DE19822781C1

DE19822781C1 - Pyroelectric high voltage generator e.g. for radio apparatus

Info

Publication number: DE19822781C1
Application number: DE1998122781
Authority: DE
Inventors: Eric Chemisky; Reinhard Freitag; Hans Meixner; Frank Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-05-21

Abstract

The generator (1) includes a pyroelectric body (10), a filter and a radio path (3) as a non-linear element. The pyroelectric body has a wafer form and is between 1 and 7 mm. The body is located electrical and heat contacting with one of its surfaces (12) on a millimetre thick bed (14). The outside edge is smaller by an edge strip (100) than the adjacent wafer surface. Two wire peaks (34) arranged opposite of each other and forming the radio path are located on bases. The bases are electrically high insulatingly fixed in a insulating base plate. A pressurising gas proof containment is provided for the radio path and a moisture proof housing is provided for the radio path, the filter and the pyroelectric body.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspan nungsgenerator, der seine elektrische Energie aus pyroelek trisch umgesetzter Wärmeenergie bezieht.The present invention relates to a high chip voltage generator that derives its electrical energy from pyroelek tric implemented thermal energy.

Die technische Möglichkeit, den pyroelektrischen Effekt auch für die Herstellung großflächiger thermoelektrischer Genera toren für die Stromerzeugung zu nutzen, ist in der EP-A- 0011808 erwähnt, in der ansonsten ins einzelne gehend ein py roelektrisches Bauelement für die Messung der Intensität elektromagnetischer Strahlung beschrieben ist.The technical possibility, the pyroelectric effect too for the production of large-area thermoelectric genera To use gates for electricity generation is in EP-A- 0011808 mentioned, in which otherwise a py Roelectric component for measuring the intensity electromagnetic radiation is described.

Stromerzeuger, die mit jedoch piezoelektrischem Effekt arbei ten, sind aus den Druckschriften DE-C-30 32 961 und DE-C- 32 02 612 bekannt. Die erstere Druckschrift beschreibt de tailliert einen dafür vorteilhaften Schlagmechanismus. Dieser soll in einer piezoelektrischen Einrichtung zur Überwachung von zueinander drehbaren Teilen in z. B. Kupplungen eingesetzt werden. Der Schlagmechanismus liefert im Falle eines eintre tenden Schlupfes die Signalenergie eines drahtlos zu übertra genden Überwachungssignals (Ende Spalte 2, Ende Spalte 4). Die zweitgenannte Druckschrift DE-C-32 02 612 beschreibt die zu sätzlich zum Piezokörper vorgesehene Verwendung einer elek trischen Auflade-Kapazität, die dem Erreichen einer zum Zwec ke des Zündens eines Sprengstoffes ausreichenden Höhe einer elektrischen Spannung dient. Enthalten ist in diesem Zündme chanismus ein als Zeitschalter wirkender Schwellenwertschal ter mit einer Funkenstrecke.Power generators that work with a piezoelectric effect ten, are from the documents DE-C-30 32 961 and DE-C- 32 02 612 known. The former describes de waisted an advantageous striking mechanism. This is said to be in a piezoelectric device for monitoring of mutually rotatable parts in z. B. couplings used become. The striking mechanism delivers in the event of an entry tendency to transmit the signal energy of a wireless monitoring signal (end of column 2, end of column 4). The the second-mentioned document DE-C-32 02 612 describes the in addition to the use of a piezoelectric body trical charging capacity, which the reaching one to Zwec ke of detonating an explosive sufficient amount serves electrical voltage. This Zündme contains mechanism is a threshold scarf that acts as a time switch ter with a spark gap.

In der Druckschrift DE-A-26 43 028 ist der Aufbau einer Fun kenstrecke eines Überspannungsableiters beschrieben, wie er in der Blitzschutztechnik verwendet wird.In the document DE-A-26 43 028 is the structure of a fun kenstrecke a surge arrester described as he is used in lightning protection technology.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optimierte Anordnung/Ausführung eines thermoelektrischen Hochspannungs generators anzugeben, der zur Stromversorgung für insbesonde re einen Hochfrequenzsender/-empfänger optimiert ist, der an sonsten vom Netz oder mit Batterie gespeist werden müßte. Solche Hochfrequenzgeräte sind insbesondere Funkgeräte, Mo bilfunktelefone, schnurlose Telefone und neuesten Datums Funksensoren, mit denen Sensormeßwerte von einem Ort durch Funk an einen Empfangsort übertragen werden können. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In der nicht vorveröffentlichten Druckschrift WO 98/36395 ist als ein solcher Funksensor eine Anordnung und ein Verfahren zur Er zeugung kodierter Hochfrequenzsignale beschrieben, die als Information auf dem Funkweg übertragen werden. Insbesondere geht es dabei um Meßsensor-Information, die von einem ent fernten, wenig zugänglichen oder dergleichen Ort an eine ins besondere zentrale Auswertestelle zu übertragen sind.The object of the present invention is an optimized Arrangement / execution of a thermoelectric high voltage to specify the generator that is used to supply power, in particular re a high frequency transmitter / receiver that is optimized for otherwise would have to be powered by the mains or battery. Such high-frequency devices are in particular radio devices, Mo Wireless telephones, cordless telephones and the latest date Radio sensors that allow sensor readings from one place Radio can be transmitted to a destination. This object is achieved with the features of claim 1 solved. In the unpublished publication WO 98/36395 is considered a such radio sensor an arrangement and a method for Er generation of coded radio frequency signals described as Information is transmitted over the radio path. In particular it is about measuring sensor information from a ent distant, inaccessible or similar place to an ins special central evaluation point are to be transferred.

