CN114026400A - 提高电阻温度检测器的稳定性 - Google Patents

提高电阻温度检测器的稳定性 Download PDF

Info

Publication number
CN114026400A
CN114026400A CN202080047865.7A CN202080047865A CN114026400A CN 114026400 A CN114026400 A CN 114026400A CN 202080047865 A CN202080047865 A CN 202080047865A CN 114026400 A CN114026400 A CN 114026400A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rtd
meander structure
pull
resistive meander
resistive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080047865.7A
Other languages
English (en)
Inventor
尼古拉·S·切拉罗夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sensata Electronic Technology Co ltd
Original Assignee
Sensata Electronic Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sensata Electronic Technology Co ltd filed Critical Sensata Electronic Technology Co ltd
Publication of CN114026400A publication Critical patent/CN114026400A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/20—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
    • G01K7/206—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit in a potentiometer circuit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G01K1/10—Protective devices, e.g. casings for preventing chemical attack
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/183—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer characterised by the use of the resistive element

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

在本公开的特定实施例中，公开了一种用于提高电阻温度检测器(RTD)的稳定性的装置。在该特定实施例中，该装置包括具有外壳的RTD，该外壳围绕沉积在衬底上的电阻曲折结构。RTD还包括下拉电阻器。电阻曲折结构的第一端被配置为耦合到正电源。电阻曲折结构的第二端耦合到下拉电阻器的第一端。下拉电阻器的第二端耦合到地。RTD的外壳也耦合到地。

