Устройство для измерения температуры Советский патент 1981 года по МПК G01K11/16 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

состоящую из прозрачной КрЬИИК /, ВЫПолненную из лоляроидкой пол.имсрной пленки (например, поляроид К-типа), имеющей профиль, образующий на периферии крыплЭд расширительный объем 2, и прозрачного дна 3 (беецветиая полимерная пленка), образующего вместе с крыщкой плоокопараллельную кювету, и которой располол ена таблетка 4 нематичес ЮГО моаютропного вещества. На дно устройства нанесено наружное зеркальное покрытие 5 (например, напылен тонкий слой алюминия). На зеркальпый слой наносится высокотемпературный клеевой слой 6, при помощи которого датчик крепится к объекту 7 измерения.

Луч света 8, падающий на устройство, отражается от него (вернее рассеивается яа матовой структуре твердого нематика), образуя отраженный 9. При переходе через температуру «ндпкацип (температура устройства вьипе тем:пературы индикации) луч 9 нроходит сквозь устройство без рассеяния л отражается зеркальным слоем 5 (луч на фиг. 2). После перехода через температуру ипдикации (температура устройства ниже температуры индикации) падающий луч 8 расщепляется на 2 ортогональных поляризованных луча Р и 9, которые, .интерферируя, образуют цветной отраженный луч 5 (см. фиг. 3).

Устройство работает следующим образом.

Термочувствительное устройство з стаиавливают на объекте 7 ири помощи клееГЮГО слоя 5 (клеевой слой пр« хранении устройств защищается тонкой предохранительной пленкой, которая па чертеже не показана) .

Матовая поверхность твердой таблетки устройства превращает падающий на устройство луч 8 белого света в рассеянный луч 9 снега и наблюдатель видит поверхность устройства матово-белой. При повыщении температуры устройства в момент равенства его температуры температуре илавлеиня таблетки нематика последний расплавляется, образуя изотропножидкую фазу. Луч 5 света, пройдя сквозь крыщку / и термочувствительное веи1ество 4 и дно 3 отражается зеркальным покрытием 5 к наблюдателю (луч 9) л устройство кажется зеркальным, т. е. достижение температуры ипдикации сопровождается появлением зеркального блеска устройства. При поннжении температуры устройства ниже температуры иидикацп.и термочувствительное вещество переходит в жидкокристаллическое состояние, и так как внутренние поверхности крыщки и дна активированы, мо.1екулы вещества орлентпруются крышкам.п, превращая его в нематнческую одноосную монокрнсталлическую текстуру. В связи с тем, что нематическпм монокристаллам присуще двупреломление, которое зависит

от температуры, то структура-поляризатор, иематический монокр;исталл, зеркальный отражатель образует термочувствительный пнтерференц оппый по ярпз анионный фильтр.

Луч 8 света, поляризованный крьпнкой, один раопадается в монокристаллпческой структуре 4 на два ортогонально поляр :зованнь х луча Р и Р . Эти лучи интерферируют между собой, образуя на выходе устройства цветной луч Р . Цвет луча .9, выходяпгего пз устройства, однозначно связан с толщиной монокристаллической иленки, величиной двупреломлення (т. е. сортсм нематического вещества) и температурой, а при извеетноА веществе и толпдине нем;;т 1ческой пленки - только температурой устройства.

Всегда можно выбрать такую толилииу кюветы устройства, при которой цвет выходного луча будет меняться от фиолетового (при температуре в районе температуры индикации) до красно.го (в области комнатных температур). Таким образом, ири охлаждении устройства от температуры выше точки ипдикацаш, устройство сначала имеет зеркальный блеск, а прп охлаждении ниже индикации появляется цвет, который при пониженни температуры меняется от фиолетового до красного в области комнатной температуры. При понижении температуры ниже комнатной (прп медлепиом охлаждении) пематическое вещество иереходит в твердое состояние (полнкристаллическое), имеющее матовую структуру, т. г. возврат индикатора в первоначальное состояние происходит путем медленного охлаждения от компатной температуры до температуры фазового перехода жидкий кристалл - твердое тело.

Таким образом, если подобрать набор нематических веществ с необходимыми температурами фазового перехода нематик - изотропная жидкость (точка индикации) (И температурами фазового перехода нематик - твердое тело при температуре ниже комнатной, что обеспечивает, во-первых, запоминание при возвращении к комнатной температуре того, что переход через точку индикации состоялся, а во-вторых, возможность искусствениого восстановления устройства путем медленного охлаждеиия.

Любой из переходов в индикаторе может осуществляться неоднократно. В монотропных термочувствительных нематических веществах характерного в механике тепловых радиоэлектронной аппаратуры диапазона 15-150° С можно, напрпмер, использовать нематические дереваты

CjH; (1)

температура фазового перехода твердое тело - изотропная жндхссть , 22° С и жидкий кристалл - тверюе те то - И°С.

