Чувствительный элемент датчика температуры
SENSITIVE ELEMENT OF TEMPERATURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры в диапазоне температур от -50°С до +250°С.
0,5
0,3
3
0,5
0,3
3
Известен емкостный датчик температуры труднодоступных объектов (Патент РФ №1566883, МПК G01K 7/34, дата приоритета 20.07.1988 г., опубликовано 15.12.1994). Чувствительный элемент датчика температуры содержит диэлектрическую пластину с двумя металлическими электродами. Материалом диэлектрической пластины является монокристалл PbInNbO перовскитной модификации. При изменении температуры окружающей среды происходит увеличение диэлектрической проницаемости монокристаллической пластины. Это сопровождается увеличением электрической емкости чувствительного элемента, что регистрируется с помощью измерительного устройства. Средняя температурная чувствительность чувствительного элемента в диапазоне температур 400-1000°С составляет 0.04 пФ/К. Недостатком чувствительного элемента является то, что его использование при температурах ниже 400°С затруднено из-за значительного возрастания времени установления равновесного значения параметра порядка. Недостатком является также технологическая сложность выращивания высококачественных монокристаллов PbInNbО, что повышает себестоимость чувствительного элемента. Недостатком является также относительно низкая температурная чувствительность чувствительного элемента.
Известен чувствительный элемент датчика температуры, выбранный в качестве прототипа (Д. Тумайкин, М. Тумайкин. Прецизионный термометр для промышленного применения на основе термочувствительных кварцевых резонаторов // Компоненты и технологии. 2008. №1. С. 72-73), содержащий диэлектрическую пластину с двумя металлическими электродами. Материалом диэлектрической пластины является монокристалл кварца, вырезанный в определенном кристаллографическом направлении. Изменение температуры приводит к изменению резонансной частоты пьезоэлектрических колебаний кварцевой пластины, что регистрируется измерительным устройством. При использовании в качестве чувствительного элемента кварцевых термочувствительных резонаторов РКТ206 или РКТ310 (ООО «СКТБ ЭлПА») может быть получена температурная чувствительность 2-4 Гц/°С для диапазона температур -60 - +260°С. Недостатком является технологическая сложность выращивания высококачественных монокристаллов кварца и определение кристаллографических направлений в выращенном монокристалле. Это повышает себестоимость чувствительного элемента. Недостатком является также относительно низкая температурная чувствительность чувствительного элемента.
Изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления чувствительного элемента датчика температуры, снижения его себестоимости и повышения температурной чувствительности.
Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент датчика температуры содержит диэлектрическую пластину с металлическими электродами, выполненную из щелочно-силикатного стекла, а также в том, что пластина из щелочно-силикатного стекла содержит серебро в виде ионов, атомов и молекулярных кластеров с концентрацией оксида серебра 0.2-1 мол. %.
5
5
Проведенные нами эксперименты показали, что для щелочно-силикатных стекол, в том числе стекол с серебром, мнимая часть диэлектрической проницаемости (Im(ε)) стекла, которая отвечает за диэлектрические потери и проводимость на переменном токе, обратимо изменяется при изменении температуры. Первый эффект заключается в том, что при увеличении температуры максимум Im(ε) смещается по частоте в сторону более высоких частот. Так, при изменении температуры от 20°С до 250°С частотное положение максимума Im(ε) изменяется от 0.1 Гц до 25000-35000 Гц, т.е. в 25⋅10- 35⋅10 раз. Второй эффект заключается в том, что в области низких частот (ƒ=0.1-3 Гц) величина Im(ε) увеличивается при увеличении температуры. Так, при изменении температуры от -50°С до +250°С для ƒ=0.2 Гц величина Im(ε) увеличивается от 0.3-0.4 до 1100-2000, то есть более чем в 5000 раз. При наличии калибровочных зависимостей это позволяет измерять температуру двумя способами. Во-первых, путем измерения частотного положения максимума Im(ε). Во-вторых, путем измерения величины Im(ε) в частотном интервале 0.1-3 Гц.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет измерять температуру с высокой температурной чувствительностью в интервале температур -50 - +250°С. Использование не монокристаллического материала, а неорганического шелочно-силикатного стекла, в том числе, с серебром, упрощает технологию изготовления чувствительного элемента и снижает его себестоимость.
Совокупность признаков, изложенных формуле, характеризует чувствительный элемент датчика температуры, содержащий пластину из щелочно-силикатного стекла, либо пластину из щелочно-силикатного стекла с серебром. Это позволяет упростить технологию изготовления чувствительного элемента, уменьшить его себестоимость и увеличить его температурную чувствительность.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг. 1 показаны: частотные зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла с серебром для диапазона температур 180°С - 250°С. 1 - 180°С, 2 - 200°С, 3 - 220°С, 4 - 240°С, 5 - 250°С;
на фиг. 2 показаны: температурные зависимости частотного положения максимума мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла с серебром (6) и без серебра (7) в логарифмическом масштабе;
на фиг. 3 показаны: температурные зависимости амплитуды мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла для диапазона температур -50°С - +250°С и частоты ƒ=0.2 Гц в логарифмическом масштабе. 8 - натриево-силикатное стекло с серебром; 9 - натриево-силикатное стекла с серебром, облученное ультрафиолетовым излучением; 10 - натриево-силикатное стекло без серебра.
Сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Пример
2
2
2
3
2
2
2
n
+
+
Диэлектрические пластины чувствительного элемента датчика температуры изготовлены из: 1) натриево-силикатного стекла системы SiO-NaO-AlO-ZnO-NaF-NaCl, или 2) стекла аналогичной системы, содержащего 0.2 мол. % AgO и фотосенсибилизатор СеO (0.02 мол. %). Концентрация NaO равна 7.5 мол. %. Непосредственно после синтеза (варки) стекла с серебром и его отжига серебро содержится в стекле, в основном, в виде ионов Agи положительно заряженных молекулярных кластеров Ag (n=2-4). Пластины стекла с серебром облучают излучением ртутной лампы в течение 20 мин. При облучении стекла ультрафиолетовым излучением в полосу поглощения ионов церия (λ=305-310 нм), в результате фотоионизации ионов церия, часть ионов серебра и заряженных молекулярных кластеров серебра переходят в нейтральное состояние (Dubrovin V.D., Ignatiev A.I., Nikonorov N.V, Sidorov A.I., Shakhverdov T.A., Agafonova D.S. Luminescence of silver molecular clusters in photo-thermo-refractive glasses // Optical Materials. 2014. T. 36, №4. P. 753-759). Размеры пластины чувствительного элемента: 10×10×1 мм. На верхней и нижней поверхностях пластины расположены электроды из алюминия. Измерения температурной и частотной зависимостей мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) чувствительного элемента датчика температуры проводились с помощью прибора Concept 81 (Novocontrol Technologies). На фиг 1 показаны частотные зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла с серебром для диапазона температур 180°С - 250°С. На фиг. 2 показана температурная зависимость частотного положения максимума мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла с серебром (кривая 6) и без серебра (кривая 7). Из фиг. 1 видно, что частотная зависимость Im(ε) имеет максимум, который при увеличении температуры смещается в область высоких частот. Частотная зависимость Im(ε) от температуры воспроизводится при многократном нагреве и охлаждении. При изменении температуры от 20°С до 250°С максимум Im(ε) для стекла с серебром смещается по частоте от 0.1 Гц до 34600 Гц (кривая 6 на рис. 2), то есть частотное положение максимума увеличивается в 346000 раз. Для стекла без серебра при изменении температуры от 20°С до 250°С максимум Im(ε) смещается по частоте от 0.1 Гц до 28000 Гц (кривая 7 на фиг. 2). Таким образом, при наличии градуировочной кривой, например кривой 6 или 7 на фиг. 2, измерение частотного положения максимума Im(ε) позволяет производить определение температуры.
На фиг. 3 показаны температурные зависимости амплитуды мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла с серебром и без серебра для диапазона температур -50°С - 250°С и частоты ƒ=0.2 Гц. Из фиг. 3 видно, что существуют две области, где температурные зависимости монотонны: низкотемпературная и высокотемпературная. Для стекла с ионами и заряженными молекулярными кластерами серебра при изменении температуры от -50°С до +40°С амплитуда Im(ε) увеличивается от 0.29 до 27.3, т.е. в 94 раза (кривая 8). При изменении температуры от 80°С до 250°С амплитуда Im(ε) увеличивается от 9.7 до 11200, т.е. в 1155 раз (кривая 8). Для стекла с атомами и нейтральными молекулярными кластерами серебра при изменении температуры от -50°С до +40°С амплитуда Im(ε) увеличивается от 0.36 до 41, т.е. в 114 раза (кривая 9). При изменении температуры от 60°С до 250°С амплитуда Im(ε) увеличивается от 21.6 до 19420, т.е. в 900 раз (кривая 9). Амплитудная зависимость Im(ε) от температуры воспроизводится при многократном нагреве и охлаждении. На фиг. 3 также показана температурная зависимость амплитуды мнимой части диэлектрической проницаемости Im(ε) натриево-силикатного стекла без серебра для диапазона температур -50°С - 250°С и частоты ƒ=0.2 Гц. Из фиг. 3 видно, что в данном случае область немонотонности увеличивается до интервала температур 20-80°С. В низкотемпературной части зависимости (Т=-50 - 20°С) увеличение температуры приводит к увеличению Im(ε) в 46 раз. В высокотемпературной части зависимости (Т=80 - 250°С) увеличение температуры приводит к увеличению Im(ε) в 2015 раз. Из фиг. 3 следует, что введение в натриево-силикатное стекло серебра позволяет увеличить низкотемпературный диапазон измерения температуры и увеличить температурную чувствительность в данном диапазоне. Таким образом, при наличии градуировочной кривой (например, кривые 8, 9 и 10 на фиг. 3), измерение амплитуды максимума Im(ε) для частоты 0.2 Гц позволяет производить определение температуры.
Таким образом, использование в датчике температуры чувствительного элемента не из монокристаллического диэлектрика, а из щелочно-силикатного стекла, в том числе с серебром, позволяет упростить технологию изготовления чувствительного элемента, уменьшить его себестоимость и увеличить его температурную чувствительность.
Промышленная применимость.
Изобретение предназначено для измерения температуры деталей машин, производственной зоны, технологической среды, зданий и других объектов, где требуется поддержание технологического температурного режима и предотвращение возникновения аварийных ситуаций.