[發(fā)明專利]用于確定溫度的傳感器及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380044260.2
• 申請日: 2013-07-12
• 公開（公告）號: CN104685330A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: D·格奇;R·馬茨;R·門納
• 申請（專利權(quán)）人: 西門子公司
• 主分類號: G01K7/34
• 分類號: G01K7/34
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張曄;宣力偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于確定溫度的傳感器以及一種用于確定溫度的方法。

背景技術(shù)

在許多工業(yè)化的過程中，例如產(chǎn)生輻射、使材料變形或者運行燃氣輪機都產(chǎn)生數(shù)百℃的高溫。為了有效地控制和魯棒性地進行這些過程需要精確地測量和控制溫度。

為了在這樣的溫度范圍內(nèi)進行溫度測量多使用由金屬或者金屬氧化物制成的所謂的熱電偶。這樣的熱電偶由兩根金屬線或?qū)w電路組成，它們通過交叉或者焊接與熱測量點接觸。在冷端可以量取所謂的溫差電壓，該溫差電壓表征材料配對并且取決于熱電偶的熱端和冷端之間的溫度差。

雖然這樣的熱電偶可以簡單地例如通過噴涂施加在各種表面上，然而其具有許多問題。由于溫差電壓對溫度差的依賴性必須始終提供一個參考溫度，以便能夠?qū)崿F(xiàn)絕對的溫度測量。因為熱電偶是無源的結(jié)構(gòu)元件，所以靈敏度、信噪比等不能通過外部的觸發(fā)來影響。

發(fā)明內(nèi)容

因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種在開始時提到的類型的傳感器和方法，所述傳感器和方法允許特別簡單地、靈敏地和可靠地測量高的溫度。

該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的傳感器以及通過具有權(quán)利要求5的特征的方法來解決。

根據(jù)本發(fā)明的、用于確定溫度的傳感器包括由第一電介質(zhì)組成的第一絕緣層，其布置在由導(dǎo)電材料制成的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層之間。由第二電介質(zhì)組成的第二絕緣層布置在由導(dǎo)電材料制成的第二導(dǎo)體層和第三導(dǎo)體層之間。該設(shè)備的電氣特性的溫度依賴性如下得以實現(xiàn)，即第一電介質(zhì)和第二電介質(zhì)各自的介電常數(shù)具有不同的溫度依賴性。

換句話說，在本發(fā)明的范圍內(nèi)提供一種形式為兩層的電容器的電容性的溫度傳感器，其作為電容性的交流電壓分壓器起作用。

為了利用這樣的傳感器確定溫度，如在本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)描述的那樣，確定在第一導(dǎo)體層和第三導(dǎo)體層之間施加的輸入交流電壓與在第二導(dǎo)體層和第三導(dǎo)體層之間量取的輸出交流電壓的比例。

對于給定的傳感器幾何結(jié)構(gòu)和給定的輸入交流電壓來說，輸出交流電壓僅取決于第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層以及第二導(dǎo)體層和第三導(dǎo)體層之間的電容量。這些電容量又是電介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)，進而直接取決于溫度。

因此與已知的熱電偶不同，不僅確定溫度差而且確定用于絕對溫度的直接尺度。因此可以省去提供參考溫度，從而使用本發(fā)明的傳感器和方法能夠?qū)崿F(xiàn)特別簡單地和精確地測量高的溫度。

為了提供一種在許多工業(yè)化的過程中通常的、較高的溫度下低磨損地和穩(wěn)定地工作的傳感器，有利的是，對于電介質(zhì)來說使用高溫下穩(wěn)定的氧化陶瓷。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式中因此對于第一電介質(zhì)來說使用氧化鋁而對于第二電介質(zhì)來說使用氧化鋯。這兩種氧化物的溫度穩(wěn)定性足夠高并且它們的介電常數(shù)的溫度依賴性顯著不同，從而能夠保證溫度測量的高準(zhǔn)確性。

對于導(dǎo)體層來說可以使用金屬、金屬合金或者同樣可以使用溫度穩(wěn)定的陶瓷，比如像摻雜的氧化銦錫(Indium-Zinn-Oxid)。所有提到的材料類別都同樣適合給應(yīng)該測量的、高的溫度提供電阻。

為了保證特別可靠的溫度測量，有利的是，為輸入交流電壓的不同的頻率確定比例。這特別在電磁干擾的環(huán)境中改善了測量準(zhǔn)確度。

同樣為改善測量準(zhǔn)確度作出貢獻的是，取決于期望的信噪比選擇輸入交流電壓。因此在特別強烈干擾測量的情況下通過提高輸入交流電壓能夠顯著提高質(zhì)量。

從輸入交流電壓和輸出交流電壓之間的比例出發(fā)在最簡單的情況下能夠借助一條相應(yīng)的特征線確定溫度，該特征線對于給定的傳感器類型來說是特定的并且能夠在一種簡單的校準(zhǔn)測量中確定。當(dāng)已知兩種電介質(zhì)的介電常數(shù)的精確的溫度依賴性時，分析的評估也是可能的。

附圖說明

下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明及其實施方式。附圖示出：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個實施例的示意性的剖面圖；

圖2是燒結(jié)的氧化鋁的介電常數(shù)的溫度依賴性曲線圖；

圖3是燒結(jié)的氧化鋯的介電常數(shù)的溫度依賴性曲線圖；

圖4是在使用氧化鋁和氧化鋯作為電介質(zhì)的情況下根據(jù)圖1的傳感器的輸入與輸出電壓的比例的溫度依賴性。

具體實施方式

整體上使用10表示用于高溫測量的傳感器，所述傳感器包括第一電介質(zhì)12以及第二電介質(zhì)18，所述第一電介質(zhì)布置在第一導(dǎo)體層14和第二導(dǎo)體層16之間；所述第二電介質(zhì)布置在第二導(dǎo)體層16和第三導(dǎo)體層20之間。