Description

提高电阻温度检测器的稳定性
技术领域
本公开涉及电路，并且更具体地涉及用于提高电阻温度检测器的稳定性的装置和方法。
背景技术
电阻温度检测器(RTD)(也称为电阻温度计)是一种无源电路元件，其电阻以可预测的方式随着温度升高而增加。传统的RTD包括非导电圆柱体，其感测元件由被包裹起来以形成精确的电阻值的导电材料(例如铜线或镍线)构成。测量电路可以连接到导线以通过将电阻转换为电压来测量感测元件的电阻变化。
RTD始终提供准确读数的可靠性是RTD在相同条件下随时间变化保持相同电阻与温度关系的能力的函数。RTD的电阻与温度关系的漂移或变化可能会受到许多因素的影响，其中一些是特定于配置的。在上面讨论的传统RTD类型中，感测元件的线圈可能容易受到冲击或振动的影响，这可能会通过移动线圈相对于彼此的位置来改变线圈的电阻。用绝缘屏障(例如熔融玻璃或陶瓷胶合剂)涂覆此类RTD可减少线圈的移动，但热膨胀系数的差异仍可能导致此类RTD易于发生应力引起的电阻变化。
最近，已使用沉积在陶瓷衬底上的电阻材料(例如铂或镍-铁金属)薄层(也称为电阻曲折结构(resistive meander))制造RTD。这种类型的薄膜结构导致在更小的面积上使用更少的金属，这使得这些RTD比传统的绕线RTD更小、更便宜且响应速度更快。然而，薄膜RTD的稳定性或漂移可能会受到生产或使用期间对电阻曲折结构的污染的影响。例如，如果薄膜RTD的电阻曲折结构被部分导电的异物污染，则异物可能具有与电阻曲折结构材料不同的电阻温度系数(TCR)。在此示例中，随着温度的变化，电阻曲折结构的电阻将改变与异物电阻不同的量，从而导致RTD漂移。此外，异物可能会通过提供替代传导路径来降低RTD感测元件的电阻，从而进一步影响漂移。
为了保护电阻曲折结构免受污染，薄膜RTD制造商通常在电阻曲折结构上方应用具有电绝缘屏障材料(例如玻璃)的钝化层。然而，在某些RTD应用中，这种类型的机械屏障可能无法充分保护电阻曲折结构免受污染，这导致一些外来原子在电阻曲折结构上积累，并且导致RTD随着时间的变化在相同条件下保持相同的电阻与温度关系的能力发生不可接受的变化。
发明内容
在本公开的特定实施例中，公开了一种用于提高电阻温度检测器(RTD)的稳定性的装置。在该特定实施例中，该装置包括具有外壳的RTD，该外壳围绕沉积在衬底上的电阻曲折结构。RTD还包括下拉电阻器。电阻曲折结构的第一端被配置为耦合到正电源。电阻曲折结构的第二端耦合到下拉电阻器的第一端。下拉电阻器的第二端耦合到地。RTD的外壳也耦合到地。在向电阻曲折结构的第一端供电的该装置的操作期间，由于电阻曲折结构的第二端耦合到下拉电阻器的第一端，电阻曲折结构的第二端的电压电势高于RTD的外壳。
其中电阻曲折结构的电压电势高于RTD的外壳的RTD装置的一个优点是具有正电荷的异物将远离电阻曲折结构并移向具有较低电荷的对象，例如地和RTD的外壳。如上所述，异物可能会影响电阻曲折结构两端的电压电势的测量，从而影响RTD随着时间变化在相同条件下保持相同电阻与温度关系的能力。因此，防止异物污染RTD的电阻曲折结构的装置提高了RTD的稳定性并且是优于现有技术的优势。
本公开前述的和其他的目的、特征以及其他优点将通过以下对如附图所示的本公开的示例性实施例的更具体描述而变得明显，其中相同的附图标记通常表示本公开的示例性实施例的相同部分。
附图说明
为了使所公开的技术所属领域的普通技术人员更容易理解如何制作和使用所公开的技术，可以参考以下附图。
图1是根据本公开的至少一个实施例的用于提高电阻温度检测器(RTD)的稳定性的装置的框图。
图2是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置的框图。
图3是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置的框图。
图4是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置的框图。
图5A是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置的框图。
图5B是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置(500)的框图。
图6是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置的等距视图。
图7是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置的等距视图。
图8是示出根据本公开的至少一个实施例的考虑到电阻温度系数(TCR)的RTD装置的性能的曲线图。
图9是示出根据本公开的至少一个实施例的考虑到温度读数的RTD装置的性能的曲线图。
图10是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的方法的流程图。
图11是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的方法的流程图。
图12是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的方法的流程图。
图13是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的方法的流程图。
具体实施方式
本公开描述了用于提高电阻温度检测器(RTD)的稳定性的装置和方法。如上所述，RTD的温度电阻关系中的稳定性或漂移可能会受到RTD的生产或使用期间对RTD的电阻曲折结构的污染的影响。漂移的另一个常见原因是由于绝缘体的低电阻。如下文将详细描述的，根据本公开的实施例，具有RTD的装置可配置有下拉电阻器，使得当向装置提供电力时，电阻曲折结构的电压电势高于RTD的外壳。由于RTD的电阻曲折结构的电压电势高于RTD的外壳，因此带有正电荷的异物(例如钠离子)将远离电阻曲折结构并移向具有较低电荷的对象，例如地和RTD的外壳。如上所述，异物可能会影响电阻曲折结构两端的电压电势的测量，从而影响RTD在相同条件下随时间变化保持相同电阻与温度关系的能力。因此，防止异物污染RTD的电阻曲折结构的装置提高了RTD的稳定性并且是优于现有技术的优势。
通过结合阐述本发明代表性实施例的附图对某些实施例的以下详细描述，本文公开的装置和方法的其他优点和其他特征对本领域普通技术人员将变得更加明显。在此使用相同的附图标记来表示相同的部件。
