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T emp eraturanz eig evorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturanzeige mittels
in Mikrokaps eln eingeschlossenen C hole sterinflü s s igkristallen mit einer Mehrzahl
von Feldern aus Flüssigkristallen unterschiedlicher Zusammensetzungen und Abmessungen,
die nebeneinander auf einer Trägeroberfläche angeordnet sind und jeweils einem bestimmten
Temperaturbereich entsprechen, wobei diese Flüssigkristalle auf der Trägeroberfläche
in einem Bindemittel- und W eichmacherg emis ch suspendiert sind.
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Es ist seit langem bekannt, dass Flüssigkristalle des Cholesterintyps
bemerkenswerte optische Eigenschaften aufweisen. Ihr Drehvermögen
ist
beträchtlich und sie reflektieren u. a. kreispolarisiertes Licht. Darüberhinaus
hängen die reflektierten Wellenlängen von der Temperatur ab. Deswegen reagieren
Cholesterinflüssigkristalle auf Temperaturänderungen, indem sie nacheinander alle
Farben des sichtbaren Spektrums von Rot bis Violett durchlaufen.
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Diese Farbänderungen können sowohl Bruchteilen von Graden als auch
mehreren Graden entsprechen je nach der Art oder den Arten von Cholesterinestern
oder anderen eingesetzten Produkten. Diese Erscheinung der Farbänderung ist reversibel
und tritt in einem Temperaturbereich zwischen -20°C und 250°C auf. Weil jedoch die
von den Flüssigkristallen abgestrahlten Farben nur einen Teil des einfallenden Lichtes
darstellen und das übrige einfallende Licht von den Flüssigkristallen durchgelassen
wird, ist es notwendig, als Träger für die Flüssigkristalle einen schwarzen, absorbierenden
Boden zu verwenden um die Reflexion des durchfallenden Lichtes zu verhindern und
dadurch die saubere Trennung der von den Flüssigkristallen abgestrahlten Farben
bzw. der reflektierten Wellenlängen zu begünstigen.
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Die Verwendung flüssiger Cholesterinkristalle ist jedoch mit gewissen
Schwierigkeiten verbunden, die sich aus ihrem viskosen Zustand ergeben. Insbesondere
ihre Fliesstendenz kann Veränderungen in der Stärke der Schicht hervorrufen, die
auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht ist, wodurch die einwandfreie Wiedergabe
des thermischen Diagrammes beeinträchtigt werden kann. Auch ihre grosse Empfindlichkeit
gegen äussere Einflüsse kann zur Veränderung ihrer Eigenschaften führen. Deswegen
wurde schon vorgeschlagen, die flüssigen Kristalle einzukapseln. Diese in Mikrokapseln
eingeschlossenen Chole sterinflüs sigkristalle bieten gegenüber den nicht eingekapselten
Flüssigkristallen den Vorteil, dass sie gegen äussere Einflüsse widerstandslähiger
sind
und eine reversible Temperaturabhängigkeit über sehr lange Zeiten aufweisen.
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So ist eine temperatur empfindliche Anzeigevorrichtung bekannt, die
Kombinationen von in Mikrokapseln eingeschlossenen Flüssigkristallen unterschiedlicher
Abmessungen und Zusammensetzungen aufweist, die in einem filmbildenden Bindemittel
verteilt sInd. Dabei entspricht die Zusammensetzung einer bestimmten Schicht eingekapselter
Flüssigkristalle einer bestimmten Temperatur und verfärbt sich, sobald diese Temperatur
erreicht ist. Das Bindemittel, in welchem die Ester oder Estermischungen des Cholesterins
verteilt sind, besteht dabei aus Polyvinylalkohol mit Glyzerin als Weichmacher und
einem Befeuchtungsmittel. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese bekannte
Ausführungsform keine ausreichend scharfe und genaue Sichtbarmachung der Farbänderungen
bei den Aenderungen der Temperatur zu stände gestattet.
