CN115701288A - 用于温度限制应用的光纤温度探头 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学温度传感系统，其包括一光纤传感器作为主温度传感器，用于读取被测物体或被测环境的温度。所述温度探头耦合到一转换器，所述转换器使用固态电子元件无需软件生成一温度输出。还公开了一种温度传感系统，该系统包括用于读取被测物体温度的一温度传感器，以及包括一双转换器模块，所述双转换器模块包括一第一转换器以提供主温度传感器信号以及用于从所述第一转换器提供的信号产生一次级温度传感器信号的一第二转换器。本文还描述了一光学温度传感器，其转换模块可产生模拟热敏电阻或热电偶输出的一输出。

Description

用于温度限制应用的光纤温度探头

相关申请的交叉引用

本申请请求申请号为62/705,323、申请日为2020年6月22日的美国临时专利申请的优先权，其内容在此引作参考。

技术领域

以下涉及用于温度限制应用的光纤温度探头。

背景技术

热电偶和热敏电阻是用于温度限制应用的常见类型温度传感器。许多控制系统设计为接受热电偶或热敏电阻的输出作为反馈，以调节和限制温度。热电偶和热敏电阻都是电气的，当暴露于射频(RF)或其他场时，它们的导线充当天线，这使得这些传感器输出的信号嘈杂，通常不准确，并且在高RF场的情况下(例如在一些采用等离子体的半导体工艺中)，由于感应电压大，对操作员造成安全隐患。

在使用加热器主动温度控制的系统中，可能需要冗余温度传感器来确保满足“过温”条件的安全规范。例如，semi S2(半导体设备和材料国际组织的半导体制造设备的环境、健康和安全指南)要求标准可能要求兼容系统确保不存在可能导致无法在没有冗余的情况下检测不安全条件的故障模式。各种其他标准，如IEC(国际电工委员会)60730-1标准或UL(美国保险商试验所)60730-1标准(取代UL873标准)，可能需要类似或其他类型的冗余。过温规范通常要求不存在单点故障模式。也就是说，设备可能超出可接受的范围，并且不报告温度，这被认为是可以的。在温度故障模式通常也是可以接受的，尽管不是理想的。

发明内容

需要主动加热并经过诸如等离子体生成而暴露于射频的应用，例如等离子体沉积过程，可能受益于光纤技术，以确保闭环控制的精确温度测量。光纤技术可与一次级传感器结合使用，以提供过温条件下的测量。

传统上，当需要两个温度通道来提供冗余温度检测时，这些通道使用热电偶或热敏电阻提供，其中一个作为另一个的备份。虽然光纤传感器已用于控制功能，但由于要求安全级软件或安全级固态电子设备符合适用的安全标准，因此它们尚未用作温度限制传感器。这可以视为一个缺点，因为与热电偶或热敏电阻相比，光学传感器在放置在电场中时不会受到相同的不准确性和噪声的影响。

输出模拟热电偶或热敏电阻输出的光学传感器可以代替它们，以在嘈杂的电气环境中向控制系统提供更准确的反馈，而无需对控制系统进行额外的更改或改造。此外，仅使用固态设备或安全等级软件，该设备可以设计为满足温度调节设备的既定安全标准。此外，使用模拟设计更容易满足此类标准，因为可编程器件通常会增加获得器件认证的成本。

在一个方面，提供了一种温度感测系统，该系统包括一基于磷的光纤传感器作为用于读取被测物体温度的主温度传感器，以及一连接到一过温保护电路的次级冗余温度传感器。

在另一方面，提供了一种温度感测系统，该系统包括一用于读取测量物体温度的温度传感器，以及一包含一第一转换器和一第二转换器的双转换器模块，所述第一转换器提供一主温度传感器信号，以及所述第一转换器从所述第一转换器提供的一信号产生一次级温度传感器信号。

在又一方面，提供了一种带有一转换模块的光学温度传感器，该转换模块产生模仿热敏电阻或热电偶输出的输出。

在又一方面，提供了一种用于检测环境中温度的光学温度传感器系统。所述光学温度传感器系统包括一温度探头和一转换器，所述温度探头包括一光纤温度传感器，所述转换器用于在没有软件的情况下使用固态电子元件产生温度输出。在多个示例性实施例中，所述光纤温度传感器响应于感测环境的温度而产生一信号。所述信号根据响应于温度的衰减率而波动。所述转换器包括一信号处理系统，所述处理系统包括固态电子器件，其配置通过将一个或多个信号特性与一个或多个预期信号特性进行比较而将所述信号转换为代表所述衰减率的一中间信号，并通过将所述中间信号与与参考温度相关的预期衰减率进行比较而将所述中间信号转换为一温度输出。

