CN108700476A - 感应式温度感测 - Google Patents

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Abstract

一种用于感应式温度感测的设备包括线圈构造、目标和阻抗测量电路。该目标具有非零电导率和磁化率，并且阻抗测量电路在接近交叉频率的频率下测量线圈构造的视在电感以提供目标的温度的指示。

Description

感应式温度感测
技术领域
此发明涉及测量温度的感应式方法和在感应加热应用中的感应式方法应用。
背景技术
诸如热电偶和电阻式温度检测器(RTD)的传感器的许多现有技术温度感测方法要求传感器之间的热接触。这种方法在极高温度下或在强烈化学环境中(其中传感器可能具有有限的寿命)受到限制。这些方法也难以应用到移动的或振动的部分，因为需要连接线以将信号传输至外部电子设备。连接线也使得难以维持被测量的部分与外部电子设备/外部世界之间的热绝缘。高压力或真空通常与高温度或低温度下的测量相关联，这向电连接件增加了额外的复杂程度。与诸如热循环的其他老化机制相组合的这些因素意味着电馈通设备、连接器和布线通常具有高昂成本和/或差的可靠性。因此，非接触温度测量在许多应用中是期望的。
在需要非接触温度感测的情况下通常使用红外温度感测，但这受到若干缺点的困扰，包括受限制的传感器的操作温度、光学系统上污物的积累、归因于未知或可变发射率的误差以及对于视线操作的需要，其增加了成本并且限制可以施加的热绝缘的量。
发明内容
此发明描述了克服这些缺点的非接触感应式温度感测方法。该方法还提供独立于感测到部分的几何结构和/或位置感测温度和测量延伸区域上的平均温度的益处。另外益处将稍后描述并且对于本领域技术人员来说是显而易见的。
本发明教导用于感应式温度感测的设备，其包括线圈构造(configuration)、目标、激励电路以及测量电路，其中，所述目标由整体上具有非零电导率和磁化率的材料或复合材料制成；所述激励电路在接近或恰好在交叉频率下激励线圈构造或线圈构造中的部分；以及测量电路测量线圈构造的视在电感。
此外，本发明教导用于食物的加工及制备的食物烹饪混合器，其使用相同的原理。
根据一个实施例，用于感应式温度感测的设备提供有用作感应加热目标以及感测目标的目标。线圈构造可以满足感应式加热以及感测的功能。优选地，所述目标由使得该目标整体上在测量的范围内表现出随温度增加而减小的电导率的材料或复合材料制成。该目标由使得该目标整体上在测量的范围内具有磁化率随温度增加而减小的材料或复合材料制成。在优选实施例中，目标由磁钢制成。
借助于复合结构可以实现目标的有效磁化率、并且因此有效磁导率和有效电导率值。目标可以由热敏电阻器材料(即其电阻率随温度改变的材料)和磁性材料(即具有非零磁化率的材料)的复合材料制成。关于本发明的优选实施例，目标由包括具有不同居里温度的磁性材料的复合材料制成。
线圈构造和目标可以基本上是平面的。线圈构造可以围绕目标的外边缘缠绕。优选地，线圈构造由两个分离的部分组成：用于感应式加热的至少一个线圈，在此申请中也称为加热线圈；和用于感测的至少一个线圈，在此申请中也称为感测线圈。感测线圈相对于加热线圈可以基本上是平衡的。
特别地，感应加热可以被中断以便进行温度测量。温度测量之间的间隔可以被改变。测量电路优选包括负阻抗转换器。负阻抗转换器可以形成负参考电感器，其可以与线圈构造或线圈构造中的部分串联连接。
此外，本发明涉及用于感测目标的温度的方法，其中：AC信号被施加至线圈构造；在具有非零电导率和磁化率的目标中感应出涡电流；在接近交叉频率(定义为其中通过评估测量到的视在阻抗而确定的视在电感基本上独立于线圈构造与目标之间的间隔的频率)的频率下测量线圈构造的视在阻抗。
此外，本发明涉及用于感应式加热和温度感测的设备，其包括线圈构造、目标、激励电路和测量电路，其特征在于，所述目标包括热敏电阻器材料层和磁性材料层；所述激励电路在低于300kHz或更优选在20kHz与100kHz之间操作；所述测量电路在不同频率下测量感测线圈的视在阻抗。根据本发明的实施例的测量电路在1MHz与100MHz之间的频率下测量感测线圈的视在阻抗。测量电路可以在其中视在阻抗不随几何公差极大地改变的频率下测量视在阻抗。具体而言，测量电路可以在接近交叉频率或在交叉频率下测量感测线圈的视在电感或感测线圈的视在电阻。
对于温度的测量，本发明使用其性质具有已知温度依赖性的线圈构造和目标。用AC信号激励加热线圈，并且在一定频率或多个频率下测量感测线圈的阻抗，以便确定目标的温度。
某些方法被用于确保对温度的灵敏度与对其他影响的灵敏度相比是高的。被减小或消除的串扰和误差的潜在原因包括感测线圈的加热、几何公差和在所述系统的部分之间的位置公差。
附图说明
现在参照下面的图来公开本发明的一系列方面，其中：
图1示出了感应式温度感测系统的实施例。
