CN102695948B - 用于对温度进行无线和位置独立测量的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量系统，该系统使用无源温度探测器高精度地对烤炉负载的温度进行无线和位置独立的测量，对烤炉中食物或工件的温度进行无线测量，包括一个位于烤箱外部的询问单元，一个或多个位于烤箱中的询问天线，以及至少一个无源可操作的温度探测器，该温度探测器具有探测天线和至少一个温度传感器，该温度传感器被设计为一个共振器，所述温度探测器在烤炉内可自由移动，其特征在于，温度传感器包括至少两次共振，所述至少两次共振具有频率的不同温度系数，其中，共振元件的电子等效电路图只存在轻微的区别。

Description

用于对温度进行无线和位置独立测量的系统
技术领域
本发明涉及一种测量系统，该系统使用无源温度探测器高精度地对烤炉负载的温度进行无线和位置独立的测量，其中，“烤炉负载”可以包括多种物品。应用的领域可以是工业制造，在工业制造过程中，工件被加热到预设的最低温度或经过一个特定的温度轮廓，例如，在锡焊烤炉中印刷电路板。尽管如此，例如，烤炉也可以是用于慢慢烹饪食物的烹饪设备。
精确地获知负载的温度可以减少加工时间，节约能源，预知加工的过程，减少热负载以及优化温度处理。
因此，通过使用在烤箱中位置独立的无线温度探测器的测量结果，可以测量烤炉负载的温度，由于负载的高热容量或低热传导性，在非静态热加工过程中，烤炉的烤箱中的温度与大气的温度不同。
背景技术
在现有技术中之一的一个温度测量系统中，温度探测器设置有电缆，该电缆与烤箱的电子计算单元连接。对带有电缆连接的温度探测器的操作非常复杂，同时，在高温时电缆连接非常容易被损坏。
再者，无线温度探测器是通过有源无线电联络的方式与电子计算单元进行通信的，这比较适合于温度在125℃以内情况。在高温情况下，使用温度探测器和能源的有源电子计算系统会导致严重的问题，还有，如果在工作过程中使用电池作为能源，电池的电荷状态需要进行检测。对于温度超过125℃的烤箱，有源电子系统和能源是热绝缘的，尽管如此，这只能保证温度测量系统持续工作一段有限时间，这不适合于持续的运行情况，另外，由于使用的组件大小的原因，很多情况下该系统都不能被使用。
另一解决方案是通过红外辐射的方式对烤箱负载的温度进行测试，该方案依赖于烤箱负载的表面情况，难以获得可靠的测量结果。另外，红外传感器只能测量烤箱负载表面的温度，不能温度其内部的温度。
进一步地，现有技术也提出了烤箱的无源的无线测量方案。德国专利申请DE10 2004 047 758A1的申请文献提出了一种温度传感装置，以用于测量慢熟食物的内部温度。该方案利用至少两个能量存储(共振器)的振动能量存储的频率依赖。尽管如此，由于振动能量存储的频率依赖的差异性没有被计算，因此，测量精度非常依赖于询问信号传送路径，即，测量结果是位置有关的。
德国专利申请DE10 2005 015 028B4申请文献中提出了一种用于家用电器的温度测量方法。该方法也利用了声表面波装置的频率来进行温度的测量。同样该方法的缺点也是位置相关的。
欧洲专利申请EP1 882 169B1的申请文献中，提出一种使用共振原理测量转矩的装置，其中，共振频率依赖于转矩以及温度。为了高精度地确定转矩，温度的影响必须被消除，由此，额外的温度测量是必须的。为了通过三次共振差异测量进行温度的测量，相关的共振器需要被使用以用于显示不同的温度敏感特征。这了达到该目的，每个共振器的频率以及设计应各不相同，这可以通过使用基底材料的不同切片或在一个切片中改变传播方向。例如，在EP1 882169B1文献中，使用一个34°的晶体切片，传播方向为-45°的共振器2以及传播方向为0至30°的共振器3。这导致具有相同共振频率的共振器的运生电感/运生电容率发生了明显的变化，而共振器则没有变化。
德国专利申请DE10 2007 020 176A1的文献中，提出一种测量持续熔炉中温度的测量系统，其中，多个询问天线被使用以用于确保炉腔中的无线电传送。在该方法中，温度也是通过声表面波装置的温度相关自然频率确定的，其测量精确依赖于传送路径，这也是本方法的一个缺点。
