CZ297066B6 - Zpusob vztazného merení teplot a rozdílu teplot, asymetrický teplotní senzor a asymetrický vztazný clen pro provádení zpusobu - Google Patents

Abstract

Do mericího bodu (MB1) s merenou teplotou t1 se soucasne umístí první dvojice (D1) sériove spojených teplotních rezistorových senzoru (1, 2) se shodným teplotním soucinitelem odporu TCR, ale asymetricky rozdílných hodnot odporu Rvt1 a Rmt1, vztazná teplota tv se zvolí priblizne stejná jak ocekávanáteplota to mericího bodu (MB1), vzdálene od mericího bodu (MB1) se umístí dvojice (D3) sériove spojených teplotne nezávislých rezistoru (5, 6), jejichz hodnoty odporu Rv a Rm jsou jednotlive shodné shodnotami odporu Rvt a Rmt první dvojice (D1) teplotních rezistorových senzoru (1, 2) pri vztazné teplote tv, první dvojice (D1) teplotních rezistorových senzoru (1, 2) se antiparalelne propojí s dvojicí (D3) teplotne nezávislých rezistoru (5, 6), na vnejsí vodice (Vin+) a (Vin-) obou dvojic (D1) a(D3) se pripojí napájecí napetí Uin, mezi vnejsímvodicem (Vin-) a vsem teplotním rezistorovým senzorum (1, 2) a teplotne nezávislým rezistorum (5, 6) spolecným stredním vodicem (Vout) vedoucími spolecne k teplotne nezávislému rezistoru (6) s hodnotou odporu Rm se zmerí voltmetrem (V) napetový signál Uout, následne se jako podíl urcí relativní pomer signálu Uout/Uin, z nehoz se podle vztahu: .DELTA.t=(1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - 1/(k+1)))=t1-tv vypocítá odchylka .DELTA.t teploty mericího bodu (MB1) od predem definované vztazné teploty tv, skutecná teplota t1 mericího bodu (MB1) se následne stanoví tak, ze ke vztazné teplote tv se pripocítá odchylka .DELTA.t, - pritom TCR je pro první dvojici (D1) teplotních rezistorových senzoru(1) a (2) shodný teplotní koeficient odporu, - kje pro obe dvojice (D1) a (D3) shodný koeficient asymetrie definovaný ja

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu vztažného měření teplot a rozdílu teplot, asymetrického teplotního senzoru a asymetrického vztažného členu pro provádění způsobu, zejména pro všechny oblasti, které vyžadují prezentaci výsledku měření v definované analogové nebo digitální podobě pro systémy regulace, automatizace, nebo zobrazení.

Dosavadní stav techniky

Pro měření teplot jednoho bodu jsou známy metody založené na využití teplotní závislosti odporu vždy jednotlivého rezistoru teplotního senzoru, přitom se dosud používá rezistorů senzoru s exaktně definovanou závislostí jejich odporu na teplotě. Zpravidla je definována hodnota odporu takového rezistoru při výchozí teplotě 0 °C a koeficientem teplotní závislosti TCR jeho odporu, který určuje strmost výstupní charakteristiky. V praxi se používají většinou senzory PtlOO, Ni 1000 a podobně z čistých materiálů a dostavovanou hodnotou odporu při výchozí teplotě. Signál takových senzorů je potom převáděn pomocí měřicích převodníků zpravidla na některý ze standardních elektrických signálů (0-5V, 0-10V, 4,20mA, 0-20mA apod.), jejichž výstupní signál je měronosným měřítkem snímané teploty.

Nevýhodou tohoto známého řešení je:

- nutnost nastavování výchozí hodnoty odporu rezistoru senzoru ve fyzikální teplotě (zpravidla 0 °C), přičemž se zpravidla postupuje tak, že se přesně stanoví skutečná hodnota teplotního koeficientu odporu v měřicích kalibračních lázních a skutečná hodnota odporu při známé teplotě, výpočtem se určí nová hodnota odporu při téže teplotě, na tuto se hodnota odporu dostaví a poté se kontroluje skutečná dosažená hodnota při výchozí teplotě a koncové teplotě měřicího rozsahu pro nějž je senzor určen (v praxi zpravidla 0 °C a +100 °C).

- nutnost použití vysoce čistých materiálů a náročných technologií pro dosažení stabilního a definovaného teplotního koeficientu odporu TCR rezistoru teplotního senzoru.

- praktická nemožnost dodatečného ovlivnění, tedy nastavení TCR vyrobeného rezistoru senzoru a tudíž strmosti výstupní charakteristiky.

- nutnost třídění hotových senzorů do kvalitativních tříd podle dosažené přesnosti, přičemž zvyšování výtěžnosti třídění u nej vyšší kvalitativní třídy je limitováno zejména čistotou materiálu funkční odporové vrstvy rezistoru senzoru, reprodukovatelností technologického procesu a přesnosti použitého způsobu kalibrace výchozí hodnoty odporu rezistoru senzoru.

- vzájemná zaměnitelnost senzorů je možná jen v rámci tolerance dané třídou přesnosti kvalitativní třídy.

- obtížné a pouze výběrem v kalibračních teplotních lázních realizovatelné párování senzorů pro náročnější aplikace, zejména pro zjišťování malých teplotních rozdílů.

