RU2535650C2 - Anemometer - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: anemometer intended for measuring of the named values is offered which contains the cylinder, sensors located on its surface, and the data retrieval and analysis unit. The named cylinder is made solid or hollow with at least not two longitudinal cavities on a cylindrical surface enclosed by elastic walls of the same radius of curvature, each of which has at least one formed strain-gauge indicator, connected with the data retrieval and analysis unit. And its cavities can interconnect with external environment through the filter, and its longitudinal cavities can be filled with gas or sealed.

EFFECT: invention allows to improve the immunity to external environment effects and minimize the temperature degradation of its main elements.

10 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов и определения направления этих потоков - МЭМС-анемометрам.The invention relates to the field of microsensors, namely to microelectromechanical systems (MEMS) for measuring flows of liquids and gases and determining the direction of these flows - MEMS anemometers.

Известно множество конструкций анемометров, которые способны измерять направления и скорости потоков газов и жидкостей, но имеют большие размеры: механические [US 4671108], с трубками Пито [US 3443431], акустические [US 6601447] и др.There are many designs of anemometers that are capable of measuring the directions and velocities of the flows of gases and liquids, but have large sizes: mechanical [US 4671108], with pitot tubes [US 3443431], acoustic [US 6601447], etc.

Известен более миниатюрный анемометр, имеющий четыре разнонаправленные камеры с датчиками [US 3646811] - он способен определять скорость и направление потока, но недостаточно точен, инерционен так, что не может регистрировать колебания давления, связанные с турбулентностью потока, а также содержит отверстия и полости, подверженные загрязнениюA more miniature anemometer is known, which has four multidirectional chambers with sensors [US 3646811] - it is able to determine the speed and direction of flow, but is not accurate enough, inertial so that it cannot register pressure fluctuations associated with turbulence of the stream, and also contains holes and cavities, susceptible to pollution

При загрязнении датчиков, определяющих одновременно скорость и направление потока, спадает преимущественно точность определения скорости потока при сохранении на приемлемом уровне точности определения направления потока, и известен анемометр, в котором для преодоления этого недостатка разделены функции по определению скорости потока (использован цилиндр отклоняющийся) и его направления (использованы термоанемометры) [WO 9422022, WO 1992003749 A1]. Недостатком его является наличие подвижных частей, сложность и громоздкость.When the sensors that simultaneously determine the speed and direction of the flow become dirty, the accuracy of determining the flow velocity decreases mainly while maintaining the accuracy of determining the flow direction, and an anemometer is known in which the functions of determining the flow velocity are used to overcome this drawback (a deflecting cylinder is used) and its directions (hot-wire anemometers used) [WO 9422022, WO 1992003749 A1]. Its disadvantage is the presence of moving parts, complexity and bulkiness.

Анемометр по патенту US 5299455 позволяет определять скорость и направление потока по анализу показаний термодатчиков, сформированных на поверхностях двух взаимно перпендикулярных цилиндров. При анализе учитывается распределение теплоотвода по отдельным термодатчикам, колебания теплоотвода от отдельных датчиков, связанные с неустойчивостью потока (вихреобразованием, отрывом вихрей и т.п.) - в том числе противофазные в определенных точках цилиндров, частоты колебаний потока, пропорциональные скорости потока, распределение фаз колебаний теплоотвода от отдельных датчиков. Термодатчиками служат нанесенные на поверхность цилиндров пленочные терморезисторы, работающие в режиме постоянного напряжения. Использование цилиндров со встроенными датчиками для определения скорости и направления потока по регистрации колебаний показаний датчиков (сравнение фаз колебаний), вызванных колебанием потока, позволяет принять его в качестве прототипа.The anemometer according to patent US 5299455 allows you to determine the speed and direction of flow by analyzing the readings of temperature sensors formed on the surfaces of two mutually perpendicular cylinders. The analysis takes into account the distribution of heat sink over individual temperature sensors, heat sink oscillations from individual sensors associated with flow instability (vortex formation, vortex separation, etc.) - including antiphase at certain points of the cylinders, flow oscillation frequencies proportional to the flow velocity, phase distribution heat transfer oscillations from individual sensors. Thermal sensors are film thermistors applied to the surface of cylinders operating in constant voltage mode. The use of cylinders with built-in sensors to determine the speed and direction of flow by recording fluctuations in sensor readings (comparison of oscillation phases) caused by fluctuations in flow allows us to take it as a prototype.

