DE2428333A1

DE2428333A1 - Detektor fuer waermestrahlung

Info

Publication number: DE2428333A1
Application number: DE19742428333
Authority: DE
Inventors: Peter David Southgate
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-06-15
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1975-01-16
Also published as: DE2428333C3; DE2428333B2; JPS5035676A; GB1452666A; CA1012634A; US3842276A

Description

RGA 66.921

U.S. Serial Uo: 370, 479

Piled: June 15,=1973

ECA Corporation lew York, N.Y., 7.St.v.A.

Detektor für Wärmestrahlung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor für Wärmestrahlung und betrifft speziell einen Wärmedetektor zur Erfassung'der Bewegung warmer Körper.

Sogenannte "pyroelektrische"- Materialien sind homogene Stoffe,die so polarisiert werden können, daß sie gegenüber Wärmestrahlung empfindlich sind und eine Spannung liefern, wenn sie einer Temeperaturänderung unterworfen werden. Stoffe mit diesen Eigenschaften sind beispielsweise Polyvinylydenfluorid,- Triglycinsulfat, Triglycinselenat, Triglycinfluorberyllat, Strontiumbariumniobat, Bleizirkonat-Titanat usw. Aus solchen Stoffen hergestellte Wärmefühler haben die angenehme Eigenschaft, daß sie beiZimmer temper atur arbeiten. Sie wären daher gut für Zwecke wie Einbruchmelder, industrielle Kontrollgeräte und andere Überwachungseinrichtungen geeignet. Die Terwendung solcher Materialien als Detektoren für Überwachungseinrichtungen stieß jedoch bisher auf Schwierigkeiten, weil sie den Nachteil haben, auf eine nahegelegene Wärmequelle nur mit einer ziemlich schwachen Spannung zu reagieren, während ihre

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Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der. Umgebungstemperatur relativ groß ist. Ein Detektor in einer Überwachungseinrichtung muß jedoch auf Änderungen der überwachten Wärmestrahlung mit der Erzeugung einer relativ großen Spannung reagieren, während er andererseits im wesentlichen unempfindlich gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur sein muß. Manchmal ist es wünschenswert, die Betriebsweise des Detektors so umzuändern, daß er die Umgebungstemperatur überwacht.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Strahlungsdetektor enthält einen Körper aus strahlungsempfindlichem, homogenem Material mit zwei entgegengesetzten Oberflächen. Auf einer dieser Oberflächen ist eine erste Gruppe beabstandeter paralleler Elektroden angeordnet, und auf der anderen Oberfläche befindet sich eine zweite Gruppe beabstandeter paralleler Elektroden. Jede der Elektroden der einen Gruppe überlappt zwei Elektroden der anderen Gruppe, so daß längs durch den Körper zwischen den Gruppen den Elektroden ein elektrischer Weg gebildet wird, der sich aus hintereinander geschalteten Abschnitten zusammensetzt.

Einzelheiten der E_rfindung werden* nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von. Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsdetektors in perspektivischer Darstellung;

Figur 2 zeigt das Schema eines Überwachungsgeräts, welches eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors enthält;

Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Yf arme Strahlungsfühlers von der Seite.

Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsdetektors ist allgemein mit 10 bezeichnet. Der Detektor 10 besteht aus einer dünnen Platte

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oder lOlie 12 eines strahlungsempfindlichen, homogenen Materials mit zwei entgegengesetzten Oberflächen 14 und 16. Die strahlungsempfindlich^ Platte 12 besteht vorzugsweise aus pyroelektrischem Material wie z.B. Polyvinylydenfluorid, Triglycinsulfat, Strontiumbariumniobat, Bleizirkonat-Titanat oder dergleichen. Auf der Oberfläche 14 der Platte"13 befindet sich eine Gruppe beanstandeter paralleler Elektroden 18a, 18b, 18c, 1.8d und 18e aus einem Metallfilm. Die Elektroden 18a-18e haben gleichmäßigen Abstand voneinander, und die am Rand liegenden Elektroden 18a und 18e sind, wie dargestellt, schmäler als die dazwischen liegenden Elektroden 18b, 18c und T8d. Diese mittleren Elektroden 18b-18d haben jeweils gleiche Breite. Auf der Oberfläche. 16 der Platte 12 befindet sich eine- zweite Gruppe beanstandeter paralleler Metallfilmelektroden 20a, 20b, 20c und 2Od^ Die Elektroden 20a-20d haben gleichen Abstand zueinander und gleiche Breite. Jede der Elektroden 20a-.2Qd-irberlappt zwei der Elektroden 18a-18e. So überlappt die Elektrode 20a die Elektrode 18a und einen Teil der Elektrode 18b. Die Elektrode 20b überlappt jeweils einen Teil der Elektroden 18b und 18c. Die Elektrode 20c überlappt jeweils einen Teil der Elektroden 18c und 18d, und die Elektrode 2Od überlappt die Elektrode 18e und einen Teil der Elektrode 18d.

