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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur drahtlosen Messung von Temperaturen oder einer die Temperatur bestimmenden physikalischen Grösse mit einem Resonanzkreis, dessen temperaturabhängige Resonanzfrequenz bestimmt wird.
Bisherige drahtlose Temperaturfernmesssysteme sind unter anderem Messverfahren, die auf Strahlungsmessungen beruhen. Um die Objekttemperatur aufgrund einer Strahlungsmessung ermitteln zu können, ist es notwendig, den Emissionsfaktor des Prüfkörpers zu kennen. Dieser kann bei ein und demselben Prüfobjekt (z. B. Oberftächenbeschaffenheit) in einem weiten Bereich variieren, ausserdem erfordert dieses System -im Gegensatz zu dem im Patent vorgestellten System-, sofern nicht beträchtliche Messungenauigkeiten in Kauf genommen werden können, einen erhöhten Messaufwand. Für optische Temperaturmessverfahren ist hingegen ein Sichtkontakt zwischen Sensor (bzw. dem Objekt) und dem Auswertegerät nötig.
Eine andere Möglichkeit, einen Temperatursensor gleichzeitig als Bauelement für die drahtlose Signal- übertragung zu nutzen, stellen Schwingquarz-Oszillatorschaltungen dar, wobei die temperaturabhängige Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes als Sensorsignal genutzt wird. Für den Betrieb einer solchen Schaltung müsste jedoch eine eigene Energieversorgung vorgesehen werden oder es wären wesentlich höhere Feldstärken für die Anregung des Schwingkreises notwendig als für das im Patent beschriebene System. Bei einem Akku-Betrieb wäre der Einsatz- bzw. Messbereich des kombinierten Schwingquarz- Sensor-Sendemoduls sehr stark eingeschränkt.
Ein Temperatursensor der eingangs genannten Art ist aus der DE 40 06 885 A1 bekannt. Bel diesem Temperatursensor weist der Resonanzkreis einen Kondensator auf, dessen Dielektrikum aus Bariumtitanat besteht. Die Temperaturabhängigkeit dieses Dielektrikum und die daraus resultierende Änderung der Resonanzfrequenz werden für die Messung der Temperatur verwendet. Bei der in dieser Druckschrift erläuterten Anwendung (Messung der Betriebstemperatur von Bremsscheiben) ist vor allem die Erfassung einer Temperaturüberschreitung vorgesehen, wofür die Überschreitung der Curietemperatur des Dielektrikums herangezogen wird. Nachteilig ist bei diesem Sensor, dass er, insbesondere wenn er oftmals über die Curietemperatur erwärmt wird, eine geringe Langzeitstabilität aufweist. Darüberhinaus ist eine hohe Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, die angeführten Nachteile zu beseitigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Temperatursensor eine mittels Bimetallstreifen aufgebaute Spule aufweist, deren Induktivität und/oder Wicklungskapazität durch die temperaturabhängige Verformung der Bimetallstreifen veränderbar ist.
Eine vorteilhafte Variante des Temperatursensors ist dadurch gekennzeichnet, dass als Kondensator des Resonanzkreises die Wicklungskapazität (22) der kurzgeschlossen Spule verwendet wird.
Der Sensor arbeitet als eine temperaturabhängige Induktivität, wobei die Langzeitstabilität durch die Verwendung einer Bimetallwicklung zur Bildung des Gesamtschwingkeises gewährleistet bleibt.
Wenn die Spule mehrere Leiterschleifen aufweist, die aus mehreren Bimetallstreifen besteht, ist eine besonders flache Ausführung des Sensors möglich.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform kann die Spule aus einer Bimetallwendel bestehen, deren Querschnitt entsprechend der Temperatur veränderlich ist. Die dadurch hohe Sensorempfindlichkeit kann somit durch Wahl der Materialien in einem weiten Bereich (je nach Anwendung) variert werden.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das frequenzbestimmende Element im Sensor als variable Wicklungskapazität einer Bimetallspule ausgebildet ist und deren Kapazi- tätsänderung durch die Annäherung von Leiterschleifen bewirkt wird.
Weitere allgemeine Vorteile des Sensors sind : Der Sensor erfasst die Messgrösse unabhängig vom Material des Messobjektes, weit der Emmissionsfaktor nicht in die Temperaturmessung eingeht.