Недостатком прототипа является наличие термодатчиков, необходимость нагрева элементов которых приводит к ускоренной деградации (например, из-за химического взаимодействия, диффузии, механических напряжений). Другим существенным, особенно для военного применения, недостатком устройств с термодатчиками является наличие у них ИК-излучения, демаскирующего объект. Наличие нагретых элементов ограничивает возможности применения подобных (но еще более миниатюрных) анемометров в медицине.The disadvantage of the prototype is the presence of temperature sensors, the need for heating of the elements of which leads to accelerated degradation (for example, due to chemical interaction, diffusion, mechanical stress). Another significant drawback of devices with thermal sensors, especially for military use, is the presence of infrared radiation that unmasks the object. The presence of heated elements limits the possibility of using such (but even more miniature) anemometers in medicine.

Задачей предлагаемого изобретения является исключение термической деградации анемометра и расширение возможностей применения.The task of the invention is the elimination of thermal degradation of the anemometer and the expansion of applications.

Указанная задача решается тем, что анемометр выполнен в виде сплошного или полого цилиндра с не менее чем двумя продольными полостями на цилиндрической (внешней) поверхности, покрытыми упругими стенками того же радиуса кривизны, что и цилиндр, а на каждой упругой стенке сформирован по крайней мере один тензодатчик, соединенный с блоком съема и анализа данных.This problem is solved in that the anemometer is made in the form of a continuous or hollow cylinder with at least two longitudinal cavities on a cylindrical (external) surface, covered with elastic walls of the same radius of curvature as the cylinder, and at least one formed on each elastic wall strain gauge connected to a data acquisition and analysis unit.

При обтекании цилиндра потоком газа или жидкости возникает турбулентный поток (в частности, вихри, перемещающиеся вдоль поверхности и отрывающиеся), вызывающий колебания скоростей потока в разных точках у поверхности цилиндра [Pat. US 5299455], по характеру которых можно сделать однозначный вывод о скорости и направлении потока. Аналогичный характер носят, в соответствии с законом Бернулли, и колебания давления в разных точках поверхности цилиндра. Поэтому анализ колебаний давления (вместо теплоотвода) в разных точках поверхности обтекаемого потоком цилиндра также дает информацию о скорости и направлении потока. Этот анализ проводят так же, как в устройстве по патенту US 5299455 - с помощью блока съема и анализа данных, который содержит измерители показаний тензодатчиков, анализаторы фазы и частоты сигналов с каждого тензодатчика, вычислительное устройство, выполняющее обработку информации по заданной программе и средства передачи и/или хранения результатов анализа.When a gas or liquid flows around a cylinder, a turbulent flow arises (in particular, vortices moving along the surface and detaching), causing fluctuations in the flow velocities at different points near the cylinder surface [Pat. US 5299455], the nature of which can make an unambiguous conclusion about the speed and direction of flow. In accordance with Bernoulli’s law, pressure fluctuations at different points on the surface of the cylinder are of a similar nature. Therefore, the analysis of pressure fluctuations (instead of heat removal) at different points on the surface of the streamlined cylinder also gives information about the speed and direction of flow. This analysis is carried out in the same way as in the device according to US Pat. No. 5,299,455, using a data acquisition and analysis unit that contains strain gauge readings, phase and frequency analyzers of signals from each strain gauge, a computing device that processes information according to a given program and transmission means and / or storing analysis results.