在多个示例性实施例中，所述温度输出是热电偶或热敏电阻的输出形式。

在多个示例性实施例中，所述光纤传感器是基于磷或基于GaAs(砷化镓)的光纤传感器。

在多个示例性实施例中，所述信号处理系统包括一对数放大器，所述对数放大器配置为将所述信号转换为具有与所述衰减速率成反比的变化率的一中间信号。在多个示例性实施例中，所述信号处理系统包括一个或多个比较器，所述比较器配置为产生一个或多个脉冲以响应于所述中间信号跨越一个或多个阈值，所述温度输出是基于在一个或多个脉冲之间观察到的衰减率而产生的。在多个示例性实施例中，所述信号处理系统包括一离散的非易失性存储器，其基于一预编程的转换将所述中间信号转换为所述温度输出。

在多个示例性实施例中，所述系统还包括一次级温度传感器，其配置为响应于感测环境温度的一进一步的信号，其中所述进一步的信号提供给温度限制保护电路作为冗余温度读数。

在又一方面，公开了用于检测环境中温度的一光学温度传感器系统。该系统包括一温度探头和一个转换器，所述温度探头包括一光纤温度传感器，以分别由两个或多个读取电子元件并联产生基于来自所述光纤温度传感器的信号的一第一温度输出和一第二温度输出。

在多个示例性实施例中，所述并联的两个或多个读取电子元件是固态电子元件，无需软件。

在多个示例性实施例中，所述第一温度输出或所述第二温度输出指示一过温状态。

在多个示例性实施例中，所述第一温度输出或所述第二温度输出指示一故障状态。

在多个示例性实施例中，所述两个或多个读取电子器件中的至少一个包括可编程硬件。

在多个示例性实施例中，所述第一温度输出或所述第二温度输出是热电偶或热敏电阻的输出的形式。在多个示例性实施例中，所述第一温度输出或所述第二温度输出为K型热电偶电压值。

在多个示例性实施例中，所述温度探头包含一单个导热尖端探头，用于测量物体在环境中的一表面温度。

在多个示例性实施例中，所述温度探头容装在一护套内，以测量液体或气体内部的温度。

在又一方面，提供了一种系统，用于感测物体的温度。所述系统包括一光纤温度传感器，所述光纤温度传感器响应于感测温度而产生一信号，所述信号根据响应于温度的一衰减率而波动，以及一冗余温度传感器，该冗余温度传感器配置为响应于检测温度而产生一冗余信号。所述系统还包括一信号处理系统，该信号处理系统配置为通过将一个或多个信号特性与一个或多个预期信号特性进行比较，将所述信号转换为代表所述衰减率的一中间信号，并根据将所述中间信号与一预期衰减率进行比较，将所述中间信号转换为一温度输出。所述信号处理系统将所述冗余信号和/或所述温度输出输出到所述温度限制保护电路。

在多个示例性实施例中，所述信号处理系统由一个或多个固态组件组成。

在多个示例性实施例中，所述光纤温度传感器和所述冗余温度传感器都在一单个探头内。

在多个示例性实施例中，所述光纤温度传感器和所述冗余温度传感器都容装在一单个导热尖端探头内，以测量物体的表面温度。

在多个示例性实施例中，所述光纤温度传感器和所述冗余温度传感器容装在一单个护套内，以测量液体或气体内部的温度。

在多个实施例中，所述温度输出为K型热电偶电压值。

在多个示例性实施例中，所述光纤温度传感器是基于磷或基于GaAs的光纤传感器。

在多个示例性实施例中，所述冗余温度传感器是基于磷或基于GaAs的光纤传感器。

在多个示例性实施例中，所述冗余温度传感器是一热电偶或热敏电阻，并且所述信号处理系统包括一用于将所述信号转换为一温度输出的可编程存储器。

在多个示例性实施例中，所述可编程存储器包括与物体和所述冗余温度传感器中一个或多个相关联的一个或多个参数和/或校准值。

在又一方面，公开了一种加热系统，其包括一耦合到一加热元件控制器的加热元件、一包含一光纤温度传感器的温度探头和一转换器。所述转换器使用固态电子元件且无需软件，根据来自所述温度探头的信号生成一第一温度输出，基于用一个或多个存储器处理所述信号生成一第二温度输出，并将所述第一温度输出和所述第二温度输出输出到所述加热元件控制器。所述加热元件控制器根据接收到的所述第一温度输出和所述第二温度输出来调整所述加热元件的运行。