In dieser WO 98/36395 ist insbesondere die Anwendung eines solchen Funksensor-Prinzips für Fernthermometer-Messung und insbesondere für fernabfragbare Verbrauchsmessung an insbe sondere Heizkörpern einer Wohnung, eines Büros und dgl. be schrieben. Zur Energiespeisung eines solchen Funksensors, der Verbrauchsdaten eines Heizkörpers auf dem Funkweg zu übermit teln hat, eignet sich in idealer Weise ein pyroelektrischer Hochspannungsgenerator, der seine Wärmeenergie von dem Heiz körper abnimmt und in elektrische Speiseenergie des Funksen sors umwandelt.This WO 98/36395 in particular describes the use of a such radio sensor principle for remote thermometer measurement and especially for remote measurement of consumption in particular special radiators of an apartment, an office and the like. be wrote. For the energy supply of such a radio sensor, the To transmit consumption data of a radiator by radio a pyroelectric is ideally suited High voltage generator that takes its thermal energy from the heater body decreases and in electrical supply energy of the spark sors converts.

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipbild für eine solche pyroelek trische Speisung eines Funksensors 5 (wie er auch in der äl teren Anmeldung beschrieben ist). Mit 10 ist ein plättchen förmiger pyroelektrischer Körper, z. B. ein Lithiumtantalat- /niobatkristall, ein Bariumtitanatkristall oder dgl. anderer bekannter pyroelektrischer (Ein- oder Poly-)Kristall bezeich net. Dieser Körper steht mit der Wärmequelle W (z. B. einem Heizkörper) in Wärmekontakt. Für den Betrieb als pyroelektri scher Generator ist es erforderlich, daß die Temperatur der Wärmequelle W sich zeitlich wechselnd ändert. Für die übli chen reglergesteuerten Warmwasserheizkörper ist dies mit etwa 1 K pro 10 Minuten generell der Fall. Fig. 1 shows a schematic diagram for such a pyroelectrical power supply of a radio sensor 5 (as it is also described in the older application). At 10 is a platelet-shaped pyroelectric body, for. B. a lithium tantalate / niobate crystal, a barium titanate crystal or the like. Other known pyroelectric (mono- or poly-) crystal designates net. This body is in thermal contact with the heat source W (e.g. a radiator). For operation as a pyroelectric generator, it is necessary that the temperature of the heat source W changes over time. For the usual controller-controlled hot water radiators, this is generally the case with about 1 K per 10 minutes.

Mit 3 ist ein nicht-lineares Element bezeichnet, das hier vorzugsweise eine Funkenstrecke, ein Überspannungsableiter oder dergl. Element ist. Mit 4 ist eine in dem dargestellten Stromkreis enthaltene Induktivität, z. B. ein breitbandiges (Bandpaß-)Filter, bezeichnet. Der an dieser Induktivität auf tretende Spannungsabfall speist den mit elektrischer Energie zu versorgenden Sender, der z. B. ein bekannter Funksensor 5 mit einer Funkantenne 6 ist. Für maximale Energieumsetzung ist eine Impedanz-Anpassung des pyroelektrischen Körpers 10 und des Elements 3 einerseits und des Filters 4 andererseits aneinander vorgesehen. 3 designates a non-linear element, which here is preferably a spark gap, a surge arrester or the like. Element. With 4 an inductance contained in the circuit shown, for. B. a broadband (bandpass) filter. The occurring at this inductance voltage drop feeds the transmitter to be supplied with electrical energy, the z. B. is a known radio sensor 5 with a radio antenna 6 . An impedance matching of the pyroelectric body 10 and the element 3 on the one hand and the filter 4 on the other hand is provided for maximum energy conversion.

Bezüglich der Arbeitsweise dieses Funksensors 5 sei auf den Stand der Technik verwiesen.With regard to the operation of this radio sensor 5 , reference is made to the prior art.

Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet in der Weise, daß von dem pyroelektrischen Körper 10 bei Temperaturänderung desselben pyroelektrisch erzeugte elektrische Spannung sich an der Fun kenstrecke 3 aufbaut, bis ein Funkendurchschlag erfolgt. Die ser Funkendurchschlag erzeugt am Eingang des Filters 4 eine (hohe) Induktionsspannung, die an den Anschlüssen 41/42 der Induktivität für elektrische Energiespeisung zur Verfügung steht.The circuit of FIG. 1 works in such a way that the pyroelectric body 10 generated by the pyroelectric body 10 when the temperature changes, the pyroelectrically generated electrical voltage builds up on the spark gap 3 until a spark breakdown occurs. The ser arcing generates a (high) induction voltage / the inductor is at the terminals 41 42 for electrical power supply is available at the input of the filter. 4

Die zunächst gebauten pyroelektrischen Hochspannungsgenerato ren zeigten überraschenderweise viele einzelne Mängel, weil unerwartete oder unbekannte/übersehene Einzelprobleme nicht berücksichtigt worden waren. Erst mit gründlichen Untersu chungen und kontrollierenden Versuchen konnte ein solcher er findungsgemäßer pyroelektrischer Hochspannungsgenerator rea lisiert werden, der tatsächlich optimalen Betrieb und optima les Ergebnis gewährleistet.The initially built pyroelectric high voltage generator Surprisingly, there were many individual defects because unexpected or unknown / overlooked individual problems had been taken into account. Only with thorough investigation He was able to carry out tests and control experiments pyroelectric high voltage generator according to the invention rea The actual optimal operation and optima The result is guaranteed.