.H.-iOj-0-o-IOl

«eKii (2)

Г,,,,-14-С, Г,„,

(НзО-(О;-СН Н-)-ЙН5Н, (3)

г„,, 58,5° с Г.,,3°С

н-)(;- 14)

о

Г,„ж 146° С Т,,,,, 14° С и т. д., т. может быть лодобран 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 принципе может быть осуществлена любым известным методом (натирание, обработка поверхностно-активными веществами, т. н. сурфакантами, либо напылением тонких ориентированных пленок) . Наиболее лростым и эффективным способом является ориентированное натирание этих 1поверхностей (направление натирания на крыщке и дне одииаково) полировочной настой. Можно сказать, что при помощи такого устройства в принципе (при соответствующем выборе толщины) возможна однозначная индикация температуры. Для монокристаллических нематических структур величина двупреломления находится в диапазоне ,2-0.3 при комнатной температуре, ири температурах, близких к фазовому, эта величина составляет (в среднем) ,I-0,2 (для средней длины волны видимого спектра /..-р 540 нм). Причем для примера следующие величины для млнимальной температуры Дд 0,25, для максимальной An 0,15 и рассч1 таем толщину кюветы, позволяющей вести однозначные в-лзуальные измерения температуры. Определим толихину кюветы, исходя из известной формулы для оптической разности, когда в одноосных двупреломляюни1х пластинках (каковой и является монокристальиьтй нематический слой) / - .;, - , где Г - оптическая разность хода; d - толщина слоя (кюветы); Ага - двупреломление слоя (дисперсией двупреломления для упрощения расчета можно пренебречь) .

Выберем для визуализации температуры во всем диапазоне самые яркие интерференционные цвета 2 и 3 порядка. Для индикации самой высокой температуры выберем фполетовый цвет (возникающ.ий при разности хода 850 - 10.-«), тогда

2Г 2-850-10

d -

11,2.10-9 м.

Ц, -и0,15

Дй

т. е. оптимальная толщ.ина слоя около 3 мкм, что обычно для пленочных индикаторов.

Определим разность для самой низкой температуры An 0,25

d(A«) 11,2-10-«-0,25

- 1300-10-9 ж.

. 9 Это разность, которая дает красный свет 3-го порядка. Цвет устройства меняется в следующем порядке. Самая низкая температура- красиый (Г 1300 10- лг), далее желтый (Г 1150 10- лг), далее зеленый (1100 ), далее голубой (950 ), далее синий (910 Ю .«) и, наконец, при самой высокой температуре - фиолетовый (850 ), т. е. мы имеем натуральный ряд цветов и визуальное определение температуры может проводиться однозначно. Особо следует отметить, что с целью получения наибольщего цветового контраста устройства активирование внутренних поверхностей (например, натирание) проведено таким образом, что создает монокристаллическую структуру термочувствительного вещества с ориентацией осей, составляющих 45° с иалравлением пропускания крышки - поляризатора. По сравнению с известным устройством описываемое устройство является запоминающим индикатором (иалич,ие цвета при любой температуре ниже температуры индикации является признаком состоявщегося превьинения температуры). Устройство является искусственно восстанавливаемым индикатором, который восста навливается более иростым способом, чем прототип (охлаждение до температуры нерехода жидKin i кристалл - твердое тело, а не включение генератора). Кроме того, устройство обладает свойством многократной индикации превышения температуры (без восстановления устройства), так как переход устройства через точку перехода жидкий кристалл - изотропная жидкость может совершаться неоднократно, что особенно важно при ремонтных ;и наладочных работах, когда по индикатору следят за тепловым состояи;1ем объекта, режим которого подбирается и можно не снимая (и не подключая, как аналог) устройства многократно наблю7

дать состояние работы объекта (даже если он снова перегревается выше температуры индикации). Устройство позволяет по, цвету определять температуру объекта (возможна цветовая индикация с точностью порядка 0,5-15° С в зависимости от диалазона измерений, т. е. для устройств, работающих в диапазоне 20-50° С возможна индикация с точностью 0,5° С, а для устройств с диапазоном измерения 20-150° С порядка 3-5° С без применения специальной аппаратуры, т. е. визуально).

Таки1М образом, описываемое устройство более эргономично, по сравнению с известным, так как позволяет резко расширить область применения и получить зиачительно больше метрологической -информации при сокращении времени на измерения.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения температуры, содержащее термоиндикатор, заклю8

ченный в прозрачную кювету, состоящую из дна и герметизируюшей крышки и отражающее покрытие, нанесенное на наружную поверхность дна, отличающееся тем, что, с целью повышения эргономичности, внутренние поверхности дна и крышки выполнены активированными, а термоиндикатор выполнен из монотронного нематика, находящегося в твердом состоянии.

2. Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что крыщка 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 N° 402764, кл. G 01 К 11/12, 1971 (прототип).

Y// ////// // /// V

///,///// ////////////// /(риг. I

Z

П1.7С ТУТУТТ