RU1566883C

RU1566883C - Capacitive temperature-sensitive element of hard-to-reach objects

Info

Publication number: RU1566883C
Authority: RU
Inventors: И.П. Раевский; А.А. Боков; С.М. Емельянов; В.Ю. Шонов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: thermometry. SUBSTANCE: during temperature measurement arranged in object is capsule with crystal Pbln_0,5Nb_0,3O₃ of perovskite modification and temperature-sensitive element is held for time required for determination of its capacitance C. Temperature of object is determined by calibration chart and crystal C after its cooling. Temperature-sensitive element is designed for multiple use under temperatures of 400-1000 C. EFFECT: higher accuracy in temperature measurement. 1 dwg

Description

Изобретение относится к термометрии, в частности к датчикам для бесконтактного измерения температуры деталей машин и других объектов, доступ к которым во время работы затруднен или невозможен, в интервале 400-1000^оС.The invention relates to thermometry, in particular to sensors for non-contact temperature measurement of machine parts and other objects, access to which during operation is difficult or impossible, in the range of 400-1000 ^about C.

Цель изобретения - повышение точности измерения. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement.

На чертеже представлена зависимость емкости С кристалла со структурой перовскита при 200^оС в зависимости от температуры предварительного отжига.The drawing shows the dependence of the capacitance C of the crystal with the structure of perovskite at 200 ^about With depending on the temperature of the preliminary annealing.

Поскольку значение С, характерное для данной температуры отжига, устанавливается в течение определенного времени, для построения кривой, изображенной на чертеже, время отжига выбирается таким, чтобы его дальнейшее увеличение не приводило к изменению С. Это время уменьшается при увеличении температуры отжига и в данных кристаллах составляет при 1000^оС от 1 до 10 мин, при 400^оС 30 ч. и более. Кривая на чертеже служит градуировочным графиком, по которому определяется температура.Since the C value, characteristic for a given annealing temperature, is set for a certain time, to construct the curve shown in the drawing, the annealing time is chosen so that its further increase does not lead to a change in C. This time decreases with increasing annealing temperature in these crystals at 1000 ^about C from 1 to 10 minutes, at 400 ^about 30 hours and more. The curve in the drawing serves as a calibration graph by which the temperature is determined.

Измерение температуры осуществляется следующим образом. На противоположные грани кристалла Рbln_0,5Nb_0,3О₃ наносят металлические электроды (например, путем вжигания платиновой или палладиевой пасты). Затем его помещают в герметичную капсулу (например, в керамическую или платиновую), наполненную порошком РbZrO₃ для предотвращения испарения из кристалла оксида свинца при высоких температурах. Производят градуировку датчика, для чего капсулу с кристаллом изотермически отжигают при нескольких температурах в интервале 400-1000^оС (время отжига должно быть достаточно длительным для того, чтобы значение емкости С успевало установиться). После каждого отжига кристалл извлекают из капсулы, помещают в измерительную камеру, в которой поддерживается заданная температура, и измеряют электрическую емкость. По полученным данным строят кривую зависимости емкости от температуры отжига, которая служит градуировочным графиком.Temperature measurement is as follows. Metal electrodes are applied to opposite faces of the Pbln _0.5 Nb _0.3 O ₃ crystal (for example, by burning platinum or palladium paste). Then it is placed in a sealed capsule (for example, in ceramic or platinum) filled with PbZrO ₃ powder to prevent evaporation of lead oxide from the crystal at high temperatures. Produce calibration sensor, which capsule crystal isothermally annealed at several temperatures in the range 400-1000 ^C. (annealing time should be long enough to ensure that the value of capacitance C can be established). After each annealing, the crystal is removed from the capsule, placed in a measuring chamber in which a predetermined temperature is maintained, and the electric capacitance is measured. According to the data obtained, a curve is constructed of the dependence of the capacitance on the annealing temperature, which serves as a calibration curve.