图1是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD(102)的稳定性的装置(100)的框图。在图1的示例中，RTD(102)具有围绕沉积在衬底(118)上的电阻曲折结构(112)的外壳(110)。如上所述，RTD可以通过多种方法制造。为了在薄膜RTD上创建电阻曲折结构，可以将电阻材料沉积在衬底上，然后激光修整到所需的参考电阻。用于电阻曲折结构的电阻材料的示例包括但不限于铂、镍、铜和镍/铁。
RTD(102)还包括下拉电阻器(104)。下拉电阻器是可以耦合到电阻曲折结构的电阻器。在薄膜RTD的示例中，下拉电阻器也可以通过在衬底上沉积电阻材料并激光修整到特定的参考电阻来形成。本领域技术人员将意识到，下拉电阻器可以由在下拉配置中耦合到RTD的任何材料制成。例如，下拉电阻器可以使用耦合到RTD的导线形成以产生特定电阻。
在图1的示例中，电阻曲折结构(112)的第一端(114)被配置用于耦合到正电源(106)。电阻曲折结构(112)的第二端(116)耦合到下拉电阻器(104)的第一端(120)。下拉电阻器(104)的第二端(122)耦合到地(108)。RTD(102)的外壳(110)也耦合到地(108)。可以使用多种材料来形成将电阻曲折结构、下拉电阻器和其他组件(例如，测量电路)耦合在一起的导线和绝缘体。导线和绝缘体的类型可能会影响RTD的最高应用温度。导线材料的示例可包括但不限于：铬镍铁合金、不锈钢、镀锡铜、镀银铜、镀镍铜和实心镍线。绝缘材料的示例可包括但不限于：氧化镁、氧化铝、聚氯乙烯(PVC)绝缘、氟化乙丙烯(FEP)特氟龙绝缘、四氟乙烯(TFE)特氟龙绝缘、玻璃纤维绝缘和无绝缘。
在装置(100)的操作期间，向电阻曲折结构(112)的第一端(114)供电，因为电阻曲折结构(112)的第二端(116)耦合到下拉电阻器(104)的第一端(120)，电阻曲折结构(112)的第二端(116)的电压电势高于RTD(102)的外壳(110)。由于RTD的电阻曲折结构的电压电势高于RTD的外壳，因此带正电的离子(例如钠离子)将被吸引到最低电压电势。在图1中描述的配置中，地和RTD的外壳具有比电阻曲折结构(112)的第一端(114)和第二端(116)两者低的电势。异物可能会影响电阻曲折结构两端的电压电势的测量，从而影响RTD(102)随着时间变化在相同条件下保持相同电阻与温度关系的能力。因此，例如图1的装置(100)的装置防止带正电的异物污染RTD(102)的电阻曲折结构(112)，这提高了RTD的稳定性。
电阻器在装置中相对于RTD的具体配置和放置会影响RTD的功能。例如，如果不是将下拉电阻器(104)的第一端(120)耦合到电阻曲折结构(112)的第二端(116)以及将下拉电阻器(104)的第二端(122)耦接到地(108)，而是在正电源(106)和RTD(102)之间耦合另一电阻，则RTD(102)的性能和稳定性可能有显著差异。在这个示例中，另一个电阻器可以被认为是“上拉电阻器配置”，其第一端耦合到正电源(106)，第二端耦合到电阻曲折结构(112)的第一端(112)。在这种不包括下拉电阻器的“上拉电阻器配置”中，电阻曲折结构的第一端的电压电势具有比RTD的外壳更高的电势。在该上拉电阻器配置中，电阻曲折结构的第二端可能具有较低的电势，使得外来正离子污染物可能积聚在电阻曲折结构的第二端和耦合到测量电路的任何引线周围。电阻曲折结构的这种污染或破坏可能影响由测量电路确定的测量结果。如上所述，图1的装置(100)的优点之一是下拉电阻器(104)保护电阻曲折结构(112)的第一端(114)和第二端(116)两者。“上拉电阻器配置”除了仅保护电阻曲折结构的第一端的缺点外，还容易受到外壳和耦合到电阻曲折结构的导线/引线的低绝缘电阻的影响，这可能会导致显著的由RTD报告的读取误差。
相比之下，除了减少或消除对电阻曲折结构的破坏之外，图1的装置(100)中下拉电阻器(104)的独特配置和放置还最小化外壳(110)和引线的低绝缘电阻对RTD(102)读取误差的影响。有几种绝缘电阻。例如，电阻曲折结构的引线之间；电阻曲折结构的一根引线和外壳之间；以及在电阻曲折结构的另一根引线和外壳之间可能存在绝缘电阻。这些绝缘电阻的比率取决于传感器的几何形状。下拉电阻器值可以基于传感器的几何形状进行选择。在特定实施例中，最佳下拉电阻器值平衡低绝缘电阻的影响。因此，降低低绝缘电阻的影响是图1的装置(100)相对于不包括下拉电阻器的“上拉电阻器配置”的另一个优点。此外，防止对电阻曲折结构的污染和降低低绝缘电阻还可以提供额外的优点，即允许在RTD装置的构造中减少对机械屏障(例如玻璃和胶合剂)的依赖和要求。
图2是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD(102)的稳定性的装置(200)的框图。图2的装置(200)包括许多与图1相同的组件，包括正电源(106)、地(108)、下拉电阻器(104)和具有外壳(100)和沉积在衬底(118)上的电阻曲折结构(112)的RTD(102)。
除了上面列出的来自图1的组件之外，图2的装置(200)还包括测量电路(202)和控制器(204)。图2的测量电路(202)可以是被配置为测量电阻曲折结构的电阻的电路。
如图1所示，电阻曲折结构(112)被配置为随着电阻曲折结构的温度变化而改变电阻。电阻曲折结构的电阻温度系数(TCR)定义了电阻曲折结构的电阻和温度之间的相关性。电阻曲折结构的异物污染以及来自引线和外壳的低绝缘电阻会导致电阻曲折结构的测量电阻偏离根据电阻曲折结构的TCR预期的值。下拉电阻器(104)相对于RTD(102)的放置减少了对电阻曲折结构的外来污染，并最小化了RTD外壳和引线的低绝缘性的影响，从而提高了RTD的稳定性，以及由测量电路(202)确定的值。
测量电阻曲折结构的电阻可以包括将电阻转换为电压并使用该电压来驱动电压表、运算或仪表放大器、或高分辨率模数转换器。例如，来自RTD的信号可以通过将电阻曲折结构耦合到由恒定参考电压激励的惠斯通电桥的一个支路来测量。惠斯通电桥的输出可以连接到电压表、运算或仪表放大器或高分辨率模数转换器。作为另一示例，电阻曲折结构的电阻可以通过使用精确电流参考测量跨过诸如电阻曲折结构的RTD的某些部分的IR电压降来确定。测量电路(202)可以被配置为确定提供给控制器(204)的电压或电阻，该控制器(204)耦合到测量电路(202)。图2的控制器(204)可以配置有电路逻辑或计算机程序指令以从测量电路接收原始值并使用与电阻曲折结构的电阻温度系数(TCR)相关联的数据来确定电阻曲折结构的温度。尽管未示出，但是控制器(204)可以包括用于将温度读数传输到一个或多个附加组件的硬件和计算机程序指令。例如，控制器(204)可以结合到汽车的发动机控制单元(ECU)中或与ECU接口连接以向ECU提供RTD周围介质的温度读数。本领域技术人员将认识到，测量电路(202)和控制器(204)可以合并为单个组件或进一步分离为附加的子单元。