图2示出了来自被激励的线圈构造的磁场。
图3示出了由测量电路测量到的视在电感。
图4示出了感应式温度感测系统的第二实施例。
图5示出了来自被激励线圈构造的磁场。
图6示出了线圈构造的视在电阻和电抗对间隙和温度中的变化的灵敏度。
图7示出了用于本发明的一些可替选的线圈构造。
图8示出了感应式温度感测系统的另一实施例。
图9示出了用于感应式加热和温度感测的组合的时序图。
图10示出了使用负阻抗转换器的测量电路的示意图。
图11示出了作为感应式炉盘系统(hob system)的部分的感应式温度感测系统的实施例。
图12示出了作为用于旋转工具的温度传感器的感应式温度感测系统的实施例。
图13示出了用于感测旋转摩擦部件的温度的感应式温度感测系统的实施例。
图14示出了用于监视热处理过程的感应式温度感测系统的实施例。
具体实施方式
图1(a)示出了感应式温度感测系统的元件。由来自激励电路(104)的AC信号使线圈构造(100)通电。由测量电路(105)来测量或推断线圈构造的视在阻抗。注意，激励和测量功能可以被集成到单个电路(诸如微处理器)中，并且一起形成“阻抗测量电路”(106)。线圈构造的视在阻抗受目标(101)的性质和温度的影响。目标是导电的且磁敏感的，即具有非零磁化率，也被称为是可渗透的。测量没有目标(101)存在情况下线圈构造(100)的视在电感等于线圈构造(100)的电感的频率。在本申请中我们称此频率为交叉频率(cross-overfrequency)。如在此申请中更详细描述的，测量交叉频率形成温度测量的基础。
图1(b)示出了呈平面格式的感应式温度感测系统。用AC信号使线圈构造(100)通电。线圈构造的视在阻抗受到目标(101)的性质和温度的影响。屏蔽材料(102)可以被用于降低存在的杂散磁场的量。杂散场可以导致对其他附近物体的非所需的交叉灵敏度或其他附近物体的感应式加热。在此实施例中，目标由具有非零电导率和磁化率的材料(诸如磁钢)制成。屏蔽材料是可渗透材料，诸如铁氧体。线圈构造(100)可以是由印刷电路板上的连接件实现的卷绕部件或线圈。感应式温度感测系统的布置被示出为呈轴对称格式，具有对称轴(103)。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，也可以以不同格式来施加本发明，例如用正方形或矩形形状的线圈构造和目标。
图1(c)示出了呈“环绕”格式的感应式温度感测系统。在此布置中，线圈构造(100)环绕目标(101)，其被形成为圆柱或管状形状。可渗透屏蔽材料(102)可以被用于减少杂散场并提高灵敏度。感应式温度感测系统的布置被示出呈轴对称格式，具有对称轴(103)和圆形截面，但是也可以用例如正方形或矩形截面操作。
图1(d)示出了用作家用食物加工器的部分的平面格式感应式温度感测系统。在此布置中，线圈构造(100)由感应式加热线圈和感测线圈制成，并且目标(101)由易受感应式加热影响的材料制成。诸如塑料、泡沫或玻璃的隔热材料(116、117)被用于减少从热碗状物(bowl)至线圈构造的热量流动。优选地，所述绝缘材料(116)中的一些被附接至所述碗状物，使得保护使用者免受高温影响，并且一些形成基底单元的壳体(117)。所述屏蔽材料(102)减少混合叶片(113)、混合轴(114)、轴承(119)以及电机(115)的寄生的感应式加热。目标(101)和碗状物(118)可以可选地由磁性不锈钢的单个部分制成，或者可以由被焊接或以其它方式接合在一起的分离的部分制成。
图2示出了来自平面线圈构造(200)的场的有限元模拟。线圈构造(200)、目标(201)和可渗透护罩(202)是圆形的，对称轴被示为虚线(203)。示出了具有10kHz下激励的磁场线。可以看出的是，存在很少或不存在杂散场泄漏，杂散场泄漏可以导致碗状物(218)或混合叶片(213)或混合轴(214)的侧面的非所需加热。除此之外，感应出的涡电流在整个目标(201)中十分均匀地分布。这些效果使此几何结构适合于感应加热应用。涡电流在目标(201)中的均匀分布也意味着温度测量变成此区域上的平均温度测量。目标由对高效率感应加热有利的磁钢制成。可以在20kHz-100kHz的频率范围内有效地执行感应加热，对于其存在良好建立的驱动和控制技术，并且对于其由于磁致伸缩所生成的任何声学噪声是超声波，并因此对于人而言是听不到的。