在多个示例性实施例中，所述加热元件是由射频电源供电的射频加热器，而所述第一温度输出是UL列出的或IEC 61508标准的可编程读数，其可由所述加热元件控制器解释。

附图说明

现在参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是用于在这种环境中控制一加热系统的温度感测环境和温度控制器的示意性框图。

图2是用于光纤温度传感器和温度控制器的一功能安全系统的示意性框图。

图3a是示出一独立的双温度探头结构的框图。

图3b是示出一组合式双温度探头结构的框图。

图3c是示出单探头、单光纤、双转换模块结构的框图。

图4a是示出图3b中所示结构的进一步细节的示意性框图。

图4b是示出图3a中所示结构的进一步细节的示意性框图。

图5是示出图3c中所示结构的进一步细节的示意性框图。

图6是示出一单探头多通道配置的示意性框图。

图7.是具有主温度通道和次温度通道的一组合式传感器探头的剖视图。

图8是用于双温度传感器探头的一感测尖端的放大剖视图。

图9是一双温度传感器探头的剖视图。

图10是从一光信号进行安全温度模拟转换的示意性框图。

图11a和11b是使用一光纤温度传感器输入进行安全温度转换的框图示例。

图12是示出在图11a、11b的模拟中感兴趣的信号的框图。

具体实施例

现在参考附图，图1示出了感测环境10的一个示例，其中加热系统16向需要温度测量的物体提供热量，所述物体例如是半导体淋浴头、基座或静电卡盘(ESC)。一个或多个温度传感器12、14用于测量要测量物体的温度，所述物体例如在需要主动加热应用中暴露于射频(RF)，所述RF例如等离子体沉积过程通过等离子体生成。所述温度传感器12、14耦合到一温度控制器18，其用于控制加热系统16耦合到感测环境10或定位在感测环境10内。其中温度传感器12、14之一用于安全关键功能或应用。例如，温度传感器12、14可以由温度控制器18的一温度限制功能20使用。

图2示出了一第一安全温度传感器12，它定义了用于在环境10中感测温度的一功能安全系统。安全温度传感器12包括一感测元件22(例如，基于磷或基于砷化镓(GaAs)的元件)和一安全接口24，所述感测元件定位以测量环境10中的温度，所述安全接口配置为耦合到温度控制器18的一控制器接口26。控制器18还包括一加热器接口28，该加热器接口与加热系统16的相应加热器接口30耦合。在该示例中，加热系统16还包括一RF加热器32，其定位以在环境10中充当热源。

为了提供冗余或提供主要和次要温度传感角色，可以在环境10内的一应用中使用多个温度传感器12、14。在本文提供的示例中，第一温度传感器12是指上述“安全”传感器，其配置为提供可靠性作为主要目的；第二温度传感器14是指其主要目的不一定是可靠性(例如，精度)的另一温度传感器，因此可用于其它非安全关键功能。如本文所述，第一温度传感器12可以包括一具有模拟热电偶或热敏电阻输出的输出的光学传感器，以在嘈杂的电气环境10中向控制系统提供更准确的反馈(通过使用所述光学传感器)，而不需要对控制系统进行额外的更改。第二温度传感器14还可以包括一光学传感器并利用软件进行校准和计算温度。

图3a、3b和3c示出了用于获取第一和第二温度信号的示例性配置，其中至少一个信号为安全关键功能提供一输入，例如用于在环境10内限制温度。在图3a中，第一温度传感器12使用与第二温度传感器14分开的温度探头设置。也就是说，第一和第二温度传感器12、14本身可以封装为耦合到温度控制器18(图3a中未示出)的单独独立探头。在图3b中，第一和第二温度传感器12、14一起封装在一组合式温度探头40中。在图3c中(图5中更详细地示出)，第一温度传感器12使用单个探头42，而第一温度转换模块43将从探头42获取的数据馈送到次级温度转换模块44，所述次级温度转换模块包括硬件和/或软件，配置为提供第二温度信号从而作为第二温度传感器14工作。

