Датчик метеорологических параметров

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 28037 А 19 01 ЧЧ 1/02, 1/О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ В ное проектно-конструке бюро СО ВАСХНИЛ льство СС1/08, 1963 РОЛОГИ(57) Изобретение от ной технике и может измерения метеопдавление, темпера ИХ ПАносится к иэ быть использ раметров. т тура и относ те ано ких как ительная 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидеМ 163398, кл. 0 01 И/ 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 7,обладающий гидродеформационными свойствами, Таким образом, все измеряемые величины (давление, температура, елажнос 1 ь) преобразуются в перемещение, которое измеряется с помощью идентичных интегральных тензопреобразователей 2, 3 и 4, выполненных совместно с упругим элементом - мембраной. 1 ил.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 материала б, размеры которого изменякцся в зависимости от излоцений температуры, второй слой влдгочувствительного материала 7, размеры которого изменяются в зависимости от изменений относительной влажности воздуха, токосъемник 8 с контактными площадками и электрический кабель 9, В кортусе изготовлено специальное микроотверстие 10, пропускающее молекулы воды к второму слою материала 7. Корпус 1 имеет внешнюю резьбу, предназначенную для установки его нд обьекте, и выполнен из теплоизоляционного материала с высокими диэлектрическигли свойствами, например пластмассы. В верхней части корпуса изготовлено углубление, в которое устанавливается и закрепляется первая полупроводниковая мембрана 2, например, с помощью клея нэ основе эпоксидного колтцдундд.Б качестве цолуцроводциковых мембран 2 - 4 могут быть использованы известные интегральные тензоцреобрдзаватели, изготовленные на квэдратной пластине из кремния (с толщиной мембраны 10 - 100 мкм) за единый техгюлогический цикл методами термической диффузии, ионной имплантации или эпитаксидльного выращивания Корпус 1 имеет отверстие, в которое установлен теплопровод 5, выполненный из материала с высокими теплопроводными свойствами, например из меди, серебра и т,п, Со стороны воздействия окружающей среды на теплопровод нанесен слой защитного покрытия (не показан), предохраняющий теплопровод от окисления в процессе эксплуатации датчика. На вторую мембрану 3 нанесен первый слой термочувствительного материала б, выполненного, например, на основе полиэтилена, капронд, воска и т,п, Температурный коэффициент обьемного расширения материала б должен превышать хотя бы на один порядок температурные коэффициенты обьемного расширения материалов теплопровода 5,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 б) 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 тлощадками, 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 подпаивали 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 Р мембрана 2 прогибается. Это вызывает изменение электрического сопротивления тензопреобразователя, которое преобразуется в электрическое напряжение известными методами. Изменение температуры воздуха (Т,С) через теплопровод 5 вызывает изменение обьемд материала б за счет его теплового расширения, а следовательно, перемещение мембраны 3 и изменение сопротивления ее тензоцреобраэователя. Аналогично происходит процесс измерения относительной влажности воздуха ( гр, ). Влдгд через отверстие 10 изменяет объем мдтеридлд 7 зд счет гигродеформационного эф 1 .ктд и вызывает перемещение мембра 162803750 55 ны 4, а следовательно, и изменение сопротивления ее тензопреобразователяТаким 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 тенэопреобразователя (давление - перемещение - электрическое напряжение) Процесс измерения температуры также представляет собой последовательную цепь преобразований измеряе 1 лой температуры в перемещение с помощью материала б, 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 слу. чае используется те зопреобра. ов;:1 ель основанный на тензоэффекте,В качестве оконечно о преогоаловлтеля при изготовлении датчика метео,зл,; ических параметров может использова г чдругой преобразователь, наприкео кл ос; ный, работа котороо основа а на п,осто;. ственно-емкостном эффекте В эои Глучае чувствительный элемент для иль,реия давления представляет собой мел;,у, защемленную в корпусе датчика, г.,;негным на ее внутреннюю (погнои., нис к корпусу) поверхность подвижным э екгродом и, например, ситалловую подложкч с нанесенным на ее поверхность .еподвижным электродом. При изменении давления мембрана перемещается и вызывает из;ле нение емкости между подвижным и неподвижным электродами, На неподвижный электрод подложки может былгь нанесен слой гигрочувствительного материала, например окиси алюминия А Оз), на который, в свою очередь, может быть нанесе .лой первого дополнительного электрода. За счет абсорбции влаги окисью алолиния ее диэлектрические характеристик изменяются, об изменении влажности можно судить по изменению емкости конденсатора, созданного структурой, состоящей из еподвижного электрода, окиси алюминия и первого дополнительного электродаАналогично для измерения температуры на неподвижный электрод можно нане 5 10 15 20 25 30 35 -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, мвтериала-диэлектрика с высоким температурным коэффициентом расширения и гигрочувствительного материала-диэлектрика (А 20 з) 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 В этом случае изменение измеряемых метеорологических параметров преобразуется в перемещение, которое изменяет оптические свойства оптронной пары, состоящей из соответствующих источников и приемников излучения, Изменение оптических свойств преобразуется г помощью фотоприе иков в электрический сигнал Крс ле того, возможчо пгстроение датчиков л;теоролои вскигар летров не толь о дя измер. ния ра.г:лотрен, ы ф" зи е ких вели ин д:.глеч Г, емп ратура в 1 жогть) О и длиз "лгргния другх иаэстричесних велич,н, наример интенсивности со ечнр 1 иацл,. В ."1 ом лучае, е.;ли нанести на сло; материала. размеры котгроо изменя о,ся а зависимости от измсне ия темпера,урь, слой вещес ва, поглоилн: ць о эн ргию этого электролагнитного излучения, из:ленение энерг."и вызывает и.менение темпера 1 уры ма риала, что приводит к изменению его обьела, а изменение обьема вызывает изменение перемещения мембраны и т.п,Таким образом возможны различные вицы построения датчиков метеорологических параметров Вбор видов преобразований информационных сигналов при измерении конкретных величин и количества измерительных преобразователей в их последовательной цепи осуществляется из условия минимизации поте зь информации о ; аждой измеряемой величине при построении датчика. Этот выбор може- осуществлятгя расчетным или экспериментальным гутс пои проектировании конкретных многофункциональных датчиков, предназна1628037 Составитель М,ЖуковТехред М.Моргентал Корректор М.Шароши Редактор А.Лежнина Заказ 340 Тираж 265 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ченных для измерения нескольких физических величин или параметров.Формула изобретенияДатчик метеорологических параметров, содержащий корпус, в котором установлены 5 преобразователи давления, температуры и влажности воздуха, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции, уменьшения габаритных размеров и повышения чувствительности, в нем корпус вы 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,