Buff等人在IEEE超声波协会1996年出版的期刊343至346页中指出了在无线无源的温度探测器询问中测量结果的不同，温度探测器位于询问天线和传感器天线之间，并利用声表面波进行探测，用于测量两个声表面波的不同频率装置，该装置具有不同的温度敏感特性，这可以作为一个方案以用于获得更高的测量精度。在该文中，一个用于描述测量精度改进的参数被引入。然而，Buff等人没有对特性声表面波装置进行处理，该装置应被解释以用于明显提高测量精度。
在国际专利申请WO03/081195A1文献中，提出了一个利用声表面波装置的压力传感器。该传感器根据三个声表面波共振器的不同频率来确定压力。然而WO03/081195A1没有将需要考虑进声表面波共振器设计中的相关参数进行处理，以在具有变化传送路径参数的传感器无线询问中，尽可能地取得最小的错误。
在烤箱中无源温度探测器的无线询问中的一重要问题是如何减少测量错误，该测量错误是由于询问信号传送路径的特性变化引起的。这里不存在自由区域，可以使询问信号在询问天线和探测器天线以非分布式方式进行传播。然而，询问天线导致的拟域效应、烤箱边界以及烤箱的负载都会影响该由探测器天线和共振器组成的系统。应只依赖于共振器温度的共振器共振频率发生了变化，导致了测量错误的发生，从而无法实现测量结果与烤箱中温度探测器位置的独立。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在烤箱中用于对烤箱负载温度进行无线且位置无关的持续测量的系统，该系统具有较小的测量错误。
本发明包括：一个包括位于烤箱外部的询问单元的测量系统，一个或多个位于烤箱中的询问天线，以及至少一个无源可操作的可自由移动的温度探测器，该温度探测器具有探测天线，该探测电线至少一个温度传感器作为共振器以用于烤箱负载温度的无线测量。
在这里提出了一种温度传感器，该温度传感器具有至少两个共振，这两个共振具有不同的频率温度系数，而以这种方式的共振元件，其电子等效电路图相互只有轻微的区别，其中，温度并不是在单个共振的频率位置基础上进行确定的，而是基于共振频率的差异进行确定的。通过无线询问(天线拟域效应)的传送路径影响或探测天线和温度传感器之间的错误匹配，单个共振的频率可以被改变。尽管如此，由于共振元件之间几乎是等效电路，因此，这些改变基本是一样的。这样，单个共振的差频不是很明显，可能获得稳定的测量信号。
共振元件以这种方式进行设计：在运行的温度范围内它们的共振频率之间的间隔为最小间隔。该最小间隔使得可以对共振元件进行一对一的共振分配。为了从共振元件的共振频率差别中清楚地确定温度，每个共振元件的共振频率的温度系数应互不相同。为了将差频明确地分配给对应地的温度，与温度对应的差频必须不能包含有零。
关于温度的共振频率的差别，其出现线性增长或线性下降对系统来说是非常有益的。这可以使得测量系统测量错误能够在运行温度范围内尽可能地被保持为一个常数。
共振元件的质量是影响系统测量精度的因素之一。因此，应将共振元件设计为声表面波共振器或体声波共振器。这些利用声波的共振器具有较高的质量，其热容量非常低，生产成本也比较低。
优选地，将共振元件设计为一个声表面波共振器。这样，使得可以将共振元件设计为一较小元件，从而具有特别低的热容量。在这种情况下，可以将共振元件设计在通用芯片上，这是非常有益的，可以简化共振器的设计。尽管如此，将共振器设计在不同芯片上也可以获得较好的效果。这使得可以将不同晶片切片或晶片材料使用到共振元件的生产工艺中，从而方便测量系统的设计以及共振元件加工过程中精度要求的控制。
优选地，将共振元件设置在ISM频段。这可以将测量系统整合到烤箱中，这只会屏蔽少量无线频率，这些无线频率被用于询问温度探测器。
优选地，将测量系统设计为ISM频段，其频率范围为433.92MHz。一般情况下，共振器的大小会随着共振频率的增加而减少。另一方面方法稳定性要求随着共振频率的增加而增加，共振元件的质量则会降低。因此，频率范围为433.92MHz为一个较优的组合。
优选地，将测量系统设计为ISM频段，其频率范围为915MHz。通过这种设计，共振元件同样可以获得较高的质量，而共振器也会特别地小。
优选地，可以将探测天线整合到温度传感器中。这种方案可以将温度探测器做得特别小。一般情况下，由于这种方案中的探测天线会出现较大的损耗，因此，该方案比较适合于对工作的温度范围要求比较低的应用。
