник 8 и электрический кабель 9 закрепляются внутри корпуса, например, с помощью клея, Последовательность сборки датчика следующая.

Устанавливают и закрепляют теплопровод 5, вторую 3 и третью 4 мембраны. К верхней части корпуса 1 крепят первую мембрану 2. Устанавливают и закрепляют на корпусе 1 токосъемник 8, Выводы тензопреобраэователей мембран 2-4 пропускают через отверстие токосъемника 8 и подпаивакп к его контактным площадкам. К этим же контактным площадкам припаивают электрические выводы кабеля 9, которые пропускают через его изоляционную трубку.

Трубку кабеля 9 крепят к корпусу 1, например, при помощи клея.

Датчик метеорологических параметров работает следующим образом.

Под действием измеряемого давления P мембрана 2 прогибается. Это вызывает изменение электрического сопротивления тензопреобразователя, которое преобразуется в электрическое напряжение известными методами. Изменение температуры воздуха (Т, C) через теплопровод 5 вызывает изменение обьема материала 6 за счет его теплового расширения, а следовательно, перемещение мембраны 3 и изменение сопротивления ее тензопреобраэователя.

Аналогично происходит процесс измерения относительной влажности воздуха (p )

Влага через отверстие 10 изменяет объем материала 7 за счет гигродеформационного эф, кта и н.. зынает перемещение мембра5

1628037

55 ны 4, а следовательно, и изменение сопротивления ее тензопреобразователя.

Таким образом, процесс измерения давления представляет собой последовательную цепь преобразований измеряемого давления в перемещение мембраны 2, которое в свою очередь преобразуется в электрическое напряжение с помощью ее тензопреобразователя (давление — перемещение — электрическое напряжение). Процесс измерения температуры также представляет собой последовательную цепь преобразований измеряемой температуры в перемещение с помощью материала

6, которое в дальнейшем вызывает перемещение мембраны 3. Перемещение мембраны 3 преобразуется в электрическое напряжение с помощью тензопреобразователя мембраны 3 (температура — перемещение — электрическое напряжение).

Аналогично описывается и последовательная цепь преобразований информационных сигналов, характеризующая процесс измерения относительной влажности воздуха (влажность — перемещение — электрическое напряжение). В качестве оконечного измерительного преобразователя в данном спучае используется те зопреобра..oT.; enI: основанный на тензоэффекте, В качестве оконеч1olо преобоа овлтеля при изготовлении датчика мстео1,ол ч ических параметров может испо "Ib30T3а. ч 1: другой преобразователь, наприh åo :.м ос; ный, работа KoTopol o ocHDPTII а на п1,.!I"Tc,,":IIственно-емкостном эффекте. В э-GI." г.лучае чувствительный элемент для и.l. oðellèÿ давления представляет собой мел1;,I l;Ió, .-.;Iщемленную в корпусе датчика, г.;I,l lt cT н ным на ее внутреннюю (clo :гнои., ни с к корпусу) поверхность подвижным электродом и, например, ситалловую подложкч с нанесенным на ее поверхность неподв1.кным электродом. При изменении давления мембрана перемещается и вызывает из;ле нение емкости между подвижным и неподвижным электродами, Hd неподвижный электрод подложки может былгь нанесен слой гигрочувствительного материала, например окиси алюминия (А Оз), на который, s свою очередь, может быть нанесе11 лой первого дополнительного электрода. За счет абсорбции влаги окисью àfi оминия ее диэлектрические характеристик1 изменяются, об изменении влажности можно судить по изменению емкости конденсатора, созданного структурой, состоящей из rlc подвижного электрода, окиси алюминия и первого дополнительного электрода.

Аналогично для измерения температуры на неподвижный электрод можно нане5

-10

45 сти слой диэлектрика с высоким коэффициентом теплового расширения, на который необходимо нанести слой второго дополнительного электрода. Изменение температуры вызывает объемное расширение этого диэлектрика, а следовательно, и изменение емкости между неподвижным электродом и вторым дополнительным электродом, Все слои электродов, материала-диэлектрика с высоким температурным коэффициентом расширения и гигрочувствитель ного материала-диэлектрика (А!20з) могут быть нанесены с использованием методов интегральной технологии, что позволяет создать линиатюрный многофункциональный датчик метеорологических параметров, Возможно такое построение датчика метеорологических параметров, в котором в качестве оконечного преобразователя используется, например, фотоэлемент, работа которого основана на фотоэффекте. B этом случае изменение измеряемых метеорологических параметров преобразуется в перемещение, которое изменяет оптические свойства оптронной пары, состоящей из соответствующих источников и приемников излучения. Изменение оптических свойсTB преобразуется г помощью фотоприеь ников в электрический сигна", Vpc ле -,ого, возможчо пгс-,роение датчиков .л .теороло1и .вски паг 1етров не тог bl о для измерени я ра.o:.Iîòðåí, lbl ф. 3и° е. I:их TTenI; ин (д:вr еч".", 1е1лп ратура. вn; жногть), I 0 11 дл из "лгргния друг 1х 3 е .тp tче:hex велич1 н, на Ip; I1ер инт""hcèвности со .<ечн i1 р циаци,l. В ."1ом лучае, е.:ли нанести на сло.; материала, размеры которо1о изменя о,ся а зависимости от измсне i IT eTnclepa,1ры, слой вещес ва, поГЛОП1ЛН: <-. О эн ргию этого элен т ро лаг нитного излучения, из. вменение энер1."1; вызывает и менение температуры ма1 риала, что прив >дит к изменению его обье1ла, а изменение обьема вызываетиэменение перемещения мембраны I:, т.ll.

Таким образом. возможны различные вицы построения датчиков метеорологических параметров. В1 бор видов преобразований информационных сигналов при измерении конкретных величин и количества измерительных преобразователей в их последовательной цепи осуществляется из условия минимизации поте .ь информации о, à ovI измеряемой величине при построении дат ика. Этот выбор може- осуществл ят,.г я расчетн ым или экспериментальным

ПУте1л ПОИ ПРОЕКтИРОВаНИИ КОНКРЕТНЫХ МНОгофункциональных датчиков, предназна1628037

Составитель М,Жуков

Техред М.Моргентал Корректор М. Ш ароши

Редактор A.Ëåæíèíà

Заказ 340 Тираж 265 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ченных для измерения нескольких физических величин или параметров.

Формула изобретения

Датчик метеорологических параметров, содержащий корпус, в котором установлены 5 преобразователи давления, температуры и влажности воздуха, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, уменьшения габаритных размеров и повышения чувствительности, в нем корпус вы- 10 полнен в виде полого цилиндра, преобразователь давления — в виде первой полупроводниковой мембраны с тенэорезисторами, преобразователь температуры — в виде установленной на внутренней стенке 15 цилиндра второй полупроводниковой мембраны с тензореэистором, на поверхности которой образовано углубление, обращенное к стенке цилиндра и заполненное термочувствительным материалом с высоким температурным коэффициентом линейного расширения, и теплопроводного стержня, установленного в стенке цилиндра и контактирующего с термочувствительным материалом, а преобразователь влажности — в виде установленной на внутренней стенке цилиндра третьей полупроводниковой мембраны с тенэореэисторами, на поверхности которой образовано углубление, обращеннсе к стенке цилиндра и заполненное влагочувствительным гигродеформационным материалом, при этом в стенке корпуса выполнено сквозное отверстие, связанное с влагочувствительным материалом,