图3是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD(102)的稳定性的装置(300)的框图。图3的装置(300)包括许多与图1相同的组件，包括正电源(106)、地(108)、下拉电阻器(104)和具有外壳(100)和沉积在衬底(118)上的电阻曲折结构(112)的RTD(102)。
除了上面列出的来自图1的组件，图3的装置(300)还包括上拉电阻器(302)。图3的上拉电阻器(302)具有耦合到正电源(106)的第一端(304)和耦合到电阻曲折结构(112)的第一端(114)的第二端(306)。在该配置中，电阻曲折结构(112)的第一端(114)经由上拉电阻器(302)从正电源(106)供电。
在其中向上拉电阻器(302)的第一端(304)提供电力的装置(300)的操作期间，因为电阻曲折结构(112)的第二端(116)耦合到下拉电阻器(104)的第一端(120)，所以电阻曲折结构(112)的第二端(116)的电压电势高于地(108)和RTD(102)的外壳(110)。此外，电阻曲折结构(112)的第一端(114)的电压电势也高于地(108)和RTD(102)的外壳(110)。由于RTD的电阻曲折结构的电压电势高于RTD的外壳，因此带正电的离子(例如钠离子)将被吸引到最低电压电势。在图3中描述的配置中，地和RTD的外壳具有比电阻曲折结构(112)的第一端(114)和第二端(116)两者低的电势。异物可能会影响电阻曲折结构两端的电压电势的测量，从而影响RTD(102)随着时间变化在相同条件下保持相同电阻与温度关系的能力。因此，例如图1的装置(300)的装置防止带正电的异物污染RTD(102)的电阻曲折结构(112)，这提高了RTD的稳定性。
图4是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD(102)的稳定性的装置(400)的框图。图4的装置(400)包括许多与图1-3相同的组件，包括正电源(106)、地(108)、下拉电阻器(104)、上拉电阻器(302)、测量电路(202)、控制器(204)、具有外壳(100)和沉积在衬底(118)上的电阻曲折结构(112)的RTD(102)。如图2所示，测量电路(202)和控制器(204)被配置为测量电阻曲折结构(112)的电阻。对于图4的装置(400)，测量电路(202)测量的值可能不同于图2的装置(200)，因为图4的装置(400)除了包括图2的装置(200)的组件之外还包括上拉电阻器。然而，如图3所示，向配置中添加上拉电阻器还将具有提高RTD(102)的稳定性的优点，因为图4的装置(400)和图3的装置(300)还包括下拉电阻器(104)，这有助于减少对电阻曲折结构的外来污染。
图5A是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置(500)的框图。如图2和图4所示，测量电路(202)可以耦合到连接到RTD(102)的引线，以测量电阻曲折结构(112)的电阻变化。图5的装置(500)示出了图2和4的测量电路(202)的示例组件，用于测量耦合到下拉电阻器(未示出)和正电源(未示出)的RTD的电阻曲折结构(112)的变化。
在图5A的示例中，测量电路的组件为2-线配置，具有电桥配置中的激励电流源(505)、第一电桥电阻器(510)、第二电阻器(520)和第三电桥电阻器(530)。还存在第一引线电阻器(540)和第二引线电阻器(550)，它们代表将电桥配置耦合到电阻曲折结构(112)的引线的电阻。可以在端子(570)和(572)处测量电压。在操作中，电阻曲折结构(112)的电阻基于电阻曲折结构(112)的温度而变化。通过测量端子(570)和(572)之间的电压差，可以确定电阻曲折结构(112)的电阻。利用电阻曲折结构(112)的电阻的知识，可以确定正由电阻曲折结构(112)感测的温度。例如，如图2和4所示，控制器(204)可以将测量电路的输出值与特定温度相关联。
图5B是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置(501)的框图。图5的装置(501)示出了图2和4的测量电路(202)的示例组件，用于测量耦合到下拉电阻器(未示出)和正电源(未示出)的RTD的电阻曲折结构(112)的变化。
装置(501)可以被认为是用于测量RTD电阻的测量电路的3-线配置。装置(501)包括电桥配置中的激励电流源(506)、第一电桥电阻器(511)、第二电桥电阻器(521)和第三电桥电阻器(531)。还存在电阻器(541)和电阻器(551)，它们代表将电桥配置耦合到电阻曲折结构(112)的线路的电阻。还存在引线(556)。在图5B的示例中，在端子(571)和(573)处测量电压。在操作中，电阻曲折结构(112)的电阻基于电阻曲折结构(112)的温度而变化。通过测量端子(571)和(573)之间的电压差，可以确定电阻曲折结构(112)的电阻。利用电阻曲折结构(112)的电阻的知识，可以确定正由RTD感测的温度。
装置(500)和装置(501)之间的区别在于引线(556)的存在。这是第三导线。在装置(500)中，引线(540)和(550)的电阻会影响电阻曲折结构(112)的测量电阻。在装置(501)中，引线(541)和(551)的电阻可以相互抵消，因为每个引线耦合到电桥的相反支路，并且(理想情况下)引线(541)和(551)的电阻相等。
在图5B的示例中，电激励电流可以通过电桥电阻器(511、521、531)，并且RTD和电桥输出电压是对电阻曲折结构(112)的电阻的指示。在特定实施例中，激励电流源(506)非常稳定并且三个电桥电阻器(511、521、531)是具有非常低的温度系数的高精度电阻器。高输入阻抗放大器(未显示)可用于测量RTD随温度变化的电阻变化。
应当理解，图5A和5B仅示出图2和4的测量电路(202)的两个示例配置，并且可以使用除两线和三线配置之外的其他配置。