Weiterbil dungen zeigen die Unteransprüche.Continuing the subclaims show.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung gehören auch die Figu ren, in denenTo further explain the invention, the Figu in which

Fig. 1, 1a das Prinzip pyroelektrischer Spannungserzeugung zusammen mit dem zu speisenden Funksensor und Fig. 1, 1a the principle of pyroelectric voltage generation together with the radio sensor to be fed and

Fig. 2 als Detail einen bevorzugten Aufbau eines erfindungsgemäß ausgebildeten Pyro-Generators zeigen, Fig. 2 as a detail showing a preferred structure of the invention designed according to Pyro-generator,

Fig. 3 Erläuterungen zu der Problematik gibt,Is Fig. 3 Notes to the problem,

Fig. 4 Einzelheiten zum Aufbau der Funkstrecke und Fig. 4 details of the structure of the radio link and

Fig. 5 einen Gesamtaufbau mit Generator und Sensor zeigt. Fig. 5 shows an overall structure with generator and sensor.

Der erfindungsgemäße Hochspannungsgenerator 1 gemäß einer in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besitzt als Hochspan nungsquelle zur pyroelektrischen Spannungs-/Energieerzeugung einen pyroelektrischen Körper 10, der z. B. aus einem oder mehreren pyroelektrischen Kristallen besteht. Als Material für solche Kristalle ist vorzugsweise Lithiumtantalat vorge sehen. Lithiumniobat oder auch Bariumtitanat können prinzipi ell verwendet werden, mindern aber vergleichsweise zum Lithi umtantalat das Leistungsvermögen eines damit ausgerüsteten erfindungsgemäßen Pyrogenerators. Die Temperaturschwankungen des als Wärmequelle W mit dem pyroelektrischen Körper 10 in Verbindung stehenden temperaturgeregelten Heizkörpers betra gen etwa 0,05 bis 0,2 K/min. Dies ist ausreichend, im Lithi umtantalat-Kristall, vorzugsweise ein Einkristall eines Kri stallschnittes z = 0° (d. h. mit der pyroelektrischen Achse z senkrecht zu den Elektrodenausgerichtet), genügend hohe elek trische Spannungen bis zu mehreren Kilovolt an den einander gegenüberstehenden (Elektroden-)Flächen des Kristalls zu er zeugen. Theoretisch ist in der z-Richtung eine Spannung von etwa 500 V/mm zu erzielen.The inventive high voltage generator 1 according to an embodiment shown in FIG. 1 has a high voltage source for pyroelectric voltage / energy generation, a pyroelectric body 10 , the z. B. consists of one or more pyroelectric crystals. Lithium tantalate is preferably provided as the material for such crystals. Lithium niobate or barium titanate can in principle be used, but reduce the performance of a pyrogenerator according to the invention equipped with it, in comparison to lithium tantalate. The temperature fluctuations of the temperature-controlled radiator connected as a heat source W with the pyroelectric body 10 are approximately 0.05 to 0.2 K / min. This is sufficient, in the lithium tantalate crystal, preferably a single crystal of a crystal cut z = 0 ° (ie aligned with the pyroelectric axis z perpendicular to the electrodes), sufficiently high electrical voltages up to several kilovolts at the opposing (electrode) Surfaces of the crystal to testify. Theoretically, a voltage of about 500 V / mm can be achieved in the z direction.

Die schon erwähnte Funkenstrecke 3 ist darauf ausgelegt, bei etwa 1200 bis 3500 V einen Durchschlag zu erzeugen.The spark gap 3 already mentioned is designed to generate a breakdown at about 1200 to 3500 V.

Das Bandpaßfilter 4 kann ein Helix-Filter bekannter Bauart sein. Bevorzugt wird jedoch ein LC-Bandpaß, wie er in Fig. 1a gezeigt ist.The bandpass filter 4 can be a helix filter of a known type. However, an LC bandpass filter as shown in FIG. 1a is preferred.

Für ein optimiertes und vor allem auch zuverlässig zu errei chendes Arbeitsergebnis des Pyrogenerators reichten aber die angegebenen Maßnahmen noch nicht in befriedigender Weise aus. Dieses erfüllt erst eine mit den weiteren Figuren gezeigte Ausführungsform der Erfindung.For an optimized and above all reliable to achieve The result of the pyrogenerator was sufficient specified measures are not yet satisfactory. This is only fulfilled by one shown with the other figures Embodiment of the invention.

Der Kristall 10 hat mit einer seiner beiden x-y-Flächen Wär mekontakt mit der die umzusetzende Wärmeenergie lieferende Wärmequelle W.With one of its two xy surfaces, the crystal 10 has thermal contact with the heat source W supplying the thermal energy to be converted.