在许多应用(例如，在烹饪设备中慢慢加工食物过程中的温度测量，其中温度轮廓是通过对食物表面到内部温度进行测量获得的)的温度探测器中至少包括两个温度传感器，以用于测量温度轮廓。进一步地，通过将温度传感器整合到温度探测器中以及对所有温度传感器的测量结果进行计算，测量精度可以进一步地提高。因此，作为本发明的优选实施例，温度探测器包括多个温度传感器。在该实施例中，在单个温度传感器的共振元件之间，在其运行的温度范围内其共振频率存在一个最小间隔，该最小间隔可以将共振一一对应地分配给共振元件。
在其它应用中，例如，在持续熔炉中对印刷电路板的温度进行测量，优选地，可以在熔炉负载的多个点进行温度的测量或在熔炉负载的不同部分进行温度的测量。作为本发明的优选实施例，测量系统可以包括多个温度探测器。
本发明用于对烤箱中负载温度进行无线测量的系统包括询问单元，一个或多个位于烤箱内的询问天线，一个无源可操作温度探测器以及一个计算单元，该无源可操作温度探测器具有一个探测天线以及至少一个温度传感器，该至少一个温度传感器可设计为一个共振器，其中，温度探测器可安装在烤箱内，温度传感器具有至少一个第一共振元件以及一个第二共振元件。第一共振元件和第二共振元件的运生电容互不相同，在20℃时第一共振元件的运生电容一次比第二共振元件的运生电容少50％(更优地，为20％，甚至为15％)。而且，第一共振元件和第二共振元件的运生电感互不相同，第一共振元件的运生电容一次比第二共振元件的运生电感少50％(更优地，为20％，甚至为15％)。另外，第一共振元件和第二共振元件的动态阻抗互不相同，第一共振元件的动态阻抗一次比第二共振元件的动态阻抗少50％(更优地，为20％，甚至为15％)。
参数“运生电容”、“动态阻抗”以及“运生电感”在Franzis出版社1997年出版的Bernd Neubig和Wolfgang Briese的“Das Grosse Quarzkochbuch”一文中进行了详细描述。例如，动态阻抗通常被引用为“运生阻抗”或“共振阻抗”。
优选地，计算单元被设计用来根据第一共振元件和第二共振元件的共振频率差异来确定烤箱负载的温度。优选地，第一共振元件和第二共振元件的运生电容互不相同，第一共振元件的运生电容一次比第二共振元件的运生电容少10％(更优地，为7％，甚至为4％)。优选地，第一共振元件和第二共振元件的运生电感互不相同，第一共振元件的运生电容一次比第二共振元件的运生电感少10％(更优地，为7％，甚至为4％)。另外，第一共振元件和第二共振元件的动态阻抗互不相同，第一共振元件的动态阻抗一次比第二共振元件的动态阻抗少10％(更优地，为7％，甚至为4％)。
优选地，第一共振元件和第二共振元件的运生电容互不相同。优选地，第一共振元件和第二共振元件的运生电感互不相同。优选地，第一共振元件和第二共振元件的动态阻抗互不相同。第一共振元件的运生电容、运生电感以及运生阻抗中至少一个参数少于第二共振元件相应的参数。
优选地，第一共振元件的运生电感和运生电容产品不同于第二共振元件的运生电感和运生电容产品，两者在0℃至250℃的温度范围内至少相差0.01％(更优地，相差0.05％，甚至0.1％)。
优选地，在20℃到200℃(优选地，整个)温度范围内，第一共振元件的共振频率不同于第二共振元件的共振频率。优选地，在20℃到200℃温度范围内，共振元件共振频率的差别稳定地增加或稳定地减少。优选地，在20℃到200℃温度范围内，共振元件共振频率的差别线性地增加或线性减少。优选地，在20℃到200℃整个温度范围内，第一共振元件温度的共振频率的衍生总和大于第二共振元件温度的共振频率的衍生总和。可选地，在20℃到200℃的整个温度范围内，第一共振元件温度的共振频率的衍生总和少于第二共振元件温度的共振频率的衍生总和。
优选地，将共振元件设计为声表面波共振器或体声波共振器。优选地，将共振元件设计在一个芯片或不同芯片上。优选地，在运行温度范围内，共振元件的共振频率位于一个ISM频段内。优选地，共振元件的共振频率位于433.92MHz或915MHz的ISM频段内。优选地，将探测天线整合到温度传感器或将其设计为一个独立的探测天线。优选地，将多个温度传感器安放在温度探测器中。优选地，本发明的测量系统包括多个温度探测器。优选地，温度探测器可以永久地固定在烤箱的负载上。优选地，温度探测器可逆地固定在烤箱负载上。
附图说明
图1示出了带有测量系统的烤箱，该测量系统用于对烤箱负载的温度进行无线和无源测量；