图6是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的装置(600)的等距视图。装置(600)包括薄膜RTD。应当理解，实施例可以与任何类型的RTD一起使用，包括当前存在的那些和将来开发的那些。装置(600)包括两个引入引线(640)和(650)，它们大致对应于图5A和图5B的元素(540)、(550)、(541)和(551)。装置(600)还包括衬底(608)和感测电阻器(660)，例如图1的电阻曲折结构(112)。衬底(608)可以包括多种材料中的一种。在一些实施例中，衬底(608)是陶瓷衬底。感测电阻器(660)可以包括多种不同导电材料中的一种。在一些实施例中，感测电阻器(660)可由铂制成。在一些实施例中，可以有额外的量(662)，其可以被修整以产生任何期望的标称电阻。尽管未示出，但是整个组件可以涂覆有材料以保护装置(600)，然后放置在外壳中。示例标称电阻可以包括在零摄氏度时的200欧姆、500欧姆和1000欧姆。在一些实施例中，增加的标称电阻增加了装置(600)的灵敏度。
图7是根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD稳定性的装置(700)的等距视图。装置(700)图示了示例性RTD的完整封装。装置(700)的传感器部分(705)耦合到盖(715)。法兰(725)将较小的传感器部分和盖(715)连接到螺母(735)。螺纹(745)允许将装置(700)紧固到要在固定位置进行监测的地方。引线(755)(由护套(765)保护)用于将传感器部分(705)电耦合到测量电路。
图8是示出根据本公开的至少一个实施例的考虑到电阻温度系数(TCR)的RTD装置的性能的曲线图。示例性数字可用于说明目的。在一些实施例中，正电源为5伏。不包括下拉电阻器的“上拉电阻器”配置可能具有1000欧姆的值，RTD两端的电压约为2.2伏。显然，地电压为0伏。RTD两端的电压降为2.2伏。
在图1的下拉配置中，在同样的情况下，RTD的电压降为2.2伏。然而，由于图1的耦合方案，电阻曲折结构的电压约为2.8伏。因此，电阻曲折结构约为2.8伏，而外壳的电压为0伏，因为它是接地的。因此，与外壳相比，电阻曲折结构带正电。结果是带正电的污染物(例如钠离子)被吸引到外壳而不是电阻曲折结构。
下拉电阻器的值可以从多种不同的值中选择一个。在一些实施例中，下拉电阻器可以具有1000欧姆的电阻。在一些实施例中，下拉电阻器可以具有200欧姆的电阻。较高的电阻会降低RTD的自热效应。然而，较低的电阻可以提供更准确的测量。
图1的装置(100)与几个具有不同配置的RTD进行比较。每个RTD在长时间(300到500小时)经受高温(900摄氏度或更高)之前和之后都被进行了测试。结果如图8所示。在图8中，曲线图(800)是箱线图，它比较了四种不同RTD配置的TCR变化。X轴(802)描绘了四种不同的配置。Y轴(804)显示了TCR的变化，单位为ppm/摄氏度。条形(810)表示在900摄氏度下经受300小时和在950摄氏度下经受500小时的RTD。条形(820)表示没有箱盖的RTD。该RTD在950摄氏度下经受500小时。条形(830)表示在950摄氏度下经受500小时的另一RTD。条形(810)、(820)和(830)的RTD中的每一个都以图1所示的配置耦合。条形(840)表示在900摄氏度下经受500小时和在950摄氏度下经受50小时的RTD。条形(840)的RTD在本公开中描述的配置中耦合为“上拉电阻器配置”，其不包括下拉电阻器。
如图8所示，条形(840)表现最差。TCR在每摄氏度+25到-75ppm之间变化。相比之下，条形(810)、(820)和(830)中的每一个都显示出最小的变化。最大的变化是条形(830)，其变化范围为每摄氏度0到+10ppm。条形(810)和(820)都具有在每摄氏度0至-10ppm范围内的TCR变化。
图9是示出根据本公开的至少一个实施例的考虑到温度读数的RTD装置的性能的曲线图。参考图9，附加测试的结果以图形形式呈现。在曲线图(900)中，几个具有已知低绝缘电阻的RTD被放置在900度的测试环境中，并且使用两种不同的耦合方案(例如图1的装置(100)的下拉电阻器配置和不包括下拉电阻器的“上拉电阻器配置”)来确定读数。曲线图(900)是显示在RTD读数中的误差的箱线图。Y轴(904)表示RTD传感器读数的误差，单位为摄氏度。条形(920)显示了使用带有1000欧姆电阻器的“上拉电阻器配置”的RTD的误差。可以看出，误差在从传感器读数比实际温度低90度到比实际温度低约400度的异常值读数的范围之间。相比之下，完全相同的RTD使用图1的装置(100)的下拉电阻器配置的方案耦合。结果显示为箱(910)。可以看出，误差被大幅最小化，所有读数都在实际温度的10-15摄氏度之内。
图10是根据本公开的至少一个实施例的提高RTD的稳定性的方法的流程图。图10的方法可以用图1-4中描述的装置的说明性实施例来实现。
图10的方法包括将RTD(102)的外壳(110)和下拉电阻器(104)的第二端(122)耦合(1002)到地(108)。将RTD(102)的外壳(110)和下拉电阻器(104)的第二端(122)耦合(1002)到地(108)可以包括将一根或多根引线附接到地。
此外，图10的方法还包括向电阻曲折结构(112)的第一端(114)提供(1004)正电。向电阻曲折结构(112)的第一端(114)提供(1004)正电可以包括将电阻曲折结构(112)的第一端(114)耦合到正电源(106)。
在特定实施例中，图10的方法用于在RTD生产之后纯化图1的装置(100)的电阻曲折结构。这种纯化过程可能会产生更高的芯片成品率，因为由于曲折结构破坏而正常未通过检查的芯片可以被纯化到足以通过检查。在另一实施例中，图10的方法在RTD正常操作期间使用，以防止外来离子破坏电阻曲折结构。在特定实施例中，使用RTD的方法可以包括使用下拉电阻器配置以在生产期间纯化电阻曲折结构并且然后在正常操作期间保持RTD的纯度。
在用于在纯化期间使用的替代配置中，代替使用下拉电阻器在电阻曲折结构的第二端产生比壳体更高的电压电势，可以将正电施加到电阻曲折结构的每一端，同时RTD的壳体耦合到地。在该示例中，可以减少或消除对电阻曲折结构的破坏，因为电阻曲折结构的两端将具有比壳体更高的电压电势，并且可以将任何外来正离子从电阻曲折结构吸走并引向壳体。
