PL200350B1

PL200350B1 - Ciekłokrystaliczny wskaźnik obecności i/lub wielkości napięcia

Info

Publication number: PL200350B1
Application number: PL358856A
Authority: PL
Inventors: Jan Czyżewski
Original assignee: Abb Spo & Lstrok Ka Z Ogranicz
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2008-12-31
Also published as: PL358856A1; CN1754102A; CN100356180C

Abstract

1. Ciek lokrystaliczny wska znik obecno sci i/lub wielko sci napi ecia zawieraj acy pierwsz a warstw e pod lo zow a z naniesion a na jej powierzchni pierwsz a warstw a przewodz aca, drug a warstw e pod lo zow a równoleg la do pierwszej warstwy pod lo zowej, z na- niesion a na jej powierzchni drug a warstw a przewo- dz aca, zwrócon a w stron e pierwszej warstwy prze- wodz acej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodz acych jest przezroczysta oraz zawieraj acy usytuowan a pomi edzy warstwami pod lo zowymi war- stw e po sredni a, która jest struktur a zawieraj ac a ciek ly kryszta l i zmieniaj ac a w lasno sci optyczne w przemiennym polu elektrycznym, znamienny tym, ze pole powierzchni pierwszej warstwy przewodz acej (2), umieszczonej na pierwszej warstwie pod lo zowej (1) jest od 3 do 100 razy mniejsze od pola powierzchni drugiej warstwy przewodz acej (4), umieszczonej na drugiej warstwie pod lo zowej (5), a do pierwszej warstwy przewodz acej (2) o mniejszym polu powierzchni przy la- czona jest ko ncówka (6), b ed aca elektrycznym wy- prowadzeniem zewn etrznym wy swietlacza. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest ciekłokrystaliczny wskaźnik obecności i/lub wielkości napięcia w przewodach i urządzeniach elektrycznych. Urządzenie znajduje zastosowanie do wskazywania obecności i/lub wielkości przemiennego napięcia, zwłaszcza w instalacjach elektrycznych średniego i wysokiego napięcia. Poprzez umieszczenie wskaźnika w polu elektrycznym wywołanym przez napięcie elektryczne obecne w badanym przewodzie lub badanej części urządzenia, w ciekłokrystalicznym elemencie wyświetlającym wskaźnika wywołuje się wyraźny sygnał optyczny, wskazujący na obecność i/lub wielkość tego napięcia.

Wykorzystanie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych do wykrywania i wskazywania obecności napięcia, znane jest z wielu rozwiązań. Przykładowo w amerykańskim opisie patentowym nr 4 112 361 ujawniony jest woltomierz ciekłokrystaliczny, w którym nematyczny ciekły kryształ umieszczony jest pomiędzy parą półprzeźroczystych elektrod, które naniesione są na powierzchniach polaryzacyjnych płytek substratu. Jedną elektrodę stanowi cienka warstwa rezystywna, a drugą elektrodę warstwa przewodząca. Do obu końców elektrody rezystywnej podłączone jest źródło stałego napięcia, a elektroda przewodząca jest uziemiona. Na powierzchni jednej z płytek polaryzacyjnych umieszczona jest odpowiednia skala wskazująca wielkość mierzonego napięcia pojawiającego się pomiędzy elektrodą z filmem rezystywnym a uziemieniem.

Z innego amerykańskiego opisu patentowego nr 4 786 858 znany jest bezkontaktowy, elektrostatyczny czujnik napięcia występującego na powierzchniach naładowanych elektrycznie. Czujnik zawiera komórkę ciekłokrystaliczną zawierającą dwie elektrody, z których jedna sprzężona jest elektrycznie poprzez kondensator z mechanicznie sterowaną przysłoną z naładowaną powierzchnią, której napięcie ma być mierzone, a druga jest uziemiona. Przysłona jest podłączona do źródła napięcia odniesienia. Dodatkowo, do pierwszej elektrody komórki ciekłokrystalicznej przyłączane jest bezpośrednio napięcie ładowania, aby naładować komórkę do wcześniej określonego napięcia.

Przedstawione urządzenia nie znajdują zastosowania do wykrywania i/lub wskazywania obecności przemiennego napięcia w instalacjach średniego i wysokiego napięcia. W szczególności urządzenie opisane w amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr 4 112 361 nadaje się przede wszystkim do pomiaru napięć stałych, nie większych niż napięcie progowe dla użytej komórki ciekłokrystalicznej. Pomiar napięcia przemiennego przez opisane urządzenie możliwy jest jedynie przy dostarczeniu przemiennego napięcia odniesienia zgodnego w fazie z napięciem mierzonym. Dostarczenie takiego napięcia odniesienia w przypadku układów średniego i wysokiego napięcia byłoby dużym utrudnieniem.

Z kolei urządzenie opisane w amerykańskim opisie patentowym nr 4 786 858 znajduje zastosowanie przede wszystkim do pomiaru stałego napięcia wywołanego przez ładunek elektrostatyczny zgromadzony na fotoczułych elementach urządzeń elektrofotograficznych, tak więc nie jest przewidziane do pomiaru napięcia przemiennego. Ponadto, w urządzeniach średniego i wysokiego napięcia ładunki elektrostatyczne gromadzą się na powierzchni przewodników w sposób niekontrolowany i wykonany przez takie urządzenie pomiar byłby bezwartościowy.