现在参考图4a，示出了组合式温度探头40的额外细节。组合式探头40可以包括一外壳或其它物理结构，其保持、包含或以其他方式对齐第一和第二温度传感器12、14以独立测量目标表面、区域或体积的温度。在该示例性配置中，第一温度传感器12包括一感测探头48和一安全转换器50，所述安全转换器用于产生一用于安全关键功能诸如温度限制功能20的信号。所述感测探头48包括感测元件22和一探针光学接口52，其与安全转换器50的一光学接口54进行光学通信。所述安全转换器50包括一光源56，该光源产生要发送到感测元件22的光，其产生一根据温度变化并由检测元件58检测的返回信号。所述检测元件58产生一模拟读数60，该读数由一安全计算元件62用来产生一安全信号(例如，逻辑信号或其它期望的模拟或数字输出)，例如模拟热敏电阻或热电偶输出的信号，因此可以通过安全接口24发送到温度控制器18的接口26。

如下所述，安全计算元件62用于克服某些基于温度限制装置中安全等级热电偶和热敏电阻存在的电噪声问题，并通过采用具有可产生类似于热电偶或热敏电阻的信号的电子设备的光纤温度传感器12以便光纤感测可以用于它们的位置，来提供电气危害缓解。安全计算元件62可以配置为仅使用固态电子设备，或使用符合与温度限制应用相关的法规和规范的安全等级软件。

图4a所示的第二温度传感器14包括一感测探头48和一经典转换器70，其可以利用任何合适的和可用的技术，这些技术不一定需要满足安全关键规范。例如，经典转换器70可以采用软件和校准算法来关注温度精度，而不是安全认证的适用性。感测探头48包括一感测元件22和一探头光学接口52，其与转换器光学接口54进行光学通信，类似于第一温度传感器12的设置。经典转换器70还可以包括一光源56、探测元件58和模拟读数60。经典转换器70可以利用存储的参数和/或校准值66并采用软件计算元件64来为数字接口68生成一温度信号。数字接口68可用于将所述第二温度传感器14连接到一控制或监视功能。

图4b与图4a所示的结构相同，除了温度传感器12、14由单独的探头48提供，而不是由组合式探头40或物理耦合的探头48的结构提供。图4a和4b所示的配置之间的选择可以根据法规或应用的特定要求或包装限制来做出。

图5示出了一单个探头组合传感器42。在这种“混合”配置中，带有传感元件22的单个探头48和光学接口52以与图4a和4b所示相同的方式与安全转换器50接口。然而，在这种配置中，模拟读数60不仅馈送到安全计算元件62，而且还馈送到经典转换器70'的软件计算元件64，该转换器被修改为以这种方式利用模拟读数60。这里，软件计算元件64接收模拟读数60的输出，该输出也由安全转换器50和参数/校准值66使用，以生成一基于软件的数字温度信号，该信号可以馈送到数字接口68。

图6示出了又一种设置，其中单个光纤探头48用于使用一组合式转换器71执行温度感测。在该示例性设置中，探头光学接口52通过一可选的延长电缆72与转换器光学接口54进行光学通信。所述延长电缆72包括一对光学接口74、76。所述延长电缆72可以可选地用于为探头48提供相对于组合式转换器71的外壳73的更长范围。所述组合式转换器71包括光源56、探测元件58、安全接口24和数字接口68。控制模块80还用于向光源56提供反馈，其激励磷感测元件。控制模块80可用于控制检测到的光(LED)电流电平的跨阻增益，或激励和检测功能其它的光学参数。检测元件58的输出既被馈送到校准模块66以产生用于数字接口68的数字温度信号，又被馈送到安全接口24以使组合式转换器71能够与UL列出或IEC 61508标准的可编程读数和继电器90一起使用，用于控制RF加热器32的RF电源92。图6中还示出了可选接口82、86、数字接口68、模拟接口84和EtherCAT(以太网控制自动化技术)接口88，仅作为示例。

现在参考图7-9，显示了组合式温度探头的示例性配置。在图7中，双感测尖端100包括一用于第二温度传感器14的感测元件102，并且可以嵌入用于第一温度传感器12的任何其他合适的感测元件，用于冗余和/或用于温度限制功能。可以理解，第一和第二温度传感器12、14可以在其它实施例中互换，例如，使用磷传感元件102作为第一温度传感器12。双感测尖端100耦合到探头轴104的末端，其从探头安装座106延伸。在示例性实施例中，双感测尖端100可以包括一第一传统温度传感器12(例如，包括热敏电阻和/或热电偶)和一第二光学温度传感器14，其中第一传统感测元件102的热敏电阻和/或热电偶可用于通过感测电压来检测过温而无需改变来考虑第二光学温度传感器14。