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Zur Verbesserung der Genauigkeit in der Sichtbarmachung dieser Farbänderungen
in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ist auch schon vorgeschlagen worden, wässrige
Suspensionen von Cholesterinflüssigkristalle enthaltende Mikrokapseln zu verwenden,
die darüberhinaus noch folgende Bestandteile enthalten, bezogen auf das Gewicht
der Suspension 0,2 bis 2 7o eines Konservierungs- und Gerbmittels, wie beispielsweise
Formaldehyd, 2 bis 20 % eines Klebmittels und bzw. oder eines gelbildenden Produktes,
wie beispielsweise Senegalgummi oder Albumin, 3 bis 30 7o eines Weicllmachersa wie
beispielsweise Polyvinylalkohol, Polymethylmethacrylatpolyoxyd od. dgl., 0, 5 bis
5 7o eines Fluoreszenzmittels, wie beispielsweise Eosin.
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Die Aufbringung derartiger Suspensionen auf die Oberflächen geeigneter
Träger gestattet die Herstellung einer sog. thermischen Karte, wobei ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen den Temperaturen und den von den Flüssigkristallen reflektierten
Farben besteht. Der Betrachter kann jedoch gleichwohl keinen ausreichend feinen
Unterschied zwischen den beobachteten Farben und der abgelesenen Temperatur gegenüber
den benachbarten Abweichungen ausmachen, um eine Temperaturablesung auf etwa ein
halbes Grad zu ermöglichen.
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Zweck der Erfindung ist daher die Schaffung einer Temperatur anzeige
mittels in Mikrokaps eln eing e s chlo s s enen Chole sterinflüs sigkristallen,
die besser als die bisher bekannten Ausführungen den Erfordernissen der Praxis entspricht,
insbesondere das Ablesen der Temperaturen von zu messenden Medien oder Produkten
mit grösserer Genauigkeit zu gestatten, ferner mit einer sehr grossen Genauigkeit
sehr kleine Temperaturunterschiede auseinander zu halten und die Ablesung der gemessenen
Temperaturen unter einem monochromatischen Licht zu ermöglichen.
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Eine solche Temperaturanzeige mittels in Mikrokapseln eingeschlossenen
Cholesterinflüssigkristallen der eingangs erwähnten Art ist hierzu erfindungsgemäss
dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristalle sowie die diese Flüssigkristalle
enthaltenden Mikrokapseln und die optischen Bindemittel, in denen letztere suspendiert
vorliegen, so ausgewählt sind, dass deren entsprechende Brechungsindices möglichst
nahe beieinander liegen.
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Durch die Auswahl der in Mikrokapseln eingeschlossenen Flüssigkristalle,
der Mikrokapseln und der optischen Bindemittel, deren
Brechung sindic
es möglichst nahe beieinanderliegen, vermeidet man nämlich Verluste wegen schädlicher
Brechungen und Streuungen und erhält auf diese Weise eine sehr grosse Ablesegenauigkeit
bis zu einem halben Grad und selbst noch genauer.
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Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemässen
Temperaturanzeige sind die optischen Bindemittel gefärbt, um eine optimale optische
Ablesungsgenauigkeit in dem Temperaturbereich zu gewährleisten, innerhalb welchem
die Ablesung erfolgt.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemässen
Temperaturanzeige sind die verwendeten optischen Bindemittel aus elektrisch leitenden
Bindemittetausgewählt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemässen
Temperaturanzeige sind die Brechungsindices so aufeinander abgestimmt, dass bei
in Mikrokapseln eingeschlossenen Flüssigkristallen mit einem Brechungsindex zwischen
1, 7 und 1,9 das Material der Mikrokapselwandungen einen Brechungsindex zwischen
1, 68 und 1, 95 und die optischen Bindemittel einen Brechungsindex zwischen 1,6
und 2 aufweisen.