Komórki i wyświetlacze ciekłokrystaliczne różnego typu wykazują bezpośrednią czułość na przemienne napięcie i pole elektryczne. Przyłożenie do elektrod komórki ciekłokrystalicznej napięcia przemiennego przekraczającego określoną wartość progową, powoduje powstanie pola elektrycznego wewnątrz komórki o natężeniu powodującym zmianę jej własności optycznych. Przyłożenie takiego napięcia związane jest również z przepływem przez komórkę prądu elektrycznego o natężeniu zależnym od wielkości przyłożonego napięcia i charakterystyki opornościowo pojemnościowej komórki. W wyświetlaczach ciekłokrystalicznych odpowiednie ukształtowanie elektrod umożliwia przyłączanie napięcia do zlokalizowanych fragmentów komórki i uzyskanie widocznego kontrastu.

Dla typowych komórek ciekłokrystalicznych typu TN (twisted nematic - skręcony nematyk) wartość progowa przemiennego napięcia dla osiągnięcia maksymalnego efektu optycznego wynosi około 2V RMS (RMS - root-mean-square - średnia kwadratowa) przy częstotliwości około 50 Hz. Przy tym progowym napięciu przez komórkę przepływa prąd o natężeniu na jednostkę powierzchni wynoszącym około 1.5 μΑ/cm² RMS. Dla typowych komórek typu PDLC (polymer-dispersed liquid crystal) natężenie odpowiedniego prądu progowego wynosi około 15 μA/cm2 RMS na jednostkę powierzchni przy częstotliwości 50 Hz. Dla wyświetlaczy ciekłokrystalicznych odpowiednie natężenia prądu liczone są na jednostkę powierzchni aktywnej, tj. powierzchni wyświetlanych znaków, liter itp. a nie na jednostkę powierzchni całego wyświetlacza.

PL 200 350 B1

Istnienie wartości progowych napięcia przemiennego dla komórek i wyświetlaczy ciekłokrystalicznych umożliwia wykorzystanie ich do wykrywania obecności przemiennego napięcia w sposób bezkontaktowy. W szczególności, w pobliżu każdego przewodnika podłączonego do przemiennego napięcia istnieje przemienne pole elektryczne, które wiąże się również z przepływem przez powierzchnię przewodnika pojemnościowego prądu elektrycznego. Taki prąd pojemnościowy przepływa w kierunku równoległym do kierunku linii sił pola elektrycznego, a natężenie RMS tego prądu l, mierzone na jednostkę powierzchni S, prostopadłej do kierunku przepływu prądu pojemnościowego, wynosi:

l/S = 2πν εο ε E, gdzie v jest częstotliwością, εο jest przenikalnością elektryczną próżni, ε jest stałą dielektryczną materiału, a E jest wartością RMS natężenia pola elektrycznego.

Taki prąd pojemnościowy może być wykorzystany do wskazywania obecności napięcia będącego jego źródłem poprzez jego bezpośrednie wykorzystanie do zasilania komórki lub wyświetlacza ciekłokrystalicznego, przy czym zmiana własności optycznych komórki lub wyświetlacza wskazują na obecność napięcia przekraczającego określony próg.

W typowych instalacjach średniego i wysokiego napięcia izolowanych powietrzem, natężenie pola elektrycznego powstającego w pobliżu przewodników, będących pod napięciem, wynosi od około 0.5 kV/cm RMS do około 3.0 kV/cm RMS przy częstotliwości wynoszącej 50-60 Hz. Natężenia pól elektrycznych wytwarzanych w ekranowanych urządzeniach, izolowanych dielektrykiem stałym, są znacznie większe i osiągają maksymalnie około 30 kV/cm. Typowe prądy pojemnościowe dla tego zakresu pól elektrycznych i dla ε =1 przedstawione są w tabeli 1.

T a b e l a 1.

E (kV/cm 50 Hz, RMS)	I/S (μΑ/cm² RMS)
0,5	0,014
1,0	0,028
3,0	0,083
5,0	0,139
10,0	0,278
30,0	0,834

Porównanie natężenia tych prądów pojemnościowych, przepływających przez powierzchnię przewodników pod napięciem w systemach średniego i wysokiego napięcia, z wielkościami progowymi natężenia prądu dla wyświetlaczy i komórek ciekłokrystalicznych typu TN oraz PDLC uwidacznia, że, w szczególności dla systemów izolowanych powietrzem, prądy pojemnościowe są zbyt niskie aby było możliwe bezpośrednie wykorzystanie takich wyświetlaczy lub komórek do wskazywania obecności napięcia w takich systemach. Urządzenia z wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi wykorzystujące takie prądy pojemnościowe do wykrywania obecności napięcia muszą zawierać dodatkowe elementy lub układy zwiększające natężenie prądu przepływającego przez wyświetlacz ciekłokrystaliczny.

Z japońskiego opublikowanego zgłoszenia patentowego nr 61-003069 znany jest wyświetlacz wykrywający przewody będące pod napięciem. Urządzenie to przeznaczone jest do wykrywania obecności pola elektrycznego w pobliżu przewodów pod napięciem, przez wykorzystanie napięcia progowego wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Znany wyświetlacz ciekłokrystaliczny z dwiema elektrodami i elementem ciekłokrystalicznym, wyposażony jest w dwie dodatkowe elektrody, z których jedna zamocowana jest do frontowej ściany wyświetlacza, a druga do jego ściany tylnej, przy czym za ścianą tylną uważa się tę ścianę, którą umiejscawia się na powierzchni obiektu przeznaczonego do badania czy występuje w jego bliskim otoczeniu pole elektryczne. Obie elektrody wyświetlacza połączone są elektrycznie z elektrodami dodatkowymi tak, że każda elektroda dodatkowa połączona jest z inną elektrodą wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Dzięki dodatkowym elektrodom, różnica potencjałów wytworzona przez pole elektryczne badanego obiektu pomiędzy obiema elektrodami ciekłokrystalicznego elementu wyświetlacza, przekracza napięcie progowe wyświetlacza. Wówczas, kiedy badany obiekt znajduje się pod napięciem, element ciekłokrystaliczny zawsze prawidłowo wskazuje obecność

PL 200 350 B1 tego napięcia, co obserwowane jest przez okienko wyświetlacza. W przedstawionym rozwiązaniu zwiększenie natężenia prądu przepływającego przez wyświetlacz ciekłokrystaliczny uzyskano przez dołączenie do tego wyświetlacza dodatkowych elektrod.