图3示出了在图1和图2中示出的系统中的测量过程期间作为频率的函数的电感。该图在横轴(300)上示出了频率并在纵轴(301)上示出了线圈构造的视在电感。图3(a)示出了针对线圈构造(200)与目标(201)之间的一系列间隔距离(下文中被称为“间隙”)的线圈构造的视在电感。对于大间隙来说，线圈构造的视在电感随频率缓慢地变化(迹线310)。随着间隙减小，电感对频率曲线的倾斜度增大，如针对中等间隙的迹线311和针对小间隙的迹线312所示。然而，存在频率f0，在频率f0处线圈构造的视在电感很大程度上独立于线圈构造与目标的相对位置。此频率f0下文中被称为交叉频率。采用简单的几何结构，交叉电感L0等于没有目标存在情况下线圈构造的电感值。在交叉频率处，目标的电导率与磁化率的竞争效应彼此抵消，并且涡电流的相位是使得负载出现电阻的相位。交叉频率正比于磁化率χ＝μr–1，目标的相对磁导率μr和逆电导率σ。交叉频率对几何因数也具有一些依赖性，特别是升高到功率-1.41时交叉频率正比于线圈构造直径D。在简单几何结构中，由以下公式大致给出交叉频率：
使得针对100mm直径线圈构造和由磁钢制成的目标来说，取决于所使用的具体钢号的电导率和磁化率，f0趋于落入5kHz至200kHz的范围内。从实验上，使用屏蔽的平面线圈构造，针对选定的钢的交叉频率在室温下被测量如下：420不锈钢-7kHz；444不锈钢-13kHz；430不锈钢-23kHz；殷钢-52kHz。
在低频率(f<f0/10)下，磁效应占主导并且视在电感渐进地接近恒定值。此值取决于材料磁化率和间隙。在高频率(f>f0*10)下，电导率占主导并且视在电感渐进地接近较低的恒定值。此值取决于间隙。因此，在高频率下的校准测量可以被用于测量间隙并且在低频率下的校准测量可以被用于在知道间隙情况下测量材料磁化率。有利地，当待测量样品(目标)具有可变磁化率时，施加此校准步骤。优选地，当新目标被引入到系统或该系统的启动时，执行此步骤。
图3(b)示出了在三个温度T1(迹线320)、T2(迹线321)和T3(迹线322)下线圈构造对频率的视在电感。对于此特定目标，T1<T2<T3。当温度从T1增大至T3时，目标的电导率减小比磁化率减小得更迅速，并且因此比率χ/σ增大。因此，交叉频率从f1增大至f3。由于对于任何温度来说交叉频率在很大程度上独立于间隙，所以交叉频率提供基本上独立于间隙的目标温度的测量。接近交叉频率(例如在f0±20％)和内插或外插的视在电感的测量结果也可以被用于推断出该交叉频率。一个或多个频率的测量结果优选在交叉频率的±30％以内，且更优选在交叉频率的±10％以内。
不是磁钢的其他材料也可以被用于构建目标，此类材料具有以不同方式随温度改变的性质。复合材料也可以被设计成表现出与磁钢相同的性质。例如，在导电的基质中或在导电的背衬层上的多个可渗透颗粒将表现出如磁钢的类似性质，在绝缘基质中的导电的且可渗透颗粒或纤维也将如此，适当布置的可渗透且导电层的多层结构也将如此。
用于构建具有依赖于温度性质的目标的材料另一示例是在接近其居里温度的温度范围内操作的材料。如果接近其居里温度来使用材料，则材料磁化率将随增大的温度而迅速地减小。如果磁化率随升高的温度的减小快于电导率的减小，则f0将减小。由于当接近居里温度时每单位电流的热量输入迅速地减少，所以此方法在自-限制加热的感应加热应用中具有优点。在目标操作在接近但低于居里温度的情况下，图3(b)中的曲线将表示从T1(迹线320)至T3(迹线322)的减小的温度(即T1>T2>T3)。具有多个不同居里温度的分层的或分散的复合材料可以被用于在比用单个材料可以使用的更宽的温度范围内使温度响应线性化。材料晶粒尺寸和晶体结构的控制(例如用热处理)也可以被用于调整磁化率对温度的曲线。在美国5,227,597中示出了具有多于一个居里温度的复合分层板的示例，其中此类结构被用于维持感应烹饪期间的均匀温度。然而，在此专利中未描述感应式温度感测。
一些材料具有在给定温度范围内随增大的温度而增大的磁化率。许多磁钢在从室温至700℃的温度范围内表现出磁化率(在低场下)的增大，在N.Takahashi等人的“Examination of Magnetic Properties of Several Magnetic Materials at HighTemperature High Temperature”(IEEE Trans Magn.v46 p548 2010)中描述了一些示例。MnZn铁氧体材料典型地示出了在0-150℃的温度范围内的磁化率的增加。此磁化率对温度曲线的形状可以由铁氧体成分来调整。假设具有对于升高的温度来说的增大的磁化率和对于升高的温度来说的减小的电导率的材料被用于构建目标，则图3(b)中的曲线将表示从T1(迹线320)至T3(迹线322)的增大的温度(即T1<T2<T3)。
使用由复合材料制成的目标的方法具有体性质(bulk property)可以被设计的优点，例如在特定范围内提高温度灵敏度或选择交叉频率。然而，它们典型地具有较高成本和复杂性。在这些情况下的行为可以是更复杂的，但可以施加相同的温度感测方法。