图8示出了带有一单个传感元件112的双光纤传感尖端110，该传感元件112可以通过一对定位安装在平行通道116中的光纤以提供光纤之间的分离114。从图8中还可以看出，感测尖端110还可以在感测元件112和位于通道116中的光纤末端之间提供间隙G。

图9示出了包含双传感尖端110的一组合式光纤探头111的示例。在该示例中，感测尖端110支撑在前轴112的末端。前轴112通过一杆固定器114和模块化管116连接到一纤维棒118，模块化管例如是不锈钢管(SST)。在纤维棒118的前面，可以容忍相对较热的区域并且在线之外被标识为Ta，相对较冷的温度可以容忍例如低于200℃。探头111包括通过一安装螺母126、一垫圈122和一夹子120延伸的一后轴128，以连接到纤维棒118。弹簧124可以插入垫圈122和安装螺母126之间，以在探头111中提供一定的弹性。后轴128还可以由固定器130螺纹接收，以将探头111连接到一光纤电缆适配器132，后者携带一对光纤134、136连接到耦合到探头111的一外壳或设备。在该示例中，后轴128和固定器130之间的接口可以承受一相对较低的温度Tb。

现在参考图10-12，描述关于安全计算元件62的进一步细节。图10提供了一高层级示意图，以示出安全转换器50的操作。这里激发光学元件和电子元件，例如光源56诸如脉冲LED或激光产生激发信号。该信号与磷传感元件22相互作用以产生一衰减特征，例如，脉冲指数响应。转换器50中的读取电子元件150包括一模拟转换模块152，其使用所述衰减特征将时间衰减转换为温度。模块152还可以将温度转换为一安全信号。如下所述，这可以使用对数放大器来完成，其中输出基于信号是否在指定的温度范围内。模拟转换模块152的输出是逻辑信号，例如，其中高＝安全操作，低＝安全故障。可选地如图10所示，模拟温度信号可以转换为逻辑信号，以用于需要时触发加热停止。如图所示这可以在模块150中或外部完成。

图11a、11b示出了用于模拟转换模块152或安全计算模块62的示例性实施例。模拟转换模块152的这种实施不使用软件或固件，因此可能不需要使用可编程器件的温度限制应用所需的附加认证。此外，此示例性实施例允许使用光纤传感探头48，同时模拟K型热电偶预期的模拟或数字电压值。通过这种方式，可以将不易受RF干扰影响的传感配置与现有的和无处不在的控制器一起使用，这些控制器希望从热电偶或热敏电阻接收温度信号。在另一实施例中，图11a、11b所示的示例可以省略比较器来用于其他用途，例如，其中差分放大器用于执行单个模拟线性校准。在又一种实施例中，图11a、11b所示的示例可以省略对数放大器、逆变器和差分放大器，以用于较低的精度要求。

研究发现，目前大多数光纤温度传感解决方案都涉及某种可编程控制器(例如，MCU(单片机)，FPGA(可编程门阵列)，SoC(系统级芯片))，这些控制器可以节省成本并提供实现各种算法的灵活性。

如图11a、11b所示的方案不涉及可编程设备，也不需要运行特定的算法。相反，该方案采用离散的固态组件，即模拟式或数字式，或充当固态组件的组件。为了便于参考，图11a、11b中讨论的相应实施例描述的组分件应理解为固态组件，尽管它们没有被这样标记(例如，分路器161是一固态分路器)，除非另有明确说明。

如图11a、11b所示，分路器161示于左上角。通过分路器161从探头48返回的信号(示为“外部”)由光电探测器162检测，其电流作为输出。由光电探测器162产生的电流以某种方式转换为电压(例如，使用如图11a所示的跨阻放大器163，其通常使用运算放大器、电容器和电阻器制成，尽管可以使用用于此转换的其它架构)。

跨阻放大器163的输出是一指数衰减电压，也如图12所示，其包括由一仿真器产生的各种感兴趣信号。跨阻放大器163的输出为迹线vout0 200。可以理解，同一模块也可以采用一些放大电路，以提供更多的增益。