Istotą ciekłokrystalicznego wskaźnika obecności i/lub wielkości napięcia zawierającego pierwszą warstwę podłożową z naniesioną na jej powierzchni pierwszą warstwą przewodzącą, drugą warstwę podłożową równoległą do warstwy pierwszej, z naniesioną na jej powierzchni drugą warstwą przewodzącą, zwróconą w stronę pierwszej przezroczystej warstwy przewodzącej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodzących jest przezroczysta oraz zawierającego usytuowaną pomiędzy warstwami podłożowymi warstwę pośrednią, która jest strukturą zawierającą ciekły kryształ i zmieniającą własności optyczne w przemiennym polu elektrycznym, jest to, że pole powierzchni pierwszej warstwy przewodzącej, umieszczonej na pierwszej warstwie podłożowej jest od 3 do 100 razy mniejsze od pola powierzchni drugiej warstwy przewodzącej, umieszczonej na drugiej warstwie podłożowej, a do pierwszej warstwy przewodzącej o mniejszym polu powierzchni przyłączona jest końcówka, będąca elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza.

Korzystnie końcówka wyprowadzona na zewnątrz wyświetlacza połączona jest elektrycznie z dodatkową warstwą przewodzącą, umieszczoną na pierwszej warstwie podłożowej z jej przeciwnej strony.

Korzystnie dodatkowa warstwa przewodząca jest przezroczysta.

W drugiej odmianie wykonania wynalazku istotą ciekłokrystalicznego wskaźnika obecności i/lub wielkości napięcia zawierającego pierwszą warstwę podłożową z naniesioną na jej powierzchni pierwszą warstwą przewodzącą, drugą warstwę podłożową równoległą do warstwy pierwszej, z naniesioną na jej powierzchni drugą warstwą przewodzącą, zwróconą w stronę pierwszej warstwy przewodzącej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodzących jest przezroczysta oraz zawierającego usytuowaną pomiędzy warstwami podłożowymi warstwę pośrednią, która jest strukturą zawierającą ciekły kryształ i zmieniającą własności optyczne w przemiennym polu elektrycznym, jest to, że druga warstwa przewodząca, umieszczona na drugiej warstwie podłożowej, podzielona jest na co najmniej dwa segmenty, które nie stykają się ze sobą, podczas gdy pierwsza warstwa przewodząca, umieszczona na pierwszej warstwie podłożowej, jest tak ukształtowana, że pole powierzchni fragmentu pierwszej warstwy przewodzącej, usytuowane w zasięgu rzutu prostokątnego każdego z segmentów drugiej warstwy przewodzącej na płaszczyznę powierzchni pierwszej warstwy przewodzącej, jest od 2 do 200 razy mniejsze od pola powierzchni tego segmentu. Wzajemny stosunek pola powierzchni każdego takiego fragmentu do pola powierzchni odpowiadającego mu segmentu jest różny dla różnych segmentów. Do pierwszej warstwy przewodzącej, która nie jest podzielona na segmenty, przyłączona jest końcówka, będąca elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza.

Korzystnie dodatkowa warstwa przewodząca jest przezroczysta.

Korzystnie stosunek pól powierzchni, obliczony dla kolejnych sąsiadujących ze sobą segmentów zmienia się liniowo, rosnąco lub malejąco.

Alternatywnie stosunek pól powierzchni, obliczony dla kolejnych sąsiadujących ze sobą segmentów zmienia się logarytmicznie, rosnąco lub malejąco.

W trzeciej odmianie wykonania wynalazku istotą ciekłokrystalicznego wskaźnika obecności i/lub wielkości napięcia zawierającego pierwszą warstwę podłożową z naniesioną na jej powierzchni pierwszą warstwą przewodzącą, drugą warstwę podłożową równoległą do warstwy pierwszej, z naniesioną na jej powierzchni drugą warstwą przewodzącą, zwróconą w stronę pierwszej warstwy przewodzącej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodzących jest przezroczysta oraz zawierającego usytuowaną pomiędzy warstwami podłożowymi warstwę pośrednią, która jest strukturą zawierającą ciekły kryształ i zmieniającą własności optyczne w przemiennym polu elektrycznym, jest to, że każda z warstw przewodzących podzielona jest na co najmniej dwa nie stykające się ze sobą segmenty, przy czym segmenty drugiej warstwy przewodzącej, umieszczone na drugiej warstwie podłożowej, ukształtowane są w taki sposób, że jeden segment jest większy od każdego z pozostałych mniejszych segmentów tej warstwy, natomiast segmenty pierwszej z warstw przewodzących, umieszczone na pierwszej warstwie podłożowej, są ukształtowane podobnie do mniejszych segmentów drugiej warstwy przewodzącej. Wzajemne rozmieszczenie segmentów obu przezroczystych warstw przewodzących jest takie, że jeden końcowy segment pierwszej przezroczystej warstwy przewodzącej, który zaopaPL 200 350 B1 trzony jest w końcówkę, będącą elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza, usytuowany jest naprzeciwko fragmentu powierzchni jednego segmentu mniejszego drugiej warstwy przewodzącej, a pozostałe segmenty pierwszej warstwy przewodzącej, z wykluczeniem drugiego końcowego segmentu pierwszej warstwy przewodzącej, usytuowane są kolejno, każdy naprzeciwko fragmentów powierzchni dwóch sąsiednich mniejszych segmentów drugiej warstwy przewodzącej. Drugi końcowy segment pierwszej warstwy przewodzącej, usytuowany jest naprzeciwko fragmentu powierzchni mniejszego segmentu drugiej warstwy przewodzącej oraz naprzeciwko fragmentu powierzchni większego segmentu tej warstwy.