Es wurde jedoch festgestellt, daß in dem pyroelektrischen Kristall 10 nicht nur axiale (z-Achse) Temperaturgradienten, sondern lateral dazu bei den angegebenen Temperaturschwankun gen ganz erhebliche und sehr nachteilig wirkende Temperatur- Inhomogenitäten im Kristall auftreten. Um dieses Problem zu lösen, ist die (im Betrieb auf Hochspannung kommende) in der Fig. 2 obere x-y-Fläche 11 des Körpers 10 mit Silber oder Gold bedeckt. Dieses wurde in einer Schichtdicke kleiner 50 µm aufgedampft, aufgesputtert, als Silberleitpaste aufgepin selt und dergleichen. Diese auch als Elektrode dienende Schicht 13 des Kristalls wirkte sich dahingehend günstig aus, daß mit der großen Wärmeleitfähigkeit des Silbers/Goldes eine ganz erhebliche Homogenisierung der lateralen Temperaturver teilung (in x-y-Richtung) im Kristall erzielt wurde.However, it was found that not only axial (z-axis) temperature gradients occur in the pyroelectric crystal 10 , but laterally considerable and very disadvantageous temperature inhomogeneities occur in the crystal at the specified temperature fluctuations. In order to solve this problem, the upper xy surface 11 of the body 10 in FIG. 2 (which becomes high voltage during operation) is covered with silver or gold. This was evaporated in a layer thickness of less than 50 μm, sputtered on, spun on as silver conductive paste and the like. This also serving as an electrode layer 13 of the crystal had a favorable effect in that with the great thermal conductivity of the silver / gold a very considerable homogenization of the lateral temperature distribution (in the xy direction) was achieved in the crystal.

Mit der Unterseite 12 ist der pyroelektrische Körper 10 auf eine millimeter-dicke Sohle 14 aus (ebenfalls) gut wärmelei tendem Material aufgesetzt. Als besonders vorteilhaft hat sich dafür Kupfer erwiesen. Diese Sohle 14 steht mit einem Gehäuse 15 in Wärmekontakt und ist mit diesem vorzugsweise einstückig verbunden.With the underside 12 of the pyroelectric body 10 is placed on a millimeter-thick sole 14 made of (also) good heat-conducting material. Copper has proven to be particularly advantageous for this. This sole 14 is in thermal contact with a housing 15 and is preferably connected to it in one piece.

Eine optimal bemessene Dicke der Sohle 14 beträgt etwa 0,5 bis 1 mm bei 1 bis 5 mm Dicke des Körpers 10.An optimally dimensioned thickness of the sole 14 is approximately 0.5 to 1 mm with a 1 to 5 mm thickness of the body 10 .

Es wurde festgestellt, daß auch die Temperaturverteilung in der z-Richtung eine Rolle spielt. Es ist ein möglichst gleichmäßiger Temperaturgradient in z-Richtung zu erreichen, damit die erzeugte pyroelektrische Spannung proportional zur Kristalldicke ist. Kalte x-y-Zonen in z-Richtung haben zwar keine direkte negative Wirkung auf den integralen Pyroeffekt, ihre Anwesenheit bewirkt jedoch eine Erhöhung der Kristall- Ausgangsimpedanz bei gleichbleibender Ausgangsspannung. Dies verschlechtert die Energieausbeute und den Wirkungsgrad. Mit den folgenden Maßnahmen konnte ein solcher Störeffekt mini miert werden. Zum einen erwies es sich als vorteilhaft, die an sich die Höhe der zu erzeugenden Pyrospannung bestimmende Dicke des pyroelektrischen Körpers 10 möglichst gering zu halten. Mit dem Lithiumtantalat können ca. 500 V/K/mm gene riert werden. Es zeigte sich aber, daß ab ca. 7 mm Dicke die Pyrospannung durch ununiforme Temperaturverteilung nicht mehr linear mit der Kristalldicke weiter ansteigt.It was found that the temperature distribution in the z direction also plays a role. A temperature gradient as uniform as possible in the z direction must be achieved so that the pyroelectric voltage generated is proportional to the crystal thickness. Cold xy zones in the z direction have no direct negative effect on the integral pyro effect, but their presence causes an increase in the crystal output impedance with a constant output voltage. This worsens the energy yield and the efficiency. With the following measures, such an interference effect could be minimized. On the one hand, it turned out to be advantageous to keep the thickness of the pyroelectric body 10 , which in itself determines the level of the pyro voltage to be generated, as small as possible. Approx. 500 V / K / mm can be generated with the lithium tantalate. However, it was found that from about 7 mm thick the pyro voltage no longer increases linearly with the crystal thickness due to uniform temperature distribution.

Für die Abmessungen des Lithiumtantalat-Kristalls (z-0°- Schnitt) hat sich z. B. eine Flächenabmessung von 7,5 × 5 mm und eine Dicke (= z-Achse) von 5 mm für 2500 Volt und 1 mm bei 230 Volt (mit entsprechenden Zwischenwerten) als optimal erwiesen.For the dimensions of the lithium tantalate crystal (z-0 ° - Cut) has z. B. an area dimension of 7.5 × 5 mm and a thickness (= z-axis) of 5 mm for 2500 volts and 1 mm at 230 volts (with corresponding intermediate values) as optimal proven.

