Датчик разности температур

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик оп 821947

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07 ° 02 ° 79 (21) 2722524/18-10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Р1)М. К .з

G 01 К 3/08

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 150481 Бюллетень № 14 (53) УДК 536.532 (088.8) Дата опубликования описания 150481 (72) Авторы изобретения

А.С.Богатин, В.Н.Богатина, О.И.Прокопал (71) Заявитель

Ростовский ордена Трудового Красного Зна государственный университет (54) ДАТЧИК РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения пространственногэ градиента температуры в переменных температурных полях, которые имеют место, например, в искусственных спутниках Земли, освещаемых солнечными лучами, при их вращении вокруг своей оси.

Известен датчик разности температуры, содержащий термодиоды, усилительный элемент, выполненный на полевом транзисторе, нагрузку, источники питания P1) .

Указанный датчик достаточно чувствителен, однако имеет сложную электронную схему и требует наличия сложной измерительной аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения разности температур, содержащее термоэлемент, выполненный.в виде стержня, на торцы которого нанесены два электрода из материала, отличного от материала стержня $2) .

Однако данное устройство обладает недостаточной чувствительностью, не превышающей 250 мкв/град.

Цель изобретения — повышение чув-ствительности датчика.

Указанная цель достигается тем, что стержень выполнен из поликристаллического титаната бария с добавкой окислов семейства лантанидов при следующем соотношении компонентов, вес.Ъ:

BaTiO 99,75-99,90

Окислй семейства лантанидов 0,10-0,25

Использование указанного материала позволяет создать датчик доста-. точной термо-ЭДС,малым электрическим сопротивлением и температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, при этом в переменных температурных полях в датчике появляется дополнительная ЭДС, увеличивающаяся с ростом градиента температур, что приводит к повышению чувствительности датчика.

На фиг.1 изображена схема датчи- ка градиента температур; на фиг.2 эквивалентная электрическая схема датчика.

Датчик градиента температур содержит сегнетоэлектрический термоэлемент 1, изготовленный из керамического титаната бария с добавкой окислов семейства лантанидов, электроды

2. Цифрой 3 обозначена нагреваемая

821947 грань элемента 1. Эквивалентная электрическая схема сегнетоэлектрического термоэлемента содержит его эквивалентную емкость 4, эквивалентный источник 5 термо-ЭДС и внутреннее сопротивление б.

Датчик. работает следующим образ.ом. растает диэлектрическая проницаемость элемента 1 и его емкость 4. За счет роста емкости 4 на электродах 2 элемента 1 накапливается заряд больший, чем при неизменной емкости. Одновременно с ростом заряда растет сила тока зарядки и падение напряжения на внутреннем сопротивлении б. Величина тока зарядки и падения напряжения на внутреннем сопротивлении б зависит от величины внутреннего сопротив35 ления б. При,большой величине внутреннего сопротивления б ток зарядки мал и мало падение напряжения, при малом внутреннем сопротивлении б ток заряд40

45 ки велик, но падение напряжения невелико. Йаибольшее падение напряжения на внутреннем сопротивлении 6 . имеет место при промежуточных величинах внутреннего сопротивления. В эту половину периода работы устройства за счет тепловой энергии совершается положительная работа в источнике 5 термо-ЭДС по разделению электрических зарядов, а в емкости 4 против сил электрического поля, создаваемого источником 5 термо-ЭДС. В следующую половину периода темпера50 тура подогреваемой грани 3 уменьшает-. ся, снижается развиваемая источником

5 термо-ЭДС и начинается разрядка емкости 4. Одновременно уменьшается диэлектрическая проницаемость и емкость 4 элемента 1. Это способствует процессу разрядки и росту тока разрядки. Ток: разрядки создает на внут55 реннем сопротивлении 6 падение напря- 60 жения иной полярности, чем в первую половину периода. В процессе разрядки за счет тепловой энергии совершается положительная работа по уменьшению емкости 4 против сил электри65

В начальный момент температуры всех граней элемента 1 одинаковы, развиваемая эквивалентным источником

5-термо-ЭДС равна нулю и отсутствует разность потенциалов между гранями элемента 1, покрытыми электродами 2.

При помещении элемента 1 в область пространства с меняющимся градиентом температур одна из его граней, например 3, нагревается. При этом соз-., дается разность температур между гранями элемента 1, покрытыми электродами 2,и возникает термо-ЭДС,созда- 20 ваемая ее эквивалентным источником 5.

Эквивалентная. емкость 4 начинает заряжаться через внутреннее сопротивление 6 от источника 5 термо-ЭДС. Одновременно при нагреве грани 3 возческого поля, создаваемого зарядами, накопленными на электродах 2.

Разность потенциалов, возникающая между электродами 2 элемента 1, складывает >я из термо-ЭДС развиваемой источником 5, и падения напряже«ния на внутреннем сопротивлении б.

При достаточно резкой зависимости диэлектрической проницаемости элемента от температуры и подборе оптимальной величины внутреннего сопротивления 6 падение напряжения на внутреннем сопротивлении б за счет роста токов зарядки и разрядки емкости 4 оказывается значительно больше термо-ЭДС и определяет величину разности потенциалов между электродами 2 элемента 1.

