Термический датчик перемещения

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - обеспечение измерения угловых перемещений с помощью термического датчика при одновременном повышении его чувствительности за счет использования явления свободной конвекции нагретого газа от вертикально расположенной пленки нагревателя 5 в сочетании с фазовым переходом металл-диэлектрик в термочувствительном элементе 9, выполненном из пленки диоксида ванадия.Нагреватель 5 и термочувствительный элемент 9 датчика располагаются в процессе измерения вертикально с возможностью углового поворота одного относительно другого вокруг вертикальной оси. Благодаря тому, что около поверхности нагревателя 5 при его нагреве образуется пограничный слой, в который при повороте объекта постепенно вводится термочувствительный элемент 9. В нем происходит фазовый переход, в результате чего электрическое сопротивление этого участка уменьшается на несколько порядков, что регистрируется с помощью соответствующей измерительной аппаратуры. Четкая очерченность границ пограничного слоя и его достаточная ширина позволяют осуществлять измерение углов поворота в диапазоне около 5°с с высокой чувствительностью. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,, Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 4213886/25-28 (22) 23.03.87 (46) 23.04.89. Бюл. У 15 (71) Институт физики им.Л.В.Киренского (72) Г.А.Петраковский, Е.В.Бабкин, А.А.Чарыев и Х.О.Уринов (53) 621.317.39:531.717 (088.8) (56) Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965, с.252.

Авторское свидетельство СССР

Р 1449836, кл. G 01 В 7/00, 1984. (54) ТЕРМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель — обеспечение

„„SU„„1474451 А1 (51) 4 С 01 В 7/30 измерения угловых перемещений с помощью термического датчика при одновременном повышении его чувствительности за счет использования явления свободной конвекции нагретого газа от вертикально расположенной пленки нагревателя 5 в сочетании с фазовым переходом металл-диэлектрик в термочувствительном элементе 9, выполненном из пленки диоксида вана-! дия. Нагреватель 5 и термочувствительный элемент 9 датчика располагаются в процессе измерения вертикально с возможностью углового поворота одного относительно другого вокруг вертикальной оси. Благодаря тому, что около поверхности нагревателя 5 при его нагреве образуется погранич I 4 74451

10 ный слой, в которы при повороте объекта постепенно вводится термочувствительный элемент 9. В нем происходит фазовый переход, в результате чего. электрическое сопротивление этого участка уменьшается на несколько порядков, что регистрируется с

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэовано для измерения угловых перемещений объектов.

Цель изобретения — измерение угловых перемещений и обеспечение высокой чувствительности датчика за счет использования свободной конвекции нагретого газа от вертикально расположенной пленки нагревателя в сочетании с фазовым переходом металл — диэлектрик в термочувствительном элементе — планке диоксида ванадия.

На фиг ° 1 изображен датчик, общий вид; па фиг.2 — температурная зависимость электрического сопротивления пленки диоксида ванадия; на фиг.3 грацуировочная характеристика датчика.

Термический датчик перемещения содержит корпус 1 с осевым отверстием

2 и выступом 3, на одной из радиальных граней 4 которого размещен нагреватель S с электрическими выводами

25 для подключения к источнику электропитания. Нагреватель 5 выполнен в виде пленки нихрома. На установленной с воэможностью вращения цилиндрической детали 6 имеется выступ 7 и шток 8, входящий в отверстие 2 корпуса 1 и связываемый с процессе измерения с объектом контроля. На радиальной грани выступа 7 размещен пленочный термочувствительный эле- 35 мент 9, выполненный из диоксида ванадия и имеющий электрические выводы для подключения к измерительной схеме (не показаны). Корпус 1 и цилиндрическая деталь 6 помещены в трубу .40

10, выполняющую функции теплового экрана.

Датчик работает следующим образом.