图2示出了传统测量系统中声表面波共振器的电子等效电路图，该传统测量系统为用于家用电器中温度的无线和无源测量，所述声表面波共振器在这里被用作一个温度传感器；
图3示出了具有两次共振的传感器的电子等效电路图，所述共振可基于两次共振的差频确定温度，所述传感器利用了声表面波；
图4示出了传统测量系统声表面波共振器的频率响应，该测量系统用于家用电器中温度的无线和无源测量，所述声表面波共振器可被作为一个温度传感器使用；
图5示出了一传感器的两个共振元件的温度敏感特性曲线，该传感器在两次共振的差频基础上确定温度，所述传感器利用了声表面波。
具体实施方式
图1示出了本发明测量系统的示例性实施例，该测量系统通过无源温度探测器高精度地实现无线位置独立地测量烤箱负载的温度，其中烤箱被设计为一个工业用电炉。在运行过程中，门12将烤箱11封闭。测量系统的询问天线14以及无线温度探测器15位于烤炉的烤箱中。另外，工件2作为负载被放在烤炉的烤箱中。无线温度探测器与工件有热力接点，测量系统的询问单元被整合在转炉13的电子控制单元中。烤炉的烤箱与一个加热气动脉冲模块16连接。加热气动脉冲模块由烤炉烤箱的电子控制单元控制，控制方式为：使工件的温度通过一个预设的温度轮廓，其中，当工件通过预设的温度轮廓时，工件当前的温度是一个可控变量。工件当前的温度可通过本发明测量系统以无线方式获得。为了达到该目的，通过询问单元HF信号被生成并通过询问天线14被传送到无线和无源温度探测器15。温度探测器15将HF信号转发给温度传感器。温度传感器包括至少两个共振元件，两个共振元件与探测天线电相连。询问信号的相同部分临时存储在共振元件中并通过探测天线重新发送。在询问天线发生衍生后，所述存储的部分可以通过询问单元接收并在询问单元中计算。共振元件的共振频率在询问过程中被确定，其中，温度则通过共振元件的共振频率差频确定。共振元件被这样设计：其电子等效电路图之间的只存在轻微的区别。这样，通过拟域效应共振元件的共振频率差频、烤箱中探测天线位置的影响可以被降到最小水平。所述拟域外效应是由工件、烤箱的边界以及询问天线引起的，且会响应到温度传感器的阻抗。
图2示出了传统测量系统中声表面波共振器的电子等效电路图，该传统测量系统可用于家用电器中温度的无线和无源测量，声表面波共振器在这里被用作一个温度传感器。Rm1,Lm1以及Cm1分别表示动态阻抗、运力电感和运生电容。C0表示共振器的静态电容。R0表示共振器馈线的欧姆阻抗。由于共振器的共振频率依赖于温度，因此，Rm1,Lm1以及Cm1也依赖于温度。在传统无线和无源温度探测器中，这些声表面波共振器被连接在天线和地线之间。声表面波共振器通过天线的阻抗而终止。在烤箱中，天线的阻抗可以通过拟域效应以位置独立的方式进行改变。此时，共振器被去谐，共振频率就可以一种位置独立的方式进行改变，而一个测量错误会发生。
图3示出了具有两次共振的传感器的电子等效电路图，所述共振可基于两次共振的差频确定温度，所述传感器利用了声表面波。两个共振元件并联在一起。Rm1,Lm1以及Cm1表示第一共振元件的动态阻抗、运生电感以及运生电容，Rm2,Lm2以及Cm2表示第二共振元件的动态阻抗、运生电感以及运生电容，C0表示两个共振元件并联的静态电容，R0表示两个共振元件馈线的欧姆阻抗。两个共振元件的共振频率不同程度地依赖于温度。因此，Rm1,Lm1以及Cm1和Rm2,Lm2以及Cm2也依赖于温度，但程度不同。在无线和无源温度探测器中，传感器电连接在探测器天线和地线之间。两个共振元件都被相同的电阻所终止。在该电路中，烤箱中天线的电阻通过拟域效应以位置有关的方式被改变。两个共振元件的频率被扯下来，使得共振频率发生改变。共振频率的改变依赖于共振元件的等效元件的值，从而使得两个共振元件的频率被拉上来或扯下来。当温度由两个共振元件的共振频率的差别来确定时，通常情况下，测量结果错误少于仅包括一个共振元件的温度探测器中出现的测量错误。在本发明实施例中，当第一共振元件的等效元件Rm1,Lm1和Cm1以及第二共振元件的等效元件Rm2,Lm2和Cm2只存在轻微的区别，测量错误可以趋向于0。由于共振元件1和共振元件2的共振频率彼此不同，因此，Rm1,Lm1和Cm1永远不会与Rm2,Lm2和Cm2相同。共振元件1和2不同的温度敏感特征主要可以通过使用不同晶体切片或一个晶体切片的不同传播方向来获得。从而，晶体的不同材料参数使得具有几乎相同等效元件的共振元件设计更加昂贵。