衰减时间可以使用最大振幅和衰减期间固定时刻的振幅之间的差值来计算，然而，这可能是困难的，有时容易出错，因为信号可能非常嘈杂，并且经验上的最大振幅基于实验观察并不是对每个周期都完全恒定的。因此，缓解这种情况的方案是不依赖于纯电压电平测量，而是依赖于测量线性衰减信号的斜率(变化率)，例如，使用对数放大器(例如可选的对数放大器164)产生的信号。

使用对数放大器背后的理论如下：

对于负反应回路中的晶体管，可以这样写：

Ic＝Is(e^(Vbe/Vt)–1)～Is*e^(vbe/vt),因此

Vbe＝vtln(Ic/Is)。由于Ic＝Vin/R1,

Vout1＝-vt*ln(Vout0/IsR1)

如果Vin＝A*e^(-t/T),那么

Vout1＝-vt ln(Ae^-(t/T)/IsR1)＝-vt(ln(Ae^-(t/T)–ln(IsR1))＝

＝-vt(lnA+(-(t/T))–ln(IsR1))＝

＝(vt/T)*t–vt ln(A/IsR1)

因此，对数放大器输出的斜率(变化率)为(vt/T)，因此与衰减时间成反比。

还有一个偏移量，由上面的第二项表达式表示，但是可以进一步处理该信号以计算变化率，而偏移量不需要作为计算的一部分。

可以注意到，测量的斜率也取决于Vt，其是二极管中发生的温度相关的偏移。为了缓解这种情况，有一些特定于对数放大器电路的考虑因素，或者可以处于与这些考虑因素无关的位置，因为这样影响可能足够小，不会影响超出常见的基于电气的温度感测方案(诸如RTD(实时动态码相位差分技术)和热电偶)的温度精度能力。

信号进一步反转(因为它是负的)并由逆变器165放大。逆变器的输出端是图12中的Vout3信号204。

为了提高温度测量的分辨率，可以进一步减去固定电压，并由差分放大器166进一步放大所得信号，差分放大器166输出信号为Vout5 206。这是可以进一步用作确定温度的信号。

因此，下面的比较器启动模块可以将Vout5 206电压与一固定电压进行比较，并在Vout5 206电压小于固定阈值电压(Vout6)202时产生一上升沿信号(Vout7 208)。该转换通过以下RC微分器(电阻电容微分器)转换为一正脉冲(vout8 212)。即比较器启动块167的输出。脉冲起始脉冲可用于复位离散计数器169(例如，约1MHz的clk频率(时钟频率)应该就足够了)，使得它从这一刻开始计算时间以进行斜率(因此时间衰减)计算。另一比较器端模块，比较器端块168，可以将Vout5 206电压与另一个较低的固定电压进行比较，并在Vout5206电压小于一固定阈值电压时产生一上升沿信号(Vout4 214)。该转换通过以下RC微分器转换为一正脉冲(vout6)202。即比较器端块168的输出。

脉冲末端脉冲可用于将计算出从脉冲开始时刻到现在经过的时间进入数字锁存器170，并且该值对应于Vout5 206的斜率，因此它与衰减时间成正比，其代表探头48探测到的温度。

再次参考图11a，锁存到锁存器170中的值可用作离散非易失性存储器171的地址，所述离散非易失性存储器例如是一次性可编程存储器芯片(由锁存器170下游模块示出)。

该存储芯片171包含与数字值相对应的数据，例如，K型热电偶在各种温度下表现出的电压(例如，每摄氏度一个电压读数就足够了)。

因此，温度和目标测量值之间的任何依赖关系都可以在生产时一次性编程到存储芯片171中。通过这种方式，存储器就像一个固定的固态数字电路。这是实施校准的众多解决方案之一。

如果输出值需要为模拟电压，则可以添加数模转换器(例如，数模转换器DAC172)。基于上述示例，温度信息(数字式或模拟式)可用并连续实时更新，而无需运行任何固件或软件。

可以理解，在图11a、11B所示的结构中使用的组件通常是廉价的，同时提供一种方案，该方案应相对容易地针对UL安全(温度限制)进行认证，因为它不需要任何固件或软件。此外，还可以实现简单，廉价的ASIC(专用集成电路)。

