CN104685330A - 用于确定温度的传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定温度的传感器(10)，所述传感器具有一个由第一电介质组成的第一绝缘层(12)以及一个由第二电介质组成的第二绝缘层(18)，所述第一绝缘层布置在由导电材料制成的第一导体层(14)和第二导体层(16)之间；所述第二绝缘层布置在由导电材料制成的第二导体层(16)和第三导体层(20)之间，其中所述电介质第一和第二电介质各自的介电常数具有不同的温度依赖性。此外本发明涉及一种借助这样的传感器(10)来确定温度的方法。

Description

用于确定温度的传感器及方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定温度的传感器以及一种用于确定温度的方法。
背景技术
在许多工业化的过程中，例如产生辐射、使材料变形或者运行燃气轮机都产生数百℃的高温。为了有效地控制和鲁棒性地进行这些过程需要精确地测量和控制温度。
为了在这样的温度范围内进行温度测量多使用由金属或者金属氧化物制成的所谓的热电偶。这样的热电偶由两根金属线或导体电路组成，它们通过交叉或者焊接与热测量点接触。在冷端可以量取所谓的温差电压，该温差电压表征材料配对并且取决于热电偶的热端和冷端之间的温度差。
虽然这样的热电偶可以简单地例如通过喷涂施加在各种表面上，然而其具有许多问题。由于温差电压对温度差的依赖性必须始终提供一个参考温度，以便能够实现绝对的温度测量。因为热电偶是无源的结构元件，所以灵敏度、信噪比等不能通过外部的触发来影响。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种在开始时提到的类型的传感器和方法，所述传感器和方法允许特别简单地、灵敏地和可靠地测量高的温度。
该任务通过具有权利要求1的特征的传感器以及通过具有权利要求5的特征的方法来解决。
根据本发明的、用于确定温度的传感器包括由第一电介质组成的第一绝缘层，其布置在由导电材料制成的第一导体层和第二导体层之间。由第二电介质组成的第二绝缘层布置在由导电材料制成的第二导体层和第三导体层之间。该设备的电气特性的温度依赖性如下得以实现，即第一电介质和第二电介质各自的介电常数具有不同的温度依赖性。
换句话说，在本发明的范围内提供一种形式为两层的电容器的电容性的温度传感器，其作为电容性的交流电压分压器起作用。
为了利用这样的传感器确定温度，如在本发明的方法的范围内描述的那样，确定在第一导体层和第三导体层之间施加的输入交流电压与在第二导体层和第三导体层之间量取的输出交流电压的比例。
对于给定的传感器几何结构和给定的输入交流电压来说，输出交流电压仅取决于第一导体层和第二导体层以及第二导体层和第三导体层之间的电容量。这些电容量又是电介质的介电常数的函数，进而直接取决于温度。
因此与已知的热电偶不同，不仅确定温度差而且确定用于绝对温度的直接尺度。因此可以省去提供参考温度，从而使用本发明的传感器和方法能够实现特别简单地和精确地测量高的温度。
为了提供一种在许多工业化的过程中通常的、较高的温度下低磨损地和稳定地工作的传感器，有利的是，对于电介质来说使用高温下稳定的氧化陶瓷。在本发明的一种优选的实施方式中因此对于第一电介质来说使用氧化铝而对于第二电介质来说使用氧化锆。这两种氧化物的温度稳定性足够高并且它们的介电常数的温度依赖性显著不同，从而能够保证温度测量的高准确性。
对于导体层来说可以使用金属、金属合金或者同样可以使用温度稳定的陶瓷，比如像掺杂的氧化铟锡(Indium-Zinn-Oxid)。所有提到的材料类别都同样适合给应该测量的、高的温度提供电阻。
为了保证特别可靠的温度测量，有利的是，为输入交流电压的不同的频率确定比例。这特别在电磁干扰的环境中改善了测量准确度。
同样为改善测量准确度作出贡献的是，取决于期望的信噪比选择输入交流电压。因此在特别强烈干扰测量的情况下通过提高输入交流电压能够显著提高质量。
从输入交流电压和输出交流电压之间的比例出发在最简单的情况下能够借助一条相应的特征线确定温度，该特征线对于给定的传感器类型来说是特定的并且能够在一种简单的校准测量中确定。当已知两种电介质的介电常数的精确的温度依赖性时，分析的评估也是可能的。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明及其实施方式。附图示出：