- nutnost definování měřicích rozsahů měřicích převodníků pro dosažení optimální přesnosti v žádané aplikaci, což vyžaduje co nejpřesnější údaje o technologickém procesu již ve stadiu projektování investičního záměru.

- potřeba převedení odporu, charakterizujícího teplotu na proudový nebo napěťový signál zpravidla s nenulovou počáteční hodnotou.

- rostoucí nepřesnost a klesající citlivost měřicího kanálu s rostoucím zadaným rozsahem měřených teplot.

- překročení měřené teploty přes hodnotu danou předem definovaným rozsahem vede u regulačních soustav vždy ke vzniku havarijní nebo mimořádné situace, jen těžko automatizované řešitelné.

Pro zjišťování teplotního rozdílu dvou nezávislých měřených míst se používá metod s odporovými senzory teploty, u kterých se používají dva samostatné analogové měřicí kanály, tvořené vždy senzorem a měřicím převodníkem, z jejichž výstupních signálů přepočtených na teploty každého z měřených míst se jejich rozdíl zjišťuje matematickým výpočtem rozdílu změřených teplot jednotlivých měřicích míst.

Nevýhodou tohoto známého řešení je:

- metoda je z principu matematického výpočtu zatížena náhodnou relativní chybou danou součtem relativních chyb měření teploty každého z obou měřicích kanálů.

- nepřesnost metody roste s klesajícím rozdílem teplot obou měřených míst a při teplotních rozdílech srovnatelných s nepřesností měření teploty jednotlivým teplotním kanálem je určení žádané hodnoty rozdílu matematickým výpočtem zatíženo relativní chybou rostoucí nade všechny meze, navíc s nedefinovatelným znaménkem odchylky.

- nepřesnost metody roste s rostoucím definovaným rozsahem v němž se mohou teploty každého z měřicích míst jednotlivě pohybovat.

- Pro přesnější měření je nutné použít speciálním výběrem párované senzory.

- náhodná relativní chyba převodu okamžité hodnoty odporu snímacího rezistoru čidla je z principu zatížena vždy součtem chyb veličin (napětí nebo proud) použitých v jednotlivém měřicím kanálu jednak pro napájení a jednak jako signálu pro další zpracování.

- měření je fyzikálně zatíženo chybou měřicího odporu, která vzniká samo ohřevem jednotlivého měřicího odporu v závislosti na použitém příkonu. Přitom s klesajícím příkonem klesá úroveň užitečného signálu a tudíž jakákoliv volba je vždy kompromisem mezi snahou o dosazení co nejvyšší přesnosti a citlivosti měření a úrovní výstupního signálu.

- rozlišovací schopnost metody měření rozdílu teplot dvou měřicích míst se dvěma nezávislými teplotními kanály je vždy omezena součtem nepřesností každého z jednotlivých měřicích kanálů, a je tedy nejmenší (nejhorší) v oblasti malých teplotních rozdílů.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky známých způsobů měření teplot a rozdílu teplot odstraňuje způsob vztažného měření teploty a rozdílu teplot, asymetrický teplotní senzor a asymetrický vztažný člen podle vynálezu.

Podle prvního provedení vynálezu, podstata způsobu vztaženého měření teplot, zejména měření teploty jednoho bodu spočívá v tom, že do měřicího bodu s měřenou teplotou tl se současně umístí sériově spojená první dvojice teplotním koeficientem shodných, ale hodnotami odporů asymetricky rozdílných teplotních rezistorových senzorů. Zvolí se vtažná teplota tv tak, aby tato

-2CZ 297066 B6 byla přibližně stejná jak předpokládá teplota měřicího bodu. Libovolně, nejlépe však vzdáleně od měřicího bodu (v blízkosti voltmetru) se umísí a antiparalelně připojí k první dvojici nová dvojice opět sériově spojených, avšak teplotně nezávislých rezistorů, jejichž hodnoty odporů jsou jednotlivě shodné s hodnotami odporů první dvojice teplotních rezistorových senzorů při vztažné teplotě. Na společné vnější vodiče antiparalelní kombinace obou dvojic sériově spojených teplotních rezistorových senzorů a teplotně nezávislých rezistorů se přivede vhodné napájecí napětí Uin. Mezi vnějším vodičem a všem senzorům a rezistorům společným středním vodičem, oběma přivedenými k rezistorů teplotně nezávislé dvojice s menším odporem se voltmetrem změří napěťový výstupní signál Uout, následně se jako podíl určí relativní poměr napěťového výstupního signálu Uout ku napájecímu napětí Uin, z něhož se podle pravidla:

Át= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-tv vypočítá odchylka At teploty měřicího bodu od předem definované vztažné teploty tv. Skutečná teplota měřicího bodu se následně stanoví tak, že se ke vztažné teplotě tv připočítá odchylka At teploty měřicího bodu.

Pro jednodušší praktickou práci s reálnými senzory s určitým rozptylem základních vlastností je zaveden s výhodou pojem tzv. vztažné strmosti, což je pro danou první dvojici teplotních rezistorových senzorů konstanta, představující strmost výstupní charakteristiky při vztažné teplotě, která se určí podle pravidla VTCR = (TCR/4)*(l-k)/(l+k), a následně pomocí ní se posuzuje vzájemná zaměnitelnost různých dvojic teplotních senzorů. Odchylka At teploty měřicího bodu od předem definované vztažné teploty tv s využitím této konstanty se v takovém případě určí podle pravidla:

At= (1-2 x Uout/Uin)/(4xVTCR x (k+l)(Uout/Uin - l/(k+l)/( 1-k))=tl—tv.