图4(a)示出了呈平面格式的感应式温度感测系统的另一实施例。用AC信号使线圈构造(400)通电。线圈构造的视在阻抗受目标的性质和温度依赖性的影响，如在图4中示出的，目标被分成两部分。目标的第一部分是电阻性材料(401)。在电阻材料(401)后面是为目标的第二部分的磁可渗透材料(405)。可渗透材料(405)也可以用作用于吸收感应式加热功率的感受器。为此，可渗透材料(405)也可以是导电的(以提供高涡电流损耗)，或者其可以具有高磁化损耗(使得AC激励引起高迟滞损耗)。电阻材料(401)和可渗透材料(405)一起形成被感测到的目标，实质上图1中的目标(101)的复合型式。可渗透屏蔽材料(402)可以被用于减少存在的杂散磁场的量，并且提高传感器灵敏度和感应式加热效率。
在此实施例中，电阻材料(401)是具有非常高电阻率温度系数的材料，热敏电阻器由此类材料制成。例如，掺杂且烧结的金属氧化物半导体、掺杂的半导体晶片以及掺杂的铁电体材料(诸如钛酸钡基化合物)被共同使用，并且其他材料将是本领域技术人员所知的。如果使用具有电阻的负温度系数(NTC)的热敏电阻器材料，则存在额外益处，即热敏电阻器层在感应式加热系统上具有自限制功能。如果具有NTC性质的电阻材料(401)变得过热，则材料开始强力地传导并且来自线圈构造的入射电磁能量被反射，而不是被可渗透材料(405)吸收。如果所选择的材料的行为在期望的截止温度(对于家用烹饪器具来说典型地150℃至250℃)下具有半导体-金属转变(semiconductor-metallic transition)，则此自限制加热是最有效的。对于具有NTC-性质的电阻材料(401)来说，由于电导率随增大的温度升高快于磁化率，所以图3(b)中的曲线将表示从T1(迹线320)至T3(迹线322)的减小的温度(即T1>T2>T3)。对于具有正温度系数(PTC)的电阻材料(401)来说，图3(b)中的曲线将表示从T1(迹线320)至T3(迹线322)的增大的温度(即T1<T2<T3)。
线圈构造可以是由印刷电路板的连接件构建的卷绕部件或线圈。该布置被示出为呈轴对称格式，具有对称轴(403)。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，也可以以不同格式(例如用正方形或矩形形状的线圈构造和目标)来施加本发明。图4(b)示出了呈“环绕式”格式的感应式温度感测系统，具有与图4(a)相同的零部件标签。
图5示出了使用平面格式和热敏电阻器材料的电阻层(501)的磁场的有限元模拟。线圈构造(500)、电阻层(501)和可渗透护罩(502)是圆形的，对称轴被示为虚线(503)。磁场线覆盖在模型几何结构上。可以看出的是，存在很少或不存在杂散场泄漏，杂散场泄漏可以导致碗状物(518)或混合叶片(513)或混合轴(514)的侧面的非所需加热。
在此示例中，电阻层(501)具有大约30,000S/m的电导率，并且可渗透材料(505)是磁钢。图5(a)示出了在30kHz频率下的场。这是可以被用于具有高效率和低可听见噪声的感应式加热的频率。该场大部分穿过热敏电阻器层(501)，并对附接至碗状物(518)的基底或构建碗状物的底部的可渗透材料(505)进行加热。图5(b)示出了在10MHz频率下的场。在此频率下，该场大部分被电阻层(501)中的涡电流反射，并且线圈构造的视在电阻对电阻层(501)的电导率特别敏感。
图6示出了针对图5中的布置的阻抗的实部(R)和阻抗的虚部(X＝2π·f·L)对温度和间隙的变化的灵敏度。横轴以MHz示出了频率并且纵轴示出了针对间隙(0.1mm)或温度(1K)中的给定变化的阻抗的分数变化。由于X(间隙)在此频率下是零，所以在近似80kHz下的视在电感的感测给出了对间隙的低灵敏度。这对应于交叉频率f0的感测。一种可替选的感测方案(regime)是在大约10MHz下测量线圈构造的视在电阻的变化。在此区域中，来自1K温度变化的信号远大于归因于0.1mm间隙变化的信号。因此，可以实现在存在宽机械公差(诸如使用低成本注射模塑零部件可以实现的那些)情况下具有1K精度的感测。
使用3000S/m的电阻层(501)和铁氧体或磁钢的可渗透材料(505)给出了大约800kHz的交叉频率。此较高交叉频率在一些应用中是有利的，因为其使得能够使用例如实现为印刷电路板和大部分上数字感测电子设备的线圈构造(500)的甚至较低成本感测的使用。
电阻层(501)和可渗透材料(505)的顺序可以反转，使得可渗透材料最接近线圈构造。然而，倘若可渗透材料(505)相当细和/或具有低磁化率，则此布置仅表现出所描述类型的交叉频率。例如，与直径大约100mm的线圈构造(500)结合的具有9的磁化率的1mm厚的可渗透材料示出了7kHz的交叉频率。然而，具有20的磁化率的类似层未表现出交叉频率。
