Датчик температуры

 

Использование: термометрия, криогенная техника, в частности измерение температуры объекта, имеющего сложную конфигурацию и неоднородное распределение температуры. Сущность изобретения: устройство содержит слой термочувствительного материала из полипиррола с удельным сопротивлением 0,045 Ом см, размещенный на поверхности измеряемого объекта, и электрические контакты, расположенные на слое термочувствительного материала. В качестве одного из электрических контактов использована поверхность измеряемого объекта, причем удельное сопротивление материала измеряемого объекта на порядок ниже удельного сопротивления термочувствительного материала. Рабочий диапазон температур датчика 300 - 1,5 К. 3 ил.

Изобретение относится к термометрии, а именно к датчику температуры, и может быть использовано в криогенной технике: криоэлектронике, криоэлектротехнике, криомедицине, а также в других отраслях народного хозяйства, где необходимо измерение низких температур.

Широко известны криогенные термометры сопротивления на основе полупроводниковых материалов (М. П. Орлова, О. Ф. Погорелова, С. А. Улыбин. Низкотемпературная термометрия. М. , Энергоатомиздат, 1987, с. 280), которые обладают высокой термочувствительностью. Они могут быть достаточно миниатюрными и содержать чувствительный элемент как в виде объемного тела, так и в виде пленок. Для создания термочувствительных элементов датчиков температуры используются такие полупроводники, как Ge, Si, InSb, CdSb и др. С помощью специального легирования удается снизить магнитосопротивление полупроводниковых термометров и тем самым повысить точность измерения в неконтролируемых внешних магнитных полях. Однако при создании классических полупроводниковых термометров приходится использовать сложную технологию легирования, особенно для наиболее низкотемпературных и широкодиапазонных датчиков. Кроме того, полупроводниковые термочувствительные элементы являются хрупкими объектами, вследствие чего возникает потребность в специальной их корпусировке, что ограничивает их применение. Пленочные датчики требуют использования специальных подложек, что усложняет технологию их изготовления, вносит дополнительные трудности, связанные с закреплением датчика на измеряемом объекте, и, как правило, дает в результате ухудшение таких, например, характеристик, как воспроизводимость, термочувствительность, точность измерения температуры. Интервал измеряемых температур для датчиков на основе упомянутых полупроводниковых материалов ограничен и не охватывает полностью весь диапазон 1,5-300 К.

Известны также термометры сопротивления, в которых чувствительные элементы выполнены из неполупроводниковых материалов: например, из двуокиси олова, легированного сурьмой в количестве 60 мол. % для измерения низких температур 1,5-300 К (авт. св. N 298839, кл. G 01 K 7/10, 1971); или из термически обработанного стеклоуглерода в форме пластинки, контакты которого выполнены из последовательно нанесенных слоев хрома, золота в виде узких полос на противоположных широких гранях чувствительного элемента (авт. св. СССР N 325516, кл. G 01 K 7/16, 1972); или в виде ленты или тонкой пластинки из некристаллического сплава 80-50 ат. % Са и 120-45 ат. % Al, лента имеет длину не более 100 мм, ширину 0,2-2 мм и толщину не более 100 мкм, изготовлена путем отверждения в результате резкого охлаждения расплава, область измеряемых температур 1,5-373 К (заявка Японии N 63-59084, кл. G 01 K 7/16).

Все вышеуказанные датчики температуры, наряду с ранее отмеченными недостатками, обладают еще одним существенным недостатком, заключающимся в том, что ими невозможно проводить измерение температуры объектов, имеющих различную объемную конфигурацию, например труднодоступные места на исследуемом объекте, и неоднородное распределение температур. Тепловые эффекты, возникающие на контактах датчиков с измеряемым объектом, существенно влияют на точность измерения его температуры, так как они помещаются на поверхность измеряемого объекта с помощью промежуточного слоя, например клея. Поэтому, вследствие плохого теплового контакта между датчиком температуры и измеряемым объектом (плохим теплообменом между ними), точность известных датчиков при измерении низких температур недостаточна. Повышение точности требует разработки специальных измерительных устройств, исключающих различные погрешности, возникающие в процессе измерения.

Известен также датчик температуры, выполненный на основе органических полупроводниковых материалов, содержащих термочувствительный элемент и электрические выводы (авт. св. N 294874, кл. G 01 K 7/16, 1971). В нем чувствительный элемент выполнен на основе низкомолекулярных ион-радикальных солей тетрацианхинондиметана, в молекулу которого введен либо катион бисчетвертичного основания, например дихинолиния и фенантролиния, либо катион щелочного металла, а также до 25 мас. % галогена, например иода, или до 25 мас. % нейтрального тетрацианхинондиметана. Недостатки этого датчика заключаются в том, что его невозможно использовать при измерении низких температур, нельзя повысить точность измерения температуры, невозможно применение его для измерения температуры в различных точках поверхности измеряемых объектов, находящихся в магнитном поле и имеющих произвольную сложную конфигурацию и неоднородное распределение температуры по поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является датчик температуры, содержащий слой термочувствительного материала, расположенного непосредственно на поверхности измеряемого объекта, и электрические контакты (Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1984, в. 5 (110) с. 46). В качестве материала термочувствительного слоя используется никель. Недостаток этих датчиков заключается в том, что ими невозможно производить измерение температур в области низких температур, ниже 208 К.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых температур в область низких температур и повышение температурного коэффициента сопротивления.