Das Gehäuse 15 des Pyrogenerators ist wenigstens soweit es die Wärmeleitung erfordert aus wärmeleitendem Material kon struiert, z. B. aus Kupfer oder Messing. Kupfer besitzt zudem ein sehr gutes Hochfrequenzverhalten.The housing 15 of the pyrogenerator is constructed at least insofar as it requires heat conduction from heat-conducting material, for. B. made of copper or brass. Copper also has very good high-frequency behavior.

Auch ist die Entladekonstante des pyroelektrischen Körpers zu berücksichtigen, denn ihr Einfluß erwies sich als sehr we sentlich. Die Entladekonstante T der angeschlosse nen/nachfolgenden Schaltung entspricht vereinfacht (siehe auch Fig. 3) der Gleichung:
The discharge constant of the pyroelectric body must also be taken into account, since its influence has proven to be very important. The discharge constant T of the connected / subsequent circuit corresponds in simplified form (see also FIG. 3) to the equation:

T = C₁₀.R_iso/(R_f + (R_so/R_su))/R₁₀
T = C ₁₀ .R _iso / (R _f + (R _so / R _su )) / R ₁₀

worin sind:
C₁₀ = Kapazität des Körpers 10,
R_iso = Übergangs-Isolationswiderstand der Verbindung zwischen Körper 10 und Funkenstrecke 3
R_f = Ohm'scher Widerstand der Last (< 50 Ω)
R_so = Ohm'scher Widerstand des Substrats der Funkenstrecke
R_su = Widerstand der Gasatmosphäre der Funkenstrecke 3.where are:
C ₁₀ = capacity of the body 10 ,
R _iso = transition insulation resistance of the connection between body 10 and spark gap 3
R _f = ohmic resistance of the load (<50 Ω)
R _so = ohmic resistance of the spark gap substrate
R _su = resistance of the gas atmosphere of the spark gap 3 .

Der Widerstand R_su ist unabhängig von der an der Funkenstrecke 3 anliegenden (pyroelektrisch erzeugten, bis zum Durchbruch ansteigenden) Spannung. Beide Widerstände R_so und R_su sind wichtig und haben wesentlichen Einfluß auf die störende Selbstentladung. Bei noch kleiner ansteigender Spannung ist der Widerstand R_so maßgebend. Bei höherer Spannung überwiegt dann aber die Abnahme des Widerstandes R_su. Es ist dafür Sor ge zu tragen, daß nahe der Durchbruchspannung der Widerstand R_su noch so groß bleibt, daß die pyroelektrisch erzeugte Span nung tatsächlich den Durchbruch erreichen kann, damit die in duktiv erzeugte Hochspannung vorgebbarer Höhe erzielt wird.The resistance R _su is independent of the voltage applied to the spark gap 3 (generated pyroelectrically, increasing until the breakdown). Both resistors R _so and R _su are important and have a significant influence on the disturbing self-discharge. If the voltage increases even more, the resistance R _is decisive. At higher voltages, however, the decrease in resistance R _su predominates. It is necessary to take care that near the breakdown voltage the resistance R _su remains so large that the pyroelectrically generated voltage can actually reach the breakdown, so that the high voltage that can be predetermined in ductile energy is achieved.

Die für Funktion des mit wie beschriebener Wärmezu-/abfuhr zu betreibenden erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerators benö tigte minimale Entladezeit von ca. 20 min erfordert einen ge samten Isolationswiderstand von ca. 13 TOhm bei 100 pF Kri stallkapazität. Dies zu erreichen, ist durch die folgenden Maßnahmen gesichert. Der Isolationswiderstand R_iso des Aufbaus wird dadurch realisiert, daß die oben erwähnte Sohle 14 sich nicht bis zum seitlichen Rand des Körpers 10 erstreckt, son dern, wie die Figur zeigt, ein kleiner Randstreifen 100 mit etwa 0,5 mm oder größerer (bis etwa 1 mm) Breite allseitig freibleibt. Mit einem nur etwa 0,1 mm breiten Randstreifen ist eine auf der Fläche 12 des Körpers 10 vorgesehene Elek trode bemessen. Eine weitere Maßnahme ist die, den pyroelek trischen Körper 10 zusammen mit der Funkenstrecke 3 in ein gekapseltes Gehäuse 15 mit dicht schließendem Deckel 16 ein zubauen, in dem für trockene Luft gesorgt ist. Insbesondere ist dazu innerhalb dieses Gehäuses ein Trocknungsmittel (insbesondere Silikagel) 17 angeordnet.The minimum discharge time of approx. 20 min required for the function of the high-voltage generator according to the invention to be operated with the heat supply / dissipation described requires a total insulation resistance of approx. 13 TOhm at 100 pF crystal capacity. To achieve this is ensured by the following measures. The insulation resistance R _{iso of} the structure is realized in that the above-mentioned sole 14 does not extend to the side edge of the body 10 , but, as the figure shows, a small edge strip 100 with about 0.5 mm or larger (to about 1 mm) width remains free on all sides. With an edge strip only about 0.1 mm wide, an electrode provided on the surface 12 of the body 10 is dimensioned. Another measure is to build a pyroelectrical body 10 together with the spark gap 3 in an encapsulated housing 15 with a tightly closing lid 16 , in which dry air is provided. In particular, a drying agent (in particular silica gel) 17 is arranged within this housing.