图5示出了一传感器的两个共振元件的温度敏感特性曲线，该传感器在两次共振的差频基础上确定温度，所述传感器利用了声表面波。其中，fR1为无线无源温度探测器运行温度范围内第一共振元件的共振频率，fR2为第二共振元件的共振频率，所述温度探测器使用了前述温度传感器。两个共振元件的温度敏感特征曲线和频率位置需要经过挑选，这样，在运行温度范围内的所有温度，在两个共振元件的共振频率之间可以存在一个最小间隔，以及在两个共振元件的差频与温度传感器温度之间存在对应的关系。另外，也对共振频率进行选择，这样在整个运行温度范围内，两个共振元件的共振频率可位于433.92MHz的ISM频段。
引用数字列表
1烤炉/工业烤炉
2负载/工件
11内部/烤箱
12烤炉门
13烤炉的电子控制单元
14询问天线
15温度探测器
16加热气动脉冲模块

Claims (12)

1.用于对烤炉(1)中负载的温度进行无线测量的系统，包括： 
-一个询问单元， 
-一个或多个位于烤箱(11)中的询问天线(14)， 
-一个无源可操作的温度探测器(15)，所述温度探测器(15)具有一个探测天线以及至少一个被设计为共振器的温度传感器，其中，温度探测器(15)位于烤炉(11)中， 
-一个计算单元， 
其中，温度传感器具有至少一个第一共振元件和一个第二共振元件，其特征在于： 
计算单元根据第一共振元件与第二共振元件共振频率的差别确定烤炉(1)中负载(2)的温度，其中， 
第一共振元件和第二共振元件以这种方式设计：在20℃时，第一共振元件的动态电阻、运生电感和运生电容分别比第二共振元件的动态电阻、运生电感和运生电容少20％。 
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一共振元件的运生电容每次比第二共振元件的运生电容少10％。 
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一共振元件的运生电容每次比第二共振元件的运生电容少7％。 
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一共振元件的运生电容每次比第二共振元件的运生电容少4％。 
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一共振元件的动态电阻与第二共振元件的动态电阻不同，和/或第一共振元件的运生电感与第二共振元件的运生电感不同，和/或第一共振元件的运生电容与第二共振元件的运生电容不同。 
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一共振元件的运生电容和运 生电感产品与第二共振元件的运生电容和运生电感产品，在0℃至250℃的温度范围内，相差至少0.05％。 
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在整个20℃至200℃的温度范围内，第一共振元件的共振频率与第二共振元件的共振频率不同。 
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在20℃至200℃的温度范围内，两个共振元件的共振频率存在稳定增加或稳定减少的差别。 
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在20℃至200℃的温度范围内，两个共振元件的共振频率存在线性增加或线性减少的差别。 
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在20℃到200℃整个温度范围内，第一共振元件温度的共振频率的衍生总和大于第二共振元件温度的共振频率的衍生总和。 
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在20℃到200℃的整个温度范围内，第一共振元件温度的共振频率的衍生总和少于第二共振元件温度的共振频率的衍生总和。 
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，将共振元件设计为声表面波共振器或体声波共振器。 
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