Для измерения температуры капсулу помещают в место, подлежащее контролю, выдерживают ее при измеряемой температуре в течение времени, необходимого для установления величины С, после охлаждения извлекают кристалл из капсулы, помещают его в измерительную камеру, в которой поддерживается та же температура, что и при градуировке, измеряют величину С и по градуировочному графику определяют температуру. To measure the temperature, the capsule is placed in the place to be controlled, kept at the measured temperature for the time required to establish the value of C, after cooling, the crystal is removed from the capsule, placed in a measuring chamber in which the same temperature is maintained as during calibration , measure the value of C and the calibration curve to determine the temperature.

На величину емкости в диэлектрическом кристалле РbIn_0,5Nb_0,5O₃ влияет степень упорядоченности в расположении атомов I_n и N_b по узлам кристаллической решетки. В используемом кристалле при Т_n = 1010-1020^оС наблюдается фазовый переход, для которого параметром порядка служит величина S. Для любых температур Т > Т_n S= 0 (неизменна) и, следовательно, неизменна величина емкости. Для Т < Т_n равновесное значение S монотонно увеличивается при понижении температуры от S=0 (при T=T_n) до S=1 (при Т=0 К). Однако использование датчика при температуре ниже 400^оС затруднено из-за значительного возрастания времени установления равновесного значения S, изменение которого происходит путем диффузии.The capacitance in the PbIn _0.5 Nb _0.5 O ₃ dielectric crystal is affected by the degree of ordering in the arrangement of I _n and N _b atoms at the sites of the crystal lattice. As used crystal at T _n = 1010-1020 ^{° C,} a phase transition, for which the order parameter is the value of S. For arbitrary temperature T> T _n S = 0 (remains unchanged) and therefore the capacitance value is unchanged. For T <T _{n, the} equilibrium value of S monotonically increases with decreasing temperature from S = 0 (at T = T _n ) to S = 1 (at T = 0 K). However, the use of the sensor at temperatures below 400 ^{° C} is difficult because of the significant increase in time required to establish equilibrium value S, which change takes place by diffusion.

Предлагаемый датчик обеспечивает высокую точность измерения в интервале 400-1000^оС (погрешность при 600^оС составляет 0,8%). Благодаря однозначной (не зависящей от термической предыстории) связи между емкостью датчика и измеряемой температурой не требуется знать форму графика изменения температуры объекта во времени, предшествующем установлению ее измеряемого значения, не требуется измерять емкость датчика до помещения его в термометрируемый объект. В интервале температур 400-800^оС испарения оксида свинца не происходит и кристалл PbIn_0,5Nb_0,5O₃ может быть использован без капсулы с порошком PbZrO₃. При этом масса кристалла составляет 0,001-0,005 г, размеры ≈ 0,5 мм.The proposed sensor provides a high measurement accuracy in the range of 400-1000 ^{° C} (the error at ⁶⁰⁰ ° C is 0.8%). Due to the unambiguous (independent of the thermal history) relationship between the sensor’s capacitance and the measured temperature, it is not necessary to know the shape of the graph of the object’s temperature over time prior to setting its measured value, it is not necessary to measure the sensor’s capacitance before placing it in a thermally measured object. In the temperature range ^of 400-800 C the evaporation of lead oxide does not occur and crystal PbIn _{_0,5} Nb _0,5 O ₃ can be used without the capsules with the powder PbZrO _3. The mass of the crystal is 0.001-0.005 g, dimensions ≈ 0.5 mm.

Предлагаемый датчик рассчитан на многократное использование, он также может быть использован для измерения температуры, которая устанавливается в термометрируемом объекте после прохождения максимума. The proposed sensor is designed for repeated use, it can also be used to measure the temperature, which is set in a thermometerable object after passing the maximum.

Claims

CAPACITIVE TEMPERATURE SENSOR FOR DIFFICULT ACCESSIBLE OBJECTS, comprising a sensing element made of a material with a perovskite structure, equipped with electrodes, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, the sensitive element is made of PbIn _0.5 Nb _0.5 O ₃ crystal.