也可以测量目标(101)的存在和/或到目标(101)的距离，而无需额外测量硬件并且通常无需显著的额外测量时间。这是有益的，例如，出于安全目的以确保在施加感应式加热功率之前目标存在，或者以调整感应式加热器设置来补偿间隙变化。电感对频率曲线的形状或倾斜度是测量间隙的一个手段，因为这随间隙改变(如图3(a)中所示)。测量间隙的可替选方法是测量线圈构造(100)的视在阻抗的电阻部分R。视在阻抗的电阻部分在第二交叉频率下基本上独立于目标的温度。第二交叉频率在图6中图解地示出为R(T)灵敏度曲线越过频率轴的频率。在许多构造中，此第二交叉频率接近第一交叉频率。如果该两个交叉频率彼此足够接近，则不必进行额外的测量来用于间隙补偿，因为阻抗测量(例如通过i-V方法)典型地获取R和X两者。额外频率下的测量可以被用于补偿其他混杂因数(confoundingfactor)。
图7示出了用于感测和感应加热的一些可替选线圈构造的示意图，其也可以被用作此发明的可替选实施例。为清楚起见，间隔被夸大。图7(a)示出了加热线圈(702)和感测线圈(703)的阵列以及目标(701)。多个感测线圈(703)的使用允许温度的局部监视，以避免加热过程中的热点。感测线圈(703)相对于加热线圈(702)可以基本上是平衡的(使得感应式耦合因数k接近零，即|k|<<1)。平衡线圈的使用具有同时执行感应加热和温度感测而无需中断加热的更简单直接的优点。
图7(b)示出了具有加热线圈(702)和感测线圈(703)阵列以及目标(701)的布置。感测线圈(703)相对于加热线圈(702)基本上是平衡的。在此布置中，目标可以例如是正被热处理的轴承、齿轮或轴。目标(701)被示出为被定位在线圈布置的内部，但可以等同地很好地邻近该线圈布置来定位。
图7(c)示出了具有加热线圈(702)和感测线圈(703)阵列以及目标(701)的布置。在此布置中，感测线圈(703)包围加热线圈的部分并且相对于加热线圈(702)基本上是平衡的。
图7(d)示出了具有相对于彼此基本上平衡的感应式加热线圈(712)和感测线圈(713)的布置。目标在此分解图中被示出为盘(711)。根据在特定应用中针对加热的均匀性和效率的详细要求，加热线圈(712)和感测线圈(713)的功能可以交换。线圈可以是被实现为印刷电路板的连接件的卷绕部件或线圈。
图7(e)示出了其中线圈围绕可渗透材料(724)卷绕并作用于目标(721)的侧向场线圈构造(720)。施加AC电流(723)，其生成AC磁场(722)，AC磁场(722)被耦合至目标(721)。由线圈阵列制成的线圈构造可以被用于加热和感测其他目标形状。加热线圈和感测线圈可以沿着芯体(724)的x轴和y轴正交地卷绕，以用于独立的感应式加热和温度感测。
图7(f)示出了包括加热线圈(732)和感测线圈(733)的部分的线圈布置。可渗透磁通集中器(731)被用于将加热集中到目标(701)上的特定被加热区域(734)中。感测线圈(733)被耦合至磁通集中器(731)。经由该线圈布置的一部分(即加热线圈(732)或感测线圈(733))的激励在线圈布置的至少一部分处被检测到，以测量局部磁通耦合并因此还测量阻抗。然后可以根据交叉频率的知识推断目标(701)的被加热区域(734)的温度。
图8示出了作为家用食物加工器的部分的平面格式感应式温度感测系统。在此布置中，线圈构造由两个线圈组成，一个卷绕有正极性部分(820)并且一个卷绕有负极性部分(830)。通过这些部分的电流的相对量值被选择为使得混合叶片(813)和混合轴(814)的寄生加热是低的。目标(801)除了测量期间被感测到以外还用作用于感应式加热的感受器材料。诸如塑料、泡沫或玻璃的隔热材料(816、817)被用于减少从热碗状物至线圈构造的热量流动。优选地，绝缘材料(816)中的一些被附接至碗状物，使得保护使用者免受高温影响，并且一些形成基底单元的壳体(817)。额外的屏蔽材料(802)可以进一步提高效率和传感器灵敏度并且降低寄生加热。
图9示出了施加至此系统的感应式加热和温度感测的过程。横轴(901)示出了时间并且纵轴(902)示出了感应式加热功率。在此实施例中，感应式功率被中断以便执行和感应式温度测量。高功率水平下的加热被示出在图9(a)中。高功率水平P1(>200W)被施加用于时间中的大部分，并且在间隔t2处被中断以进行温度测量。为了符合长期电源闪烁限制，该功率被向下倾斜至P2(≤200W)并且然后被中断。然后在具有短持续时间t3的窗口(910)中在低功率下执行温度测量。功率水平然后阶跃回到P2并且倾斜回升至P1。执行温度测量所花费的全部时间(t1)可以是近似0.7秒，并且测量间隔(t2)可以是近似5秒，得到用于加热功率施加的可接受地高的占空比。
图9(b)示出了在低功率水平下的加热。当碗状物或平底锅接近期望的温度时，功率水平可以被减小至P2。由于功率P2可以被中断并且瞬时重新启动而没有斜坡-向上或斜坡-向下阶段，所以在该情况下加热中断的时间较短。因此，温度测量间隔t2可以被减小，而没有负面地影响加热性能。此较小感测间隔(t2)允许对目标(为碗状物的部分)的更准确的温度控制。感测间隔(t2)和关闭时间(t3)可以由控制系统调整以维持烹饪期间期望的温度。