In dem Detektor 10 bildet jeweils der Teil der Platte 12, der zwischen zwei einander überlappenden Elektroden liegt, ein einzelnes Wärmefühlelement, einen sogenannten Elementarfühler. Da eine Vielzahl solcher überlappender Elektrodenteile vorhanden 1st, wird· eine Vielzahl einzelner Elementarfühler gebildet, die sich im wesentlichen nebeneinander quer über die Platte 12 erstrecken. Obwohl es keine eigentliche physikalische Grenze zwischen den einzelnen Elementarfühlem gibt, sind sie in der Zeichnung durch die Abschnitte 22a bis 22h zwischen den gestrichelten Linien definiert, um die V/irkungsweise des Detektors verdeutlichen zu können. Durch die besondere Anordnung der beiden Elektrodengruppen 18a-18e und

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20a-20d bilden die nebeneinander liegenden Elementarfühler 22a-22h eine Reihenschaltung von der Elektrode 18a zur Elektrode 18e, wie es mit der wellenförmig verlaufenden gestrichelten Linie 24 angedeutet ist.

In Pigur 2 ist ein Überwachungsgerät dargestellt, in welchem eine Ausführungsform des Wärmestrahlungsdetektors 10 verwendet wird. Für das Überwachungsgerät wird die strahlungsempfindliche Platte 12 des Detektors 10 gleichmäßig in einer einzigen Richtung polarisiert, wie es mit den Pfeilen in Pigur 2 dargestellt ist. Bekanntlich erreicht man eine solche Polarisierung der strahlungsempfindlichen Platte 12 dadurch, daß man eine gleichmäßige Spannung zwischen die Oberflächen 14 und 16 legt und die Platte dabei leicht erwärmt. Die Elektrode 18a ist über die Leitung 26 mit Masse verbunden, und die Elektrode 18e ist über eine Leitung 28 mit einer geeigneten (nicht dargestellten) Schaltungsanordnung zur Erfassung des Ausgangssignals des Detektors 10 verbunden. Somit sind die einzelnen Elementarfühl er 22a-22h elektrisch in Reihe zueinander zwischen die Leitungen 26 und 28 geschaltet.

Im Abstand zur Oberfläche 16 des Detektors 10 und parallel zu dieser Fläche erstreckt sich ein G-itter 30. Das G-itter 30 enthält eine Vielzahl beabstandeter paralleler Stäbe 32a-32f, die parallel zu den Elektroden des Detektors 10 verlaufen. Alle Stäbe 32a-32f haben die gleiche Breite wie die Elementarfühler 22a-22h, während der Abstand zwischen den Stäben gleich der Breite der Elementarfühler ist. Das Gitter 30 ist so angeordnet, daß die Stäbe über jedem zweiten der Elementarfühler des Detektors verlaufen. Wie in Pigur 2 zu erkennen ist, verläuft jeder der Stäbe 32b-32e über einem der Elementarfühler 22b, 22d, 22f und 22h.

Da alle Elementarfühl er des Detektors in der selben Richtung polarisiert sind und elektrisch in Reihe zueinander zwischen die Leitungen 26 und 28 geschaltet sind, wird bei einer

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Temperaturänderung der strahlungsempfindlichen Platte 12 an· den Elementarfühlern 22a, 22c, 22e und 22g eine Spannung einer "bestimmten Polarität erzeugt, während an den Elementarfühlern 22b, 22d, 22f und 22h eine Spannung der entgegen gesetzten Polarität erzeugt wird. Wenn also die gesamte strahlungsempfindliche Platte 12 eine gleichmäßige Temperaturänderung erfährt, wie es beispielsweise bei einer Änderung der umgebungstemperatur der Fall ist, dann werden in den Elementarfühlern Spannungen erzeugt, die sich gegenseitig auslöschen. Der Detektor 10 ist daher unempfindlich gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur.