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Durch geeignete Kombination der optischen Eigenschaften der Bestandteile
der Temperaturanzeige gemäss der Erfindung erhöht man in einem beträchtlichen Ausmass
und vorher nie erreichter Weise die Genauigkeit der Uebereinstimmungen zwischen
Temperaturen und Farben. Man erzielt ferner eine ausserordentlich genaue und zuverlässige
Temperaturkontrolle, welche sowohl in der Medizin als auch in zahlreichen Industrien
praktisch verwendbar ist, insbesondere in
der mechanischen, metallurgischen
oder elektronischen Industrie zur Aufstellung sehr genauer "thermischer Karten"
sowie in der Dekoration, dem Anzeige-, Reklamewesen usw.
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Ausser den vorstehend erwähnten Ausführungsmöglichkeiten umfasst die
Erfindung auch noch andere Ausführungsformen, die sich aus der nachfolgenden Beschreibung
ergeben.
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Die Erfindung betrifft ganz besonders Temperaturanzeigesysteme unter
Verwendung von in Mikrokapseln eingeschlossenen Flüssigkristallen entsprechend den
vorstehend genannten Ausbildungen sowie Herstellungsverfahren hierfür, zu messende
Medien oder Produktesdie in irgendeiner Weise hiermit verbunden sind, und Geräte,
welche diese Systeme enthalten.
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Die Erfindung wird näher erläutert mit der nachfolgenden Beschreibung
von praktischen Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemässen Temperaturanzeige.
Diese Beispiele dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und stellen keinerlei
Begrenzung dar.
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Beispiel 1 Die Temperaturanzeige nach diesem Beispiel dient zur Bestimmung
eines Temperaturbereiches zwischen 6 und 18°C. Sie besteht aus sechs aufeinander
abgestimmtnBestandteilen,von denen jeder in Mikrokapseln eingeschlossene Flüssigkristalle
enthält, deren Zusammensetzung und bzw. oder Abmessungen einem Temperaturunterbereich
innerhalb des genannten Temperaturbereichs entsprechen.
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Die aufeinander abgestimmten Bestandteile bestehen aus Suspensionen
der Art, wie sie bereits eingangs erwähnt sind.
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Die sechs Arten von Flüssigkristallen, die in die Suspensionen eingebracht
werden und hier 40% Feststoff ausmachen, werden im Handel angeboten, und zwar von
der NATIONAL GASH REGISTER Cy. unter den Bezeichnungen R8, Rlo, R12, R14> R16>
R18 und dem allgemeinen Namen 'tCHAMELEON" (Katalog APPLETON PAPER DIVISION). Die
Brechungsindices dieser sechs Arten sind die folwenden: Produkt Brechungsindex (#5%)
R8 1,9 R10 1,89 R12 1, 94 R14 1, 93 R16 1, 72 R18 1, 87 Die Gelatine der Mikrokapselwandungen
für diese Flüssigkristalle besitzt im Rahmen der Erfindung einen Breshungsindex,
welcher gleich 1, 87 ist.
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Das optische Bindemittel, in welchem die in Mikrokapseln eingeschlossenen
Flüssigkristalle dispergiert sind, besitzt in vorteilhafter Weise in gleichem Fall
einen Brechungsindex, welcher gleich 1,9 ist. In diesem Beispiel besteht das optische
Bindemittel aus einem Polyvinylalkohol mit einem Brechungsindex von 1, 9, welcher
im Handel unter der Bezeichnung "RHODOVIOL DS 125" erhältlich ist.
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Beispiel 2 Die Temperaturanzeige nach diesem Beispiel ist für einen
Temperaturbereich zwischen 22 und 300C bestimmt.
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Sie besteht aus drei aufeinander abgestimmten Bestandteilen, von denen
jeder in Mikrokapseln eingeschlossene Flüssigkristalle enthält, deren Zusammensetzung
und bzw. oder Abmessungen einem Temperaturunterber eich innerhalb des erwähnten
Temperaturb er eiches entspricht.
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Die aufeinander abgestimmten Bestandteile bestehen aus Suspensionen
der Art, wie sie bereits eingangs erwähnt sind.