可以理解，与图11a、11b相关的组件是固态组件，因为它们不需要任何固件或软件同时运行即可操作。例如，根据示例性实施例，固态组件在产生输出时可以限制其输入正电荷和负电荷。固态组件可以是结晶性、多晶性、非晶态元件等。固态组件可以包括半导体、导体、绝缘体等的一个或多个，并且可以包括具有移动部件的组件诸如示例锁存器实施例。一些固态元件可能会输出信号，这些信号可以根据要求放大或以其他方式操作(例如，通过运算放大器)。

本领域普通技术人员可以理解，此处描述的示例可以在没有这些具体细节或特定固态组件的情况下实施。可以考虑对固态组件进行修改，例如修改一固态组件的类型或属性(例如，改变放大器中的输出阈值)以操作信号。类似地，可以设想所得的与固态组件相关的方法和程序进行固态组件修改(例如，改变以进一步修改信号以提供进一步的增益)，以建立不同的阈值，或采用其它噪声过滤技术来达到温度读数。

在另一个应用中，可以使用相同的原理来提供温度感测方案，该方案可以更容易地进行安全认证(例如，通常需要的过程温度限制)，因为安全认证功能依赖于固件和/或软件的设备非常困难且很耗费资源(特别是通过UL认证)。在此类其他应用中，可以使用相同类型的电路，但是由于不需要使用存储设备并且可能不需要锁存器，因此功能可以明显更简单。

对于高于阈值的温度条件，计数器的输出可以小于表示温度阈值的给定阈值(通过仅采用简单的逻辑门组合容易检测到的条件)可以转换为所提到的从0到1的逻辑门组合。该逻辑电平可以是过程温度限制检测器的输出，同样，无需任何固件、软件甚至任何存储设备即可实现。

为了阐释的简单和清楚，在合适的情况下，附图标记可以在附图中重复以指示对应或类似的元件。此外，为了提供对本文所述示例的透彻理解，阐述了许多具体细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本文描述的示例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、程序和组件，以免混淆本文描述的示例。此外，说明书不应被视为限制在此描述的示例的范围。

应当理解，这里使用的示例和对应的图表仅用于说明目的。可以使用不同的配置和术语而不背离这里表达的原理。例如，在不偏离这些原则的情况下，可以添加、删除、修改或以不同的连接排列组件和模块。

还可以理解，在此例示的执行指令的任何模块或组件可以包括或以其他方式访问计算机可读介质，例如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移动和/或不可移动)，例如，磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可以包括以用于存储信息的任何方法或技术实施的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质，所述信息例如是计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储介质的示例包括RAM(只读存储器)、ROM(随机存储器)、EEPROM(电可擦写可编程只读存储器)、闪存或其他存储技术、CD-ROM(只读光盘存储器)、数字多功能磁盘(DVD)或其他光学存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备，或可用于存储所需信息并可由应用程序、模块或两者访问的任何其他介质。任何这样的计算机存储介质可以是传感器12、14、控制器18、加热系统16、其任何组件或与之相关的任何组件等的一部分，或者可访问或可连接到其上。此处描述的任何应用程序或模块都可以使用计算机可读/可执行指令来实现，这些指令可以由此类计算机可读介质存储或以其他方式保存。

在此描述的流程图和图表中的步骤或操作仅仅是示例性的。在不背离上述原理的情况下，这些步骤或操作可以有许多变化。例如，可以以不同的顺序执行这些步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。

尽管已经参考某些特定示例描述了上述原理，但是如所附权利要求概述，其各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (29)

1.一种光学温度传感器系统，用于检测环境中的温度，该光学温度传感器系统包括：

一包含一光纤温度传感器的温度探头；和

一转换器，用于在没有软件的情况下使用固态电子元件生成一温度输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述光纤温度传感器响应于感测环境温度而产生一信号，所述信号根据响应于所述温度的衰减率而波动；

所述转换器包括一信号处理系统，该系统包括配置如下的固态电子设备：

通过将一个或多个信号特性与一个或多个预期信号特性进行比较，将所述信号转换为代表所述衰减率的一中间信号；和

通过将所述中间信号与与参考温度相关的一预期衰减率进行比较，将所述中间信号转换为一温度输出。

3.根据权利要求或1或2所述的系统，其特征在于，所述温度输出为热电偶或热敏电阻的输出形式。

4.根据权利要求1-3之一所述的系统，其特征在于，所述光纤传感器是基于磷或基于GaAs的光纤传感器。

5.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述信号处理系统包括：

一配置如下的对数放大器：

将所述信号转换为具有与所述衰减率成反比的一变化率的中间信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号处理系统包括：