При помещении элемента 1 в область . пространства с периодически изменяющимся градиентом температур его грань 3 периодически нагревается и охлаждается. Это приводит к появлению колебаний тока в цепи эквивалентной схемы и разности потенциалов между электродами 2, которые являются автоколебаниями и происходят на частоте изменения градиента температур. Разность потенциалов между электродами

2 зависит от величины градиента температур между соответствующими гранями элемента 1 и может быть измерена с помощью обычного милливольтметра. Возможность возникновения автоколебаний на частоте изменения градиента температур позволяет создать датчик для регистрации малых градиентов температур, работающих на любой частоте, при которой возможен прогрев элемента- 1. Наличие термоЭДС у титаната бария, большая скорость изменения диэлектрической проницаемости титаната бария при изменении температуры в области перехода из сегнетоэлектрической в параэлектрическую (несегнетоэлектрическую) фазу и связаннОе с этим значительное возрастание токов зарядки и разрядки емкости 4, возможность при введении окислов лантанидов изменять электрическое сопротивление керамического татаната бария в широких пределах позволяют получить высокую чувствительность устройства.. В табл.1-3 приведены данные, подтверждающие появление дополнительной

ЭДС и увеличение чувствительности при использовании в качестве керамического термоэлемента поликристаллического титаната бария с добавками окислов семейства лантанидов.

В табл.1 приведен состав приготовленных керамических термоэлементов, их электрическое сопротивление, данные по определению чувствительности датчика градиента температур при использовании термоэлементов из керамического титаната бария, содержащих

821947 тур вдоль термоэлемента Ь То-10оС, период изменения градиента температур c — 200 с.

Таблица 1

4,5 ° 10

100.

4,2 ° 10 4

99,94 0,06

99,92 0,08

99,90 0,10

99,88 0,12

Е01

Е02

ЕОЗ

Е04

Е05

99,85

0,15 .

Еоб

99,75 0,25

Е07

Аналогичные концентрационные зависимости электрического сопротивления имеют место и при введении окислов других лантанидов в титанат ба,рия (кроме лютеция и иттербия).

В табл.2 приведены данные по опре- 35 делению чувствительности датчика состава Е04 при различной амплитуде градиента температур вдоль термоэлемента. Период изменения градиента температур — 200 с., средняя темпе- 4О ратура гермоэлемента — 110 С..

Таблица 2

Таблица .3

Амплитуда разности по тенциалов между граня ми термоэле ментов U, в.Период изменения градиента температур 2, с увствиельность ермоэлеента в/град С 1,3 10

2 ° 10

2,1.1О

1,3 ° 1О

2 ° 10

2,1 ° 10

600

200

Постоянное температурное поле

1,2 10

1,2 10

4,4 10

2 10

2,8 ° 10

2,2 10

1,87 10

Как видно из табл.1 для термоэлементов с добавками окисла лантанида s количестве 0,1-0,25 вес.% дополнительная ЭДС, определяющая высокую чувствительность термоэлемен.тов, значительно превосходит термоЭДС, которую можно получить за счет эффекта Зеебека. Табл.2 показывает, что возникающая между гранями термоэлемента ЭДС зависит от амплитуды градиента температур. Датчик градиента температур работает, как видно из табл.3, при изменении периода

15 различные количества окиси эрбия.

Средняя температура термоэлемента

Т-110 С, амплитуда градиента темпера8,107

7,5.10

4,5 10

5 10

9 ° 10

99,65 0,35 1,2 10

В табл.3 приведены данные по определению чувствительности датчика. состава Е05 при различном периоде изменения градиента температур. Средняя температура термоэлемента "

110 С, амплитуда градиента темпераО тур вдоль термоэлемента — 10 С.

4,5 ° 10

4,2 10

6,0 ° 10

3 ° 10-2

2 10

6.10

5,2 10

4,0 10

6,0 10

3.1о->

2 10 2

6,1-10

5,2 10

4,0 10

821947

0,10-0,25

Формула изобретения фме. 1 фие. 2

Составитель Г.Мухина

ТехредМ. Федорнак .КорректорО.Билак

Редактор Л.Копецкая т

Заказ 1799/63 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,, ул.Проектная,4 изменения градиента температур в широких пределах. В постоянных температурных полях чувствительность термоэлемента невелика и определяется эффектом Зеебека. Датчик с использованием нового материала позволяет получить чувствительность в переменных полях, которая ранее достигалась за счет сложнейших электрических схем.

Датчик разности температур, содержащий термоэлемент, выполненный в виде стержня, на торцы которого на- 35 несены два электрода из материала, отличного от материала стержня, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности датчика в переменных температурных полях, стержень выполнен из поликристаллического титаната бария с добавкой окислов семейства лантанидов при следующем соотношении компонентов, вес.Ъ:

BaTi0 99,75-,99,90

Окислй семейства чантанидов, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 584197,.кл. G 01 К 3/08, 1976.

2 ° Авторское свидетельство СССР

Р 271061, кл.G 01 К 3/08, 1968 (прототип).