优选地，温度控制器在测量时产生温度的预测值，并且因此产生交叉频率的预测值。这然后允许在单个频率(预测的交叉频率)下执行电感测量，而测量的输出是正比于测量到的电感和交叉电感L0之间的差值的误差信号。此方法具有温度测量可以非常快速的益处。例如，如果f0是20kHz，并且20个周期被用于降低测量噪声，则可以在大约1毫秒内执行温度测量。在其中必须以高精度达到设定温度的应用中，当目标的温度接近设定温度时，可以减小测量间隔或者可以增大测量积分时间。
可替选地，在f0附近的若干频率下的测量可以被用于更准确地确定f0的值并且因此确定目标的温度。电感对频率曲线的形状还可以被用于验证存在有效目标并且确定线圈与目标之间的距离。
在可替选的实施例中，不中断感应式功率传输来进行温度测量。可以在针对温度测量所需的频率下执行用于感应式加热的功率传输，并且测量电路可以被包括在功率生成电路中。可替选地，可以在与温度测量不同的频率下进行功率传输，使得功率传输被激活的同时可以进行温度测量，并且功率传输频率下的干扰可以被滤除。可替选地，线圈构造可由两个分离的部件制成：加热线圈和感测线圈，优选在这两个线圈之间具有低的相互耦合，使得施加功率的同时可以进行温度测量。
大多数磁性材料将显示出在一定程度上依赖于时间和/或磁化的非线性行为，并且因此测量到的磁化率可以取决于目标的阻抗测量的驱动振幅和磁化历史。在一个优选实施例中，激励电路(104)被配置为提供恒定的AC驱动电流振幅，使得目标的磁化的振幅基本上被固定。除此之外或作为可替选方案，激励电路(104)包括DC偏置电流，使得在磁化曲线的基本上线性且可重复部分上执行AC阻抗测量。优选地，AC电源(优选在一些实施例中被用于感应式加热的AC电源)被配置为在目标上提供去磁(de-gaussing)效果(去除任何残余磁化)。去磁波形典型地具有高的振幅，其随时间推移减小。例如，在图9(a)中示出的温度测量之前功率中的斜坡向下满足此要求。
许多阻抗测量方法和电路是已知的并且可以被用于测量此系统的线圈构造的视在阻抗。简要地描述用于与此发明结合使用的一些适当方法，尽管该列表不是穷举性的，并且其他方法对本领域技术人员来说将是显而易见的。
I-V方法施加AC信号并且测量电压和流过的电流。AC信号可以是由微处理器产生的具有高次谐波滤波的方波、PWM生成的正弦波或来自模拟振荡器的输出。可以使用分流电阻器、电流变压器或霍尔传感器电流探针来执行电流测量。阻抗的虚部(电抗)可以由相位-敏感检测(例如使用正交参考电压和乘法器)或者通过在数字域中采样和分析来测量。然后根据频率f和电抗X计算电感。该I-V方法具有相当低成本方法的优点。
电桥方法使用参考阻抗以便检测测量到的阻抗中的小变化，并且可以具有良好稳定性和精度。自-平衡电桥可以被用于将阻抗的电阻部分置零且找到其中电感等于参考电感的频率。比率式半电桥使用单个参考阻抗、施加并测量到的电压以及运算放大器。这可以与相位-敏感检测结合使用以测量电感值。
谐振阻抗方法使用串联或并联的电容器以抵销感应的阻抗。然后可以或者根据峰(或最小)电流或者根据零相位(例如使用比较器并检测零交叉)来检测串联构造中的阻抗最小值(或并联构造中的阻抗最大值)。这可以使用固定的电容器值来施加，固定的电容器值在有限的温度范围内可以提供相当准确的测量。使用可变电容器(例如变容二极管)或开关电容器可以提供大多数准确测量，但具有较高成本和较长测量时间。用负电感器替代电容器(使用负阻抗转换器构建)允许在宽温度范围内的准确的温度测量。这具有低成本和快速测量的优点。图10示出了使用负电感器的电感测量电路的示意图。该电路包括AC电压源(123)、电流测量设备(124)、在该情况下被测量并被建模为电阻器R和电感器L串联连接的线圈构造(121)以及负阻抗转换器电路(122)。线圈构造(121)具有有效电感L和电阻R，其值随频率和温度改变。图10(a)示出了其中负阻抗电路(122)产生-Rref-jωLref的阻抗的布置，而Rref是参考电阻器并且Lref是参考电感器。图10(b)示出了具有较低成本和较好稳定性的可替选实施方式(因为其不使用额外的电感器)。负阻抗电路(122b)产生的阻抗，使得参考电感是Lref＝R1R3C。在不同频率下由电压源(123)施加AC电压。当线圈构造的电感等于参考电感(L＝Lref)时，电流(i)的相位是零。这在交叉频率f0下发生。在其中线圈构造的电阻随频率缓慢改变的情况下，电流的量值中的最大值也可以被用于检测此点。因此，相位零或电流最大值被用于检测f0并推断出目标的温度。该电路可以被重新布置成使得线圈构造的一端接地，以减少杂散电容对测量的影响。这可以使用浮动负阻抗转换器(诸如在美国4,151,493中描述的转换器)来实现。能够将线圈构造的一端接近电路接地连接允许通过在线圈构造端与电路接地之间插入电流测量分流电阻器来进行低成本电流测量。