图11是根据本公开的至少一个实施例的提高RTD的稳定性的方法的流程图。图11的方法可以用本公开中描述的装置的说明性实施例来实现。在图11的方法的描述中，具体参考图2的装置(200)。图11的方法类似于图10的方法，图11的方法还包括将RTD(102)的外壳(110)和下拉电阻器(104)的第二端(122)耦合(1002)到地(108)并向电阻曲折结构(112)的第一端(114)提供(1004)正电。
此外，图11的方法还包括将测量电路(202)耦合(1102)到RTD(102)。将测量电路(202)耦合(1102)到RTD(102)可以通过将来自测量电路的引线连接到电阻曲折结构的引线来执行。例如，测量电路(202)可以耦合到电阻曲折结构(112)的第一端(114)和电阻曲折结构(112)的第二端(116)。在替代实施例中，测量电路(202)可以耦合到地(108)和具有RTD(102)的另一点。
图11的方法还包括通过测量电路(202)确定(1104)电压差。通过测量电路(202)确定(1104)电压差可以通过测量电阻曲折结构(112)的第一端(114)和第二端(116)之间的电压差来执行。替代地，测量电路(202)可以测量地与RTD内的另一点之间的电压差。测量电压差可包括将电阻转换为电压并使用该电压来驱动电压表、运算或仪表放大器或高分辨率模数转换器。例如，来自RTD的信号可以通过将电阻曲折结构耦合到由恒定参考电压激励的惠斯通电桥的一个支路来测量。作为另一示例，电阻曲折结构的电阻可以通过使用精确电流参考测量电阻曲折结构两端的IR电压降来确定。测量电路(202)可以被配置为确定提供给控制器(204)的电压或电阻，该控制器(204)耦合到测量电路(202)。
图11的方法还包括由控制器基于电压差确定(1106)由RTD(102)测量的温度。由控制器基于电压差确定(1106)由RTD(102)可以通过以下操作来执行：从测量电路接收原始值并使用与电阻曲折结构的电阻温度系数(TCR)相关联的数据来确定电阻曲折结构的温度。尽管未示出，但是控制器(204)可以包括用于将温度读数传输到一个或多个附加组件的硬件和计算机程序指令。例如，控制器(204)可以结合到汽车的发动机控制单元(ECU)中或与汽车的ECU接口连接以向ECU提供RTD周围介质的温度读数。
图12是根据本公开的至少一个实施例的提高RTD的稳定性的方法的流程图。图12的方法可以用本公开中描述的装置的说明性实施例来实现。在图12的方法的描述中，具体参考图3的装置(300)。图12的方法类似于图10的方法，图12的方法还包括将RTD(102)的外壳(110)和下拉电阻器(104)的第二端(122)耦合(1002)到地(108)并向电阻曲折结构(112)的第一端(114)提供(1004)正电。
图12的方法包括在正电源(106)和电阻曲折结构(112)的第一端(114)之间插入(1202)上拉电阻器(302)，使得上拉电阻器(302)的第一端(304)耦合到正电源(106)并且上拉电阻器(302)的第二端(306)耦合到电阻曲折结构(112)的第一端(114)。在正电源(106)和电阻曲折结构(112)的第一端(114)之间插入(1202)上拉电阻器(302)、使得上拉电阻器(302)的第一端(304)耦合到正电源(106)并且上拉电阻器(302)的第二端(306)耦合到电阻曲折结构(112)的第一端(114)可以通过将引线从正电源(106)连接到上拉电阻器(302)的第一端(304)和将引线从电阻曲折结构(112)的第一端(114)连接到上拉电阻器(302)的第二端(306)来执行。
在图12的方法中，向电阻曲折结构(112)的第一端(114)提供(1004)正电包括向上拉电阻器(302)的第一端(304)供电(1204)。向上拉电阻器(302)的第一端(304)供电(1204)可以通过将上拉电阻器(302)的第一端(304)耦合到正电源(106)来执行。
如上所述，本公开的实施例可以通过减少或消除对电阻曲折结构的外来正离子污染来提高RTD的稳定性或漂移。本公开还公开了下拉电阻器相对于RTD的配置和放置可以通过降低低绝缘电阻的影响来提高RTD的稳定性。
除了曲折结构破坏和低绝缘电阻之外，RTD的稳定性还可能受到RTD对R0(在特定温度(例如0摄氏度)的RTD的基础电阻)的机械位移的影响。例如，如果RTD的基础电阻实际上与测量电路或控制器使用的基础电阻不同，则基于测得的电阻和存储的基础电阻之间的差异进行的温度计算可能不正确。为了减少RTD对R0的机械位移的影响，图13示出了根据本公开的至少一个实施例的用于提高RTD的稳定性的方法的流程图。
图13的方法包括在低温下测量(1302)RTD的电阻。在低温下测量(1302)RTD的电阻可以包括汽车ECU在发动机长时间关闭条件下测量RTD的电阻。在特定实施例中，汽车ECU可以存储在已知低温条件时段期间的RTD电阻的多个测量值。
图13的方法还包括使用(1304)测量的电阻来计算RTD的新基础电阻(R0)。使用(1304)测量的电阻来计算新基础电阻可以通过校准和存储用于RTD的新计算的R0来执行。例如，假设汽车中的所有温度传感器都读取相同的温度，则ECU可以配置为基于测量的电阻计算基础电阻的漂移。
图13的方法还包括使用(1306)新基础电阻来确定操作期间RTD的电阻变化。使用(1306)新基础电阻来确定操作期间RTD的电阻变化可以通过测量RTD电阻相对于计算出的新基础电阻(R0)的变化来执行，以识别更准确的RTD的电阻变化。由于采用这种校准方法，RTD的基础电阻更加准确，因此在操作期间测量到的任何RTD变化也更加准确。因此，这种校准方法可以减少RTD芯片对R0的机械位移的影响。当将此校准方法与下拉电阻配置(其减少曲折结构破坏和低绝缘电阻的影响)结合使用时，可进一步提高RTD的稳定性。
结合阐述本发明代表性实施例的附图，通过以下对某些优选实施例的详细描述，本文公开的系统和方法的优点和其他特征对本领域普通技术人员来说将变得更加明显。在此使用相同的附图标记来表示相同的部件。没有表示方向的词语用于描述绝对方向。
相关领域的普通技术人员将理解，在替代实施例中，几个元件的功能可以由更少的元件或单个元件来执行。类似地，在一些实施例中，任何功能元件可以执行比关于所示实施例所描述的操作更少或不同的操作。此外，为了说明的目的而显示为不同的功能元件可以在特定实现中并入其他功能元件中。
虽然已经关于优选实施例描述了主题技术，但是本领域技术人员将容易理解，可以在不脱离主题技术的精神或范围的情况下对主题技术进行各种改变和/或修改。例如，每项权利要求可以以多重从属方式从属于任何或所有权利要求，即使最初并未要求此类权利。

