1
Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения пространственного 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 . 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 2j.
Однако данное устройство обладает недостаточной чувствительностью, не превышающей 250 мкв/град.
Цель изобретения - повышение чувствительности датчика.
Указанная цель достигается тем, что стержень выполнен из поликристаллического титаната бария с добавкой окислов семейства лантанидов при следующем соотношении компонентов, вес.%:
BaTiO,,99,75-99,90
Окислы семейства
лантанидов 0,10-0,25
0
Использование указанного материала позволяет создать датчик достат точной термо- ЭДС, малым электрическим сопротивлением и температурной зависимостью диэлектрической прони5цаемости, при этом в переменных температурных полях в датчике появляется дополнительная ЭДС/ увеличивающаяся с ростом градиента температур, что приводит к повышению чувствите0льности датчика.
На фиг.1 изображена схема датчика градиента температур; на фиг.2 эквивалентная электрическая схема датчика.
5
Датчик градиента температур содержит сегнетоэлектрический термоэлемент 1, изготовленный из керамического титаната бария с добавкой окислов семейства лантанидов, электроды
0 2. Цифрой 3 обозначена нагреваемая грань элемента 1. Эквивалентная электрическая схема сегнетоэлектрического термоэлемента содержит его эквивалентную емкость 4, эквивалентный источник 5 термо-ЭДС и внутреннее сопротивление 6. Датчик.работает следующим образом . 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 гра нями элемента 1, покрытыми электродами 2,и возникает термо-ЭДС/созда- ваемая ее эквивалентным источником 5 Эквивалентная, емкость 4 начинает заряжаться через внутреннее сопротивление б от источника 5 термо-ЭДС. Од новременно при нагреве грани 3 возрастает диэлектрическая проницаемост 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 6. Величина тока зарядки и падения напряжения на внутреннем сопротивлении 6 зависит от величины внутреннего сопротив ления 6. При,большой величине внутре него сопротивления б ток зарядки мал и мало падение напряжения, при малом .внутреннем сопротивлении б ток заряд ки велик, но падение напряжения невелико. Наибольшее 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 про тив сил электрического поля, создаваемого источником 5 термо-ЭДС. В следующую половину периода температура 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 внутреннем 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 электрического поля, создаваемого зарядами, накопленными на электродах 2. Разность потенциалов, возникающая меж.чу электродами 2 элемента 1, складываег- я из термо-ЭДС развиваемой источником 5, и падения напряжеШЯ на внутреннем сопротивлении б. При достаточно резкой зависимости диэлектрической проницаемости элемента от температуры и подборе оптимальной величины внутреннего сопротивления б 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
различные количества окиси эрбия. Средняя температура термоэлемента Т-110°С, амплитуда градиента температур вдоль термоэлемента ДТд-10°С, период изменения градиента температур - 200 с.
Таблица 1
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 Е04 при различной амплитуде градиента температур вдоль термоэлемента. Период изменения градиента температур - 200 с., средняя температура термоэлемента - .Т а б л и ц а 2;
В табл.3 приведены данные поопределению чувствительности датчикасостава Е05 при различном периоде изменения градиента температур.Средняя температура термоэлемента 11О®С, амплитуда градиента температур вдоль термоэлемента - .
Таблица 3
40
1,3-10 1,310
600
--(
--1
2 -10
2-10
200
-2
2,1-107 2,1-10
5
50
Постоянное температур1,2-10 1,2-10 ное поле
0
Как видно из табл.1 для термоэлементов с добавками окисла лантанида в количестве 0,1-0,25 вес.% дополнительная ЭДС, определякнцая высокую чувствительность термоэлементов, 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
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.
Формула изобретения
Датчик разности температур, содержащий термоэлемент, выполненный в . виде стержня, на торцы которого нанесены 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.%;
BaTiO,
99,75-.99,90
окислы семейства 0,10-0,25
пантанидов
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