jedoch auf der dem Detektor 10 abgewandten Seite des Gitters ein wärme strahlender Körper vorhanden ist, und wenn sich dieser Körper quer zum Gitter bewegt, dann liefert der Detektor 10 ein Ausgangssignal. Wenn sich z.B. der wärmestrahlende Körper zunächst in einer Position in Richtung der Linien 34-34 befindet, dann gelangt die Wärmestrahlung dieses Körpers längs der Linien 34-34 zum Detektor 10. Der Stab 32d des Gitters 30 hält jedoch einen Teil der Wärmestrahlung ab, so daß nur die Elementarfühler 22e und 22g von der Wärmestrahlung getroffen werden, wodurch sich diese Elementarfühler erwärmen und eine Spannung erzeugen. Y/enn sich der Körper anschließend so bewegt, daß er in die Richtung der Linien 36-36 zu liegen kommt, dann gelangt die 7/armestrahlung des Körpers längs dieser Linien 36-36 zum Detektor 10. Der Stab 32d des Gitters 30 schirmt dann einen Teil der Wärmestrahlung derart ab, daß nur die Elementarfühler 22d und 22f des Detektors 10 von der Wärmestrahlung getroffen werden, wodurch sich diese Elementarfühler erwärmen und eine Spannung erzeugen. Wenn sich der wärmestrahlende Körper aus seiner Position in Richtung der Linien 34-34 in die Position in'Richtung der Linien 36-36 bewegt, wird jedoch die Wärmestrahlung von den Elementarfühlern 22e und 22g fortgenommen. Die beschriebene Bewegung des wärmestrahlenden Körpers führt somit zu einer Abkühlung dieser Elementarfühler 22e und 22g und gleichzeitig zu einer Er-

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wärmung der Elementarfühler 22d und 22f.

Beim Abkühlen der Elementarfühler 22e und 22g wird an ihnen eine Spannung erzeugt, deren Polarität entgegengesetzt gegenüber der Polarität der beim Erwärmen dieser Elementarfünler erzeugten Spannung ist. Vfie oben erwähnt, erzeugen die Elemente 22d und 22f bei Erwärmung ebenfalls eine Spannung, deren Polarität entgegengesetzt der Polarität derjenigen Spannung ist, die an den Elementarfühlern 22e und 22g bei deren Erwärmung erzeugt wird. Das Abkühlen der Elementarfünler 22e und 22g und die Erwärmung der Elementarfühler 22d und 22f führt also an diesen Elementarfühlern zu Spannungen der selben Polarität, so daß der Detektor 10 ein Signal liefert, welches gleich der Zusammenfassung der Spannungen an allen diesen vier Elementen ist. Dieses Ausgangssignal wird von der an die Leitung 28 angeschlossenen Schaltungsanordnung erfaßt und kann dazu herangezogen werden, eine Signalvorrichtung wie zum Beispiel eine Lampe oder ein Alarm einzuschalten.

Wenn sich der Wärmekörper vollständig über die Überwachungseinrichtung bewegt, wird jeder zweite Elementarfühl er erwärmt, während sich die dazwischen liegenden Elementarfühler abkühlen, so daß die Bewegung des warmen Körpers in der oben beschriebenen Vfeise angezeigt wird. ¹HeIm. sich der warme Körper über die (d.h. quer zu der) Überwachungseinrichtung bewegt, werden durch diese Bewegung die zunächst erwärmten Elementarfühler abgekühlt, wodurch sich die Polarität des Ausgangssignals des Detektors 10'umgekehrt. Dies führt zu einem Wechselsignal, welches durch die an den Detektor 10 angeschlossene Schaltungsanordnung von den kontinuierlichen Signalen, die eventuell durch Drift oder Abwanderung hervorgerufen werden, getrennt werden kann. Die den Detektor 10 enthaltende·Überwachungseinrichtung zeigt somit die Bewegung eines warmen Körpers quer zu der Einrichtung und nicht lediglich das Vorhandensein dieses Körpers an. Bei dem "warmen" Körper kann es sich um irgend einen Körper handeln,

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der Wärmeenergie.abstrahlt, zum Beispiel ein Mensch oder ein mechanischer Gegenstand.

In der Figur 3 ist eine andere Auführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsdetektors dargestellt, der insgesamt mit 100 "bezeichnet ist. Der Detektor 100 hat den selben Aufbau wie der Detektor 10, mit der Ausnahme, daß die strahlungsempfindliche Platte 112 derart polarisiert ist, daß die Elementarfühler 122a, 122c, 122e und 122g in der einen Richtung und die Elementarfühler 122b, 122d, 122f und 122h in der entgegengesetzten Richtung polarisiert sind, -wie es mit den Pfeilen in Figur 3 gezeigt ist. Ähnlich wie "bei dem Detektor 10 sind auch die Elementarfühler 122a "bis 122h in Reihe zueinander zwischen der Masseleitung 126 und der Leitung 128 angeordnet, "was mit den Metallfilmelektroden 118a bis 118e auf der Oberfläche 114 und mit den Elektroden 120a bis 12Od auf der Oberfläche 116 der strahlungsempfindlichen Platte erreicht wird. Da abwechselnde Elementarfühler 122a bis 122h in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, hat eine gleichmäßige Erwärmung, aller Elementarfühler zur Folge, daß an allen Elementarfühlern in der elektrischen Reihenschaltung zwischen den Leitungen 126 und 128 Spannungen der selben Polarität erzeugt werden. Bei gleichmäßiger Erwärmung oder Abkühlung der strahlungsempfindlichen Platte 112, wie sie bei einer Änderung der Umgebungstemperatur auftritt, erzeugt der Detektor 100 somit ein Ausgangssignal, welches gleich der Summe der an allen Slementarfühlern erzeugten Spannungen ist. Der Wärmestrahlungsdetektor 100 kann somit dazu vex^wendet werden, entweder die Änderungen der Umgebungstemperatur des Detektors 100 anzuzeigen oder die einfallende Strahlung anzuzeigen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird also ein Detektor, für Wärmestrahlungen mit einer Platte aus wärmeempfindlichen Material geschaffen, worin eine Vielzahl nebeneinanderliegender Warnefühlelemente eine elektrischen Reihenschaltung bilden, so daß der Detektor ein Ausgangssignal liefert,