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Die drei Arten von Flüssigkristallen5 welche in diese Suspensionen
einzubringen sind, werden im Handel von der NATIONAL CASH REGISTER Cy. unter den
Bezeichnungen W20, W25 und W30 angeboten.
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Ihre Brechungsindices sind folgende Produkt Brechungsindices (- 5%)
W20 1, 87 W25 1 70 W30 1, 90 Die Mikrokapselwandungen, welche die Flüssigkristalle
gemäss der Erfindung enthalten, bestehen aus Gelatine und ihr Brechungsindex liegt
bei 1, 87.
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Das optische Bindemittel, in welchem die in Mikrokapseln eingeschlossenen
Flüssigkristalle dispergiert sind, besteht ebenfalls aus "RHODOVIOL DS 125", welchem
10 Vol% eines Klebmittels, 0, 5 Vol% Glyzerin und 5 Vol% eines Antischaummittels
S (im Handel unter der Bezeichnung "EURAND") zugesetzt sind. Der Brechungsindex
dieses optischen Bindemittels ist gleich 1 87.
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Wirkungskontrolle der erfindungsgemässen Temperaturanzeige Man bringt
eine sehr feine Schicht (Stärke nach der Trocknung in der Grössenordnung von 5 Mikron)
einer Suspension von in Mikrokapseln eingeschlossenen Flüssigkristallen auf einen
schwarzen Körper auf (geglühter Kohlenstoff von 1 Mikron). Das Ganze wird auf einen
Heizträger aufgebracht, beispielsweise eine Lamelle aus polyoptischem Glas, bedeckt
von einer Ni-Cr-Schicht, welche das Heizelement und den Temperaturgeber bildet.
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Man lässt hierauf die Temperatur der ganzen Anordnung in aufeinanderfolgenden
Stufen in der Grössenordnung von 0> 25 OG steigen, wobei jede Stufe eine Zeit
von wenigstens 10 Minuten für die thermische Stabilisation erfordert.
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Während jeder dieser thermischen Stabilisation bestrahlt man die aufgebrachte
Schicht senkrecht mit einem monochromatischen Lichtstrahl, und zwar nacheinander
mit fünf verschiedenen Wellenlängen, und zwar A l(blau) : 4 380 A 2(grün) : 5 600
X A 3(gelb) : 5 870 A A 4(ocker) : 6 180 A 5(rot) : 6 600 A Bei jeder Bestrahlung
misst und berechnet man den Reflexionskoeffizienten und zeichnet dann die Kurve,
die aus den Maxima besteht.
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Man erhält auf diese Weise eine eindeutige Beziehung zwischen den
Wellenlängen, welche den Maxima entsprechen, und den Temperaturen.
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Es ist erforderlich, dass die verschiedenen erhaltenen Maxima innerhalb
des zu untersuchenden Temperaturbereiches im sichtbaren Spektrum liegen.
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Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, erhält man durch die erfindungsgemässe
Anordnung eine Temperaturanzeige mit in Mikrokapseln eingeschlossenen Flüssigkristallen,
deren Empfindlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit sehr weit über denen liegen,
die man bei den vorher bekannten Temperaturanzeigesystemen derselben Art erzielen
konnte. Die praktischen Anwendungen können daher weiter auf die Industrie ausgedehnt
werden, insbesondere zur Feststellung von Pfannen, Ueberwachung, Erkennung von Material-und
Strukturfehlern, sowie zur Verfeinerung klinisch- medizinischer Diagnosen (Tumore,
pathologische Gefässverschlüsse usw. ) und auch für äussere Zwecke (Reklamewesen,
Anregung Dekoration, Anzeige usw. ).
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Wie in der Beschreibung erwähnt, ist die Erfindung keinesfalls auf
diese Ausführungsformen und die näher beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
Sie umfasst vielmehr auch alle Abwandlungen, die sich für einen Fachmann im Rahmen
der Erfindung ergeben.