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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur temperaturabhängigen
Auslösung von elektrischen Vorgängen mit einer aus pyroelektrischem Material bestehenden,
zwischen zwei Elektroden angeordneten Pille.
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Bekanntlich ist die Pyroelektrizität die Eigenschaft bestimmter Kristalle,
beim Erwärmen oder Abkühlen elektrische Ladungen zu entwickeln. Diese Erscheinung,
die früher in erster Linie nur für Turmalin und ähnliche Einkristalline bekannt
war, ist auf zwei verschiedene Ursachen zurückzuführen, von denen die eine als »echte«
Pyroelektrizität und die andere als »falsche« Pyroelektrizität bezeichnet werden.
Die echte Pyroelektrizität stammt ausschließlich von den Temperaturänderungen, während
die falsche Pyroelektrizität darauf zurückzuführen ist, daß alle pyroelektrischen
Kristalle auch piezoelektrisch sind. Die Temperaturänderungen rufen Ausdehnungen
oder Zusammenziehungen hervor, die auf dem Umweg über den piezoelektrischen Effekt
gleichfalls Ladungsänderungen hervorrufen, die sich dem echten pyroelektrischen
Effekt überlagern. Dieser pyroelektrische Effekt bei Turmalin und ähnlichen Einkristallen
ist ein vollkommen reversibler Vorgang. Selbst nach beliebig vielen Temperaturänderungen
in beiden Richtungen tritt dieser pyroelektrische Effekt unvermindert auf; er kann
deshalb beispielsweise zur Temperaturmessung benutzt werden.
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Demgemäß besteht bei einer bekannten Anordnung der eingangs angegebenen
Art, die als Schallwellendetektor oder Mikrophon wirken soll, die Pille aus Turmalin,
und an ihre Elektroden ist ein elektrischer Verstärker angeschlossen. Die Pille
dient dabei als Energiewandler, der die von einer Schallwelle durch adiabatische
Temperaturänderungen erzeugte Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Da
diese Energie sehr gering ist, reicht sie nicht unmittelbar zur Auslösung elektrischer
Vorgänge aus, die eine größere Energie erfordern.
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Später wurde bekannt, daß unter bestimmten Umständen auch gewisse
keramische Materialien also polykristalline Stoffe, insbesondere Bariumtitanat (BaTiO>)
einen Piezoeffekt zeigen können. Man fand nämlich, daß bei der Überlagerung eines
starken Gleichfeldes bei bestimmten Resonanzfrequenzen Verlustmaxima auftraten,
die durch eine Vorpolarisation des Dielektrikums gedeutet wurden. Diese Resonanzfrequenzen
wurden mit sinkendem Durchmesser und abnehmender Dicke der Probe nach höheren Frequenzen
verschoben. Durch statische Messungen an einer kurzzeitig mit 6kV/cm polarisierten
Probe konnte mit einem Druck von einigen Kilogramm eine piezoelektrische Spannung
von einigen Volt erzeugt werden. Später wurde genauer festgestellt, daß Bariumtitanatkeramik,
also polykristalline Stücke durch kurzzeitige Vorpolarisation mit Feldstärken in
der Größenordnung von 20 kV/cm piezoelektrisch gemacht werden können. Diese Erscheinung
wird folgendermaßen erklärt: In dem Keramikmaterial sind die für die ferroelektrischen
Eigenschaften verantwortlichen Elementarbereiche völlig regellos verteilt, so daß
das Material selbst noch keine piezoelektrischen Eigenschaften hat. Wird die Keramik
aber einem elektrischen Feld ausgesetzt, so wachsen die in Feldrichtung liegenden
Elementarbereiche ähnlich wie bei einem Ferromagnetikum auf Kosten der ungünstig
orientierten.
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Diese Orientierung bleibt auch nach Wegnahme des elektrischen Feldes
bestehen.
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Obwohl also das keramische Material kein Einkristall ist, erhält
es durch die remanente Polarisation die Eigenschaft der Piezoelektrizität.