Korzystnie dodatkowa warstwa przewodząca jest przezroczysta.

Korzystnie pole powierzchni kolejnych, sąsiadujących ze sobą fragmentów segmentów pierwszej warstwy przewodzącej, naprzeciwko których usytuowane są segmenty drugiej warstwy przewodzącej zmienia się rosnąco lub malejąco.

W przedstawionych trzech odmianach wynalazku korzystnie w warstwie pośredniej umieszczony jest co najmniej jeden ukształtowany element wypełniający fragment przestrzeni pomiędzy warstwami podłożowymi, który wykonany jest z materiału zasadniczo przezroczystego, w kształcie znaku, litery, cyfry lub ich kombinacji.

Zaletą ciekłokrystalicznego wskaźnika napięcia według wynalazku jest prosta budowa oraz możliwość wytworzenia go znanymi, zoptymalizowanymi metodami służącymi do wytwarzania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. Ponadto wskaźnik charakteryzuje się długim czasem bezawaryjnej pracy, co jest szczególnie istotne w zastosowaniach do układów przesyłowych i rozdzielczych wysokiego i średniego napięcia. Wskaźnik napięcia nie wymaga również zastosowania własnego źródła zasilania. Wskazanie odbywa się jedynie w oparciu o czułość na pole elektryczne, obecne w bezpośredniej bliskości przewodów i urządzeń będących pod napięciem, a jego odczyt może być dokonany nieuzbrojonym okiem z bezpiecznej odległości.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1a przedstawia w widoku z góry, pierwsze wykonanie pierwszej odmiany wskaźnika z końcówką wyprowadzoną na zewnątrz, fig. 1b - wskaźnik z fig. 1a w przekroju wzdłuż linii A-A, fig. 2 - drugie wykonanie pierwszej odmiany wskaźnika z końcówką przyłączoną do dodatkowej warstwy przewodzącej, w przekroju wzdłużnym, fig. 3a - pierwsze wykonanie drugiej odmiany wskaźnika z jedną warstwą przewodzącą podzieloną na segmenty i z końcówką wyprowadzoną na zewnątrz, fig. 3b - wskaźnik z fig. 3a w przekroju wzdłuż linii A-A, fig. 4 - drugie wykonanie drugiej odmiany wskaźnika z jedną warstwą przewodzącą podzieloną na segmenty i z końcówką przyłączoną do dodatkowej warstwy przewodzącej, fig. 5 - pierwsze wykonanie trzeciej odmiany wskaźnika z pierwszą i drugą warstwą przewodzącą podzieloną na segmenty i z końcówką wyprowadzoną na zewnątrz w przekroju wzdłuż linii A-A, fig. 5a - fragment wskaźnika z fig. 5 w przekroju wzdłuż linii B-B, fig. 5b - fragment wskaźnika z fig. 5 w przekroju wzdłuż linii C-C, fig. 6 - drugie wykonanie trzeciej odmiany wskaźnika z fragmentami segmentów o różnych powierzchniach w przekroju wzdłuż linii A-A, fig. 6a - fragment wskaźnika z fig. 6 w przekroju wzdłuż linii D-D, fig. 6b - fragment wskaźnika z fig. 6 w przekroju wzdłuż linii E-E, fig. 7 - trzecie wykonanie trzeciej odmiany wskaźnika z pierwszą i drugą warstwą przewodzącą podzieloną na segmenty i z końcówką przyłączoną do dodatkowej warstwy przewodzącej, fig. 8 - przykład wykonania wskaźnika z końcówką przyłączoną do dodatkowej warstwy przewodzącej, która jest przezroczysta i ze strukturą warstwy pośredniej z nematycznym ciekłym kryształem, fig. 9a - przykład wykonania wskaźnika ze strukturą warstwy pośredniej z ukształtowanym elementem w kształcie znaku, a fig. 9b - wskaźnik z fig. 9a w przekroju wzdłuż linii F-F.

Ciekłokrystaliczny wskaźnik obecności i/lub wielkości wykonany jest w postaci wielowarstwowej płytki, składającej się z pierwszej warstwy podłożowej 1, przylegającej do niej z jednej strony pierwszej warstwy przewodzącej 2, przezroczystej i o określonym polu powierzchni, warstwy pośredniej 3 przylegającej do pierwszej warstwy przewodzącej 2, drugiej warstwy przewodzącej 4, przylegającej do warstwy pośredniej 3 z jej drugiej strony, o polu powierzchni wielokrotnie większym, przykładowo od 3 do 100 razy, korzystnie 30 razy większym od pola powierzchni pierwszej warstwy przewodzącej 2 oraz z drugiej warstwy podłożowej 5. Do pierwszej warstwy przewodzącej 2 o mniejszym polu powierzchni, dołączona jest przewodząca prąd elektryczny końcówka 6, która wyprowadzona jest na zewnątrz, poza obszar powierzchni stykającej się z warstwą pośrednią 3. Końcówka 6 w przykładzie wykonania

PL 200 350 B1 stanowi część pierwszej warstwy przewodzącej 2, która może być wykonana techniką wytrawiania powierzchni. Cała powierzchnia drugiej warstwy przewodzącej 4 znajduje się w obrąbie powierzchni warstwy pośredniej 3.

