CZ281656B6 - Teplotní čidlo pro měření povrchové i objemové teploty - Google Patents

Abstract

Je řešeno jednoduché a přesné teplotní čidlo s malou hmotností, malou tepelnou kapacitou a malou časovou konstantou, využívající změny odporu elektricky vodivého plochého pásku. Je tvořeno nosnou izolační fólií (1), jejíž plocha je pokryta pevně připojeným elektricky vodivým plochým páskem (2), například ve tvaru meandru, spirály a pod. tak, aby poměr jeho délky a šířky byl na dané ploše nosné izolační fólie (1) co největší. Oba konce elektricky vodivého plochého pásku (2) jsou opatřeny kontaktními ploškami (3) pro připojení proudových a napěťových přívodů. Tyto kontaktní plošky (3) lze vyvést od samého čidla při zachování souvislosti nosné izolační fólie (1) i elektricky vodivého plochého pásku (2). Na části celkové délky tohoto plochého pásku (2) lze mezi sousedními úseky vytvořit soustavu zkratovacích můstků (7). Toto teplotní čidlo lze použít nejen pro měření povrchové teploty, ale i objemové. Teplotní omezení je dáno použitým výchozím materiálem a materiálem, ŕ

Description

Teplotní čidlo pro měření povrchové i objemové teploty

Oblast techniky

Vynález se týká teplotního čidla, které umožňuje měřit povrchovou i objemovou teplotu.

Dosavadní stav techniky

Povrchová teplota těles se zjišťuje zpravidla bezkontaktním způsobem, jehož podstatou je vyhodnocení tepelného záření, které z povrchu teplých těles vystupuje. Tento způsob je běžný hlavně u žhavých těles, jejichž teplota překračuje cca 500 °C. Zde se používají různé typy pyrometrů, u nichž nelze vyžadovat velkou přesnost měření. Pokud jde o teploty nižší, cca do 180 “C, používají se zařízení modernější a zpravidla dražší.

Nevýhodou bezkontaktního měření teploty je nižší přesnost, nutnost zajistit vizuální přístupnost povrchu tělesa, jakož i nutnost znát emisivitu látky při daném stavu povrchu. Zdrojem chyby měření může být také tepelné záření okolních předmětů. Nevýhodou může být též potřeba některých měřicích zařízení snímat tepelné záření z malé vzdálenosti od povrchu tělesa, což není možné vždy zajistit.

Stanovuje-li se povrchová teplota objektů, například elektronických součástek, nebo časový průběh této teploty v uzavřených skříních, tedy v podmínkách pracovního mikroklimatu, kdy objekty nejsou vidět, pak nelze výše uvedený způsob měření povrchové teploty použít vůbec.

Pro měření objemové teploty se používají nejčastéji teploměry kapalinové, odporové, termoelektrické a polovodičové. I když tyto teploměry nebo samotná teplotní čidla se mohou značné lišit ve velikosti a hmotnosti, mají společný znak v tom, že objem každého z nich je charakterizován řádově srovnatelnými rozměry ve všech třech ortogonálních směrech. Skutečnost, že u žádného z nich se jeden ze tří uvedených rozměrů neblíží nule, je pro mnohé technické aplikace velkou nevýhodou.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje teplotní čidlo pro měření povrchové i objemové teploty podle vynálezu. Jeho podstatou je, že sestává z ohebné nosné izolační fólie o tloušťce do 200 μιη, která je mechanickým nosičem měděného pásku, pevné připojeného například lepením k této nosné izolační fólii. Tento měděný pásek má v celé své ploše stejnou tloušťku maximálně do 35 μιη. Oba konce měděného pásku jsou opatřeny kontaktními ploškami pro připojení dvou proudových a dvou napěťových přívodů.

Výhodné je, když celková délka měděného pásku tvoří obrazec, sestávající z více dílčích rovných a souběžně vedených úseků. Tomu odpovídá například tvar meandru či spirály.

Kontaktní plošky mohou být vytvořeny tak, že na každém konci měděného pásku je jedna, k níž je vždy připojen jeden proudový

-1CZ 281656 B6 a jeden napěťový přívod. Tyto kontaktní plošky lze však vytvořit i tak, že na každém konci měděného pásku jsou vytvořeny dvě dílčí kontaktní plošky, kde k jedné z těchto dílčích kontaktních plošek je připojen proudový přívod a ke druhé napěťový přívod.

Výhodné je též vytvořit mezi alespoň dvěma sousedními úseky měděného pásku uvnitř obrazce minimálně jeden zkratovací můstek.