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Es wurde ferner festgestellt, daß die Polarisation eines so behandelten
keramischen Materials von der Temperatur abhängig ist und an den Umwandlungspunkten
plötzliche Sprünge zeigt. Das keramische Material wird also durch die remanente
Polarisation zugleich pyroelektrisch.
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Schließlich wurde noch festgestellt, daß durch Erhitzung des polarisierten
Keramikmaterials über den Curiepunkt hinaus die gesamte gespeicherte Ladung wieder
freigesetzt werden kann, so daß das Material seine piezoelektrischen und pyroelektrischen
Eigenschaften verliert. Das Material befindet sich dann auch nach Abkühlung unter
den Curiepunkt wieder im Ursprungszustand, in welchem es weder piezoelektrisch noch
pyroelektrisch ist. Es kann erst dadurch wieder pyroelektrisch werden, daß es erneut
durch Anlegen einer großen Feldstärke polarisiert wird, wobei wieder eine entsprechende
Ladung gespeichert wird.
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Diese Erscheinungen dürfen nicht mit der Temperaturabhängigkeit der
Dielektrizitätskonstante bei verschiedenen Stoffen verwechselt werden, wie sie bei
gewissen bekannten Anordnungen zur Temperaturmessung ausgenutzt wird. Bei diesen
bekannten Anordnungen kann irgendein Dielektrikum genommen werden, dessen Dielektrizitätskonstante
sich in Abhängigkeit von der Temperatur stark ändert, ohne daß dieses Material pyroelektrische
Eigenschaften aufzuweisen braucht. Zwar ist auch Bariumtitanat ein hierfür geeignetes
Dielektrikum, doch wird bei dieser Art der Temperaturmessung von seinen pyroelektrischen
Eigenschaften kein Gebrauch gemacht.
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Wie zuvor nachgewiesen wurde, besitzt Bariumtitanat nur dann piezoelektrische
oder pyroelektrische Eigenschaften, wenn es durch ein starkes Feld polarisiert worden
ist. Bei den bekannten Anordnungen wird jedoch lediglich die Anderung der Dielektrizitätskonstante
in Abhängigkeit von der Temperatur zur Temperaturmessung benutzt. Diese Änderung
der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Temperatur ist natürlich ein
völlig reversibler Vorgang, wie es auch für eine Temperaturmeßvorrichtung unerläßlich
ist, denn es wäre in höchstem Maße unerwünscht, wenn die Vorrichtung nach Überschreiten
einer bestimmten Temperaturgrenze plötzlich unbrauchbar würde. Außerdem setzt die
Messung der Dielektrizitätskonstante stets eine äußere Spannungsquelle voraus.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die es ermöglicht, ohne äußere Spannungsquelle
beim Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle einen elektrischen Vorgang
auszulösen, der eine beträchtliche Energie erfordert.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Pille aus
ferroelektrischem, keramischem, elektrisch polarisiertem Material besteht und daß
die Elektroden mit einem Verbrauchergerät verbunden sind, das auf die beim Überschreiten
des Curiepunktes des Materials freigesetzte Energie anspricht.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird nicht nur die zugeführte
Wärme in elektrische Energie umgeformt, sondern es wird im Augenblick der Überschreitung
des
Curiepunktes die gesamte in der Pille gespeicherte Energie plötzlich für die Auslösung
des Verbrauchergeräts benutzt. Das Verbrauchergerät spricht daher auch dann an,
wenn zu seiner Erregung eine beträchtliche Energie erforderlich ist. Es kann ein
Anzeigegerät sein, aber auch ein Relais, das einen Schaltvorgang auslöst, oder ein
Heizdraht, der eine Zündung bewirkt.
