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Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Fühler zum Erzeugen
eines temperaturabhängigen elektrischen Signals.
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Eine derartige Anordnung ist zum Messen und/oder Steuern der
Temperatur in einem Raum verwendbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Anordnung zu schaffen, die sich insbesondere zum Verwenden bei verhältnismäßig
niedrigen Temperaturen eignet, bei denen manche Werkstoffe supraleitend sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßfühler eine dünne Schicht eines supraleitenden Werkstoffs
umfaßt, dessen Zusammensetzung sich über die Schichtdicke allmählich ändert, wobei
die Dicke des supraleitenden Teils der Schicht temperaturabhängig und die Schicht über
Elektroden mit einem Elektronikkreis zum Messen des kritischen Stroms in der Schicht
und zum Verarbeiten des im Meßfühler erzeugten Signals elektrisch verbunden ist.
Beispiele supraleitender Werkstoffe, die in dünnen Schichten mit einer sich allmählich
über die Schichtdicke ändernden Zusammensetzung erhältlich sind, und Verfahren zum
Erhalten derartiger Werkstoffe werden in der früheren niederländischen
Patentanmeldung 8701788 (PHN 12.209) beschrieben. Da sich die
Schichtzusammensetzung über ihre Dicke ändert, wird die Schicht bei einer
vorgegebenen Temperatur in einem Teil ihrer Dicke supraleitend sein. Wenn die
Temperatur weiter sinkt, vergrößert sich die Dicke der supraleitenden Schicht. Da die
kritische Stromstärke, bei der der supraleitende Zustand entfernt wird, proportional der
Dicke der supraleitenden Schicht ist, ist diese Stromstärke ein Maß für die
Temperaturen des Fühlers. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Messung
der kritischen Stromstärke oder die Erzeugung eines von der kritischen Stromstärke
abhängigen Signals, das eine Einrichtung zum Beeinflussen der Temperatur steuert.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, mit dem die
Fühlertemperatur meßbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronikkreis eine
steuerbare Stromquelle sowie einen Meßkreis zum Messen der elektrischen Spannung
zwischen den Fühlerelektroden und zum Ausgeben eines Steuersignals zur Stromquelle
derart enthält, daß der von der Stromquelle gelieferte Strom ansteigt, wenn die
gemessene Spannung gleich Null ist, und absinkt, wenn die gemessene Spannung den
Nullwert überschreitet.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, mit dem die
Temperatur in einem gekühlten Raum auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden
kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronikkreis eine Stromquelle sowie einen
Meßkreis zum Messen der elektrischen Spannung zwischen den Fühlerelektroden und
zum Ausgeben eines Steuersignals an einen Heizkreis enthält, der ein Heizelement
umfaßt, das sich zusammen mit dem Meßfühler in einem gekühlten Raum befindet,
wobei das Steuersignal dafür sorgt, daß dem Heizelement ein elektrischer Strom
zugeführt wird, wenn die gemessene Spannung gleich Null ist, und daß das Heizelement
abgeschaltet wird, wenn die gemessene Spannung den Nullwert überschreitet. Unter
einem gekühlten Raum sei in diesem Zusammenhang ein Raum zu verstehen, der mit
einem System in Wärmekontakt steht, das dem Raum Wärme entzieht.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem kein getrennter Kreis zum
Erzeugen von Strom für das Heizelement erforderlich ist, ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Heizelement mit der Stromquelle und dem Meßfühler in Reihe geschaltet ist,
wobei die Stromquelle einen Teil sowohl des Elektronikkreises als auch des Heizkreises
bildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit weiteren
Einzelheiten anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführung eines Fühlers, der sich
für die erfindungsgemäße Anordnung eignet,
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer möglichen Änderung in der
Werkstoffzusammensetzung abhängig von der Stelle in einer Schicht des Fühlers nach
Fig. 1,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung eines möglichen Zusammenhangs
zwischen der kritischen Temperatur und der Werkstoffzusammensetzung im Fühler nach
Fig. 1,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung eines möglichen Zusammenhangs
zwischen der kritischen Stromstärke und der Temperatur des Fühlers nach Fig. 1,
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Fig. 5 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Anordnung,
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Fig. 6 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels, und
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Fig. 7 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Fühler enthält ein Substrat 1,
beispielsweise aus Saphir (Aluminiumoxid), auf dem eine Schicht 3 aus LaMeCuO&sub4;
durch Aufdampfen angebracht ist, in der Me aus Ca, Sr und Ba gewählt wird. Auf
dieser Schicht wird eine La&sub2;CuO&sub4;-Schicht ebenfalls durch Aufdampfen angebracht. Wie
bereits in der schon genannten früheren niederländischen Patentanmeldung 8701788
(PHN 12.209) beschrieben, wurde eine Festkörper-Diffusionsreaktion durch Heizen der
auf diese Weise geformten Baueinheit durchgeführt, in der zwischen den beiden
Schichten 3 und 5 eine Schicht 7 mit der Zusammensetzung La2-xMexCuO&sub4;gebildet
wird, worin x von der Spitze abwärts von 0 nach 1 allmählich ansteigt. Die mögliche
Änderung von x abhängig vom Abstand t zur oberen Fläche der Schicht 7 ist in Fig. 7
graphisch dargestellt.