W drugim wykonaniu wynalazku, przedstawionym na fig. 2 przewodząca prąd elektryczny końcówka 6 wyprowadzona jest na zewnątrz, poza obszar powierzchni styku z warstwą pośrednią 3 i połączona jest elektrycznie za pomocą łącznika 7 z dodatkową, korzystnie przezroczystą warstwą 8, która przylega do pierwszej warstwy podłożowej 1 z jej zewnętrznej strony. W tym wykonaniu wynalazku przewodząca prąd elektryczny końcówka 6 stanowi część warstwy przewodzącej 2 i może być wykonana techniką wytrawiania warstwy przewodzącej.

W drugiej odmianie wykonania wynalazku przedstawionej na fig. 3a, 3b, jedna z warstw przewodzących, oznaczona wcześniej jako druga warstwa przewodząca 4, podzielona jest na segmenty 4a, 4b i 4c, które odizolowane są od siebie za pomocą fragmentów warstwy podłożowej 5 i warstwy pośredniej 3. Pierwsza warstwa przewodząca 2, która jest przezroczysta jest tak ukształtowana, że pole powierzchni jej fragmentu, usytuowane w zasięgu rzutu prostokątnego każdego z segmentów 4a, 4b i 4c na płaszczyznę powierzchni warstwy 2, jest od 2 do 200 razy mniejsze od pola powierzchni każdego z segmentów 4a, 4b i 4c, a wzajemny stosunek pola powierzchni każdego takiego fragmentu, należącego do warstwy przewodzącej 2, do pola powierzchni odpowiadającego mu segmentu 4a lub 4b albo 4c jest różny dla różnych segmentów i tak dobrany, aby wskazywanie natężenia badanego pola elektrycznego lub napięcia odbywało się liniowo lub logarytmicznie, rosnąco lub malejąco. Do przezroczystej, nie podzielonej na segmenty warstwy przewodzącej 2 przyłączona jest końcówka 6 będąca elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza. Podobnie jak w poprzednim wykonaniu wynalazku końcówka 6 stanowi część warstwy przewodzącej 2 i może być wykonana techniką wytrawiania warstwy przewodzącej.

W drugim wykonaniu drugiej odmiany wynalazku, przedstawionym na fig. 4, przewodząca prąd elektryczny końcówka 6 wyprowadzona jest na zewnątrz, poza obszar styku z warstwą pośrednią 3 i połączona jest elektrycznie za pomocą łącznika 7 z dodatkową, korzystnie przezroczystą warstwą 8, która przylega do pierwszej warstwy podłożowej 1 z jej zewnętrznej strony. W tym wykonaniu wynalazku przewodząca prąd elektryczny końcówka stanowi część warstwy przewodzącej 2 i może być wykonana techniką wytrawiania warstwy przewodzącej.

W trzeciej odmianie wykonania wynalazku, przedstawionej na fig. 5, 5a, 5b obie warstwy przewodzące, oznaczone wcześniej jako 2 i 4, podzielone są na taką samą ilość segmentów, przy czym pierwsza warstwa przewodząca jest przezroczysta i podzielona na segmenty 2a, 2b i 2c, a druga warstwa przewodząca podzielona jest na segmenty 4d, 4e i 4f. Segmenty 4d, 4e i 4f drugiej warstwy przewodzącej, ukształtowane są w taki sposób, że jeden większy segment 4f jest większy od każdego z pozostałych mniejszych segmentów 4d i 4e tej warstwy. Segmenty 2a, 2b i 2c pierwszej z warstw przewodzących są ukształtowane podobnie do mniejszych segmentów drugiej warstwy przewodzącej, przy czym wzajemne rozmieszczenie segmentów obu warstw przewodzących jest takie, że jeden końcowy segment 2a pierwszej przezroczystej warstwy przewodzącej zaopatrzony jest w końcówkę 6, będącą elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza i usytuowany jest naprzeciwko fragmentu powierzchni jednego segmentu mniejszego 4d drugiej warstwy przewodzącej. Pozostałe segmenty pierwszej warstwy przewodzącej, z wykluczeniem drugiego końcowego segmentu 2c pierwszej warstwy przewodzącej, usytuowane są kolejno, każdy naprzeciwko fragmentu powierzchni dwóch sąsiednich mniejszych segmentów drugiej warstwy przewodzącej, zaś drugi końcowy segment 2c pierwszej warstwy przewodzącej, usytuowany jest naprzeciwko fragmentu powierzchni mniejszego segmentu 4e drugiej warstwy przewodzącej oraz naprzeciwko fragmentu powierzchni większego segmentu 4f tej warstwy. Przedstawiony w przykładzie wykonania na fig. 5b większy segment 4f ma kształt dużej litery „U”, a segmenty mniejsze 4d i 4e mają kształt prostokątów i rozmieszczone są na warstwie podłożowej 1, pomiędzy ramionami litery „U”.

W innym wykonaniu trzeciej odmiany wykonania wynalazku, przedstawionej w przykładzie wykonania na fig. 6, 6a, 6b większy segment 4g, drugiej warstwy przewodzącej ma kształt prostokąta z wewnętrznym wycięciem w kształcie litery „V”, a segmenty mniejsze 4h i 4i mają kształt zbliżony do trapezów i rozmieszczone są na warstwie podłożowej 5, pomiędzy ramionami litery „V”. Kształt segmentów 2d, 2e, 2f pierwszej warstwy przewodzącej, która jest przezroczysta, w przybliżeniu odpowiada kształtom mniejszych segmentów 4h i 4i drugiej warstwy przewodzącej. Pola powierzchni kolejnych sąsiadujących ze sobą fragmentów segmentów 2d, 2e, 2f, pierwszej warstwy przewodzącej, naprzeciwko których usytuowane są segmenty 4h, 4i, 4g drugiej warstwy przewodzącej zmienia się malejąco.