Für optimale Eigenschaften war es auch notwendig, eine eigens für die Erfindung bestimmte Funkenstrecke 3 zu konstruieren. Übliche Überspannungsableiter als Funkenstrecke haben sich für die Erfindung nicht als günstig erwiesen. Für die Erfin dung ist ein Modul mit einer Funkenstrecke mit Isolatorteilen aus Keramik oder Glas für die Halterung der Elektroden der Funkenstrecke bevorzugt verwendet. Insbesondere ist für die erfindungsgemäß verwendete Funkenstrecke 3 ein Silikonüberzug 131 auf den Isolatorteilen der Elektrodenhalterungen der Fun kenstrecke zwecks Erhöhung des Isolationswiderstandes vorge sehen. Die Isolatorteile sind dazu vor dem Aufbau des Moduls getrocknet worden. For optimum properties, it was also necessary to construct a spark gap 3 that was specifically designed for the invention. Conventional surge arresters as spark gaps have not proven to be favorable for the invention. For the inven tion, a module with a spark gap with insulator parts made of ceramic or glass is preferably used for holding the electrodes of the spark gap. In particular, for the spark gap 3 used in accordance with the invention, a silicone coating 131 is provided on the insulator parts of the electrode holders of the spark gap for the purpose of increasing the insulation resistance. For this purpose, the isolator parts have been dried before the module is assembled.

Um den spannungsabhängigen exponentiellen Dunkelstrom in der Funkenstrecke 3 noch deutlicher zu verringern, sind folgende Maßnahmen ergriffen. Statt der Standardelektrodenfläche be kannter Überspannungsableiter sind bei der Erfindung dünne (Draht-)Spitzen 34 mit etwa 0,1 mm Durchmesser vorgesehen. Damit ist die aktive Kontaktfläche der Elektroden im Schutz gas N₂ oder N₂ + H₂ verkleinert. Die Verwendung von Spitzenelek troden ist für die Erfindung im übrigen auch noch soweit von Vorteil, daß bei dieser Ausführung der Funkenstrecke die für Überspannungsableiter üblichen Zündstreifen nicht erforder lich sind.The following measures have been taken to reduce the voltage-dependent exponential dark current in the spark gap 3 even more clearly. Instead of the standard electrode surface be known surge arrester thin (wire) tips 34 are provided with about 0.1 mm in diameter in the invention. The active contact area of the electrodes in the protective gas N ₂ or N ₂ + H ₂ is thus reduced. The use of top electrodes is also advantageous for the invention to the extent that, in this embodiment of the spark gap, the usual ignition strips for surge arresters are not required.

Für die Spitzen 34 ist z. B. Platin mit 0,1 mm verwendet. Der Abstand der zwei einander gegenüberstehenden Spitzen der Fun kenstrecke ist auf etwa 0,1 mm bemessen, so daß sich bei z. B. 3 bar Stickstoff eine Durchbruchspannung von etwa 2500 V er gibt. Es ergibt sich daraus eine Schaltzeit der Funkenstrecke von etwa 2 ns. Dieses Maß ist an die Sendefrequenz des mit dem erfindungsgemäßen Generator zu speisenden Funksensors (Betriebsfrequenz 0,2 bis 2 GHz) gut angepaßt.For the tips 34 z. B. 0.1 mm platinum is used. The distance between the two opposite tips of the fun kenstrecke is dimensioned to about 0.1 mm, so that at z. B. 3 bar nitrogen gives a breakdown voltage of about 2500 V. This results in a switching time of the spark gap of approximately 2 ns. This measure is well adapted to the transmission frequency of the radio sensor to be fed with the generator according to the invention (operating frequency 0.2 to 2 GHz).

