Способ определения превышения заданной температуры

 

Использование: контроль криогенных и низких температур. Сущность изобретения: термочувствительный элемент (ТЧЭ) из композиционного материала на основе полимерной матрицы и электропроводящего дисперсного наполнителя с концентрацией 6 - 25 об. % охлаждают до контролируемой температуры ниже температуры перколяционного перехода композиционного материала. При отогреве регистрируют скачок электросопротивления ТЧЭ. 3 ил.

Изобретение относится к контролю температуры и может использоваться в криогенной технике для слежения за требуемым уровнем температуры.

Известен способ регистрации повышения температуры, по которому в электрическую цепь включают термочувствительный элемент (ТЧЭ) на основе композиционного материала в высокоэластичном состоянии, с концентрацией электропроводящего наполнителя 6 25 об. с высоким температурным коэффициентом сопротивления, пропускают ток через термочувствительный элемент и регистрируют скачок электросопротивления [1] В известном способе для регистрации повышения температуры используется эффект резкого повышения сопротивления композиции за счет того, что при нагреве расширение полимерной матрицы существенно превосходит расширение частиц проводящего наполнителя (из-за разности их коэффициентов температурного расширения (КТР)). Этот эффект значительно усиливается плавлением кристаллической фазы полимера при определенной температуре Т_пл, в результате чего резко увеличивается взаимная подвижность частиц наполнителя и разрываются электропроводящие цепочки. В частности, в [1] переход термочувствительного элемента на основе полиэтилена в непроводящее состояние происходит в области 120^оС, совпадающей с Т_пл полиэтилена.

Использование этого резистивного перехода в способе-прототипе может обеспечить только контроль определенной температуры, близкой к Т_пл. Температура этого перехода обусловлена только типом полимера, типом и концентрацией наполнителя. Поэтому для слежения за определенной температурой в известном способе требуется подбор серии композиций на разные температуры и включение в электрическую цепь конкретно, "настроенного", именно на эту температуру ТЧЭ. Это делает известный способ неудобным в случаях, когда нужно контролировать разные температуры, поскольку требуется постоянная смена термочувствительных элементов.

Кроме того, в областях низких температур, при Т << Т_пл, где отсутствует высокоэластичное состояние полимера, подобный подбор полимеров невозможен.

Цель изобретения обеспечение возможности контроля криогенных температур (4 100 К), а также использование только одного композита для работы в широком (до 250 К) интервале температур.

Цель достигается тем, что термочувствительный элемент охлаждают до контролируемой температуры ниже температуры перколяционного перехода композиционного материала.

Сущность изобретения заключается в том, что при охлаждении композиционных материалов с концентрацией наполнителя 6 25 об. ниже температуры возникновения перколяционного перехода Т_пп и последующем их отогреве, на температурной зависимости сопротивления возникает гистерезис. Это явление проявляется тем сильнее, чем ниже температура охлаждения материала. В данном случае гистерезис заключается в том, что при нагреве образца, охлажденного ранее ниже Т_пп, его сопротивление резко возрастает в относительно узком интервале температур. При этом для одного и того же материала рост сопротивления начинается при отогреве именно от той температуры, до которой он был охлажден. Этот эффект связан с тем, что композиты имеют существенно различные значения коэффициентов температурного расширения стеклообразной полимерной матрицы и электропроводящего наполнителя. Охлаждение такой двухфазной системы приводит к возникновению сил сжатия разрозненных частиц наполнителя в единый проводящий ансамбль. Именно наличие возрастающих при охлаждении сил сжатия приводит при некоторой Т_пп к смятию поверхности частиц в местах их контакта.

При последующем расширении матрицы при нагреве контакты между соседними деформированными частицами исчезнут раньше, чем они появились при охлаждении: проводимость резко уменьшится при отогреве от T_min < T_пп (появление гистерезиса на зависимости R(T)). При повторном охлаждении до любой Т < T_min контакты снова восстановятся и, будучи еще сильнее деформированными, обеспечат такой же быстрый разрыв проводящих связей при отогреве от этой Т.