PL 200 350 B1

W pierwszym i drugim wykonaniu trzeciej odmiany wynalazku, przedstawionych na fig. 5 i 6, przewodząca prąd elektryczny końcówka 6 wyprowadzona jest na zewnątrz, poza obszar powierzchni styku z warstwą pośrednią 3. W trzecim wykonaniu trzeciej odmiany wynalazku przedstawionym na fig. 7 końcówka 6 połączona jest elektrycznie za pomocą łącznika 7 z dodatkową, korzystnie przezroczystą warstwą 8, która przylega do pierwszej warstwy podłożowej z jej zewnętrznej strony. W wykonaniu wynalazku przedstawionym na fig. 7 przewodząca prąd elektryczny końcówka stanowi część warstwy przewodzącej 2 i może być wykonana techniką wytrawiania warstwy przewodzącej.

Figura 8 przedstawia w przekroju poprzecznym przykład praktycznej realizacji wskaźnika według wynalazku z fig. 2.

W przedstawionym wskaźniku warstwy podłożowe 1 i 5 wykonane są ze szkła. Warstwy przewodzące 2 i 4, końcówka 6 oraz dodatkowa warstwa przewodząca 8 są przezroczyste i wykonane są z tlenku indu i tlenku cyny (ITO - indium-tin oxide). Stosunek pól powierzchni warstw 2 i 4 wynosi 1:30, a dodatkowa warstwa przewodząca 8 pokrywa całą powierzchnię warstwy podłożowej 1. Na powierzchni warstw podłożowych 1 i 5 z naniesionymi warstwami przewodzącymi 2 i 4, naniesione są warstwy orientujące 9 i 10 wykonane z poliimidu. Tak wykonane warstwy podłożowe połączone są uszczelką 11 umieszczoną na ich obwodzie, a wnętrze tak utworzonego naczynia wypełnione jest nematycznym ciekłym kryształem tworząc komórkę ciekłokrystaliczną typu TN. Warstwy orientujące 9 i 10 wraz z uszczelką 11 i ciekłym kryształem 16 tworzą warstwę pośrednią 3 wskaźnika. Alternatywnie warstwy podłożowe 15 mogą być wykonane z polimeru, na przykład z poliestru, a warstwę pośrednią wskaźnika 3 może stanowić struktura z ciekłym kryształem w matrycy polimerowej.

Przezroczysta warstwa przewodząca 2 oraz dodatkowa warstwa przewodząca 8 połączone są łącznikiem 7 wykonanym przykładowo z żywicy epoksydowej z wypełniaczem srebrowym.

W celu wykorzystania tak wykonanego wskaźnika do wykrywania napięcia, z możliwością odczytu nieuzbrojonym okiem, przy zewnętrznej powierzchni dodatkowej warstwy przewodzącej 8 umieszcza się polaryzator 12, a przy zewnętrznej powierzchni warstwy podłożowej 5 umieszcza się polaryzator 13 oraz przylegającą do niego warstwę odbijającą światło 14, wykonaną przykładowo z matowej folii metalowej. Wskaźnik umieszcza się w pobliżu badanego przewodu lub urządzenia nie uwidocznionego na rysunku. Jeśli przewód lub urządzenie nie jest pod napięciem powierzchnia wskaźnika widoczna poprzez polaryzator 12 jest jednorodna. Po podłączeniu średniego lub wysokiego napięcia przemiennego do badanego przewodu lub urządzenia, przemienne pole elektryczne E występujące w jego pobliżu, wzbudza przemienny prąd elektryczny przepływający od warstwy przewodzącej 2 poprzez impedancję ciekłego kryształu w obrębie pola powierzchni warstwy przewodzącej 4, warstwę przewodzącą 2, końcówkę 6 i łącznik 7 do warstwy przewodzącej 8. Przykładowo, jeśli pole powierzchni warstwy przewodzącej 4 wynosi 90 cm², a średnia wartość RMS natężenia pola elektrycznego w pobliżu wskaźnika wynosi 3 kV/cm przy częstotliwości 50 Hz, całkowite natężenie prądu przepływającego przez impedancję ciekłego kryształu wynosi około 0,083 μΑ/crm * 90 cm2 = 7,5 μΑ, co na jednostkę pola powierzchni warstwy przewodzącej 2 wynoszącego 3 cm , wynosi 2,5 μA/cm i jest wystarczające do przekroczenia wartości progowej natężenia prądu dla komórki ciekłokrystalicznej typu TN, która typowo wynosi około 1,5 μA/cm2. Wskutek tego następuje zmiana orientacji ciekłego kryształu w obrębie powierzchni warstwy przewodzącej 2 i pojawienie się widocznego gołym okiem znaku w kształcie odpowiadającym kształtowi warstwy przewodzącej 2 sygnalizującego obecność napięcia w badanym przewodzie lub urządzeniu.

W konfiguracji podobnej do tej przedstawionej na fig. 8 jako wskaźnika można użyć również wskaźnika przedstawionego na fig. 4, na fig. 7 lub po dołączeniu do końcówki 6 dodatkowej warstwy przewodzącej, wskaźnika przedstawionego na fig. 9.

W przykładzie zastosowania wskaźnika przedstawionego na fig. 4 i przy zastosowaniu warstw przewodzących 2 i 4 o kształtach przedstawionych na fig. 3, przy zwiększaniu napięcia na badanym przewodzie lub urządzeniu, pojawiają się kolejno widoczne znaki o kształcie fragmentów warstwy przewodzącej 2 leżących naprzeciw segmentów 4c, 4b i 4a warstwy przewodzącej 4, wskazując obecność napięcia na przewodzie lub urządzeniu i jego wielkość zależną od ilości widocznych fragmentów.