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welch.es die Summe der Aus gangs signale der einzelnen Fühlelemente ist. Durch. Polarisierung aller dieser Elementarfühler in der selben Richtung und Kombination des Detektors mit einem geeigneten Gritter wird eine Überwachungseinrichtung geschaffen, welche die Bewegung eines warmen Körpers quer zum Detektor anzeigt und unempfindlich gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur ist. Mit Polarisierung abwechselnder Elementarfühler in entgegengesetzten Richtungen kann der Detektor zur Anzeige τοη Änderungen der Umgebungstemperatur verwendet werden.

Obwohl der erfindungsgemäße Wärmedetektor vorstehend anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, die geradlinige parallele Metallfilmelektroden enthalten, können die Elektroden auch als konzentrische Kreise oder Ovale ausgebildet sein, oder sie können ein Muster aus beliebig anders gestalteten Metallbereichen bilden. Ungeachtet der jeweiligen Form der Elektroden sollte jede der auf der einen Oberfläche der strahlungsempfindlichen Platte befindlichen Elektroden zwei Elektroden der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte überlappen, und die Elektroden sollten in einem Muster angeordnet sein, durch welches eine elektrische Reihenschaltung zwischen den Elektroden und durch die Platte hindurch gebildet wird. Falls die Elektroden beispielsweise kreisförmig oder in einem Oval verlaufen, dann sollte ein eventuell (wie oben allgemein beschrieben) verwendetes Gritter entsprechend ausgebildet sein.

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Claims

- Patentansprüche

li.. Detektor für Wärmestrahlung mit einem Körper aus strahlungsempfindlichem Material, der zwei entgegengesetzte Oberflächen aufweist, auf deren einer eine erste Elektrodenanordnung und auf deren anderer eine zweite Elektrodenanordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrodenanordnung aus einer Gruppe beanstandeter Elektroden (I8a bis 18e; 20a bis 2Od) besteht und daß jede Elektrode (z.B. 20a) der einen Gruppe zwei Elektroden (z.B. 18a und 18b) der anderen Gruppe überlappt, um zwischen den Elektrodengruppen eine Reihenverbindung zu schaffen, die längs durch den Körper (12) verläuft.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar sich überlappender Elektroden (z.B. 18a, 20a) im Körper (12) einen einzelnen Elementarfühler (z.B. 22a) bildet, wobei die einzelnen Elementarfühler nebeneinander durch den Körper verlaufen.
3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elektroden in jeder Gruppe ausreichend groß ist, um eine gerade Zahl einzelner Elementarfühler zu bilden. .
4. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) überall in der selben Richtung zwischen den Oberflächen (14, 16) polarisiert ist.
5. Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Abstand zu einer der besagten Oberflächen (16) des Körpers (12) und parallel zu dieser Oberfläche ein Gitter (30) erstreckt, welches eine Vielzahl beabstandeter Stäbe (32a bis 32f) enthält, die parallel zu den auf dem

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Körper befindlichen Elektroden (18, 20") verlaufen.
6. Detektor nach Anspruch 5₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stäbe (32) des G-itters (30) gleich ist der Breite der-von den Elektrodenanordnungen gebildeten Element ar füliler (22) , und daß der Abstand zwischen den Stäben gleich ist der Breite der Elementarfühler.
7. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (32) des G-itters (30) jedem zweiten der Elementarfühler (22) gegenüberliegen.
8. Detektor nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von sich bewegenden Strahlungsquellen eine Einrichtung zur Erfassung oder Abtrennung von V/echselsignalen angeschlossen ist.
9. Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine solche Polarisierung des Körpers (112), daß abwechselnde Elementarfühler (122), die durch Überlappungen der Elektroden (118, 120) gebildet sind, in entgegengesetzten Richtungen zwischen den besagten Oberflächen des Körpers polarisiert sind.
10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodengruppen aus geradlinigen parallelen Elektroden oder aus konzentrischen kreisförmigen oder ovalen Elektroden bestehen.