Im Sensorkreis wird keine externe Energieversorgung (Akkus, Batterien) benötigt, woraus sich als weiterer Vorteil der geringe technische Aufwand zur Realisierung der Sensor- und der Auswerteeinheit ergibt.
Durch die Auswertung der Dämpfung eines elektromagnetischen Feldes ist kein Sichtkontakt zum Messobjekt bzw. Sensor notwendig.
Der Sensor arbeitet verschleissfrei und ist unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Messanordnung mit einem erfindungsgemässen Temperatursensor, Fig. 2 und 3 erfindungsgemässe Temperatursensoren.
Bei dem hier angeführten System (siehe Figur 1) wird ein Temperatursensor (10) verwendet, der in ein drahtloses Signalübertragungssystem (10, 13) integriert ist. Der Sensor (10) ist ein Schwingkreis, der in Abhängigkeit von der Temperatur verstimmt wird. Der Sensor liefert somit eine Stellgrösse zur Beinflussung des Sendeschwingkreises. Der Sensorkreis enthält keine aktiven Bauelemente, sondern er wird vielmehr
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durch schwache externe Feldstärken angeregt. Dies bedeutet aber, dass die Umgebungstemperatur des Sensors erfindungsgemäss nicht durch die maximal zulässige Betriebstemperatur der Halbleiterbauelemente beschränke wird. In dieser Anordnung ist die Temperatur der Messstelle ident mit der Umgebungstemperatur des Sensors.
Als Sensorvariante zu dieser Ausführung bietet sich an, die Induktivität des Schwingkreises (11) temperaturunabhängig zu gestalten und die Temperaturabhängigkeit des Kondensators (12) (Leiterabstände) zur Verstimmung des Schwingkreises zu nutzen.
Eine typische Ausführungsform des Auswertegerätes und eine prinzipielle Ausführungsform des Temperaturgebers soll nun im folgenden stellvertretend für die weiteren, in der Beschreibung aufgezeigten Möglichkeiten beschrieben werden. Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines temperaturabhängigen Schwingkreises für hohe Frequenzen : Anfang und Ende einer flachen Spule mit Rechteckquerschnitt (20) sind miteinander verbunden. Durch die Windungskapazität (z. B. 21,22) wird somit ein Serienresonanzkreis gebildet. Die kurzen, in y-Richtung orientierten Leiterstücke sind als Bimetallfedern (23) ausgebildet, welche bei Temperaturerhöhung beispielsweise in xx-Richtung gekrümmt werden, wodurch sich der Spulenquerschnitt verringert.
Die Steigung der Spule wird bewerkstelligt, indem die langen Leiterstücke einen (vernachlässigbar) kleinen Winkel mit der z-Achse einschliessen. Die Anwendung befindet sich in einem Luft- und wasserdichten Gehäuse, vorzugsweise aus Kunstoff (z. Polytetrafluoräthylen).
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/ der SpuleStrombelag wl = Ni/1 ergibt), kann man die Feldstärkekomponenten Hx. Hy, Hz zufolge Stromfluss u aus dem Biot-Savartschen Gesetz berechnen :
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(3) Hz = o
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:in der selben Grössenordnung.
Die Temperaturabhängigkeit obiger Induktivität wird nun folgendermassen bewirkt : Die Leiterstücke der Höhe h werden als Bimetallstreifen ausgebildet, wobei eines der Metalle aus einem elektrisch gut
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?gewährleisten. Beispielsweise eignet sich dafür Aluminium mit einer hohen Wärmeausdehnung (a1'" 1 10-4). Das Gegenstück bildet beispielweise eine Eisen-Nickel- Legierung FeNi30 (a2 ='10-6). Figur 3 zeigt schematisch ein solches Leiterelement(30) mit der Dicke d. Das Material mit höherem a (31) und jenes mit niedrigerem (32) haben bei der Temperatur To die selbe Höhe ho.