W przykładzie zastosowania wskaźnika przedstawionego na fig. 7 i przy zastosowaniu warstw przewodzących 2 i 4 o kształtach przedstawionych na fig. 5, przemienny prąd elektryczny wzbudzający pojawienie się widocznego znaku wskazującego napięcie, przepływa od segmentu warstwy przewodzącej 4f i kolejno naprzemiennie poprzez impedancję ciekłego kryształu i segmenty 2c, 4e, 2b, 4d i 2a, a dalej przez końcówkę 6 i łącznik 7 do dodatkowej warstwy przewodzącej 8. W takiej konfiguracji

PL 200 350 B1 wielkość natężenia prądu na jednostkę powierzchni przepływającej przez ciekły kryształ ulega zwiększeniu, co umożliwia obniżenie progu czułości wskaźnika, przy jednoczesnym uzyskaniu dużego całkowitego pola powierzchni pojawiającego się znaku w stosunku do pola powierzchni całego wskaźnika, co zwiększa jego widoczność z dużej odległości.

W przykładzie zastosowania wskaźnika przedstawionego na fig. 7 i przy zastosowaniu warstw przewodzących 2 i 4 o kształtach przedstawionych na fig. 6, przy zwiększaniu napięcia na badanym przewodzie lub urządzeniu, pojawiają się kolejno widoczne znaki o kształcie fragmentów warstwy przewodzącej 2 leżących w obrębie pokrywania się kolejno segmentów: 4g i 2f; 2f i 4h; 4h i 2e; 2e i 4i; 4i i 2d; wskazując obecność napięcia na przewodzie lub urządzeniu i jego wielkość zależną od ilości widocznych fragmentów.

W przykładzie wykonania wynalazku przedstawionym na fig. 9a i 9b, dotyczącym wszystkich odmian wykonania wskaźnika, w eksperymentalnym wykonaniu wskaźnika według wynalazku, warstwa pośrednia 3 wyposażona jest w ukształtowany element 15 w postaci krzyżyka. Zamiast krzyżyka może być użyty inny znak, litera, cyfra lub ich kombinacja. Element 15 wykonany jest z materiału zasadniczo przezroczystego, o współczynniku załamania bliskim lub równym jednemu ze współczynników załamania ciekłego kryształu.

W przykładzie zastosowania wskaźnika przedstawionego na fig. 9a, 9b i warstwy pośredniej o strukturze przedstawionej na fig. 8, znak w kształcie ukształtowanego elementu 15 jest widoczny niezależnie od wielkości pola elektrycznego w pobliżu wskaźnika, gdyż w przeciwieństwie do otaczającego go ciekłego kryształu, płaszczyzna polaryzacji przechodzącego przez niego światła nie ulega skręceniu. Znak ten przestaje być widoczny w przypadku gdy uszkodzeniu ulegnie jeden z polaryzatorów 12 i 13, na przykład pod wpływem działania zbyt wysokiej temperatury i wilgotności. Podobnie przestaje on być widoczny w przypadku niepożądanej zmiany własności ciekłego kryształu 16 lub spadku wydajności warstw orientujących 9 lub 10. Dzięki temu ukształtowany element 15 służy do ostrzeżenia użytkownika wskaźnika w przypadku nieprzewidzianej utraty funkcjonalności wskaźnika.

Claims

1. Ciekłokrystallcznywskaźnik obecności i/lub wielkości napięcia zawierający pierwszą warstwę podłożową z naniesioną na jej powierzchni pierwszą warstwą przewodzącą, drugą warstwę podłożową równoległą do pierwszej warstwy podłożowej, z naniesioną na jej powierzchni drugą warstwą przewodzącą, zwróconą w stronę pierwszej warstwy przewodzącej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodzących jest przezroczysta oraz zawierający usytuowaną pomiędzy warstwami podłożowymi warstwę pośrednią, która jest strukturą zawierającą ciekły kryształ i zmieniającą własności optyczne w przemiennym polu elektrycznym, znamienny tym, że pole powierzchni pierwszej warstwy przewodzącej (2), umieszczonej na pierwszej warstwie podłożowej (1) jest od 3 do 100 razy mniejsze od pola powierzchni drugiej warstwy przewodzącej (4), umieszczonej na drugiej warstwie podłożowej (5), a do pierwszej warstwy przewodzącej (2) o mniejszym polu powierzchni przyłączona jest końcówka (6), będąca elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza.

2. Wskaźnik według zas1:rz. 1, tym, że końcówka (6) wyprowadzona na zewnątrz wyświetlacza połączona jest elektrycznie z dodatkową warstwą przewodzącą (8), umieszczoną na pierwszej warstwie podłożowej (1) z jej przeciwnej strony.

3. Wskaźnik według zastrz. 2, znamienny tym, że dodatkowa warstwa przewodząca (8) jest przezroczysta.

4. Wskaźnik według 1 albo 2, znamienny tym, że w warstwiepośrednier (3) ny jest co najmniej jeden ukształtowany element (15) wypełniający fragment przestrzeni pomiędzy warstwami podłożowymi (1) i (5), który wykonany jest z materiału zasadniczo przezroczystego, w kształcie znaku, litery, cyfry lub ich kombinacji.