图1是根据本发明的传感器的一个实施例的示意性的剖面图；
图2是烧结的氧化铝的介电常数的温度依赖性曲线图；
图3是烧结的氧化锆的介电常数的温度依赖性曲线图；
图4是在使用氧化铝和氧化锆作为电介质的情况下根据图1的传感器的输入与输出电压的比例的温度依赖性。
具体实施方式
整体上使用10表示用于高温测量的传感器，所述传感器包括第一电介质12以及第二电介质18，所述第一电介质布置在第一导体层14和第二导体层16之间；所述第二电介质布置在第二导体层16和第三导体层20之间。
所述电介质是耐高温的氧化陶瓷，其中第一电介质和第二电介质在其介电常数的温度依赖性方面不同。例如为此可以使用由氧化铝和氧化锆制成的烧结的薄膜。导体层可以由具有相应选择的熔点的金属或者金属合金制成，但是也可以由导电的陶瓷制成，比如像掺杂的氧化铟锡。
为了借助传感器10执行温度测量，在第一导体层14和第三导体层20之间施加输入交流电压V1并且在第二导体层16和第三导体层20之间量取输出交流电压V2。
也就是说传感器10作为电容性的交流电压分压器起作用。电压比V2/V1在给定的传感器几何结构和输入交流电压V1的情况下现在取决于第一导体层14和第二导体层16之间的或者第二导体层16和第三导体层20之间的电容量。而所述电容量又是电介质12和18的介电常数的函数。
如图2和图3所示，氧化铝(图2)和氧化锆(图3)具有显著不同的介电常数，此外还具有显著不同的介电常数对温度的依赖性。附图为七个不同的温度分别示出了相对介电常数的频率特性。这些曲线从下到上分别表示从300K到900K之间以100K为步长的特性。
正如图4所示出的那样，对于输入交流电压V1的每一个给出的频率来说产生比例V2/V1的明显的温度依赖性。在图示的情况下使用具有1cm2的电容器面积、由106μm厚的氧化锆薄膜制成的第一电介质12、由165μm厚的氧化铝薄膜制成的第二电介质16的传感器10。明显可以看出，电压比对温度的依赖性在500K和800K之间的范围内特别强烈地上升。因此传感器10在该温度范围内特别准确。
总而言之提供一种传感器10，所述传感器允许在高的温度范围内测量绝对温度。因为通过提高输入交流电压以及通过选择输入交流电压的频率能够控制灵敏度，所以该传感器10在强电磁干扰的环境中也特别适用。

Claims (8)

1.用于确定温度的传感器(10)，所述传感器具有由第一电介质组成的第一绝缘层(12)以及由第二电介质组成的第二绝缘层(18)，所述第一绝缘层布置在由导电材料制成的第一导体层(14)和第二导体层(16)之间；所述第二绝缘层布置在由导电材料制成的第二导体层(16)和第三导体层(20)之间，其中所述第一电介质和第二电介质各自的介电常数具有不同的温度依赖性。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其特征在于，
所述第一电介质是氧化铝。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其特征在于，
所述第二电介质是氧化锆。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器(10)，其特征在于，
所述导体层(14、16、20)由金属、金属合金或者导电陶瓷、特别是掺杂的氧化铟锡组成。
5.用于借助根据权利要求1至4中任一项所述的传感器(10)确定温度的方法，其特征在于，
为了确定温度而确定在第一导体层(14)和第三导体层(20)之间施加的输入交流电压(V1)和在第二导体层(16)和第三导体层(20)之间量取的输出交流电压(V2)的比例。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
为输入交流电压(V1)的不同的频率确定所述比例。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，
取决于期望的信噪比选择输入交流电压(V1)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，
从所述比例出发借助特征线求得温度。
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