Aus dem Krümmungsradius der Bimetallanordnung (30) bei Temperaturänderung AT = T-To folgt für die temperaturabhängige Höhe h (T) (33) der Spule (30)
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Man kann ersehen, dass die Temperaturempfindlichkeit #L/#T mit einem Neigungswinkel -y (34) gesteigert werden kann. Die grösste Änderung ergibt sich bei-y = fi/2, hier ist die Induktivität aber auch am geringsten. Es wird also ein Kompromiss zwischen Temperatur- Empfindlichkeit und Güte bei gegebener Kreisfrequenz # zu suchen sein.
Für die Dimensionierung b = I =10mm, h = 1mm und N = 10 Windungen ergibt sich nach obigen Überlegungen eine Induktivität von etwa 100nH. Die Wicklungskapazität
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kann aus dem Modell einer Doppelleitung berechnet werden, wobei der Leiterabstand l /N und der Drahtdurchmesser d sind. Bei einem Verhältnis von//A/d = 1. 1 ergibt sich eine Wicklungskapazität von etwa 13pF. Die Resonanzfrequenz des somit gebildeten Schwingungskreises beträgt f = 1/2w/LC 140 MHz. Bei einem Neigungswinkel y = 45* der 0. 1 mm dicken Bimetallstreifen aus dem obigen Werkstoffbeispiel ergibt sich im Temperaturintervall zwischen 50 und 250. C eine Induktivitätsänderung von etwa 16 Prozent, wobei die Verstimmung des Schwingkreises etwa 5. 6MHz beträgt.
Dies wird durch Peilung im Anzeigegerät registriert und auf den entsprechenden Temperaturwert mittels Single-Chip-Rechner normiert.
Während sich mit dem obigen Modell flache Sensorformen realisieren lassen, werden schlanke bzw. dünne Temperaturgeber mittels Zylinderspulen aufgebaut. Dabei besteht die gesamte Spule aus einer Bimetalldraht-Wendel, die sich bei Temperaturänderung verzieht und somit (zufolge Längenänderung des Drahtes) ihren Querschnitt ändert. Die Induktivitätsberechnung erfolgt ähnlich wie bereits oben skizziert wurde. Der Wicklungsabstand wird entweder durch mechanische Verankerungen konstant gehalten, es kann aber auch die Wicklungs-Kapazitätsänderung zur Schwingungskreisverstimmung ausgenutzt werden.
Eine weitere Variante eines temperaturabhängigen Schwingkreises (über eine Kapazitätsänderung) besteht aus einer Spule mit Bimetallwicklung, wobei beispielsweise im Fall der Flachspule (20) die Bimetalistreifen (23) derart angeordnet sind, dass bei Temperaturänderung eine gegenläufige Verschiebung der Leiterschleifen und damit eine Änderung der Wicklungskapazität (21, 22) bewirkt wird.
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Ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Detektierten der obigen erfindungsgemässen temperaturabhängigen Schwingkreisverstimmungen wird anhand von Fig. 1 erörtert :
Der temperaturabhängige Schwingkreis (11) befindet sich in einem luft- und wasserdichten Gehäuse, das beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen besteht. Ein im betreffenden Frequenzbereich durchstimmbarer Sendeschwingkreis (13) befindet sich örtlich getrennt (schwache Kopplung) in der Umgebung des Sensors.
Die Resonanzfrequenz des Sendeschwingkreises wird mit Hilfe eines Single-Chip-Rechners mit Digi- tal/Analog-Wandler (14) verändert, wodurch auch die Resonanzfrequenz des Sensorkreises überstrichen wird. Durch die Messung der Dämpfung wird ermittelt, auf welche Resonanzfrequenz der Sensorkreis eingestellt ist. Die Stromaufname der Sendestufe, die durch den Single-Chip- Rechner über einen eingebauten Analog-Digital-Wandler ermittelt wird, ist ein Mass für die Dämpfung im gesamten Sende- und Empfangsteil (10, 13). Die Normierung sowie die Kalibrierung des Messwertes wird ebenfalls durch den Programmablauf im Single-Chip-Rechner erledigt. Anschliessend wird das Ergebnis, die Temperatur auf eine Anzeige (15) bzw. eine Schnittstelle (16) ausgegeben.
Die gesamte Auswerteeinheit befindet sich in einem Gehäuse (17) weiches an beliebiger Stelle in der Nähe des Sensors (Umkreis bis einige Meter) untergebracht wird.