Přitom asymetrická rozdílnost hodnot odporů rezistorů ve dvojici je vyjádřena tzv. koeficientem asymetrie definovaným jako vzájemný poměr hodnot vždy většího ku menšímu odporu příslušné dvojice rezistorů, tedy podle obecně platného pravidla k=Rv/Rm=Rvt/Rmt, kde index „v“ značí rezistor s větší hodnotou odporu, index „m“ naopak rezistor s menší hodnotou odporu a index „t“ značí, že se jedná o rezistor s teplotně závislým odporem, naopak na druhé pozici scházející index „t“ značí teplotní nezávislost odporu příslušného rezistorů. Shodnost odporů při vztažné teplotě tv je vyjádřena pravidlem Rv=Rvt(tv) a současně Rm=Rmt(tv), kde tv značí předem definovanou vztažnou teplotu, přičemž u antiparalelního zapojení se jedná o tzv. křížovou shodnost, což značí, že paralelně je rezistorů s větší hodnotou odporu jedné dvojice přiřazen rezistor s menší hodnotou odporu dvojice druhé a naopak. Shodnost teplotních koeficientů odporu obou rezistorů teplotních senzorů je vyjádřena pravidlem TCR=TCR(Rvm)=TCR(Rvt) a platí pro libovolnou teplotu.

Podle druhého provedení vynálezu, podstata způsobu pro vztažné měření rozdílu teplot dvou měřených bodů spočívá v tom, že do prvního měřicího bodu s měřenou teplotou tl se současně umístí sériově spojená první dvojice teplotním koeficientem shodných, ale hodnotami odporů asymetricky rozdílných teplotních rezistorových senzorů. Do druhého měřicího bodu se umístí a antiparalelně připojí druhá dvojice sériově spojených teplotních rezistorových senzorů, s první dvojicí teplotních rezistorových senzorů ekvivalentně při libovolné teplotě shodných vlastností. Na společné vnější vodiče antiparalelní kombinace obou dvojic teplotních rezistorových senzorů se přivede vhodné napájecí napětí Uin. Mezi vnějším vodičem a všem teplotním rezistorovým senzorům společným středním vodičem, oběma vedoucími k teplotnímu rezistorů menší hodnoty odporu, který je z druhé dvojice a tedy umístěn do druhého měřicího bodu se změří voltmetrem napěťový výstupní signál Uout, následně se jako podíl určí relativní poměr napěťového výstupního signálu Uout ku napájecímu napětí Uin, z něhož se podle pravidla

-3CZ 297066 B6

At= tl -12 = (l-2xUout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k + 1)))= (l-2xUout/Uin)/(4 x VTCR x (k + 1) x (Uout/Uin - 1 /(k+1))/(1 - k)) vypočítá odchylka At teploty prvního měřicího bodu od teploty druhého měřicího bodu, tedy rozdíl teplot obou měřicích bodů.

Přitom asymetrická rozdílnost hodnot odporů dvojice teplotních rezistorových senzorů je vyjádřena tzv. koeficientem asymetrie definovaným jako vzájemný poměr hodnot vždy většího ku menšímu odporu příslušné dvojice teplotních rezistorových senzorů, tedy pravidlem k=Rvtl/Rmtl=Rvt2/Rmt2, kde index v značí rezistor s větší hodnotou odporu, index m naopak rezistor s menší hodnotou odporu, index t značí, že se jedná o rezistor s teplotně závislým odporem a číselné indexy 1 a 2 značí měřicí místo, v němž je příslušná dvojice senzorů umístěna. Shodnost odporů obou dvojic teplotních senzorů při shodné teplotě t je vyjádřena pravidlem Rvtl(t)=Rvt2(t) a současně Rmtl(t)=Rmt2(t), přičemž u antiparalelního zapojení se jedná o tzv. křížovou shodnost, což značí, že paralelně je rezistoru s větší hodnotou odporu jedné dvojice přiřazen rezistor s menší hodnotou odporu dvojice druhé a naopak. Shodnost teplotních koeficientů odporu obou dvojic teplotních senzorů je vyjádřena opět pro libovolnou teplotu platným pravidlem TCR=TCR(Rmt 1 )=TCR(Rvt 1 )=TCR(Rmt2)=TCR(Rvt2).

Asymetrický teplotní senzor k provádění vztažného měření teplot jednoho bodu a rozdílu teplot dvou měřicích bodů obsahuje dvojici teplotních rezistorových senzorů se shodným teplotním součinitelem odporu TCR, ale asymetricky rozdílných hodnot odporu, které jsou ve stejném technologickém cyklu umístěny na jediném nosiči - izolačním substrátu s nejméně třemi kontakty pro připojení vodičů knim. Tímto uspořádáním jsou na obou rezistorech připraveny oblasti pro jejich jednotlivé dostavování, tedy pro provedení změny jejich vzájemné asymetrie. Je výhodné, když teplotní rezistorové senzory jsou sériově spojeny. Tímto vytvořením se zajistí lepší shoda teplotních koeficientů odporu TCR, menší rozptyl vzájemného poměru hodnot odporů a lepší shoda teploty každého z dvojice teplotně závislých rezistorů navzájem pro umístění senzoru do reálného měřicího místa.