在本发明的另一实施例中，激励电路是振荡器，其中线圈构造构成确定振荡频率的谐振电路的一个元件。线圈构造将伴随着一个或多个谐振电容器，其被放置在放大器的反馈环路中。这种类型电路的示例是科耳皮兹振荡器(Colpitts oscillator)。一个或多个可变电容器(例如变容二极管)可以被用于调整该调谐，如在电压控制的振荡器(VCO)电路中完成。测量电路然后测量振荡的频率。可以根据其他谐振部件的值来推断振荡频率下的线圈构造的阻抗的电感部分的值。(一个或多个)可变电容器的值可以被调整为使得振荡频率接近交叉频率。
通过测量感应式加热电路中的电流来测量阻抗是可以用非常低的添加成本施加至感应式加热系统的方法。这可以通过测量在两个不同开关频率下输入至半电桥逆变器的电流来执行。也可以以这种方式来测量单个开关准-谐振逆变器中的电流。由于功率电子设备设计上的其他约束，这种阻抗测量方法具有测量精度有限的缺点。
图11(a)示出了作为感应式炉盘系统的部分的感应式温度传感器的实施例。线圈(1100)和屏蔽材料(1102)被定位在炉盘表面(1117)的一侧上，并且被用于通过感测交叉频率下的视在电感或测量交叉频率来感测平底锅(1118)的基底(1101)的温度。线圈(1100)还可以被用于平底锅的感应式加热。
图11(b)示出了作为感应式炉盘系统的部分的感应式温度传感器的实施例，其中该平底锅可以具有各种尺寸和/或在炉盘表面上的各种位置中。如平面图中所示，线圈阵列(1120)位于炉盘表面下方。也示出了位于炉盘顶部上的平底锅基底(1121)的轮廓。线圈中的一个或多个位于平底锅下面。根据本发明，这些线圈(1122)可以被用于感测平底锅温度。这些线圈也可以被用作感应式加热线圈。
图12(a)示出了作为用于旋转工具的温度传感器的感应式温度传感器的实施例。在此实施例中，线圈(1200)围绕旋转轴缠绕并被用于感测旋转零部件(1201)的温度。工具的切割/钻孔/研磨/砂磨面(1203)被示出为与感测线圈相对，尽管其也可以在用于一些工具(诸如圆锯)的旋转零部件的圆周上。屏蔽材料(1202)被用于将来自线圈(1200)的场朝向待感测的旋转零部件(1201)的部分引导。通过测量接近交叉频率的电感或者测量交叉频率来感测旋转零部件的温度。
图13示出了用于感测旋转摩擦部件(诸如离合器、制动器)或旋转机械密封件的温度的感应式温度传感器的实施例。此类部件生成热量，并且在故障状态下可以生成余热且不应该被操作在一定安全温度限制以上。因此，可靠的、低成本、非接触温度测量方法是非常有益的。旋转摩擦部件(1313、1314)被示出为由旋转轴(1311、1312)驱动，尽管在一些系统中摩擦部件中的一个是不旋转的。用于感应式温度感测的感测线圈可以邻近摩擦部件(1301)中的一个而定位，或者可以围绕摩擦部件(1302)中的一个而周向地定位。通过测量交叉频率或接近交叉频率的电感而由线圈(1301或1302)感测摩擦部件的温度。
图14示出了用于监视热处理过程的感应式温度传感器的实施例。感测线圈或线圈阵列(1401)被用于测量目标材料(1402)的温度。在连续过程中，目标材料可以沿着行进方向(1404)移动。可以由红外线、火焰、等离子、感应式加热或者在烘箱中施加热量。尽管位置可以是相同的或者感测线圈可以是可移动的以便感测不同位置处的温度，但在图中示出了在感测位置略微上游的热量(1403)的施加。钢的感应淬火和退火是两个示例过程，其中感应式温度感测将是有益的。对于感应加热过程来说，可以使用同一线圈来执行感测和加热，或者两个分离的线圈可以被用于所述两个功能。用于钢的涂刷或粉末涂覆的加热过程也将受益于感应式温度感测。由于基板的可变发射率和缺乏视线触及(line-of-sightaccess)，红外温度感测可能难以应用于这些环境。
用于其温度正被感测的零部件的识别和/或校准数据可以作为条形码或任何其它光学图案、RFID标签或机械互锁特征的部分而被保持在正被感测的零部件上。这允许对材料性质的校准，材料性质可以根据零部件不同而有所不同。
对于此发明来说存在许多应用，包括用于家用炊具、家用食物加工器和工业烘箱的组合的感应式加热和温度感测。与工业感应加热系统相组合，以用于诸如钢的感应淬火、锡焊和钎焊、挤压成型、轧制、塑料接合、塑料涂层的施加、粉末涂覆、涂料干燥、粘合剂固化、盖密封、用于回收的塑料和橡胶的脱胶、半导体和玻璃生产的应用。振动、平移和旋转零部件的温度感测也非常适合此方法。潜在应用包括工业温度感测，特别是例如在控制模塑工具温度时钢的温度感测、诸如制动器和发动机零部件的汽车和航空航天部件的感测、切削工具温度的感测、消毒过程的控制、机器和驱动的温度监视、热交换器温度的感测。恶劣或难以接近的环境中的温度的非接触感测覆盖其中此发明的益处是重要的另一组应用，例如在非常高或非常低温度下、在压力或真空下、在化学反应容器中。这绝不是穷举列表并且其他应用对本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (22)

1.一种用于感应式温度感测的设备，其包括线圈构造、目标和阻抗测量电路，其中：
所述目标具有非零电导率和磁化率；并且
所述阻抗测量电路在接近交叉频率的测量频率下测量所述线圈构造的视在电感，以提供所述目标的温度的指示。
2.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述测量频率在所述交叉频率的70％与所述交叉频率的130％之间。
3.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述测量频率在所述交叉频率的90％与所述交叉频率的110％之间。
4.根据权利要求1至3所述的设备，还包括感应式加热电路。
5.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述目标被布置为用作感应加热目标以及感测目标。
6.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述阻抗测量电路在接近第二交叉频率或恰好在第二交叉频率下测量所述线圈构造的视在电阻，所述第二交叉频率被定义为所述线圈构造的视在电阻基本上独立于所述目标的温度的频率。
7.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述线圈构造被布置为用作加热线圈以及感测线圈。
8.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述目标由具有在测量的范围内随温度增加而减小的电导率的材料或复合材料制成。
9.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述目标由具有在测量的范围内随温度增加而减小的磁化率的材料或复合材料制成。
10.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述目标材料是磁钢。
11.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述线圈构造和所述目标基本上是平面的。
12.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述线圈构造围绕所述目标的外边缘缠绕。
13.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其中，所述线圈构造包括彼此分离的感测线圈和加热线圈。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述感测线圈相对于所述加热线圈基本上是平衡的。
15.根据任意一项前述权利要求所述的设备，其被布置为使得所述感应加热能够被中断以便进行温度测量。
16.根据权利要求15所述的设备，其被布置为使得所述温度测量之间的间隔能够被改变。
17.一种用于感测目标的温度的方法，其中：
AC信号被施加至线圈构造；
在具有非零电导率和磁化率的目标中感应出涡电流；
在接近交叉频率或恰好在交叉频率下测量所述线圈构造的视在电感，在所述交叉频率下所述视在电感基本上独立于所述线圈构造与所述目标的相对位置。
18.一种用于感应式加热和温度感测的设备，所述设备包括线圈构造、目标、激励电路以及测量电路；其中：
所述目标包括热敏电阻器材料层和具有非零磁化率的材料层；
所述激励电路在低于300kHz或更优选在20kHz与100kHz之间操作；
所述测量电路被布置为在与所述激励电路的频率不同的频率下测量所述线圈构造的视在阻抗。
19.一种感应炉盘，其包括：
感应式加热电路；和根据权利要求1至16中的任意一项所述的设备。
20.一种用于旋转机械装置的感应式温度传感器，所述感应式温度传感器包括：
具有非零电导率和磁化率的目标；以及
根据权利要求1至16中的任意一项所述的设备；其中
所述目标相对于所述线圈构造是可旋转的或可移动的。
21.一种热处理设备，包括：
用于直接地或间接地加热所述目标材料的加热装置；以及
根据权利要求1至16中的任意一项所述的设备。
22.一种用于食物的加工和制备的食物烹饪混合器，所述食物烹饪混合器包括：
激励电路；
测量电路；
具有至少一个线圈的线圈构造；
能够与具有用于接收感应式热量的目标的所述食物烹饪混合器分离的碗状物；
适于旋转所述碗状物内部的切削或搅拌元件的电机驱动器，其中
所述测量电路被布置为在接近交叉频率或恰好在交叉频率下测量所述线圈构造的视在电感。
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