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Wenn beispielsweise kleine Pillen mit einem Durchmesser in der Größenordnung
von 2 cm aus Bariumtitanat verwendet werden, wird bei einer raschen, zur Überschreitung
des Curiepunktes führenden Erwärmung von der Umgebungstemperatur bis auf 1250 C
eine elektrische Ladung von etwa 20 Microcoulomb abgegeben. Wenn das einfache Bariumtitanat
durch ein Titanat ersetzt wird, das außerdem Blei enthält, erhält man bei einem
Temperaturanstieg bis zu 1500 C eine Ladung von annähernd 25 Microcoulomb. Für keramische
Stoffe aus den Oxyden von Niob, Cadmium und Natrium erreicht die Ladung einen Wert
in der Nähe von 45 Microcoulomb bei 2200 C, und für keramische Stoffe aus Zirkonaten
tritt die Erscheinung schließlich bei etwa 3500 C ein, und die abgegebene elektrische
Ladung beträgt etwa 75 Microcoulomb.
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Nach der Auslösung ist die Pille nicht mehr polarisiert, so daß die
Anordnung unwirksam geworden ist, bis sie gegebenenfalls durch erneute Polarisation
wieder betriebsbereit gemacht wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist einfach und robust, hat einen
geringen Raumbedarf und gewährleistet mit jeder gewünschten Sicherheit und Genauigkeit
das Auslösen des Verbrauchergeräts.
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Die Erfindung eignet sich für Überwachungen, Steuerungen, Fernsteuerungen
und zur Fernanzeige, insbesondere zur Temperaturüberwachung und die Kontrolle kritischer
Erwärmungen, und zur Auslösung oder Fernauslösung von Vorgängen beim Überschreiten
bestimmter Temperaturschwellen sowie auch zur Steuerung der Tätigkeit von Organen
auf Grund gewünschter örtlicher Erwärmungen.
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Ein vorteilhaftes Anwendungsbeispiel der Erfindung ist die Zündung
der Ladung eines Geschosses.
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Zu diesem Zweck ist die auf die Pille einwirkende Wärmequelle eine
Pulverladung, und die ganze Anordnung ist in dem Boden eines Geschosses angeordnet
und von einem die Erwärmung verzögernden Behälter umgeben, während das Verbrauchergerät
die elektrische Sprengkapsel des Geschosses ist. Beim Abfeuern des Geschosses entzündet
sich die Pulverladung, wodurch die Pille erwärmt wird. Diese erreicht jedoch den
Curiepunkt mit einer gewissen Verzögerung, so daß die Sprengkapsel erst einige Zeit
nach dem Abfeuern des Geschosses gezündet wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.
Darin zeigt Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung
und F i g. 2 eine schematische Darstellung einer besonderen Anwendung der Erfindung
zur Erläuterung der Anwendungsmöglichkeit einer gewollten Temperaturerhöhung des
keramischen Materials.
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Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung enthält ein keramisches Plättchen
3 der zuvor erwähnten Art mit zwei Elektroden e, die über Leitungenf mit einem Verbraucherorgan
U verbunden sind. Im Nebenschluß zu den Elektroden liegt ein Konden-
sator 8. In
der einen Leitung f ist gestrichelt ein Schalter 10 angedeutet. Auf das Plättchen
3 kann eine Erwärmung einwirken, die beispielsweise durch die Wand eines Behälters
1 übertragen wird, in dem das Plättchen untergebracht ist. Diese Erwärmung beruht
auf einer thermischen Erscheinung, die beispielshalber durch die Pfeile der Richtung
T angedeutet ist (eine Erhöhung der Umgebungstemperatur würde in gleicher Weise
wirken). In der anderen Leitung liegt ein gleichfalls gestrichelt angedeuteter einstellbarer
Widerstand 20, der wahlweise in der Schaltung vorgesehen sein kann.