Asymetrický vztažný člen k provádění vztažného měření teplot jednoho bodu obsahuje dvojici teplotně nezávislých rezistorů se shodným nulovým teplotním součinitelem odporu TCR, ale asymetricky rozdílných hodnot odporu, které jsou ve stejném technologickém cyklu umístěny na jediném nosiči - izolačním substrátu s nejméně třemi kontakty pro připojení vodičů knim. Tímto uspořádáním jsou na obou rezistorech připraveny oblasti pro jejich jednotlivé dostavování, tedy pro provedení změny jejich vzájemné asymetrie. Je výhodné, když teplotě nezávislé rezistory jsou sériově spojeny. Tímto vytvořením se zajistí lepší shoda a nulovost jejich teplotního koeficientu odporu TCR, menší rozptyl vzájemného poměru hodnot odporů a lepší shoda teploty každého z dvojice teplotně nezávislých rezistorů navzájem po zapojení členu do reálného měřicího obvodu.

Hlavní výhodou vynálezu je vztažnost způsobu měření teplot a rozdílů teplot s jednoznačnou určitostí při malých rozdílech měřené a vztažné, případně sledovaných teplot při měření jejich rozdílu. To přináší především možnost velmi přesných a citlivých měření i velmi malých rozdílů teplot bez vysokých nároků na cejchování, kalibraci a párování teplotních senzorů.

Další podstatnou výhodou je možnost jednoduchého dodatečného nastavování strmosti výstupní charakteristiky asymetrického teplotního senzoru, což umožňuje s velmi vysokou výtěžností jednoduše kompenzovat vždy existující rozptyl základních materiálových vlastností, zejména teplotního součinitele odporu funkční vrstvy.

Úroveň zpracovávaného užitečného napěťového signálu se pohybuje vždy kolem ideální poloviny použitého napájecího napětí, což zvyšuje jeho odolnost proti rušení a zvyšuje elektromagnetickou kompatibilitu metody - způsobu měření. Navíc se z principu poměrového zapojení auto

-4CZ 297066 B6 maticky kompenzuje většina nepříznivých vlivů, jako reálný odpor přívodních vodičů, samoohřev vlastní spotřebou stejně jako vliv změn vnějších klimato-technologických podmínek. Jak způsoby měření, tak i zapojení mohou pracovat s reálnými prvky sestavy, nevyžaduje tedy striktní dodržení teoretických podmínek jak dodržení křížové shodnosti odporů, fyzické shodnosti TCR a koeficientu asymetrie. Naopak změnou asymetrie lze kompenzovat odchylku TCR apod.

Na minimum se snižuje počet prvků zapojení, klesá tedy cena, a to jak vlastních senzorů, tak i měřicích převodníků a systémů. Navíc je z principu činnosti zapojení zaručena přímo v úrovni signálu jednoznačná signalizace a z velké části i identifíkovatelnost jakékoliv hrubé poruchy zapojení přímo z úrovně signálu. Systém je nepřetížitelný a velmi snadno kdykoliv přestavitelný na změnu podmínek procesu prostou výměnou asymetrického vztažného členu. Pro měření v plném rozsahu povolených pracovních teplot asymetrického teplotního senzoru vystačíme s jediným převodníkem, odpadá dřívější nutnost výměny převodníku, stejně jako potřeba jejich výroby a skladování v dosavadním širokém sortimentu teplotních rozsahů. Je umožněno snadné a jednoduché navázání na teplotní normály stejně jako fyzikálně definované teploty.

Po exaktním ověření teplotního koeficientu odporu jednotlivých rezistorů senzoru nevyžaduje další nastavování použití teplotních lázní, což odstraňuje nejméně produktivní a nejzdlouhavější operace z výrobního procesu.

Tyto hlavní výhody přinášejí s sebou celou řadu již méně podstatných výhod, jako možnost použití i materiálů s nižší čistotou, růst produktivity práce, úsporu výrobních provozních nákladů atd. ...

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 znázorňuje schematické uspořádání pro provádění způsobu vztažného měření teploty jednoho bodu.

Obrázek 2 znázorňuje schematické uspořádání pro provádění způsobu měření rozdílu teplot dvou měřených bodů.

Obrázek 3 znázorňuje provedení asymetrického teplotního senzoru tištěného na plochém substrátu.

Obrázek 4 znázorňuje provedení asymetrického teplotního senzoru vinutého na válcovém substrátu.

Obrázek 5 znázorňuje provedení asymetrického vztažného členu tištěného na plochém substrátu.

Obrázek 6 znázorňuje provedení asymetrického vztažného členu vinutého na válcovém substrátu.

Obrázek 7 znázorňuje výhodné násobné uspořádání společné technologie asymetrických teplotních senzorů a asymetrických vztažných členů.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Způsob vztažného měření teploty jednoho bodu, kdy se postupně měří teploty vzduchu, ledové tříště a vařící vody je znázorněn na obr. 1.