При выполнении измерений датчик располагают вертикально так, что на- 15 греватель 5 и термочувствительный элемент 9 также располагаются вертипомощью соответствующей измерительной аппаратуры. Четкая очерченность границ пограничного слоя и его достаточная ширина позволяют осуществлять измерение углов поворота в о диапазоне около 5 С с высокой чувствительностью. 3 ил. кально:.. 3a счет тепловыделения нагревателя 5 у его поверхности возникает конвективный тепловой поток, направленный параллельно плоскости нагревателя. Вблизи поверхности нагревателя формируется пограничный слой с четко очерченными границами, внутри которого скорость газа отличается от скорости в полости датчика. Температура газа в пограничном слое также отличается от температуры в полос-. ти датчика и близка к температуре нагревателя. Размеры пограничного слоя зависят от состава газовой среды, температуры, ускорения свободного падения и линейных размеров пленки.

При определенном повороте детали 6 относительно корпуса 1 участок пленки термочувствительного элемента 9 оказывается внутри пограничного слоя и, если температура пограничного слоя превышает 340 К, этот участок переходит в металлическое состояние (фиг.3), вследствие чего сопротивление термочувствительного элемента

9 уменьшается. При изменении угла поворота в область пограничного слоя попадает дополнительный участок пленки термочувствительного элемента 9, что приводит к дальнейшему уменьшению сопротивления элемента 9.

Термочувствительный. элемент 9 выполнен из пленки VO (диоксида ванадия) на подложке поликристаллического корунда. Толщина пленки 0,5 мкм, ширина 2, 4 мм, а расстояние между контактами равно 4,5 мм. Нагреватель

5 выполнен из пленки нихрома на подложке слюды. Толщина пленки 0,08 мкм, ширина 3 мм, расстояние между контактами равно 5 мм. Корпус датчика выполнен из оргстекла. Размеры датчика : диаметр 15 мм, высота 30 мм.

Зависимость электросопротивления пленки VO от угла между плоскостями пленок, измеренная при фиксированном токе 14 мкА через сечение пленки

3 14 нихрома (фиг.З) показывает, что датчик позволяет измерять угловое перео мещение =5 с чувствительностью 13"

<10 Ом/град. Характеристика датчика на этом угловом интервале имеет линейный характер. Можно показать, что чувствительность датчика определяется размером пограничного слоя. Если толщина пограничного слоя равна о то при угле р поворота участок пленки VO длиной 1 находится внутри пограничного слоя, причем Б /sing=1.

Если длина всей пленки выбрана равной L, то угловая зависимость сопротивления пленки может быть записана в виде

1 9 )

R — — — L

S sing )

При малых углах (f сопротивление

VO описывается ассимптотой гиперболы с чувствительностью

dR Р

dq (2 S 9 где Р— удельное электросопротивление VO в диэлектрической фазе;

S — площадь пленки.

Из этого выражения видно, что чувствительность датчика определяется толщиной пограничного слоя и высока при малых углах проворота.

Толщина пограничного слоя зависит от скорости конвекции газового пото74451 4 ка, которая обратно пропорциональна разности температур нагретой поверхности и термостата. Поскольку темпе5 ратура фазового перехода металл— диэлектрик в VO незначительно отличается от комнатной температуры, то толщина пограничного слоя в этом случае относительно велика, вследствие чего чувствительность датчика высока.

Таким образом, использование явления свободной конвекции газа от вертикально расположенной пленки нагревателя в сочетании с фазовым переходом металл — диэлектрик в пленке

VO обеспечивает высокую чувствительность термического датчика при измерении им угловых перемещений.

Формула изобретения

Термический датчик перемещения, содержащий установленные с зазором

25 пленочный нагреватель и выполненный из диоксида ванадия пленочный термочувствительный элемент, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью измерения угловых перемещений, нагреватель и термочувствительный элемент предназначены для размещения в процессе измерений в вертикальных плоскостях и установлены с возможностью углового перемещения один относительно

35 другого вокруг вертикальной оси.

1474451

Составитель Л.Гуськов

Техред А.Кравчук Корректор Э.Лончакова

Редактор М.вланар

Заказ 1881/37 Тираж 683 Подписное

ВЯЯКЩ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно»издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101