5. Ciekrokrystallcznywskaźnik obecnoścc i/lub wielkości η^|:^ϊ^<3ϊ^ zawierający pierwszą warsswę podłożową z naniesioną na jej powierzchni pierwszą warstwą przewodzącą, drugą warstwę podłożową równoległą do pierwszej warstwy podłożowej, z naniesioną na jej powierzchni drugą warstwą przewodzącą, zwróconą w stronę pierwszej warstwy przewodzącej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodzących jest przezroczysta oraz zawierający usytuowaną pomiędzy warstwami podłożowymi warstwę pośrednią, która jest strukturą zawierającą ciekły kryształ i zmieniającą własności optyczne w przemiennym polu elektrycznym, znamienny tym, że druga warstwa przewodząca (4),

PL 200 350 B1 umieszczona na drugiej warstwie podłożowej (5), podzielona jest na co najmniej dwa segmenty, które nie stykają się ze sobą, podczas gdy pierwsza warstwa przewodząca (2), umieszczona na pierwszej warstwie podłożowej (1) jest tak ukształtowana, że pole powierzchni fragmentu pierwszej warstwy przewodzącej (2), usytuowane w zasięgu rzutu prostokątnego każdego z segmentów drugiej warstwy przewodzącej (4) na płaszczyznę powierzchni pierwszej warstwy przewodzącej (2), jest od 2 do 200 razy mniejsze od pola powierzchni tego segmentu, a wzajemny stosunek pola powierzchni każdego takiego fragmentu do pola powierzchni odpowiadającego mu segmentu jest różny dla różnych segmentów, zaś do pierwszej warstwy przewodzącej (2), która nie jest podzielona na segmenty, przyłączona jest końcówka (6), będąca elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza.

6. Wskaźnik według zastrz. 5, znamienny tym, że końcówka (6) wyprowadzona na zewnątrz wyświetlacza połączona jest elektrycznie z dodatkową warstwą przewodzącą (8), umieszczoną na pierwszej warstwie podłożowej (1) z jej przeciwnej strony.

7. Wskaźnik według 6, znamienny tym, że dodatkowa przewodząca (8) jess przezroczysta.

8. Wskaźnik według zas^z. 5 albo 6, znamiennytym, że stosunek pól ρη^ο^ο/ιοη obllczony dla kolejnych sąsiadujących ze sobą segmentów zmienia się liniowo, rosnąco lub malejąco.

9. Wskaźnik według zas^z. 5 albo 6, znam iennytym, że stosunek pól powier'zchnii obllczony dla kolejnych sąsiadujących ze sobą segmentów zmienia się logarytmicznie, rosnąco lub malejąco

10. Wskaźnik według 5 albo 6, znamienny tym, ze w warstwie pośredniej (3) umieszczony jest co najmniej jeden ukształtowany element (15) wypełniający fragment przestrzeni pomiędzy warstwami podłożowymi (1 i 5), który wykonany jest z materiału zasadniczo przezroczystego, w kształcie znaku, litery, cyfry lub ich kombinacji.

11. Ciekłokrystallczny wskaźnik obecności i/lub wielkości napięcia zawierający pierwszą warstwę podłożową z naniesioną na jej powierzchni pierwszą warstwą przewodzącą, drugą warstwę podłożową równoległą do pierwszej warstwy podłożowej, z naniesioną na jej powierzchni drugą warstwą przewodzącą, zwróconą w stronę pierwszej warstwy przewodzącej, przy czym przynajmniej jedna z warstw przewodzących jest przezroczysta oraz zawierający usytuowaną pomiędzy warstwami podłożowymi warstwę pośrednią, która jest strukturą zawierającą ciekły kryształ i zmieniającą własności optyczne w przemiennym polu elektrycznym, znamienny tym, że każda z warstw przewodzących podzielona jest na co najmniej dwa nie stykające się ze sobą segmenty, przy czym segmenty drugiej warstwy przewodzącej (4), umieszczone na drugiej warstwie podłożowej (5), ukształtowane są w taki sposób, że jeden segment jest większy od każdego z pozostałych mniejszych segmentów tej warstwy, natomiast segmenty pierwszej warstwy przewodzącej (2), umieszczone na pierwszej warstwie podłożowej (1), są ukształtowane podobnie do mniejszych segmentów drugiej warstwy przewodzącej (4), przy czym wzajemne rozmieszczenie segmentów obu warstw przewodzących jest takie, że jeden końcowy segment pierwszej warstwy przewodzącej, który zaopatrzony jest w końcówkę (6), będącą elektrycznym wyprowadzeniem zewnętrznym wyświetlacza, usytuowany jest naprzeciwko fragmentu powierzchni jednego segmentu mniejszego drugiej warstwy przewodzącej (4), a pozostałe segmenty pierwszej warstwy przewodzącej (2), z wykluczeniem drugiego końcowego segmentu pierwszej warstwy przewodzącej (2), usytuowane są kolejno, każdy naprzeciwko fragmentów powierzchni dwóch sąsiednich mniejszych segmentów drugiej warstwy przewodzącej (4), zaś drugi końcowy segment pierwszej warstwy przewodzącej (2), usytuowany jest naprzeciwko fragmentu powierzchni mniejszego segmentu drugiej warstwy przewodzącej (4) oraz naprzeciwko fragmentu powierzchni większego segmentu tej warstwy.

12. Wskaźnikwedługzasttz. jO, znamiennytym, że końcówkaj6) wyprowaddona na zewnąttz wyświetlacza połączona jest elektrycznie z dodatkową warstwą przewodzącą (8), umieszczoną na pierwszej warstwie podłożowej (1) z jej przeciwnej strony.

13. Wskaźnik według zasttz. 12, znamienny tym, że dodatkowa warstwa (8) jest przezroczysta.

14. Wskaźnik według 11 albo 12, tyrn, ze pole powierzchni kolejnych, sąsiadujących ze sobą fragmentów segmentów pierwszej warstwy przewodzącej (2), naprzeciwko których usytuowane są segmenty drugiej warstwy przewodzącej (4) zmienia się rosnąco lub malejąco.

15. W^ł^^^r^i^w^c^łL^cjz^^tr^. Ί0 albo Ί1, znamienny tym, ze w warstwiepośredniej j3) uzoczony jest co najmniej jeden ukształtowany element (15) wypełniający fragment przestrzeni pomiędzy warstwami podłożowymi (1 i 5), który wykonany jest z materiału zasadniczo przezroczystego, w kształcie znaku, litery, cyfry lub ich kombinacji.