-5 CZ 297066 B6

Do měřicího bodu MB1 - pro jednoduchost volně do vzduchu na levém konci stolu se umístí sériově spojená dvojici Dl standardních (ideálních) teplotních rezistorových senzorů: senzor 1 typu PtlOO a senzor 2 typu PtlOO se shodným normovaným teplotním koeficientem odporu TCR=3850 ppm.[l/ °C], nebo jeden asymetrický teplotní senzor 7 obsahující takové dva teplotní rezistorové senzory 1 a 2. Od očekávané teploty t₀ = cca 20 °C se zvolí nepříliš vzdálená vztažná teplota např. tv=0 °C, při níž má zřejmě teplotní rezistorový senzor 1 hodnotu odporu Rvt=1000 Ohmů a teplotní rezistorový senzor 2 hodnotu Rmt=100 Ohmů. Libovolně, nejlépe však na pravý konec stolu, tedy vzdálené od měřicího bodu MB 1 se umístí dvojice D3 sériově spojených teplotně nezávislých rezistorů 5 a 6 (např. typ Tr 191), které mají hodnoty odporů Rv=1000 Ohmů pro rezistor 6 a Rm=100 Ohmů pro rezistor 5, nebo jeden asymetrický vztažný člen 8 obsahující takové dva teplotně nezávislé rezistory 5 a 6. Dvojice Dl teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 a dvojice D3 teplotně nezávislých rezistorů 5 a 6 se antiparalelně propojí tak, že vodičem Vin+ se spojí volné konce teplotního rezistorového senzoru 2 a teplotně nezávislého rezistorů 5, vodičem Vin- se spojí volné konce teplotně rezistorového senzoru 1 a teplotně nezávislého rezistorů 6 a nakonec se spojí vodičem Vout společné konce teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 se společnými konci teplotně nezávislých rezistorů 5 a 6. Vodiče Vin+ a Vin- se připojí na zdroj napětí 9, na němž se nastaví napětí o hodnotě např. Uin=lV. Nyní se voltmetrem V umístěným stejně jako zdroj 9 napětí, nejlépe na pravé straně stolu, změří napětí mezi vodiči Vin- a Vout, které bude vdaném případě např. Uout=0,48 [V]. Vypočte se relativní poměr signálu jako poměr Uout/Uin=0,48/1=0,48. A následně podle pravidla:

At= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+1 )))=tl—tv kde: TCR= 3850 ppm = 0,003850 [1/°C], k=Rv/Rm=Rvtv/Rmtv = 1000/100 = 10 se vypočítá odchylka teploty At měřicího místa na levé straně stolu od předem definované vztažné teploty tv=0 [°C], tedy:

At (1-2 x 0,48)/(0,003850 x (0,48 - 1/(10+1)))=(1-0,96)/(0,003850 x (0,48-1/11))= =0,04/(0,00385 x (0,48-0,0909))=0,04/(0,00385 x 0,3891)=0,04/0,001498=26,7 [°C]

Odtud potom měřená teplota měřicího bodu MB1, tedy teploty vzduchu na levé straně stolu je: tl=tv+At=0+26,7=26,7 [°C],

Ze známých hodnot koeficientu asymetrie a TCR platinových rezistorů se vypočítá vztažná strmost podle pravidla: VTCR=4xTCR(l-k)/(l+k), tedy

VTCR=4x 0,003850 x (1-10)/(1+10) = -0,0007875 a následně podle pravidla:

At = (1-2 x Uout/Uin)/(4 x VTCR x (l+k)(Uout/Uin - l/(k+l))/(l-k))=tl-tv se zkontroluje správnost předchozího vyčíslení odchylky At teploty tl měřicího bodu MB1 od vztažné teploty tv, tedy:

At=(l-2 x 0,48)/(-0,0007875 x ((- 9)/l 1) x (0,48 - 1/11)/(-9)) = 26,7 [°C]

Při měření teploty ledové tříště se postupuje tak, že do měřicího bodu MB1 se dvojice Dl teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 na levé straně stolu vloží do polyetylenového sáčku a společně se ponoří do nádoby s vodní ledovou tříští. Změří se hodnota napětí Uout, která bude zřejmě 0,50 V. Vypočítá se:

-6CZ 297066 B6

At= (1-2 x 0,50)/(0,003850 x (0,50 - 1/(10+1)))=(1-1)/(0,003850 x (0,5-1/11))= =0/(0,00385 x (0,50-0,0909))=0,04/(0,00385 x 0,4091)=0/0,001575=0,0 [°CJ.

Odtud potom měřená teplota tl měřicího bodu MB1, tedy vodní ledové tříště na levé straně stolu je: tl=tv=At=0+0=0 [°C].

Při měření teploty vařící vody se postupuje tak, že dvojice Dl teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 v polyetylenovém sáčku se vloží do nádoby s vařící vodou. Změří se hodnota napětí Uout, která zřejmě 0,434 V. Opět se vypočítá:

At=(l-2 x 0,434)/(0,003850 x (0,434-1/(10+1)))=(1- 0,868)/(0,003850 x (0,434-1/11))= =0,132/(0,00385 x (0,434-0,0909))=0,132/(0,00385 x 0,3431)=0,132/0,001321=99,93 [°C],

Odtud potom měřená teplota tl měřicího bodu MB1, tedy vařící vody na levé straně stolu je: tl=tv+At=0+99,93=99,93 [°C],

Příklad 2

Způsob vztažného měření rozdílu teplot, kdy se postupně měří rozdíly teplot vzduchu a vzduchu, vzduchu a ledové tříště, vzduchu a vařící vody, ledové tříště a vařící vody je znázorněn na obr. 2.