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Die Schichten werden darauf unter einem Winkel an zwei einander
gegenüberliegenden Enden an Erde gelegt, um die mittlere Schicht 7 zugänglich zu
machen. Goldelektroden 9 werden durch Aufdampfen auf den auf diese Weise
gebildeten geneigten Flächen angebracht, mit denen Verbindungsdrähte (nicht
dargestellt) auf eine bei der Herstellung integrierter Schaltungen herkömmliche Weise
verbindbar sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, die mittlere Schicht auf eine
andere Weise zugänglich zu machen,indem die Elektroden 9 beispielsweise durch
Anbringen von Kratzern in der oberen Schicht 5 vorgesehen werden.
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Unter einer vorgegebenen Temperatur besitzt die Schicht 7 supraleitende
Eigenschaften. Diese kritische Temperatur Tc ist von der Schichtzusammensetzung und
somit von dem Wert von x abhängig. In Fig. 3 ist die Änderung von Tc abhängig von x
für den Fall dargestellt, in dem für das Metall Me Strontium gewählt wird. In diesem
Fall hat Tc höchstens einen Wert von nahezu 40 K, wenn x = 0,2 ist. Für andere Werte
von x ist Tc niedriger. Da x sich über die Dicke der Schicht 7 allmählich ändert, wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist nur ein sehr dünner Teil der Schicht 7 bei 40 K
supraleitend. Wenn die Temperatur entsprechend niedriger wird, vergrößert sich die
Dicke des supraleitenden Teils, weil in diesem Fall Teile, in denen x geringfügig von
0,2 abweicht, gleichfalls supraleitend wird.
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Der Höchststrom, den eine supraleitende Schicht ohne Verlust seiner
supraleitenden Eigenschaften führen kann, ist von der Dicke dieser Schicht abhängig.
Wenn nach obiger Beschreibung die Dicke der supraleitenden Schicht bei fallender
Temperatur größer wird, steigt auch der Wert der kritischen Stromstärke an. Die
Änderung der kritischen Stromstärke Ic abhängig von der Temperatur T ist in Fig. 4
graphisch dargestellt. Durch die Messung des kritischen Stroms des beschriebenen
Fühlers läßt sich die Fühlertemperatur und damit beispielsweise die Temperatur eines
Raums, in dem sich der Fühler befindet, oder eines Gegenstand messen, mit dem der
Fühler in Wärmekontakt steht.
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Die genaue Änderung von Ic abhängig von T ist selbstverständlich von
den Werkstoffen, aus denen der Fühler hergestellt ist, und von den Eigenheiten des
Herstellungsverfahrens abhängig. Beispiele mehrerer nützlicher Zusammensetzungen
und Herstellungsverfahren sind in der früheren niederländischen Patentanmeldung
8701788 (PHN 12.209) beschrieben.
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In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Ausführung einer Anordnung zum
Temperaturmessen durch Bestimmen der kritischen Stromstärke eines Fühlers vom Typ
nach Fig. 1 dargestellt. Der Fühler befindet sich in einem mit strichpunktierten Linien
angegebenen Raum 13, dessen Temperatur zu messen ist. Die Elektroden 9 des Fühlers
11 sind mit einem Elektronikkreis verbunden, der eine steuerbare Stromquelle 14 zum
Liefern von Strom zum Fühler und einen Meßkreis 15 zum Messen der Spannung
zwischen den Elektroden enthält. Wie mit der gestrichelten Linie 17 angegeben, liefert
der Meßkreis 15 ein Steuersignal, das die Stromquelle 14 steuert. Der Meßkreis 15
kann beispielsweise einen Schwellendiskriminator enthalten, der eine erste Spannung
liefert, wenn die Spannung zwischen den Elektroden 9 den Nullwert überschreitet, und
eine zweite Spannung liefert, wenn die Spannung an den Elektroden gleich Null ist. Die
Stromquelle 14 ist derart ausgelegt, daß im einen Fall der gelieferte Strom absinkt und
im anderen Fall der Strom ansteigt. Dadurch stellt sich der Strom derart ein, daß die
Schicht 7 des Fühlers 11 ständig zwischen dem supraleitenden Zustand und dem nicht
supraleitenden Zustand hin und her geht. Das bedeutet, daß der eingestellte Strom im
wesentlichen gleich dem kritischen Strom Ic ist. Die Temperatur des Fühlers und daher
des Raumes 13 ist aus der graphischen Darstellung ablesbar, die mit dem betreffenden
Fühler vom Typ nach Fig. 4 verknüpft ist. Der Strom kann an einem Amperemeter 19
abgelesen werden, das mit der Stromquelle 14 und mit dem Fühler 11 in Reihe
geschaltet und vorzugsweise mit den Temperatureinheiten kalibriert ist, so daß sich eine
Umsetzung über die graphische Darstellung nach Fig. 4 erübrigt.