Teplotní čidlo podle vynálezu využívá změny odporu elektricky vodivého plochého pásku. Jeho výhodou je, že se vyznačuje malou hmotností a tím též malou tepelnou kapacitou a malou časovou konstantou, což má za následek, že příliš neovlivňuje rozložení teploty na povrchu měřeného tělesa. Dalšími výhodami tohoto čidla jsou jeho jednoduchost, větší přesnost než při použití dražšího zařízení pro bezkontaktní způsob měření, možnost proměřit rozložení teploty na zvolené ploše povrchu postupně bod po bodu, měřit teplotu i v místech, na která není vidět, měřit teplotu i na zakřivených plochách předmětů, možnost sledování rychlých změn teploty, dále pak možnost elektrického vyhodnocení teploty analogovým či digitálním způsobem, možnost automatizovaného sledování záznamu teploty, jakož i možnost využít malého rozměru a plochého tvaru o malé tloušťce všude tam, kde ostatní teplotní čidla z těchto důvodů použít nelze. Další výhodou je použití dvou proudových a dvou napěťových přívodů, což umožňuje zjišťovat změny odporu čidla v místě připojení přívodů a výsledek tedy není zatížen chybou, způsobenou odporem přívodů a změnou jejich odporu s teplotou.

Přehled obrázků na výkrese

Různé příklady provedení teplotního čidla podle vynálezu jsou schematicky uvedeny na přiložených obr. 1 až 6.

Příklady provedení vynálezu

Na nosné izolační fólii 1 se nachází elektricky vodivý plochý pásek 2. s výhodou z mědi, který je v případě podle obr. 1 vytvořen ve tvaru meandru a dle obr. 2 ve tvaru spirály. Plochý pásek 2 tvoří aktivní část čidla a je zde vytvořen ze souvislé měděné fólie. Zvoleného obrazce lze dosáhnout běžnou technologií, používanou při výrobě plošných spojů, tedy odleptáním nežádoucích ploch. Pro připojení čidla do elektrického obvodu je měděný pásek

2. na svém začátku a konci opatřen přívodními kontaktními ploškami, které umožňují připojení proudových a napěťových přívodů.

V prvních dvou případech jsou vytvořeny dvě kontaktní plošky 3·

V příkladech na obr. 4 a 5 je každá kontaktní ploška tvořena dvěma dílčími kontaktními ploškami 4 a 5. V případě dvou kontaktních plošek 3. je proudový a napěťový přívod připojen vždy k jedné z nich. Jestliže se předpokládá oddělené připojení proudových a napěťových přívodů, pak vnější kontaktní plošky 4 slouží pro připojení proudových vodičů a vnitřní kontaktní plošky 5 pro připojení napěťových přívodů - toto pořadí lze však i obrátit. Vhodným způsobem připojení vodičů k čidlu je pájení.

Speciální způsob připojeni čidla k přívodnímu vedení vyhodnocovacího přístroje je uveden na obr. 4. Jeho podstatou je odsunutí kontaktních plošek 3. z místa styku čidla s povrchem měřeného povrchu a propojení těchto plošek, v daném případě vnitřních

-2CZ 281656 B6 a vnějších dílčích kontaktních plošek 4 a 5, s čidlem pomocí vodičů, vytvořených stejným způsobem, jako byla vytvořena samotná aktivní část čidla. Tento způsob řešení čidla je výhodný zejména tehdy, když se zjišťuje tepelný kontakt čidla s povrchem měřeného objektu mechanickým přítlakem. V tomto případě spoje vodičů přívodního vedení s kontaktními ploškami 3, respektive s dílčími kontaktními ploškami 4 a 5, například pájecí kapky, nepřekáží v místě přítlaku čidla k povrchu, čímž se eliminuje případná chyba měření, způsobená nedokonalým tepelným kontaktem. Dále se snižuje hmotnost, tepelná kapacita a časová konstanta čidla.

Aby vlastnosti čidla, zejména vlastnosti jeho aktivní části, nebyly přímo a nežádoucím způsobem ovlivňovány okolní atmosférou, je užitečné vytvořit povrchovou ochranu aktivní části čidla, jak znázorňuje obr. 5. Tato povrchová ochrana může být provedena izolačním lakem 6 nebo jiným způsobem, který zajistí, při malé tloušťce vrstvy a tím přijatelném nárůstu hmotnosti čidla, jeho dobrou klimatickou ochranu. Při volbě materiálu na tuto ochranu je třeba přihlédnout k jeho teplotní odolnosti a pokud možno zvolit materiál, jehož teplotní odolnost je srovnatelná s použitou nosnou izolační fólií 1.

Protože při výrobě teplotního čidla je nutné počítat vždy s rozptylem počátečních hodnot odporu aktivní části čidla, je na obr. 6 uveden příklad způsobu úpravy zvýšení velikosti tohoto odporu. Možnost zvýšení odporu aktivního elektricky vodivého měděného pásku 2 dovoluje soustava zkratovacích můstků 7, vytvořená mezi dvěma sousedními úseky tohoto vodivého pásku 2. Postupným přerušováním zkratovacích můstků 7 ve směru šipky se prodlužuje délka aktivního vodiče a tím se zvyšuje jeho odpor. Bude-li za nominální velikost odporu považována ta velikost, která odpovídá polovině přerušených zkratovacích můstků 7, lze velikost odporu měnit po malých skocích v určitých tolerančních mezích kolem nominální velikosti tím, že zkratovací můstky 7, nacházející se v první a druhé polovině můstkové oblasti, se buď ponechají nebo odstraní. Tento způsob změny odporu čidla nebude třeba použít v případě, že vyhodnocovací přístroj může elektricky vykompenzovat změny odporu, kterého čidlo dosahuje při definované teplotě.