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Es sei zunächst der Fall betrachtet, daß das Organ U ein einfaches,
sehr hochohmiges Anzeigegerät ist, das über die Leitungenf direkt mit den Elektroden
e verbunden ist, wobei lediglich der Widerstand 20 zum Schutz gegen Überstromspitzen
vorgesehen ist; ferner sei angenommen, daß der Behälter 1 lediglich zum mechanischen
Schutz des Plättchens 3 dient. Die Anordnung verhält sich dann wie eine Oberwachungsanordnung
für die örtliche Temperatur, wobei gegebenenfalls auch eine Fernüberwachung möglich
ist. Jede Anderung der Temperatur T wird ohne Verzögerung von dem Anzeigegerät U
wiedergegeben; wenn die Temperatur den für den ausgenutzten Effekt des keramischen
Materials kritischen Wert erreicht, entsteht ein plötzlicher Ausschlag des Zeigers
des Anzeigegeräts U. Danach ist das Plättchen depolarisiert, und die Anordnung ist
außer Betrieb gesetzt. Da es sich um die Anzeige eines kritischen Punktes handelt,
kann das Anzeigegerät U vorteilhafterweise mit einer Alarmeinrichtung verbunden
sein. Ein parallel zu dem Anzeigegerät geschaltetes, hochohmiges, empfindliches
Relais genügt zu diesem Zweck. Die Ansprechschwelle dieses Relais wird auf die Stromstärke
einjustiert, die von dem keramischen Material beim Überschreiten des Curiepunktes
abgegeben wird, und die Kontakte dieses Relais schließen dann einen Alarmstromkreis.
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Wenn zugleich mit dem Alarm die Ursache der Überhitzung bekämpft
werden soll, kann ein weiterer Stromkreis, der über andere Kontakte des Relais verläuft,
für eine solche Steuerung herangezogen werden: Öffnen von elektrischen Trennschaltern,
Betätigung von Unterbrechern, Auslösung von Ventilatoren oder von Feuerlöschgeräten
usw.
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Bei derartigen Anlagen ist es erforderlich, vorzeitige Auslösungen
zu verhindern. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Behälter 1, beispielsweise
durch die Wahl des Materials oder durch die Bemessung der Wandstärke, eine gewisse
thermische Verzögerung der Erwärmung des keramischen Maíerials bewirkt. Durch entsprechende
Bemessung dieser Verzögerung ist es möglich, vorzeitige Auslösungen der Anlage zu
vermeiden.
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Der Kondensator 8 bildet einen Nebenschluß zu dem keramischen Material.
Ein keramischer Körper, der für den beabsichtigten Zweck geeignet ist, hat nämlich
beim Curiepunkt einen elektrischen Widerstand von mehr als etwa 500 Megohm, jedoch
eine geringe Eigenkapazität, die beispielsweise in der Größenordnung von 100 pF
liegt, was insbesondere auf den kleinen Abmessungen der zu verwendenden Pillen beruht.
Die Eigenzeitkonstante des keramischen Elements ist also sehr klein, und bei den
zuvor angegebenen Zahlenwerten der elektrischen Ladung kann die Potentialdifferenz
zwischen den
Elektroden am Curiepunkt ohne weiteres 5000 Volt überschreiten,
so daß eine gewisse Gefahr eines Überschlags in dem Element besteht. Das Anschalten
des Kondensators 8 mit einem entsprechenden Wert ermöglicht die Vermeidung dieser
Gefahr. Wenn die Pille beispielsweise eine Kapazität in der Größenordnung von 1000pF
hat, kann ohne weiteres ein Kondensator in der Größenordnung von 50000pF parallel
geschaltet werden. Der Raumbedarf des so gebildeten Detektors bleibt dennoch sehr
klein.
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Natürlich muß die allgemeine Isolation der Schaltung sehr sorgfältig
ausgeführt sein, so daß sie einen hohen Wert hat, der wenigstens in der Größenordnung
von 10 000 Megohm liegt.
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Der Kondensator kann ferner gegebenenfalls eine andere Rolle übernehmen,
nämlich die Speicherung einer Ladung, die zur Betätigung der Verbrauchervorrichtung
U ausreicht, wenn es nach Anbringen des Schalters 10 in dem Stromkreis erforderlich
ist, den Zustand des keramischen Materials 3 in einem bestimmten Zeitpunkt festzustellen.
Dies kann bei Steuer- und Überwachungsanlagen der Fall sein, die eine Fernüberwachung
der Erwärmung einer Vielzahl von Punkten von einer einzigen Zentrale aus durchführen.
Es ist offensichtlich, daß in einem solchen Fall ein keramisches Material seinen
Curiepunkt in einem Zeitpunkt überschreiten kann, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Überprüfungen liegt, und es ist daher eine Speicherung erforderlich.