На фиг. 1 приведены зависимости удельного сопротивления lg ρ двух композитов от температуры при их охлаждении и термоциклирования. Композиты различаются содержанием электропроводящего наполнителя: кривая 1 10 об. кривая 2 16 об. Ni. На этих графиках пунктиром показан ход гистерезисных кривых при нагреве от температур, отмеченных точками. Т_пп температура возникновения гистерезиса композитов. Значком ⊗ отмечен участок кривой, на котором происходит переключение следящего устройства.

На фиг. 2 изображена схема устройства, где R_к сопротивление композита, включенного в цепь последовательно с катушкой реле Р. Контакты этого реле РК₁ и РК₂ могут иметь независимое питание в зависимости от коммутируемых нагрузок, включенных последовательно с каждым из них. В данной схеме это лампочки Л₁ и Л₂ и исполнительное устройство ИУ, включающее систему охлаждения криостата К, в котором расположен термодатчик R_к. Композиционный материал, используемый в качестве гистерезисного ТЧЭ R_к, представляет собой, например, смесь 75 94 об. сшитого силоксанового каучука и 6 25 об. карбонильного никеля.

Аналогичные гистерезисные зависимости были получены для полимерных композиций на основе эластомеров с порошками Fe, Cu в качестве наполнителя.

При этом важно то, что гистерезисные эффекты не привязаны к определенной температуре, как в веществах со структурным фазовым переходом (например, окислы ванадия), а существуют в относительно широком интервале температур ниже Т_пп, определяемом, как и сама Т_пп, свойствами матрицы, исходной концентрацией наполнителя и характером взаимного расположения его частиц.

В схеме следящего устройства (фиг. 2) использовалось реле РЭС 15, имеющее ток срабатывания и отпускания 20 и 5 мА соответственно, сопротивление обмотки катушки R 330 Ом. Очевидно, что вместо реле может использоваться любая другая схема на полупроводниковых приборах транзисторах, операционном усилителе.

Чувствительность срабатывания при отогреве для электронной следящей системы 0,6 К.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец композита размером 2 х 6 х 20 мм³ включают в электрическую цепь и помещают, например, в сосуд Дьюара с жидким азотом, в котором находится какое-либо сверхпроводящее устройство. Образец устанавливают на уровне азота. При этом композит охлажден до 77 К и "следит" за этой температурой.

Сопротивление R_к при 77 К равно 0,1 кОм у композита с 16 об.

При включении следящего устройства через это небольшое сопротивление может течь ток, достаточный для включения реле Р ( > 20 мА).

Таким образом, при включенном реле замыкаются нормально разомкнутые контакты РК₁ и горит лампочка Л₁, показывающая, что поддерживается нужный уровень азота. При понижении этого уровня температура композита и его сопротивление возрастают, и при достижении точки ⊗ на графике (фиг. 1) сопротивление композита ограничивает ток катушки реле до 5 мА. Происходит переключение контактов РК₁ и РК₂. При этом загорается сигнальная лампочка Л₂ и подключается к источнику питания исполнительное устройство ИУ, которое обеспечивает долив азота в сосуд Дьюара. Температура композита опять уменьшается до контролируемого уровня, сопротивление R_к снижается и реле Р срабатывает, отключая контактами РК₂ исполнительное устройство ИУ и сигнал Л₂.

Полностью аналогично происходит работа по заявленному способу при слежении за любой температурой ниже Т_пп. Это позволяет использовать один и тот же композит для работы в широком интервале температур (например, 0 250 К).

Этот диапазон тем шире, чем выше концентрация проводящего наполнителя. Так, у композита с 16 об. Ni (кривая 2, фиг. 1) Т_пп лежит почти в области комнатной температуры.

Формула изобретения

Способ определения превышения заданной температуры, заключающийся в размещении в объекте контроля резистивного термочувствительного элемента из композиционного материал на основе полимерной матрицы и электропроводящего дисперсного наполнителя с концентрацией последнего 6 25 об. и регистрации скачка электросопротивления термочувствительного элемента, отличающийся тем, что термочувствительный элемент охлаждают до контролируемой температуры ниже температуры перколяционного перехода композиционного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3