Do měřicího bodu MB1 - pro jednoduchost volně do vzduchu na levém konci stolu se umístí sériově spojená dvojice Dl standardních (ideálních) teplotních rezistorových senzorů 1 a 2: senzor 1 např. PtlOOO a senzor 2, např. PtlOO se shodným normovaným teplotním koeficientem odporu TCR=3850 ppm.fl/ °C], Libovolně, nejlépe však na pravý konec stolu do měřicího bodu MB2 opět volně do vzduchu se umístí druhá dvojice D2 sériově spojených teplotních rezistorových senzorů 3 a 4: senzor 3 např. PtlOOO a senzor 4, např. PtlOO ekvivalentně s první dvojicí Dl shodných vlastností. Obě dvojice Dl a D2 se antiparalelně propojí tak, že vodičem Vin+ se spojí volné konce teplotního rezistorového senzoru 2 a 3, vodičem Vin- se spojí volné konce teplotního rezistorového senzoru 1 a 4 a nakonec vodiče, Vout se spojí společné konce teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 se společnými konci teplotních rezistorových senzorů 3 a 4. Vodiče Vín+ a Vin- se připojí na zdroj 9 napětí, na němž se nastaví napětí o hodnotě např. Uin=lV. Nyní voltmetrem V umístěným stejně jako zdroj 9 napětí nejlépe na pravé straně stolu, se změří napětí mezi vodiči Vin- a Vout, které bude v daném případě např. Uout=0,50 [V]. Vypočítá se relativní poměr signálu jako poměr Uout/Uin=0,48/1=0,50. A následně podle pravidla:

At= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-t2 kde: TCR= 3850 ppm = 0,003850 [1/ °C], k=Rv/Rm=Rvtv/Rmtv=1000/100=10 se vypočítá odchylka teploty měřicího bodu MB1 vzduchu na levé straně stolu od teploty měřicího bodu MB2 vzduchu na pravé straně stolu, tedy:

At= (1-2 x 0,50)/(0,003850 x (0,50 - 1/(10+1)))=(1- 1)/(0,003850 x (0,50-1/11))= =0/(0,00385 x (0,50-0,0909))=0/(0,00385 x 0,4091)=0/0,001575=0,0 [°C].

Při měření rozdílu teplot mezi vzduchem a ledovou tříští se dvojice Dl teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 na levé straně stolu vloží do polyetylenového sáčku a společně se ponoří do nádoby s vodní ledovou tříští. Změří se hodnota napětí Uout, která bude zřejmě 0,522 V. A následně podle pravidla:

-7 CZ 297066 B6

Δί= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-t2 kde: TCR = 3850 ppm = 0,003850 [1/ °C], k=Rv/Rm=Rvtv/Rmtv=1000/100=10 se vypočítá odchylka teploty měřicího bodu MB1 ledové tříště na levé straně stolu od teploty měřicího bodu MB2 vzduchu na pravé straně stolu, tedy:

Δί= (1-2 x 0,522)/(0,003850 x (0,522 - 1/(10+1)))=(1-1,044)/(0,003850 x (0,522-1/11))= =0,044/(0,00385 x (0,522-0,0909))=0,044/(0,00385x0,4311)=-0,044/0,00166=-26,5 [°C],

Při měření rozdílu teplot mezi vzduchem a vařící vodou se dvojice Dl teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 v polyetylenovém sáčku vloží do nádoby s vařící vodou. Změří se hodnota napětí Uout, která zřejmě bude 0,449 V. A následně podle pravidla:

Δί= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-t2 kde: TCR= 3850 ppm = 0,003850 [1/ °C] k=Rv/Rm=Rvtv/Rmtv=1000/100=10 se vypočítá odchylka teploty měřicího bodu MB1 vařící vody na levé straně stolu od teploty měřicího bodu MB2 vzduchu na pravé straně stolu, tedy:

Δί= (1-2 x 0,449)/(0,003850 x (0,449-1/(10+-1)))=(1- 0,898)/(0,003850 x (0,449-1/11))= =0,102/(0,00385 x (0,449-0,0909))=0,102/(0,00385 x 0,3581)=0,102/ 0,00138=73,9 [°C].

Při měření rozdílu teploty mezi vařící vodou a ledovou tříští se postupuje tak, že dvojice Dl teplotních rezistorových senzorů 1 a 2 v polyetylenovém sáčku se vloží do nádoby s vařící vodou a dvojice D2 teplotních rezistorových senzorů 3 a 4 v polyetylenovém sáčku se vloží do nádoby s ledovou tříští. Změří se hodnota napětí Uout, která bude zřejmě 0,44 V. A následně podle pravidla:

At= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-t2 kde: TCR= 3850 ppm = 0,003850 [1/ °C] k=Rv/Rm=Rvtv/Rmtv=1000/100=10 se vypočítá odchylka teploty měřicího bodu MB1 vařící vody na levé straně stolu od teploty měřicího bodu MB2 ledové tříště na pravé straně stolu, tedy:

Δί= (1-2 x 0,434)/(0,003850 x (0,434-1/(10+1)))=(1-0,868)/(0,003850 x (0,434-1/11))= =0,132/(0,00385 x (0,434-0,0909))=0,132/(0,00385 x 0,3431)=0,132/ 0,00132=100,0 [°C],

Asymetrický teplotní senzor 7 podle obr. 3 obsahuje dvojici sériově zapojených teplotních rezistorových senzorů 1 a 2, respektive teplotních rezistorových senzorů 3 a 4 se shodným teplotním součinitelem odporu TCR, ale různých hodnot odporů Rvt a Rmt vytvořených ve stejném technologickém cyklu na jediném společném nosiči - izolačním substrátu S s nejméně třemi kontakty Kpro připojení vnějších vodičů. Tyto kontakty Kjsou překryty funkční platinovou vrstvou 11 s teplotním koeficientem TCR. Hodnoty odporů teplotních rezistorových senzorů 1, 2, 3 a 4 jsou v místech T přestavitelné. Koeficient asymetrie je v tomto případě: k = Rvt/Rmt = a/b, kde a,b jsou vzdálenosti mezi kontakty příslušné odporům Rvt a Rmt. Vztažná strmost VTCR asymetrického teplotního senzoru 7 je vyjádřena pravidlem: VTCR = 4 x TCR x (b-a)/(b+a).

-8CZ 297066 B6

Na obr. 4 je znázorněn vinutý asymetrický teplotní senzor 7, jehož vinutí 11,1 s asymetricky umístěnou odbočkou LQ je provedeno. Pt drátem na keramickém válečkovém, případně trubičkovém tělísku - substrátu S. Jeho asymetrie kse dostavuje přestavováním odbočky 10 vinutí. Koeficient asymetrie je v tomto případě: k = Rvt/Rmt=n2/nl, kde nl a n2 jsou počty závitů jednotlivých částí vinutí (11) a vztažná strmost VTCR senzoru 7 je vyjádřena pravidlem VTCR = 4 x TCR x (nl-n2)/(nl+n2).

Asymetrický vztažný člen 8 podle obr. 5 obsahuje dvojici sériově zapojených teplotně nezávislých rezistorů 5 a 6 různých hodnot odporů Rvt a Rmt umístěných ve stejném technologickém cyklu na jediný společný nosič S - izolační substrát s nejméně třemi kontakty K pro připojení vnějších vodičů. Kontakty Kjsou překryty funkční teplotně nezávislou odporovou vrstvou 12. Hodnoty odporů teplotně nezávislých rezistorů 5 a 6 jsou v místech T přestavitelné. Koeficient asymetrie je v tomto případě: k = Rv/Rm = a/b, kde a,b jsou vzdálenosti mezi kontakty příslušné odporům Rv a Rm.

Na obr. 6 je znázorněn vinutý asymetrický vztažný člen 8. Tento asymetrický vztažný člen 8 obsahuje dvojici vinutých sériově zapojených teplotně nezávislých rezistorů 5 a 6 různých hodnot odporů Rvt a Rmt umístěných ve stejném technologickém cyklu na jediném společném nosiči S keramické trubičce se třemi kontakty K pro připojení vnějších vodičů na konce a odbočku 10 vinutí 11.1. Hodnoty odporů nezávislých odporových rezistorů 5 a 6 jsou v místech T přestavitelné. Koeficient asymetrie je v tomto případě: k = Rv/Rm= n2/nl, kde n2 a nl jsou počty závitů jednotlivých částí vinutí 11.1.

Na obr. 7 je znázorněno vícenásobné uspořádání topologií shodných asymetrických teplotních senzorů 7 nebo asymetrických vztažných členů 8 umístěných hromadně na jediném substrátu S v závislosti na typu použité pasty pro tisk funkční platinové vrstvy 11 nebo nezávislé odporové vrstvy 12.

Průmyslová využitelnost

V celém oboru měření a regulace teplot, kde se dosud uplatňují odporové senzory teploty, vzhledem k vysoké citlivosti a přesnosti měření zejména malých teplotních rozdílů se předmět vynálezu uplatní především u regulací technologických procesů, měření spotřeby tepla a u aplikací využívajících měření teploty a rozdílu teplot ke zprostředkování měření jiných neelektrických veličin, např. měřiče průtoku a pod.

Claims (8)

1. Způsob vztažného měření teplot, v y z n a č u j i c í se t í m , že do měřicího bodu (MB 1) s měřenou teplotou tl se současně umístí první dvojice (Dl) sériově spojených teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) se shodným teplotním součinitelem odporu TCR,ale asymetricky rozdílných hodnot odporu Rvtl a Rmtl, zvolí se vztažná teplota tv tak, aby tato byla přibližně stejná jak očekávaná teplota t₀ měřicího bodu (MB1), libovolně, nejlépe však vzdáleně od měřicího bodu (MB1) se umístí dvojice (D3) sériově spojených teplotně nezávislých rezistorů (5) a (6), jejichž hodnoty odporů Rv a Rm jsou jednotlivě shodné s hodnotami odporu Rvt a Rmt první dvojice (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) při vztažné teplotě tv, první dvojice (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1), (2) se antiparalelně propojí s dvojicí (D3) teplotně nezávislých rezistorů (5), (6), na vnější vodiče (Vin+) a (Vin-) obou dvojic (Dl) a (D3) se připojí napájecí napětí Uin, mezi vnějším vodičem (Vin-) a všem teplotním rezistorovým senzorům (1) a (2) a teplotě nezávislým rezistorům (5) a (6) společným středním vodičem (Vout) vedoucími společně k teplotně nezávislému rezistorů (6) s hodnotou odporu Rm se změří voltmetrem (V) napěťový signál Uout, následně se jako podíl určí relativní poměr signálu Uout/Uin, z něhož se podle pravidla:

At= (1-2 x Uout/Uin)/(TCR x (Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-tv vypočítá odchylka At teploty měřicího bodu (MB1) od předem definované vztažné teploty tv, skutečná teplota tl měřicího bodu (MB1) se následně stanoví tak, že ke vztažné teplotě tv se připočítá odchylka At,

- přitom TCR je pro první dvojici (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) shodný teplotní koeficient odporu,

- kje pro obě dvojice (Dl) a (D3) shodný koeficient asymetrie definovaný jako poměr Rv/Rm většího ku menšímu z odporů dvojice (D3) teplotně nezávislých rezistorů (6) a (5) a současně jako poměr Rvtl/Rmt2 opět většího ku menšímu z odporů první dvojice (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) při libovolné teplotě,

- tv je předem definovaná vztažná teplota, pro niž platí, že příslušné hodnoty odporů jednotlivých teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) jsou při ní křížově shodné s příslušnými hodnotami odporů teplotně nezávislých rezistorů (5) a (6), tedy teplota pro niž platí, pravidla Rv=Rvt(tv) a Rm=Rm(tv).

2. Způsob vztažného měření rozdílu teplot, vyznačující se tím, že do prvního měřicího bodu (MB1) s měřenou teplotou tl se současně umístí první dvojice (Dl) sériově spojených teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) se shodným teplotním součinitelem odporu TCR, ale asymetricky různých hodnot odporu Rvtl a Rmtl, do druhého měřicího bodu (MB2) se umístí druhá dvojice (D2) sériově spojených teplotních rezistorových senzorů (3) a (4), jejichž hodnoty odporů Rvt2 a Rmt2 jsou jednotlivě křížově shodné s hodnotami odporů Rvtl a Rmtl první dvojice (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) při libovolné teplotě z oboru očekávaných teplot tl a t2 obou měřicích bodů (MB1) a (MB2), první dvojice (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1), (2) se antiparalelně propojí s druhou dvojicí (D2) teplotních rezistorových senzorů (3), (4), na společné vnější vodiče (Vin+) a (Vin-) antiparalelního spojení obou dvojic (Dl) a (D2) se připojí napájecí napětí Uin, mezi vnějším vodičem (Vin-) a všem teplotním rezistorovým senzorům (1), (2), (3) a (4) společným středním vodičem (Vout) vedoucími společně k teplotnímu rezistorovému senzoru (4) s hodnotou odporu Rmt2 se voltmetrem (V) změří napěťový signál Uout, následně se jako podíl určí relativní poměr signálu Uout/Uin, z něhož se podle pravidla:

-10CZ 297066 B6

Δΐ= (l-2*Uout/Uin)/(TCR*(Uout/Uin - l/(k+l)))=tl-t2 vypočítá odchylka At teploty prvního měřicího bodu (MB1) od teploty druhého měřicího bodu (MB2) rovná rozdílu teplot tl-t2 obou měřicích bodů

- přitom TCR je pro všechny odpory teplotních rezistorových senzorů (1), (2), (3) a (4) shodný teplotní koeficient odporu,

- k je koeficient asymetrie definovaný jako poměr odporů Rvtl/Rmtl první dvojice (Dl) teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) a současně jako poměr odporů Rvt2/Rmt2 druhé dvojice teplotních rezistorových senzorů (4) a (3) při libovolné teplotě z oboru očekávaných teplot tl a t2 obou měřicích bodů (MB1) a (MB2).

3. Asymetrický teplotní senzor k provádění způsobu podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že obsahuje dvojice teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) se shodným teplotním součinitelem odporu TCR, ale různých hodnot odporů Rvt a Rmt umístěných ve stejném technologickém cyklu na jediný společný nosič- izolační substrát (S).

4. Asymetrický teplotní senzor podle nároku 3, vyznačující se tím, že odpory Rvt a Rmt jsou ve výrobním procesu nejméně v jednom místě (T) přestavitelné včetně asymetrie reprezentované koeficientem „k“ definovaným jako vzájemný poměr většího ku menšímu Rvt/Rmt z odporů teplotních rezistorových senzorů (1) a (2).

5. Asymetrický teplotní senzor podle nároků 3 a 4, vyznačující se tím, že první dvojice teplotních rezistorových senzorů (1) a (2) je sériově spojena.

6. Asymetrický vztažný člen kprovádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje dvojici teplotě nezávislých rezistorů (5) a (6) různých hodnot odporů Rv a Rm, umístěných ve stejném technologickém cyklu na jediném nosiči - izolačním substrátu (S) s nejméně třemi kontakty (K) pro připojení vodičů.

7. Asymetrický vztažný člen podle nároku 6, vyznačující se tím, že hodnoty odporů Rv a Rm jsou ve výrobním procesu nejméně v jednom místě (T) přestavitelné včetně asymetrie reprezentované koeficientem k definovaným jako vzájemný poměr většího ku menšímu Rv/Rm odporů teplotně nezávislých rezistorů (5) a (6).

8. Asymetrický vztažný člen podle nároků 6a 7, vyznačující se tím, že dvojice teplotně nezávislých rezistorů (5) a (6) je sériově spojena.

5 výkresů