Цель достигается тем, что в датчике температуры, содержащем слой термочувствительного материала, размещенного на поверхности измеряемого объекта, и электрические контакты, расположенные на слое термочувствительного материала, в качестве термочувствительного материала использован полипиррол состава С₄Н₃N (C₇H₇O₃S0)_0,10-0,30 с удельным сопротивлением 0,045 Ом . см, а в качестве одного из электрических контактов использована поверхность измеряемого объекта, причем удельное сопротивление материала измеряемого объекта на порядок ниже удельного сопротивления термочувствительного материала.

На фиг. 1 представлено схематическое выполнение датчика температуры; на фиг. 2 - график зависимости сопротивления от температуры для интервала от 300 до 1,5 К; на фиг. 3 - относительное изменение сопротивления в поперечном и продольном магнитном поле при 4,2 К (кривые 4 и 5 соответственно).

Датчик температуры содержит чувствительный элемент 1, расположенный непосредственно на измеряемом объекте, который одновременно является электрическим контактом 2, второй электрический контакт 3 расположен на чувствительном элементе 1, который выполнен из пленки полипиррола.

Удельное сопротивление материала измеряемого объекта должно быть на порядок ниже удельного сопротивления материала чувствительного элемента 1. Погрешность определения температуры, вносимая удельным сопротивлением материала измеряемого объекта 2, несущественна, так как чувствительный элемент датчика температуры контактирует непосредственно с поверхностью измеряемого объекта и в нем отсутствует слой вещества, с помощью которого датчики обычно крепятся к поверхности измеряемого объекта и существенно влияют на упомянутый параметр. В зависимости от того, в каких точках исследуемого объекта необходимо произвести измерение температуры, на него наносят соответствующее число датчиков, при этом датчики могут быть как угодно малого размера. Количество датчиков температуры и места их расположения на измеряемом объекте, имеющем неоднородное распределение температуры и какой угодно сложный рельеф, практически не ограничено. Более высокая точность определения температуры предлагаемым датчиком по сравнению с ранее известными обеспечена оригинальным выполнением конструкции, в которой чувствительный элемент выполнен непосредственно на поверхности измеряемого объекта, являющегося одновременно и электрическим контактом.

В качестве термочувствительного материала датчика использован полипиррол с удельным сопротивлением 0,045 Ом . см. Пленки полипиррола получены методом электрической анодной полимеризации исходного мономера пиррола. Образующийся полимер представляется формулой С₄Н₃N (C₇H₇O₃S)_0,10-0,30. Процесс полимеризации проводят в среде полярного органического растворителя ацетонитрила при комнатной температуре и нормальном давлении. Для придания раствору электропроводности в качестве фонового электролита используют натриевые соли ароматических сульфокислот бензольного ряда, например п-толуолсульфонат натрия. Исходная концентрация пиррола и фонового электролита в ацетонитриле находится в пределах 0,02-0,2 моль/л.

Датчик температуры представляет собой пленку полипиррола, нанесенную на поверхность измеряемого объекта, методом анодной полимеризации, к которой определенным способом прикреплены электрические контакты, например, с помощью высокопроводящего клея, изготовленного на основе мелкодисперсной серебряной пасты.

Проведенные эксперименты (см. графики на фиг. 2 и 3) показали хорошие термометрические свойства предлагаемых датчиков температуры для диапазона измеряемых температур 300-1,5 К. Сопротивление датчика при комнатной температуре равно 25,78 Ом, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) составляет 0,26 % . град. ^-1, а при 2,2 К сопротивление равно 4,69 . 10⁴ Ом, ТКС составляет 90 % . град. ^-1, при 1,5 К сопротивление равно 8,9 . 104 Ом, ТКС - 95 % . град. ^-1. Сопротивление измеряемого объекта меньше одного ома. Относительное изменение сопротивления в поперечном и продольном магнитном поле, измеренное при 4,2 К, практически совпадает и при увеличении напряженности поля на величину больше 40 кЭ сопротивление образца меняется меньше чем на 5% .

В зависимости от того, в каких точках исследуемого объекта необходимо произвести измерения температуры, на него наносят соответствующее число датчиков. Датчики при этом могут быть как угодно малого размера. Количество датчиков температуры и места их расположения на измеряемом объекте, имеющем неоднородное распределение температуры и как угодно сложный рельеф, практически не ограничено.

Формула изобретения

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий слой термочувствительного материала, размещенный на поверхности измеряемого объекта, и электрические контакты, расположенные на слое термочувствительного материала, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения температурного коэффициента сопротивления, в качестве термочувствительного материала использован полипиррол состава C₄H₃N ·(C₇H₇O₃S)_{0,10-- -0,30} с удельным сопротивлением 0,045 Ом · см, а в качестве одного из электрических контактов использована поверхность измеряемого объекта, причем удельное сопротивление материала измеряемого объекта на порядок ниже удельного сопротивления термочувствительного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3