Упругая стенка с тензодатчиком (или тензодатчиками), меняющая форму под воздействием разности локального внешнего давления и давления внутри полости, приводит к изменению состояния тензодатчика, что позволяет определять локальное давление на поверхность цилиндра. Упругость стенки зависит от ее материала и толщины, и их выбирают в зависимости от ширины продольных полостей в цилиндре, от требуемых пределов измерений и условий эксплуатации. Необходимая упругость может рассчитываться теоретически (по характеристикам тензодатчиков, геометрическим параметрам анемометра и свойствам используемого материала), экспериментальным путем или сочетанием обоих подходов. Например, для измерения высоких скоростей потоков упругость должна быть выше, чем для измерения низких скоростей. Аналогично, для измерения скоростей потоков высокой плотности упругость должна быть выше, чем в случае потоков низкой плотности. Это не исключает возможности изготовления анемометра с широким диапазоном измерения скоростей потоков, в том числе имеющих различную плотность.An elastic wall with a strain gauge (or strain gauges) that changes shape under the influence of the difference between local external pressure and pressure inside the cavity leads to a change in the state of the strain gauge, which makes it possible to determine the local pressure on the surface of the cylinder. The elasticity of the wall depends on its material and thickness, and they are selected depending on the width of the longitudinal cavities in the cylinder, on the required measurement limits and operating conditions. The necessary elasticity can be calculated theoretically (according to the characteristics of the strain gauges, the geometric parameters of the anemometer and the properties of the material used), experimentally, or a combination of both approaches. For example, for measuring high flow rates, the elasticity should be higher than for measuring low speeds. Similarly, for measuring the velocities of high-density flows, the elasticity should be higher than in the case of low-density flows. This does not exclude the possibility of manufacturing an anemometer with a wide range of flow velocity measurements, including those with different densities.

Для измерения скоростей и направлений потоков газов предложен вариант изобретения, в котором давление в полостях поддерживают равным давлению (среднему) во внешней среде, например давлению в ламинарной части потока. Для исключения загрязнения полостей они сообщаются с внешней средой через фильтр. Такой вариант может быть реализован путем использования не сплошного, а полого цилиндра, внутренняя полость которого сообщается с внешними продольными полостями и в которой установлен фильтр, например, внутренняя полость может быть заполнена фильтрующим материалом. При этом вероятность его критического загрязнения существенно меньше, чем если бы каждая продольная полость была снабжена отдельным фильтром малого размера. Кроме того, внутренняя полость демпфирует колебания на входе в нее, если такие колебания имеют место, и в под упругими стенками поддерживается одинаковое давление.To measure the velocities and directions of gas flows, an embodiment of the invention is proposed in which the pressure in the cavities is maintained equal to the pressure (average) in the external environment, for example, the pressure in the laminar part of the stream. To avoid contamination of the cavities, they communicate with the external environment through the filter. This option can be implemented by using not a hollow, but a hollow cylinder, the inner cavity of which communicates with the outer longitudinal cavities and in which the filter is installed, for example, the inner cavity can be filled with filter material. Moreover, the probability of its critical contamination is significantly less than if each longitudinal cavity was equipped with a separate filter of small size. In addition, the internal cavity damps vibrations at the entrance to it, if such vibrations occur, and the same pressure is maintained under the elastic walls.

Для измерения скоростей и направлений потоков жидкостей предложен вариант изобретения, в котором продольные полости выполнены герметичными и газонаполненными.To measure the velocities and directions of fluid flows, an embodiment of the invention is proposed in which the longitudinal cavities are sealed and gas-filled.

На упругой стенке каждой продольной полости формируется по меньшей мере один тензодатчик. Тензодатчик может располагаться на внутренней или внешней поверхности упругой стенки. Тензодатчики могут быть сформированы и на обеих поверхностях упругой стенки. Кроме этого, с любой стороны каждой упругой стенки могут быть сформированы дополнительные тензодатчики, в том числе и отличающиеся по используемому физическому эффекту, например, в виде тензорезисторов или пьезоэлементов.At least one load cell is formed on the elastic wall of each longitudinal cavity. The load cell may be located on the inner or outer surface of the elastic wall. Strain gages can also be formed on both surfaces of the elastic wall. In addition, additional strain gauges can be formed on either side of each elastic wall, including those differing in the physical effect used, for example, in the form of strain gauges or piezoelectric elements.

При использовании в качестве тензодатчиков пьезоэлементов отпадает необходимость подачи питания на датчики.When using piezoelectric elements as strain gauges, there is no need to supply power to the sensors.