Claims (20)

1.一种用于提高电阻温度检测器(RTD)的稳定性的装置，所述装置包括：
下拉电阻器，所述下拉电阻器的第一端用于耦合至地；和
RTD，所述RTD包括外壳，所述外壳围绕沉积在衬底上的电阻曲折结构，所述电阻曲折结构具有耦合到正电源的第一端和耦合到所述下拉电阻器的第二端的第二端。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：所述正电源和所述地，所述正电源耦合到所述电阻曲折结构的第一端，所述地耦合到所述外壳和所述下拉电阻器的第一端。
3.如权利要求2所述的装置，其中在所述正电源向所述电阻曲折结构的第一端供电的操作期间，所述电阻曲折结构的第二端具有比所述RTD的外壳更高的电压电势。
4.如权利要求2所述的装置，其中在所述正电源向所述电阻曲折结构的第一端供电的操作期间，所述电阻曲折结构的第一端具有比所述RTD的外壳更高的电压电势。
5.如权利要求2所述的装置，还包括：测量电路，所述测量电路耦合到所述电阻曲折结构的第一端和所述电阻曲折结构第二端。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述测量电路被配置为确定所述电阻曲折结构的第一端和第二端之间的电压差。
7.如权利要求6所述的装置，还包括：控制器，所述控制器耦合到所述测量电路，其中所述控制器被配置为基于所述电阻曲折结构的第一端和第二端之间的所述电压差来确定正由所述RTD测量的温度。
8.如权利要求1所述的装置，还包括：上拉电阻器，所述上拉电阻器具有第一端和第二端，所述上拉电阻器的第一端用于耦合到所述正电源，所述上拉电阻器的第二端耦合到所述电阻曲折结构的第一端，使得所述电阻曲折结构的第一端被配置用于通过所述上拉电阻器耦合到所述正电源。
9.如权利要求8所述的装置，还包括：所述正电源和所述地，所述正电源耦合到所述上拉电阻器的第一端，所述地耦合到所述外壳和所述下拉电阻器的第一端。
10.如权利要求9所述的装置，其中在所述正电源向所述上拉电阻器的第一端供电的操作期间，所述电阻曲折结构的第一端和第二端都具有比所述RTD的外壳更高的电压电势。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述电阻曲折结构形成电阻元件，所述电阻元件的电阻基于温度而变化。
12.一种使用下拉电阻器提高电阻温度检测器(RTD)的稳定性的方法，所述RTD包括外壳，所述外壳围绕具有第一端和第二端的电阻曲折结构，所述下拉电阻器具有第一端和第二端，所述电阻曲折结构的第二端耦合到所述下拉电阻器的第一端，所述方法包括：
将所述RTD的外壳和所述下拉电阻器的第二端耦合到地；和
向所述电阻曲折结构的第一端提供正电。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：将测量电路耦合到所述RTD。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
通过所述测量电路确定电压差；和
基于所述电压差确定正由所述RTD测量的温度。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述电阻曲折结构的第二端具有比所述RTD的外壳更高的电压电势。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述电阻曲折结构的第一端具有比所述RTD的外壳更高的电压电势。
17.如权利要求12所述的方法，还包括：在正电源和所述电阻曲折结构的第一端之间插入上拉电阻器，使得所述上拉电阻器的第一端耦合到所述正电源，并且所述上拉电阻器的第二端耦合到所述电阻曲折结构的第一端。
18.如权利要求17所述的方法，其中向所述电阻曲折结构的第一端提供正电包括：向所述上拉电阻器的第一端供电。
19.如权利要求12所述的方法，还包括：将测量电路耦合到所述电阻曲折结构的第一端和所述电阻曲折结构的第二端。
20.如权利要求12所述的方法，还包括：
在低温下测量所述RTD的电阻；
使用测得的电阻来计算所述RTD的新基础电阻；和
使用所述新基础电阻来确定所述RTD在操作期间的电阻变化。
CN202080047865.7A 2019-07-22 2020-06-23 提高电阻温度检测器的稳定性 Pending CN114026400A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/518,952 US11067454B2 (en) 2019-07-22 2019-07-22 Stability of a resistance temperature detector
US16/518,952 2019-07-22
PCT/US2020/039184 WO2021015915A1 (en) 2019-07-22 2020-06-23 Improving the stability of a resistance temperature detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114026400A true CN114026400A (zh) 2022-02-08