Vzhledem k tomu, že elektrický odpor teplotního čidla bude při jeho malých rozměrech, např. 5x5 mm, a při velké elektrické vodivosti použitého měděného pásku malý a bude tedy srovnatelný s odporem přívodů, je potřebné, aby vyhodnocení změny odporu čidla, s teplotou bylo provedeno voltampérovou metodou. Pro připojení čidla k vyhodnocovacímu přístroji jsou tedy potřebné čtyři vodiče, přičemž dva vodiče jsou proudové a dva napěťové, jak již bylo uvedeno. Aby odvod tepla těmito vodiči byl malý, je třeba volit jejich průměr co nejmenší, a to alespoň v úseku, nacházejícím se nejblíže čidlu. Tepelný kontakt čidla s povrchem měřeného objektu lze zajistit bud mechanickým přitlačením, pomocí tlačného dílu s minimální teplotní vodivostí, přilepením nebo i jiným vhodným způsobem.

Za účelem funkčního ověřeni popisovaných teplotních čidel, byly zhotoveny vzorky dvou typů čidel podle obr. 1 a 2 s těmito rozměry: a = 10 mm, b = 20 mm, c = d = 5 mm. K jejich výrobě byl použit materiál firmy Du Pont, určený pro ohebné plošné spoje, u něhož je nosná polyamidová podložka tloušťky 125 μη plátována

-3CZ 281656 B6 měděnou fólií tloušťky 35 μιη. U vzorků podle obr. 1 bylo dosaženo při teplotě 20 ’C odporu R₂₀ = 0,7 Ω, u vzorků podle obr. 2 pak odporu R₂₀ = 0,23 Ω. Při ověřovacím měření čidel s menšími rozměry podle obr. 2 bylo u jednoho z nich dosaženo následující závislosti na teplotě:

Teplota (°C) 20,1 50,6 69,3 92,2 110,2 126,2 141,4

Odpor (ΠΙΩ) 236,5 260,0 279,5 299,8 316,1 330,8 345,0

Uvedená závislost byla získána pomocí teplotní komůrky, vybavené platinovým odporovým teploměrem. Výsledek tohoto měření ukazuje, že chyba stanovení teploty pomocí navrhovaného čidla nepřesáhne ±1,5 % max. hodnoty rozsahu, a to v nejhorším případě, je-li závislost odporu na teplotě aproximována přímkou. S přímkovou náhradou teplotní závislosti odporu čidla bylo počítáno též při návrhu a realizaci elektrického přístroje, který měřenou teplotu zobrazuje digitálním způsobem. Funkční způsobilost a součinnost popisovaného čidla s tímto přístrojem byla úspěšně prověřena. Úpravou funkce vyhodnocovacího přístroje a zdokonalením technologie čidel samotných lze uvedenou chybu měření dále snížit. Průmyslová využitelnost

Teplotní čidlo podle vynálezu lze použít nejen pro měření povrchové teploty, ale všude tam, kde může být využito skutečnosti, že se jedná o tenkou fólii s malou hmotností, malou kapacitou a malou časovou konstantou. Teplotní omezení je dáno použitým výchozím materiálem a materiálem, vytvářejícím povrchovou ochranu.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. Teplotní čidlo pro měření povrchové i objemové teploty, vyznačující se tím, že sestává z ohebné nosné izolační fólie (1) o tloušťce do 200 μιη, která je mechanickým nosičem měděného pásku (2), pevné připojeného například lepením k nosné izolační fólii (1) a majícím v celé své ploše stejnou tloušťku maximálně do 35 μιη, přičemž oba konce tohoto měděného pásku (2) jsou opatřeny kontaktními ploškami (3,4,5) pro připojení dvou proudových a dvou napěťových přívodů.

2. Teplotní čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že celková délka měděného pásku (2) tvoří obrazec, sestávající z více dílčích rovných a souběžné vedených úseků.

3. Teplotní čidlo podle nároků 1 a2, vyznačující se tím, že na každém konci měděného pásku (2) je jedna kontaktní ploška (3), k níž je vždy připojen jeden proudový a jeden napěťový přívod.

4. Teplotní čidlo podle nároků 1 a2, vyznačující se tím, že na každém konci měděného pásku (2) jsou vytvořeny dvě dílčí kontaktní plošky (4,5), kde k jedné z těchto

-4CZ 281656 B6 dílčích kontaktních plošek (4,5) je připojen proudový přívod a ke druhé napěťový přívod.

5. Teplotní čidlo podle nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že mezi alespoň dvěma sousedními úseky měděného pásku (2) je uvnitř obrazce vytvořen minimálně jeden zkratovácí můstek (7).