Датчик разности температур

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(23) Приоритет Р 1)М, К,з С 01 К 3/08 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 150481 2) Авторыизобретения.НБогатина, О.И.Проко Заявите кий ордена Трудового Красного 3государственный университет(54) ДАТЧИК РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУ достигается тем,нен из поликристалбария с добавкойлантанидов принии компонентов,Указанная цель что стержень выпо лического титанат окислов семейства следующем соотнош г н ю ст Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения пространственноо градиента температуры в переменых температурных полях, которые имет место, например, в искусственных спутниках Земли, освещаемых солнечными лучами, при их вращении вокруг своей оси.10Известен датчик разности температуры, содержащий термодиоды, усилительный элемент, выполненный на полевом транзисторе, нагрузку, источники питания Ц .Указанный датчик достаточно чувс твителен, однако имеет сложную элек тронную схему и требует наличия сложной измерительной аппаратуры.Наиболее близким по технической сущности является устройство для из мерения 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 чуввительности датчика.30 вес.В.ВаТО 99,75-99,90Окислй семействалантанидов 0,10-0,25Использование 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 окис" лов семейства лантанидов, электроды 2, Цифрой 3 обозначена нагреваемаягрань 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 счетроста емкости 4 на электродах 2 элемента 1 накапливается заряд больший,чем при неизменной емкости. Одновременно с ростом заряда растет силатока зарядки и падение напряжения на внутреннем сопротивлении б, Величина тока зарядки и падения напряжения на внутреннем сопротивлении б зависит от величины внутреннего сопротив 35 ления б, При,большой величине внутрен" него сопротивления б ток зарядки мал и мало падение напряжения, при малом внутреннем сопротивлении б ток заряд 40 45 ки велик, но падение напряжения не"велико. Йаибольшее падение напряжения на внутреннем сопротивлении 6имеет место при промежуточных величинах внутреннего сопротивления. Вэту 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. Вследующую половину периода темпера 50 тура подогреваемой грани 3 уменьшает-.ся, снижается развиваемая источником 5 термо-ЭДС и начинается разрядкаемкости 4, Одновременно уменьшаетсядиэлектрическая проницаемость и емкость 4 элемента 1. Это способствуетпроцессу разрядки и росту тока разрядки, ток: разрядки создает на внут 55 реннем сопротивлении б падение напря жения иной полярности, чем в первую половину периода. В процессе разрядки за счет тепловой энергии совершается положительная работа по уменьшению емкости 4 против сил электри 65 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 за" ряжаться 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 напряжения 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 авто- колебаний на частоте изменения градиента температур позволяет создать датчик для регистрации малых градиентов температур, работающих на любой частоте, при которой возможен прогрев элемента 1. Наличие термо- ЭДС 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, содержащих821947 различные количества окиси эрбия.Средняя температура термоэлементаТС, амплитуда градиента темпераТаблица 1 4,5104,2 10 4 100. 099,94 0,0 51 210,01010 99,92 0,08 99,90 0,10 10 10 10 4,5 1510 4 99,88 0 99,85 0 99,75 0 0 6,1 10 5,2 10 2 1010 3 го 1,2 10 0 ЕО О,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 определению чувствительности датчика состава Е 04 при различной амплитуде градиента температур вдоль термоэлемента, Период изменения градиента температур - 200 с., средняя температура гермоэлемента - 110 С. блица 3 Амплитударазности потенциаловмежду гранями термоэлементов О, в увствиельностьермоэлеПериод изменения градиента температур 2, с в/град 4 3 1010 3 10 а 2 а 0 200 2,110 5 остоянноеемпературое поле 10 1,2 10 4,4 10 2,2 12 10 " 2.10 Как видно из табл.1 для термоэлементов с добавками окисла лантанида в количестве 0,1-0,25 вес.%дополнительная ЭДС, определяющая высокую чувствительность термоэлемен.тов, значительно превосходит термоЭДС, которую можно получить за счет 60 эффекта Зеебека. Табл.2 показывает,что возникающая между гранями термоэлемента ЭДС зависит от амплитудыградиента температур. Датчик градиента температур работает, как видно 65 из табл.3, при изменении периода 2,8 10 1,87 10 л 3 е по опдатчикаериодетур.Сре рив ю чувств Е 05 прия градиеературамплитудаь термоэ темпера 10 фС. В таределенсоставаизмененняя тем110 С,тур вдо дены дантельностазличномта темпеермоэлемградиентемента тур вдоль термоэлемента Ь ТооС, период изменения градиента температур- 200 с.821947 0,10-0,25 0 Формула изобретения фие. 1 фис,8 Составитель Г.МухинаТехредМ. Федорнак .КорректорО.Билак Редактор Л.Копецкая 1 Заказ 1799/63 Тираж 907 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Филиал ППП "Патент", г.ужгород ул.Проектная,4 изменения градиента температур в широких пределах. В постоянных температурных полях чувствительность термоэлемента невелика и определяетсяэффектом Зеебека. Датчик с использованием нового материала позволяетполучить чувствительность в переменных полях, которая ранее достигаласьза счет сложнейших электрическихсхем. Датчик разности температур, содержащий термоэлемент, выполненный ввиде стержня, на торцы которогонанесены два электрода из материала,отличного от материала стержня,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения чувствительностидатчика в переменных температурныхполях, стержень выполнен из поликристаллического титаната бария сдобавкой окислов семейства лантанидов при следующем соотношении компонентов, вес.Ъ:ВаТ 10 99,75-,99,90Окислй семействачантанидов,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 584197,.кл, 6 01 К 3/08, 1976.2Авторское свидетельство СССРР 271061, кл.б 01 К 3/08, 1968