Die Fig. 4 zeigt den inneren Aufbau der Funkenstrecke 3, die als das oben erwähnte nicht-lineare Element dient. Mit 31 ist eine Montage-Grundplatte dieses Funkenstrecken-Elements be zeichnet. Sie besteht aus einem elektrisch möglichst hoch isolierendem Material. Vorzugsweise ist für die Platte 31 Ke ramik vorgesehen, in die zur zusätzlichen Isolation Leiter durchführungen 32, aus Glas bestehend, eingesetzt sind. Mit 33 sind metallene Durchführungsstifte bezeichnet, die zum ei nen als Basen für den Aufbau der Funkenstrecke dienen und zum anderen elektrische Leiter für Kontaktanschlüsse sind. Mit 34 sind zwei Drahtelektroden aus vorzugsweise Platin bezeich net, die als die eigentlichen Funkenspitzen dienen. Ihre Spitzen sind einander bis auf einen Abstand d angenähert, der die eigentliche Strecke für den Funkenüberschlag bildet. Mit 35 ist eine Kapselung dieses Aufbaus bezeichnet. Diese Kapse lung ist gasdicht ausgeführt. In deren Innerem, d. h. den Raum um die Funkenstrecke ausfüllend, ist Stickstoff bzw. ein Stickstoff/Wasserstoff-Gemisch enthalten, z. B. mit einem Gas druck zwischen 1 bis 5 Bar (bei 25°C gemessen). Optimal ist ein Gasdruck von 2,5 Bar für einen Spitzenabstand d = 0,13 mm, und zwar dies für eine Überschlagspannung von 2500 Volt mit einer Frequenz von (etwa) 436 Mhz. Ein solcher Aufbau der Funkenstrecke mit Grundplatte 31 und Kapsel 35 hat als bevor zugte Ausführungsform die folgenden etwaigen Abmessungen: 7 bis 8 mm Durchmesser der Grundplatte und 3 bis 4 mm Höhe von Grundplatte und Kapsel zusammengenommen. Fig. 4 shows the internal structure of the spark gap 3 , which serves as the non-linear element mentioned above. At 31 , a mounting base plate of this spark gap element is characterized. It consists of an electrically highly insulating material. Preferably, ceramic 31 is provided for the plate, in which lead-throughs 32 made of glass are used for additional insulation. With 33 metal feed-through pins are designated, which serve as bases for the construction of the spark gap and on the other hand are electrical conductors for contact connections. With 34 two wire electrodes are preferably made of platinum, which serve as the actual spark tips. Their tips are approximated to one another up to a distance d, which forms the actual path for the sparkover. With 35 an encapsulation of this structure is called. This capsule is gastight. Inside, ie filling the space around the spark gap, nitrogen or a nitrogen / hydrogen mixture is contained, e.g. B. with a gas pressure between 1 to 5 bar (measured at 25 ° C). A gas pressure of 2.5 bar is optimal for a peak distance d = 0.13 mm, and this for a breakdown voltage of 2500 volts with a frequency of (approximately) 436 MHz. Such a construction of the spark gap with base plate 31 and capsule 35 has the following possible dimensions as preferred embodiment: 7 to 8 mm diameter of the base plate and 3 to 4 mm height of base plate and capsule taken together.

Das Prinzip des Einbaus einer solchen Funkenstrecke 3 in Kom bination mit dem eigentlichen Pyrogenerator mit seinem Kri stall 10 zeigt die bereits beschriebene Fig. 2.The principle of installing such a spark gap 3 in combination with the actual pyrogenerator with its crystal 10 is shown in FIG. 2 already described.

Die Fig. 5 zeigt schließlich ein Gesamt-Übersichtsbild für einen bevorzugten Aufbau eines erfindungsgemäßen Pyrogenera tors zusammen mit seinem zu speisenden Funksensor 5. Die Dar stellung der Fig. 5 ist eine Aufsicht (des noch offenen Ge häuses 15) vergleichsweise zur Seitenansicht nach Fig. 2 (die nur den Pyrokörper und die Funkenstrecke zeigt).The Fig. 5, finally, shows a total overview screen for a preferred structure of a Pyrogenera tors according to the invention together with its to be powered wireless sensor 5. The Dar position of FIG. 5 is a plan (the still open Ge häuses 15) relatively to the side view of FIG. 2 (only the Pyrokörper and the spark gap shows).

Bereits zu den voranstehend beschriebenen Figuren angegebene Bezugszeichen haben in der Fig. 5 dieselbe Bedeutung. In dem Gehäuse 15 befindet sich der eigentliche Pyrogenerator mit dem pyroelektrischen Körper 10 mit darüber liegend dem Aufbau der Funkenstrecke 3. Dieser Detailaufbau ist mit einem Pol im Gehäuse 15 geerdet. Der spannungsführende Ausgang der Funken strecke 3 ist mittels der Verbindung 51 mit dem Eingang des (Helix-)Filters 4 verbunden. Der Ausgang des Filters 4 ist wiederum mittels der Verbindung 52 mit dem Ausgangsanschluß 53 der Gesamtanordnung verbunden. Mit diesem Ausgangsanschluß 53 ist außerdem der Antennenausgang des Funksensors 5 verbun den. Außerhalb des Gehäuses 15 ist am Anschluß 53 die eigent liche Antennenkabel für die Antenne zur Funkabstrahlung des Sensorsignals anzuschließen. Reference numerals already given for the figures described above have the same meaning in FIG. 5. The actual pyrogenerator with the pyroelectric body 10 with the structure of the spark gap 3 lying above it is located in the housing 15 . This detailed structure is grounded with a pole in the housing 15 . The live output of the spark gap 3 is connected by means of the connection 51 to the input of the (helix) filter 4 . The output of the filter 4 is in turn connected by connection 52 to the output terminal 53 of the overall arrangement. With this output terminal 53 , the antenna output of the radio sensor 5 is also the verbun. Outside the housing 15 , the actual union antenna cable for the antenna for radio radiation of the sensor signal is to be connected to the connection 53 .

Ein wie voranstehend beschriebener Generator 1 mit dem Funk sensor 5 ist geeignet, als Fern-Temperaturmeßeinrichtung und insbesondere auch als Fern-Wärmemengen-(Verbrauchs-)Messer verwendet zu werden. In der eingangs angegebenen älteren Pa tentanmeldung ist ein solcher, auf dem Funkweg abzufragender Wärmemesser in seinen technischen Einzelheiten des prinzipi ellen Aufbaus und des praktischen Einsatzes beschrieben. Für den Zweck der Temperaturmessung ist auch das Substratplätt chen des Funksensors 5 mit der Wärmequelle W wärmegekoppelt verbunden. Bekanntermaßen ist das Substratplättchen aus ins besondere Lithiumniobat oder Lithiumtantalat des Funksensors, d. h. des eigentlichen Oberflächenwellen-Bauteils temperatur empfindlich bzw. kann als temperaturempfindliches Element ausgebildet sein.A generator 1 as described above with the radio sensor 5 is suitable to be used as a remote temperature measuring device and in particular also as a district heating quantity (consumption) meter. In the older patent application mentioned at the beginning, such a heat meter, to be queried by radio, is described in its technical details of the basic structure and practical use. For the purpose of temperature measurement, the substrate plate of the radio sensor 5 is also heat-coupled to the heat source W. As is known, the substrate plate made in particular of lithium niobate or lithium tantalate of the radio sensor, ie of the actual surface wave component, is temperature-sensitive or can be designed as a temperature-sensitive element.