При деформации упругой стенки под действием разности давлений ее кривизна в поперечном сечении имеет области с разным знаком (как у нагруженной балки с защемленными концами): в центре - один знак, по краям - противоположный. Тензодатчики, сформированные в этих областях, будут давать противоположные сигналы, что является благоприятным обстоятельством для регистрации. Тензодатчики, сформированные с двух сторон упругой стенки в пределах области с одним знаком кривизны, будут также давать противоположные сигналы.When an elastic wall is deformed under the influence of a pressure difference, its curvature in the cross section has regions with a different sign (as in a loaded beam with pinched ends): in the center there is one sign, and opposite at the edges. The load cells formed in these areas will give opposite signals, which is a favorable circumstance for registration. Strain gauges formed on both sides of the elastic wall within the region with the same sign of curvature will also give opposite signals.

Тензодатчики могут быть выполнены тонкопленочными с заданной, наиболее выгодной топологией, например, в виде меандра, эффект от деформации поперечных частей которого при деформации складывается.Strain gauges can be made thin-film with a given, most advantageous topology, for example, in the form of a meander, the effect of the deformation of the transverse parts of which develops upon deformation.

На Фиг.1 схематично изображен общий вид анемометра в варианте со сплошным цилиндром и тензодатчиками, сформированными в средней части внутренней поверхности упругой стенки, а на Фиг.2 изображено сечение того же анемометра.Figure 1 schematically shows a General view of the anemometer in the embodiment with a solid cylinder and strain gauges formed in the middle part of the inner surface of the elastic wall, and Figure 2 shows a cross section of the same anemometer.

Цифрами обозначены:The numbers indicate:

1 - цилиндр (твердый);1 - cylinder (solid);

2 - продольная полость;2 - a longitudinal cavity;

3 - упругая стенка, являющаяся в данном примере частью упругого цилиндра, приклеенного к твердому цилиндру в области вне продольных полостей;3 - an elastic wall, which in this example is part of an elastic cylinder glued to a solid cylinder in an area outside the longitudinal cavities;

4 - тензодатчик.4 - strain gauge.

Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения может быть анемометр, у которого твердый цилиндр длиной 3 см и диаметром 5 мм выполнен из алюминия с 10-ю продольными не доходящими до торцов канавками прямоугольного сечения длиной 2 см размерами в сечении 1×1 мм, закрытыми упругими стенками из полиимида толщиной 0,5 мм, являющимися частью наклеенной (вне канавок) на твердый цилиндр полиимидной пленки, на которой в рассчитанных местах заранее нанесены тензорезисторы из нихрома в виде пленки толщиной 2 мкм с топологией меандра с шагом 0,2 мм, шириной 0,3 мм и шириной шины 0,1 мм, так чтобы после наклейки тензодатчики оказались внутри полостей. (Коммутация и устройство блоков съема и анализа общеизвестны.) Другим примером конкретного исполнения может быть анемометр, в котором продольные полости закрыты упругими стенками из установленных заподлицо с внешней поверхностью цилиндра кремниевыми мембранами толщиной 100 мкм со сформированных на них тензодатчиках. В этом случае собранный анемометр подвергают дополнительной полировке для обеспечения цилиндричности.An example of a specific embodiment of the invention may be an anemometer in which a solid cylinder 3 cm long and 5 mm in diameter is made of aluminum with 10 longitudinal, 2 cm rectangular grooves not extending to the ends, 1 cm × 1 mm in diameter, closed by elastic walls made of 0.5 mm thick polyimide, which is part of the polyimide film glued (outside the grooves) onto the solid cylinder, on which nichrome strain gauges in the form of a 2-μm-thick film with a meander topology in increments of 0 are preliminarily applied , 2 mm, 0.3 mm wide and 0.1 mm wide tires, so that after the sticker the load cells are inside the cavities. (The switching and arrangement of the removal and analysis units are well known.) Another example of a specific embodiment can be an anemometer in which the longitudinal cavities are closed by elastic walls made of silicon membranes 100 μm thick flush with the outer surface of the cylinder from the load cells formed on them. In this case, the assembled anemometer is subjected to additional polishing to ensure cylindricality.