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In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführung einer
Anordnung zum Kontrollieren der Temperatur mit einem Fühler vom Typ nach Fig. 1
dargestellt. Auch in diesem Fall befindet sich der Fühler in einem mit einer
strichpunktierten Linie angegebenen Raum 13, wobei er beispielsweise in einem mit
flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostat (nicht dargestellt) angebracht ist. Die Elektroden
9 des Fühlers 11 sind mit einem Elektronikkreis verbunden, der einerseits eine
voreingestellte Stromquelle 21 zum Liefern von Strom zum Fühler und andererseits
einen Meßkreis 23 enthält, der von nahezu demselben Typ wie der in der Anordnung
nach Fig. 5 benutzten Meßkreis 15 sein kann. Neben dem Fühler 11 enthält der Raum
13 noch ein Heizelement 25 (beispielweise einen Widerstand), das ein Teil eines
Heizkreises ist, der außerdem eine Spannungsquelle 27 und einen Schalter 29 enthält.
Der Meßkreis 23 erzeugt ein Steuersignal, das, wie mit der gestrichelten Linie 31
schematisch dargestellt, den Schalter 29 steuert, der zum Beispiel ein Transistor sein
kann. Wenn die Spannung zwischen den Elektroden 9 des Fühlers 11 gleich Null ist,
erzeugt der Meßkreis 23 ein erstes Steuersignal, das den Schalter 29 schließt, so daß die
Spannungsquelle 27 einen elektrischen Strom zum Heizelement ausgibt, wodurch der
Raum 13 geheizt wird. Der Fühler 11 folgt der Temperatur des Raums 13 und dadurch
geht die Schicht 7 in den nicht supraleitenden Zustand über, wenn die Temperatur auf
einen Wert angestiegen ist, bei dem die kritische Stromstärke Ic der voreingestellten
Stromstärke der Stromquelle 21 entspricht. Die Spannung zwischen den Elektroden 9
überschreitet dabei den Nullwert und der Meßkreis 23 liefert ein zweites Steuersignal,
das den Schalter 29 öffnet, so daß das Heizelement 25 abgeschaltet wird. Durch das
Erkalten sinkt wieder die Temperatur im Raum 13, bis die Schicht 7 des Fühlers erneut
in den supraleitenden Zustand kommt. Die Temperatur des Raumes 13 schwankt dabei
um einen Wert herum, der durch den Wert des Stroms aus der Stromquelle 21 geliefert
wird. Durch unterschiedliches Einstellen der Stromquelle 21 läßt sich daher die
Temperatur des Raumes ändern.
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In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer zweiten, vereinfachten Ausführung
zum Kontrollieren der Temperatur mit einem Fühler vom Typ nach Fig. 1 dargestellt.
Der Fühler 11 ist wieder in einem gekühlten Raum 13 angeordnet, der mit
strichpunktierten Linien angegeben ist. Die Elektroden 9 des Fühlers 11 sind mit einem
Elektronikkreis verbunden. Dieser Kreis enthält einerseits die voreingestellte
Stromquelle 21 und das Heizelement 25, das ebenfalls im Raum 13 angeordnet ist, und
dabei sind die Stromquelle und das Heizelement in diesem Fall mit dem Fühler in Reihe
geschaltet. Zum anderen enthält der Elektronikkreis den Meßkreis 23, der die Spannung
zwischen den Elektroden 9 mißt und ein von der Spannung abhängiges Steuersignal
erzeugt, das einen Schalter 33 betätigt, der, wie mit den gestrichelten Linien 31
angegeben, mit dem Heizelement parallelgeschaltet ist. In dieser Ausführungsform sind
der Meßkreis 23 und der Schalter 33 derart ausgelegt, daß der Schalter geschlossen ist,
wenn die Spannung zwischen den Elektroden 9 den Nullwert überschreitet, während der
Schalter geöffnet ist, wenn diese Spannung gleich Null ist. Dadurch wird erreicht, daß
der in der Stromquelle 21 erzeugte Strom das Heizelement 25 durchfließt, wenn die
Schicht 7 des Fühlers 7 supraleitend ist, und daß das Heizelement 25 vom Schalter 33
kurzgeschlossen wird, wenn diese Schicht nicht supraleitend ist. Dadurch stellt sich die
Temperatur des Raumes 13 erneut ein, so daß die Temperatur der Schicht 7 um einen
Wert herum schwankt, der mit einer kritischen Stromstärke Ic verknüpft ist, die im
wesentlichen gleich der von der Stromquelle 21 gelieferten Stromstärke ist. Das
Ergebnis ist gleich dem der Ausführungsform nach Fig. 6, aber die Anordnung ist
einfacher, weil die getrennte Spannungsquelle 27 zum Beliefern des Heizelements 25
ausgelassen ist. Ihre Aufgabe wird von der Stromquelle 21 übernommen, die ein Teil
sowohl des Elektronikkreises als auch des Heizkreises ist.