一个或多个比较器，配置为产生一个或多个脉冲，以响应于跨越一个或多个阈值的所述中间信号；和

其中，所述温度输出是基于在所述一个或多个脉冲之间观察到的所述衰减速率而产生的。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号处理系统包括一离散的非易失性存储器，其基于预编程转换将所述中间信号转换为所述温度输出。

8.根据权利要求1-8之一所述的系统，其特征在于，还包括：

一次级温度传感器，配置为响应于所述感测环境温度产生一进一步的信号，其中该进一步信号提供给一温度限制保护电路作为一冗余温度读数。

9.一种光学温度传感器系统，用于检测环境中的温度，该系统包括：

一包含一光纤温度传感器的温度探头；和

一转换器，用于根据来自所述光纤温度传感器的信号，分别由两个或多个读取电子器件并联产生一第一温度输出和一第二温度输出。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述两个或多个并联的读取电子元件均为固态电子元器件而无需软件。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述第一温度输出或所述第二温度输出指示一过温状态。

12.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述第一温度输出或所述第二温度输出指示一故障状态。

13.根据权利要求9-12之一所述的系统，其特征在于，所述两个或多个读取电子器件中的至少一个包括可编程硬件。

14.根据权利要求9、10、14之一所述的系统，其特征在于，所述第一温度输出或所述第二温度输出为热电偶或热敏电阻的输出形式。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第一温度输出或所述第二温度输出为K型热电偶电压值。

16.根据权利要求9-15之一所述的系统，其特征在于，所述温度探头包含一单个导热尖端的单探头，用于测量物体在环境中的一表面温度。

17.根据权利要求9-15之一所述的系统，其特征在于，所述温度探头容装在一护套内，用于测量液体或气体内部的温度。

18.一种系统，用于感测物体的温度，该系统包括：

一光纤温度传感器，响应于感测温度而产生一信号，所述信号根据响应于所述温度的一衰减率而波动；

一冗余温度传感器，配置为在响应感测温度产生一冗余信号；

一信号处理系统，配置如下：

通过将一个或多个信号特性与一个或多个预期信号特性进行比较，将所述信号转换为代表所述衰减率的一中间信号；和

根据将所述中间信号与一预期的衰减率进行比较，将所述中间信号转换为一温度输出；和

将所述冗余信号和/或所述温度输出输出到一温度限制保护电路。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述信号处理系统由一个或多个固态组件组成。

20.根据权利要求18或19所述的系统，其特征在于，所述光纤温度传感器和所述冗余温度传感器都在一单个探头内。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述光纤温度传感器和所述冗余温度传感器都容装在所述单个探头的一单个导热尖端内，以测量物体的一表面温度。

22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述光纤温度传感器和所述冗余温度传感器都容装在一单个护套内，以测量液体或气体内部的温度。

23.根据权利要求18-22之一所述的系统，其特征在于，所述温度输出为K型热电偶电压。

24.根据权利要求18-23之一所述的系统，其特征在于，所述光纤温度传感器是基于磷或基于GaAs的光纤传感器。

25.根据权利要求18-24之一所述的系统，其特征在于，所述冗余温度传感器是基于磷或基于GaAs的光纤传感器。

26.根据权利要求18-24之一所述的系统，其特征在于，所述冗余温度传感器为热电偶或热敏电阻，并且所述信号处理系统包括用于将所述信号转换为所述温度输出的一可编程存储器。

27.根据权利要求18-26之一所述的系统，其特征在于，所述可编程存储器包括与一个或多个对象以及所述冗余温度传感器相关联的一个或多个参数和/或校准值。

28.一种加热系统，其包括：

一加热元件，耦合到一加热元件控制器；

一包含一光纤温度传感器的温度探头；

一转换器，其：

无需软件使用固态电子元件，根据来自所述温度探头的一信号生成一第一温度输出；

基于用一个或多个存储器处理所述信号生成一第二温度输出；和

将所述第一温度输出和所述第二温度输出输出给所述加热元件控制器；和

其中，所述加热元件控制器根据接收到的第一温度输出和第二温度输出来调节所述加热元件的运行。

29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，

所述加热元件是由一射频电源供电的射频加热器；和

其中，所述第一温度输出为UL列出的或IEC61508标准的可编程读数，可由所述加热元件控制器解释。

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