Family

ID=71528110

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080047865.7A Pending CN114026400A (zh) 2019-07-22 2020-06-23 提高电阻温度检测器的稳定性

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11067454B2 (zh)
EP (1) EP3969862A1 (zh)
KR (1) KR20220042062A (zh)
CN (1) CN114026400A (zh)
WO (1) WO2021015915A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11754490B2 (en) * 2019-09-05 2023-09-12 Dell Products L.P. System and method for sensing corrosion in an enclosure of an information handling system

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4791398A (en) 1986-02-13 1988-12-13 Rosemount Inc. Thin film platinum resistance thermometer with high temperature diffusion barrier
US5221916A (en) 1988-05-02 1993-06-22 Fluid Components, Inc. Heated extended resistance temperature sensor
US5041809A (en) * 1990-01-08 1991-08-20 General Electric Company Glass-ceramic temperature sensor for heating ovens
DE19542516C1 (de) 1995-11-15 1997-04-17 Heraeus Sensor Gmbh Temperatur-Sensor
US6341892B1 (en) 2000-02-03 2002-01-29 George Schmermund Resistance thermometer probe
US7719400B1 (en) 2005-08-02 2010-05-18 Rtd Company Method and apparatus for flexible temperature sensor having coiled element
DE102006034181B3 (de) * 2006-07-24 2008-04-03 Siemens Ag Temperatursensor
US8251579B2 (en) 2007-07-16 2012-08-28 Rtd Company Robust stator winding temperature sensor
US20110026562A1 (en) 2009-07-31 2011-02-03 Rtd Company Temperature sensor using thin film resistance temperature detector
US8651737B2 (en) * 2010-06-23 2014-02-18 Honeywell International Inc. Sensor temperature sensing device
DE102011051845B3 (de) 2011-07-14 2012-10-25 Heraeus Sensor Technology Gmbh Messwiderstand mit Schutzrahmen
US9036396B2 (en) * 2012-08-30 2015-05-19 SanDisk Technologies, Inc. Apparatus and method for detecting reflow process
JP5776705B2 (ja) * 2013-02-06 2015-09-09 株式会社デンソー 温度検出装置
LU100509B1 (en) * 2017-11-03 2019-05-08 Iee Sa System for Hand Detection on a Steering Wheel

Also Published As

Publication number Publication date
US11067454B2 (en) 2021-07-20
EP3969862A1 (en) 2022-03-23
WO2021015915A1 (en) 2021-01-28
US20210025764A1 (en) 2021-01-28
KR20220042062A (ko) 2022-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9797787B2 (en) Systems and methods of measuring temperature in industrial environments
US4332081A (en) Temperature sensor
US10495526B2 (en) Method and apparatus for calibrating a thermometer in situ
US5999081A (en) Shielding unique for filtering RFI and EFI interference signals from the measuring elements
CN104204749A (zh) 柔性温度及应变传感器
EP2181409A1 (en) Temperature-averaging field device compensation
US5864282A (en) Unique strain relief junction
US8106740B2 (en) Resistance thermometer
CN105393099A (zh) 薄膜传感器
US11067454B2 (en) Stability of a resistance temperature detector
US3130578A (en) Strain gauge bridge calibration
US10289508B2 (en) Sensor system and method for identifying faults related to a substrate
JP2641333B2 (ja) 熱式流量センサ
US6693445B1 (en) Probe device for apparatus for monitoring corrosion of a material
US10809136B2 (en) Thin film sensor element for a resistance thermometer
US20060284627A1 (en) Apparatus for correcting electrical signals
EP3023804B1 (en) Magnetic induction measuring device and method
CN116399463A (zh) 温度探针和用于制造温度探针的方法
Lopardo et al. Guide to Secondary Thermometry: Industrial Platinum Resistance Thermometers
CN215865541U (zh) 过程流体温度变送器
Claggett et al. Resistance Temperature Detectors (RTDs)
Resistors RESISTANCE THERMOMETER THEORY AND PRACTICE
KR20070100474A (ko) 자기장 차폐 기능을 가지는 온도센서
Siddique Electrical Resistance Temperature Sensor (RTDs and Thermistors)
JPH02280015A (ja) 超伝導液位センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination