Устройство для измерения температуры

Союз Советских Социалистических Республик(43) Опубликовано 07.05.81 Государствеииый комите делам изооретеии и открытий юллетень о 1 ДК 536 532(45) Дата опубликования описания 24.07. сс, Чернякова,с Ю, Р. Войцехов и явитель РОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ Т РАТУР для измерения температурь обой единую конструкцсию Изобретение относится к области термометрии и может быть, использовано вразличных отраслях науки и техники, вчастности для контроля тепловых режимовпри исследовании, настройке, тепловой дефектоскопии и ремонте радиоэлектроннойа,ппаратуры,Известны устройства для индикациитемпературы на основе плавления веществи изменения внешнего вида, состоящие изпрозрачной крышки и основания с наружным клеевым слоем, образующим полость,в которой расположена таблетка термочувствительного вещества, так называемые герметичные термоиндикаторы и термоэтикетки 1.Недостатком этих устройств являетсянеобратимость процесса индикации.Наиболее близиим по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для,измерениятемпературы, содержащее термоиндикатор,заключенный в прозрачную кювету, состоящую,из дна и гериетизирующей крышками, иотражающее покрытиенаклеенное на наружную поверхность 2.Однако необходимость искусственноговозврата устройства в исходное состояниепосле каждого перехода через температуруиндикации (при помощи включения генератора) не всегда возможна и удобна, Устройство не показывает собственной температуры после перехода через точку индикации, что, как правило, необходимо, например, при использовании устройства при наладке аппаратуры. Возврат устройства в первоначальное состояние неудобен, так как требует специального электронного прибора (генератора) и цепей коммутации, что зачастую не представляется возможным, например, при расположении объекта внутри климатической камеры.Цель изобретения - повышение эргономичностити.Для достижения этого внутренние поверхности дна и крышки выполнены активированнымп, а термоиндикатор выполнен из монотропного нематика, находящегося в твердом состоянии. Предпочтительно, чтобы крышка по периферии была снабжена выступаюйими участкамн, образующими расширительный объем.На фиг. 1 - предлагаемое устройство до нагрева объекта измерения; на фиг, 2 - устройство после перехода через температуру индикации; на фиг, 3 - то же, послс понижения температуры ниже температуры индикации.Устройство1 представляет с1 О 15 2025 30 35 40 45 50 55 60 65 состоящую из прозрачной кры 1 пкп 1, гыполнснную из поляроидной пол.:мерной пленки (например, поляроид К-типа), имеющей профиль, образующий на псриферии крышки расширительный ооъсм 2, прозрачного;1 на д (бесцветная полимерная пленка), образующего вместе с кр ыш кой плоскопараллельную кювету, в которой расположена таблетка 4 пематического мопотропного вещества. На дно устройства нанесено наружное зеркальное покрыт.;е б (например, напылен тонкий слой алюминия). На зеркальный слой наносится высокотемпературный клеевой слой б, нри по мощи которого датчик крепится к объекту 7 измерения.Луч света 8, падающий на устройство, отражается от него (вернее рассеивается на матовой структуре твердого нематика), образуя отраженный луч 9. При переходе через температуру, индикации (температура устройства выше температуры ин:1 икации) луч 9 проходит сквозь устройство без рассеяния и отражается зеркальным слоем 5 (луч 9 гг па фиг. 2), После перехода;ерез температуру индикации (температура устройства ниже температуры пндикации) падающий луч 8 расщепляется на 2 ортогональных поляризованных луча 9 и 9 , которыеинтерферируя, образуют цветной отражснпь 1 й,.уч 9 п 1 (см. фпг, 3).Устройство работает следующим образом.Тсрмочувствитсльное устройство устанавливают па объекте 7 при помощи клеевого слоя б (клеевой слой при храненш 1 устройств защищается тонкой предохранительной пленкой, которая на чертеже не показана).Матовая поверхность твердой таблстк 11 устройства превращает падающий на устройство луч 8 белого света в рассеянный луч 9 света и наблюдатель видит поверхность устройства матово-белой. При повышении температуры устройства в момент равенства его температуры температуре 1 лавлснпя таблетки нематика последний расплавляется, образуя изотроппожидкую фазу, Луч 8 света, пройдя сквозь крышку 1 и тсрмочувствительное вещество 41 и дно 8 Отрдхкдстся зеркальным покрытием б к наблюдателю (луч 9) и устройство кажется зеркальным, т. е. достижение температуры иппч 1 кацпи сопровождается появлением зеркального блеска устройствч. Прп поникенпи температуры устройства ниже температуры индикации тсрмочувствптельнос вещество псрсходит в жидкокристаллическое состояние, и тдк как Внутрсннис по. верхпости крышки и дна активированы, молекулы вещества ориснгпруются крышками, превращая его в нематпческую одноосную монокристаллическую текстуру. В связи с тем, что нематическим монокристаллам присуще двупреломление, которое зависит ст температуры, то структура-поляризатор, псмдтичсский монокристалл, зсрка льный тражатсль Образует тсрмочувствительпый пнтерферснцпонный пол 11 р 11 здц 1;О:1 ны 11 фильтр.Луч 8 света, поляризованный крышкой, один распадается в монокристаллической структуре 4 п надва ортогонально поляризованных луча 9 и и 9. Эти лучи интерферируют между собой, образуя на выходе устройства цветной луч 9 ц, Цвст луча 9", выходящего из устройства, однозначно связан с толщиной монокристаллической пленки, величиной двупреломления (т. с. сортом нсматического вещества) и температурой, а при известном веществе и толщине нем;.тпчсской пленки - только температурой устройства.Всегда можно выбрать такую толщину кюветы устройства, при которой цвет выходного луча будет меняться от фиолетового (прп температуре в районе температуры инд: кацни) до красного (в области комнатных температур), Таким образом, при охлаждении устройства от температуры выше точки инд 14 кацпи, устройство сначаа имеет зеркальный блеск, а при охлаждении ниже пнд 1 гкации появляется цвет, который при понижен 1 и 1 температуры меняется от фиолетового до красного в области комнатной температуры. При понижении температуры ниже комнатной (при медленном охлаждении) нематическое ве 1 цество переходит в твердое состояние (поликристаллическое), имеющее матовую структуру, т. е, возврат индикатора в перво 1;ачальное состояние происходит путем медленного охлаждения от комнатной температуры до температуры фазового перехода жидкий кристалл - твердое тело.Таким образом, если подобрать набор нсматических веществ с необходимыми температурами фазового перехода нематик - изотропная жидкость (точка индикации) и температурами фазового перехода нематик - твердое тело при температуре ниже компатной, что обеспечивает, во-первых, запоминание при возвращении к комнатной температуре того, что переход через точку индикации состоялся, а во-вторых, воз моиность искусственного восстановления устройства путем медленного охлаждения.Любой пз переходов в индикаторе может осуществляться неоднократно. В монотропных термочувствительных нематическпх веществах для характерного в механике тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры диапазона 15 - 150 С можно, например, использовать нематические лере- ваты сн О со О сн (15 20 Фп) температура фазового перекола твердое тело - изотропная жидкость Т = 22 С и жидкий кристалл - тверлос текло Т, = = 11 С. Оо.Си - г - с - О -.- сбнд 12)1еО То.ко - 14 С, Т, - 34 С сосо ссс=ос-ф- снон,о 1 Т, = 58,5 С Т"= 9,3 С н -сн=с -о С с Т,= 146 С Т.с= 14 С и т. л., т. е. может быть подобран ряд монотропных нематиков с интервалом в 5 - 10 С для всего рабочего диапазона (до 150 С).Активация внутренних поверхностей кюветы устройства для ориентации жидкого кристалла (создание монокристаллической пленки) в принцине может быть осуществлена любым известным методом (натирание, обработка поверхностно-активными веществами, т. н. сурфакантами, либо напылением тонких ориентированных пленок), Наиболее простым и эффективным способом является ориентированное натирание этих поверхностей (направление натирания на крышке и дне одинаково) полировочной пастой.Можно сказать, что при помощи такого устройства в принципе (при соответствующем выборе толщины) возможсна однозначная ипликация температуры, Для монокристаллических нематическпк структур величина лвупреломления находится в диапазоне Лп=0,2 - 0.3 при комнатной температуре, при температурах, близкик к фазовому, эта величина составляет (в среднем) Лп=0,1 - 0,2 (лля среднеи лли 1 ы волны видимого спектра г.с =- 540 н.и).Причем для примера следующие величины лля минимальной температуры Ьп = = 0,25, лля максимальной п = 0,15 и рассчитаем толщину кюветы, позволяющей вести олнозпачныс визуальные 1 змерения температуры. Определим толщину кюветы, исхо,1 я из известной формулы лля оптической разности, когда в олнооснык лвупре,Омля 0 цпк пластинках (каковой . является монокристальиый нематпческий слой) где Г - оптическая разность кола;с - толщина слоя (кюветы);Хп - лвупреломленпе слоя ( Нсперсией двупреломления лля упро 25 30 35 40 45 50 55 60 б 5 расчета можно пренебщенияречь).Выберем лля визуализации температуры во всем диапазоне самые яркие интерфсренциопныс цвета 2 и 3 порядка. Для индикации самой высокой температуры выберем фиолетовый цвет (возникающий при разности кола 850 10-м), тогда2 Г 2 850 10-"=11,2 10 "мЬи 0,15т. е. оптимальная толщина слоя около 3 мкм, что обычно для пленочных индикаторов.Определим разность для самой низкой температуры Ьп = 0,25д(ьп) 11,2 10 0,20 300 02Это разность, которая дает красный свет 3-го порядка.Цвет устройства меняется в следующем порядке. Самая низкая температура - красный (Г = 1300 10-" м), далее желтый (Г = 1150 10 м), далее зеленый (1100 10 - м), далее голубой (950 10 м), далее синий (910 10 -м) и, наконец, при самой высокой температуре - фиолетовый (850 10-9 м), т. е. мы имеем натуральный ряд цветов и визуальное определение температуры может проводиться однозначно. Особо следует отметить, что с целью получения наибольшего цветового контраста устройства активирование внутренних поверхностей (например, натирание) проведено таким образом, что создает моно- кристаллическую структуру термочувствптельного вещества с ориентацией осей, составляющик 45 с направлением пропускания крышки - поляризатора.По сравнению с известным устройством описываемое устройство является запоминающим индикатором (наличие цвета прп любой температуре ниже температуры опликацпп является признаком состоявшегося превышения температуры) . Устройство является искусственно восстанавлнвасмым индикатором, который восстанавливается более простым способом, чем прототип (охлаждение до температуры псрекола жидкий кристалл - твердое тело, а нс включение генератора). Крокс того, устройство облалает свойством многократной инликации превышения температуры (бсз восстановления устройства), так как персколустройства через точку перехода жилкпй кристалл - изотропная ж 1 л.Ость может шаться неолнократно, что Особсино важно при ремонть 1 к и налало.нык работах, когда ПО с 1 Л 1 КатОРУ СЛЕЛЯт За ТЕПЛОВЫМ СОСТОЯ 1 оИЕМ ОбЪЕКта, РсжПМ КОТОРОГО ПОДбИРаЕтСЯМО:сКПО НС СНПМаЯ (И НЕ П 01 КЛ 10 чая, КаК аналог) устройства многократно набдю827986 20 Формула изобретения Составитель В. Копаев дактор Е. Гончар Техред А, Камышникова Корректор С файИзд.398 Тираж 915 Подписноесударствепного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035. Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 772/761НПО Поиск Тип, Харьк. фил. пред. Патент дать состояние работы объекта (даже еслион снова перегревается выше температурыиндикации). Устройство позволяет по, цвету определять температуру объекта (возможна цветовая индикация с точностью порядка 0,5 - 5 С в зависимости от диапазона измерений, т. е. для устройств, работающих в диапазоне 20 - 50 С возможнаиндикация с точностью 0,5 С, а для устройств с диапазоном измерения 20 - 150 С 1 Опорядка 3 - 5 С без применения специальной аппаратуры, т. е. визуально),Таким образом, аписываемое устройство более эргономично, по сравнению с известным, так как позволяет резко расширить область применения и получить значительно больше метрологической информации при сокращении времени на измерения,1. Устройство для измерения температуры, содержащее термоиндикатор, заключонный в прозрачную кювету, состоящую из дна и герметизврующей крышки и отражающее покрытие, нанесенное на наружную поверхность дна, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эргономичности, внутренние поверхности дна и крышки выполнены активированными, а термоиндикатор выполнен из монотропного нематнка, находящегося в твердом состоянии.2, Устройство по п. 1, о тл и ч а ю щ е ее я тем, что крышка по периферии снабжена выступающими участками, образующими расширительный объем. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Абрамович Б, Г. и др. Цветовые индикаторы температуры. - М.; Госэнергоиздат, 1978, с. 154 - ,158,2, Авторское свидетельство СССР М 402764, кл. б 01 К 11/12, 191 (прототип),