Предлагаемый анемометр устойчив к воздействию внешней среды, не содержит подвижных и нагреваемых частей, не подвержен деградации, связанной с нагревом, не является источником паразитных излучений (ИК, например) и полей (тепловых, например), что позволяет использовать его в военных целях без опасений демаскировать себя и в медицинских (например, для определения скорости воздуха в бронхах, при котором нагрев зондов недопустим). При этом анемометр сохраняет все полезные качества прототипа: в частности, измеряемой величиной является частота, зависящая от скорости потока.The proposed anemometer is resistant to environmental influences, does not contain moving and heated parts, is not subject to degradation associated with heating, is not a source of spurious radiation (IR, for example) and fields (thermal, for example), which allows it to be used for military purposes without fear unmask yourself in medical ones (for example, to determine the air velocity in the bronchi, at which the heating of the probes is unacceptable). At the same time, the anemometer retains all the useful qualities of the prototype: in particular, the measured value is the frequency, which depends on the flow rate.

Claims (10)

1. Анемометр, содержащий цилиндр, датчики, расположенные на его поверхности, и блок съема и анализа данных, отличающийся тем, что цилиндр выполнен сплошным или полым с не менее чем двумя продольными полостями на цилиндрической поверхности, покрытыми упругими стенками того же радиуса кривизны, на каждой из которых сформирован по крайней мере один тензодатчик, соединенный с блоком съема и анализа данных.1. An anemometer containing a cylinder, sensors located on its surface, and a data acquisition and analysis unit, characterized in that the cylinder is solid or hollow with at least two longitudinal cavities on a cylindrical surface, covered with elastic walls of the same radius of curvature, each of which is formed of at least one load cell connected to a data acquisition and analysis unit. 2. Анемометр по п.1, отличающийся тем, что полости сообщаются с внешней средой.2. Anemometer according to claim 1, characterized in that the cavity communicates with the external environment. 3. Анемометр по п.2, отличающийся тем, что полости сообщаются с внешней средой через фильтр.3. Anemometer according to claim 2, characterized in that the cavity communicates with the external environment through a filter. 4. Анемометр по п.3, отличающийся тем, что фильтр установлен в полости полого цилиндра, сообщающейся с продольными полостями, расположенными на его внешней поверхности.4. Anemometer according to claim 3, characterized in that the filter is installed in the cavity of the hollow cylinder in communication with the longitudinal cavities located on its outer surface. 5. Анемометр по п.1, отличающийся тем, что полости заполнены газом и герметичны.5. Anemometer according to claim 1, characterized in that the cavity is filled with gas and airtight. 6. Анемометр по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере один тензодатчик сформирован на внутренней либо на внешней, либо на той и на другой поверхности упругой стенки каждой продольной полости.6. The anemometer according to claim 1, characterized in that at least one load cell is formed on the inner or on the outer or on the one and the other surface of the elastic wall of each longitudinal cavity. 7. Анемометр по п.6, отличающийся тем, что на внутренней, либо на внешней, либо на той и на другой поверхности упругой стенки каждой продольной полости сформированы тензодатчики, расположенные в областях разных знаков потенциальной деформации.7. Anemometer according to claim 6, characterized in that strain gauges are formed on the inner, or on the outer, or on either surface of the elastic wall of each longitudinal cavity, located in areas of different signs of potential deformation. 8. Анемометр по п.1, отличающийся тем, что тензодатчики выполнены в виде тензорезисторов.8. The anemometer according to claim 1, characterized in that the strain gauges are made in the form of strain gauges. 9. Анемометр по п.1, отличающийся тем, что тензодатчики выполнены в виде пьезоэлементов.9. Anemometer according to claim 1, characterized in that the load cells are made in the form of piezoelectric elements. 10. Анемометр по п.1, отличающийся тем, что на каждой упругой стенке выполнены тензодатчики в виде тензорезисторов и в виде пьезоэлементов. 10. The anemometer according to claim 1, characterized in that on each elastic wall strain gauges are made in the form of strain gauges and in the form of piezoelectric elements.

Images