Устройство для измерения температуры

 

Союз Советсник

Социапистнчесиик

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii)934254 (5! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 28.04.80 (21) 2915988/18-10 с присоединением заявки J4 (23) Приоритет

Опубликовано 07. 06. 82. Бюллетень № 21

Дата опубликования описания 07.06.82 (51) М. Кл.

6 01 К 7/34

3Ъ«ударотаеныМ кои«тат

СССР

«о долам изо4ретеаий

N открыт«« (53) УДК 536 53 (088.8) И.Ю. Петрова, Ю.А. Азнабаев, Ю.П. Данилин и Р.ф. Асфандиярова

У

1;-.1 -

Уфимский авиационный институт им. Орджон кидзе и Отдел физики и математики Башкирского илиада AH СССР (72) Авторы изобретения (7i) Заявители (543 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к измерению малых изменений температуры (не более 1-2 K) и может быть использовано в информационно-измери.тельной технике и системах управления особо точными технологическими процессами.

Известен пироэлектрический детектор с пониженной чувствительностью к вибрационному шуму, содержащии пластину из пироэлектричесм о кого материала, размещенную между электродами, соединенными между собой так, что напряжения шумов, воз никающие на них при воздействии виб15 рации или изменении температуры окружающей среды, взаимно компенсируются Г13.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигае20 мому результату является устройство для измерения температуры, содержащее расположенные на одной пьдложке и отделенные от нее теплоизолирующим слоем активный и компенсирующий пироэлектрические элементы выполненные в виде слоя пироэлектрического материала, помещенного между двумя плоско-параллельными электродами Г23Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения малых изменений температуры (порядка 1-2 К), что обусловлено размещением активного и компенсирующего пироэлектрических элементов на различных, значительно удаленных друг от друга участках слоя пироэлектрического материала. Вследствие этой удаленности трудно добиться полной идентичности свойств и структуры активного и компенсирующего пироэлектрических элементов, что является необходимым для достижения высокой точности измерения.

Кроме того, большое выходное сопротивление пироэлектрических элементов приводит к необходимости ис934254

Р- d

Un Е Е ьтх

3 пользования в измерительной цепи согласующих узлов с большим входным сопротивлением, что однако неизбежно снижает точность измерения из-за высокого уровня собственных шумов последних.

Цель изобретения — повышение точности измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее расположенные на одной подложке и отделенные от нее теплоизолирующим слоем активный и компенсирующий пироэлектрические элементы, выполненные в Инде слоя пироэлектрического материала, помещенного между двумя плоско-параллельными электродами, введен усилитель напряжения, включенный между активным и компенсирующим элементами, электроды которых выполнены в виде двух гребенок,размещенных одна в другой с зазором,а наружные боковые поверхности обоих

Фироэлектрических элементов теплоизолированы. 2S

При такой конструкции электродов функции активного и компенсирующего элементов выполняет практически один и тот же участок слоя пироэлек- з© трика, что позволяет существенно снизить погрешность измерения.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устр,йство содержит подложку 1 с 33 теплоизолирующим слоем 2, слой 3 поляризованного пироэлектрического материала с нанесенными на его проти. воположные поверхности, перпендикуае лярные оси поляризации, электродами

4-7, усилитель 8 напряжения и теплоизолирующее покрытие 9. Электроды

4 и 6 и расположенный между ними пироэлектрический материал образуют активный пироэлектрический элемент,а электроды 5 и 7 с тем же слоем пироэлектрика образуют компенсирующий . пироэлектрический элемент. Все электроды ииеют конфигурацию гребенок, причем электроды 4 и 5 одной поверхности пироэлектрического слоя 3 размещены с зазором друг в друге, а электроды 6 и 7 другой поверхности повторяют по конфигурации и расположению относительно слоя 3 электроды H

4 и 5 и также размещены один в другом с зазором. Электроды 4-7 электрически изолированы.

Пироэлектрические элементы могут быть выполнены методами планарной технологии, Ширина зубьев гребенки электродов может быть выбрана в пределах 1-50 мкм, предпочтительная величина зазора не должна превышать

10-20 мкм, а толщина слоя пироэлектрического материала может выбираться в пределах 50-2000 мкм.

Электроды 4 и 6 активного пироэлектрического элемента подключены к входу усилителя 8 напряжения, выход которого соединен с электродами 5 и 7 компенсирующего элемента.

Теплоизолирующее покрытие 9 наружных боковых поверхностей активного и компенсирующего пироэлектрических элементов вместе с теплоизолирующим слоем 2 предназначены для обеспечения адиабатного процесса изменения температуры пироэлектрического слоя 3 при приложении электрического напряжения.

Устройство работает следующим образом.

При малом изменении температуры контролируемого объекта (не показан), приведенного в тепловой контакт с поверхностью электродов 4 и 5, изменяется температура слоя 3 пироэлектрического материала. Вследствие проявления пироэлектрического эффекта между электродами 4 и 6, образующими кснденсатор емкостью С, возникает пироэлектрическое напряжение где P - пироэлектрический коэффициент материала;

Я - диэлектрическая. проницае. мость

d - толщина слоя пироэлектрика, дТу, - изменение температуры; о - диэлектрическая постоянная.

Напряжение U> подается на вход усилителя 8, вырабатывающего при достаточно высоком коэффициенте усиления напряжение U, полярность которого зависит от знака напряжения между электродами 4 и 6.

Приложение напряжения U к электродам 5 и 7 компенсирующего пироэлектрического элемента вызывает электрокалорический эффект, т.е. изменение температуры ьТх пиро5 934254 6 электрического материала под воздей- температуры. Выходное сопротивление ствием приложенного к нему электри- устройства, определяемое выходным ческого поля а Е сопротивлением усипителя напряже 1ия, легко может быть выполнено

U постаточно малым, что облегчает его ьТ = q ьЕ = q - (2) r.òûêoBêó с другими блоками системы (правления.

Формула изобретения

15 зо

d

US UK ак

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Устройство может быть снабжено элементом 10 коммутации электродов

5 и 7, замыкающим накоротко эти электроды и предназначенным для установки нулевого значения напряжения 11„ в начальный момент времени.

Предлагаемое устройство повышает точность измерения малых изменений

1. Патент США Ю 4060729, кл. G 01 Т 1/16, опублик. 29 ° 11 ° 77

2. Патент СЦ1А Н 3453432, кл. G 0 Т 1/202, опублик. 04.02.79 (прототип).

З5

ИИПИ Заказ 3913/34 раж 887 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4 где q - коэффициент электрокалорического эффекта материала;

d — толщина слоя 3 пироэлектрического материала.

При достижении напряжением U некоторого значения изменение температуры ь Тк пироэлектрического слоя 3, обусловленное электрокалорическим эффектом, скомпенсирует измеряемое изменение температуры ьТ, а пироэлектрическое напряжение на электродах 4 и 6 станет равным нулю.

Так как напряжение Ип, на входе усилителя 8 становится равным нулю,напряжение U< на его выходе не изменяется. Величина этого напряжения Ик, l являющегося выходной величиной всего устройства, связана с измеряемой величиной изменения температуры аТ> соотношением

Устройство для измерения темпера" туры, содержащее расположенные на одной подложке и отделенные от нее теплоизолирующим слоем активный и компенсирующий пироэлектрические элементы, выполненные в виде слоя пироэлектрического материала, помещенного между двумя плоскопараллельными электродами, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введен усилитель напряжения, включенный между активным и компенсирующим элементами, электроды кото" рых выполнены в виде двух гребенок, размещенных одна в другой с зазором, а наружные боковые поверхности обоих пироэлектрических элементов теплоизолированы.