Ein Funksensor mit wie hier erfindungsgemäß konstruiertem und in seinen Einzelheiten bemessenen Hochspannungsgenerator mit Pyroeffekt kann aber auch für die Messung und Fernabfrage an derer physikalischer Größen eingesetzt werden. Insbesondere sind dies die elektrische Spannungsmessung, die mechanische Kraftmessung, die Bewegungs-/Beschleunigungs-Messung und der gleichen. In jeweils zugeordneter bekannter Weise wird für solche Messungen der Funksensor bzw. dessen Substratplättchen mit der zu messenden physikalischen Größe beaufschlagt bzw. durch diese in seiner Eigenschaft beeinflußt. Das eigentliche Meßelement ist der Funksensor, der mit elektrischer Energie des erfindungsgemäß optimiert ausgeführten pyroelektrischen Hochspannungsgenerators gespeist wird. An sich kann ein sol cher Funksensor auf eine mäßig bemessene Distanz auch ohne eine solche Speisung funkabgefragt werden. Die hier beschrie bene elektrische Speisung dient dazu, die Funkreichweite we sentlich zu vergrößern und insbesondere die Pulkfähigkeit solcher Funksensoren zu erhöhen.A radio sensor with as constructed according to the invention and here in its details dimensioned high voltage generator with Pyroeffekt can also be used for measurement and remote inquiry whose physical quantities are used. In particular these are the electrical voltage measurement, the mechanical one Force measurement, the movement / acceleration measurement and the same. In each case in a known manner assigned for such measurements of the radio sensor or its substrate plate acted upon with the physical quantity to be measured or influenced by its properties. The real thing The measuring element is the radio sensor, which uses electrical energy of the pyroelectric optimized according to the invention High voltage generator is fed. In itself, a sol cher radio sensor at a moderate distance even without such a power supply can be requested. The one described here The electrical power supply serves to increase the radio range to enlarge considerably and especially the bulk ability to increase such radio sensors.

Claims

1. Pyroelectric high voltage generator ( 1 ),
to be used for a radio sensor ( 5 )
with a filter ( 4 ) and a spark gap ( 3 ) as a non-linear element, and
with a 1 to 7 mm thick, platelet-shaped pyroelectric body ( 10 ), which is with its one surface ( 12 ) electrically and heat-contacting on a millimeter-thick sole ( 14 ), the outer edge dimensions of which are arranged around an edge strip ( 100 ) is selected to be smaller than the adjacent platelet surface ( 12 ),
with two, the spark gap ( 3 ) forming, opposing ge ge wire tips ( 34 ), which are placed on bases ( 33 ), these bases are electrically highly insulated in egg ner insulating base plate ( 31 ) attached and for the spark gap ( 3 ) a pressurized gas-tight enclosure ( 35 ) is provided, and
with a pyroelectric body ( 10 ), the spark gap ( 3 ) and the inductor ( 4 ) moisture-proof surrounding housing ( 15 , 16 ).

2. Generator according to claim 1, with a gold / silver layer on the pyroelectric body ( 10 ) on the sole ( 14 ) opposite surface ( 11 ) of the body.

3. Generator according to claim 1 or 2, wherein the pyroelectric body ( 10 ) is a lithium tan talat single crystal.

4. Generator according to claim 1, 2 or 3, in which the length and width of the body ( 10 ) are dimensioned with approximately 7.5 × 5 mm.

5. Generator according to one of claims 1 to 4, wherein the sole ( 14 ) is part of the housing ( 15 ).

6. Generator according to one of claims 1 to 5, wherein the sole ( 14 ) is dimensioned 0.5 to 1 mm thick.

7. Generator according to one of claims 1 to 6, wherein the edge strip ( 100 ) of the sole relative to the body ( 10 ) is dimensioned 0.5 to 1 mm wide.

8. Generator according to one of claims 1 to 7, wherein the housing ( 15 ) consists of good heat-conducting material.

9. Generator according to claim 8, wherein the housing ( 15 ) consists of copper.

10. Generator according to one of claims 1 to 9, in which in the housing ( 15 ) drying agent ( 17 ) is provided.

11. Generator according to one of claims 1 to 10, wherein the encapsulation ( 35 ) for the electrical surface nisolation is coated with silicone.

12. Generator according to one of claims 1 to 10, in the encapsulation ( 35 ) and base plate ( 31 ) of the spark gap ( 3 ) for electrical surface insulation are coated with silicone.

13. Generator according to one of claims 1 to 12, wherein the pressurized gas-tight envelope ( 31 , 35 ) of the spark gap is filled with nitrogen-containing gas at 1 to 5 bar pressure.