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Dies wird durch das Anbringen des Kondensators 8 bewirkt, dessen Wert
so bemessen wird, daß er in Verbindung mit dem Isolationswiderstand der Schaltung
die erforderliche Zeitkonstante für solche zeitbedingten Überprüfungen ergibt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich besonders dort vorteilhaft
anwenden, wo eine direkte Fernwirkung durch eine gesteuerte örtliche Erwärmung ausgelöst
werden soll. Dieser Anwendungsfall ist in Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich dabei
um das Zünden der Sprengkapsel einer Sprengstoffladung, beispielsweise der Ladung
eines Geschosses.
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Bei der Anordnung von F i g. 2 liegt die keramische Pille 3 auf einer
Wand eines Stopfens 1 auf, der in den Geschoßboden eingeschraubt ist. In diesem
Stopfen ist der Behälter für die Pille 3 eingeformt, die darin durch eine Blattfeder
6 gehalten wird.
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Diese wird durch einen Isolierstopfen 4 unter Druck gehalten, der
eine isolierende Durchführung für einen an die Blattfeder 6 angeschlossenen Draht
7 bildet. Die Blattfeder ist leitend und steht in Kontakt mit einer Elektrode der
Pille 3. Die andere Elektrode steht in Kontakt mit dem leitenden Körper 1 und bildet
somit die Masse für die Pille und den Nebenschlußkondensator8. Zur Aufrechterhaltung
der zentralen Lage der Pille in der Ausnehmung ist eine Isolierhülse 5 vorgesehen.
Der Draht 7 führt über Schalter 9 und 10 zu einem Heizdraht 11, der in der Sprengkapsel
12 liegt, die zum Zünden der nicht dargestellten Sprengladung des Geschosses dient.
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Unter der Wand des Stopfens 1, an der die Pille 3 anliegt, ist eine
Brennstoffladung 2 angeordnet. Die Verbrennung dieser Ladung 2 dient zur Erwärmung
der Pille über ihren Curiepunkt, wenn die Ladung beim Abfeuern des Geschosses in
Brand gesetzt wird. Die Erwärmung wird durch die dazwischenliegende Wand so verzögert,
daß eine ausreichende Sicherheit für den Schützen und für das Geschütz,
aus dem das
Geschoß kommt, gewährleistet ist. Die Zündung der Ladung wird beim Abfeuern des
Schusses bewirkt, wobei diese Ladung eine normale Ladung in dem Geschoß sein kann
oder auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorgesehen sein kann.
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Der Schalter 9 ist beispielsweise ein Sicherheitsschalter für die
Handhabung und Lagerung des Geschosses. Er wird erst im Augenblick der Verwendung
von Hand vor dem Abfeuern des Schusses oder automatisch beim Beginn der Geschoßflugbahn
geschlossen. Der Schalter 10 ist ein automatischer Steuerschalter zum Zünden der
Sprengladung, dessen Stromkreis durch das Schließen des Schalters 9 vorbereitet
wird. Beim Schließen des Schalters 10 hat das keramische Material seinen Curiepunkt
überschritten und den Kondensator 8 aufgeladen. Diese Elemente sind also zur Abgabe
eines elektrischen Stromes bereit, der beim Schließen des Schalters 10 dem Heizdrahtll
zugeführt wird, so daß die Sprengkapsel 12 dadurch gezündet wird, daß der Heizdraht
rotglühend wird. Die Verwendung eines Heizdrahtes mit geringem Widerstand stellt
eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme dar, denn beim unbeabsichtigten Schließen der
Schalter vor dem Zünden der Ladung 2 kann sich der Kondensator 8 nicht aufladen.
Wenn diese Sicherheitsmaßnahme jedoch nicht als notwendig erachtet wird, kann der
Heizdraht 11 durch eine Funkenstrecke ersetzt werden.
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Der Temperaturanstieg der Wand erfolgt in einer Zeit von etwa 10 bis
20 Millisekunden bis zum Erreichen des Curiepunktes der Pille 3.