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Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe mit Mehrzonentemperaturüberwachung, umfassend: eine wärmeerzeugende elektrische Einrichtung, eine Messschaltung mit mehreren temperaturabhängigen elektrischen Messwiderständen, wobei die Messwiderstände in voneinander beabstandeten Temperaturmessbereichen der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung positioniert sind, und eine Auswerteeinrichtung, welche einen Messkanal zur Messwerterfassung aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Heizeinrichtung mit einer elektrischen Baugruppe mit Mehrzonentemperaturüberwachung.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Zellverbinder mit einer elektrischen Baugruppe mit Mehrzonentemperaturüberwachung.
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Bekannte elektrische Baugruppen mit Mehrzonentemperaturüberwachung verwenden zur Temperaturmessung mehrere thermoelektrische Bauteile, wie etwa Heiß- oder Kaltleiter oder andere Thermoelemente. Dabei benötigt jedes thermoelektrische Bauteil bisher seine eigenen Drähte, Kabel und Anschlüsse. Ferner benötigt die eingesetzte Auswerteeinrichtung mehrere Messkanäle, über welche die Signale der thermoelektrischen Bauelemente zur Temperaturmessung ausgewertet werden können. Dies führt insgesamt zu einem vergleichsweise hohen Materialeinsatz und einem großen Platzbedarf hinsichtlich Verpackung und Bauraum. Darüber hinaus erfordern die bekannten elektrischen Baugruppen der Mehrzonentemperaturüberwachung eine vergleichsweise aufwendige Montage.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, die Mehrzonentemperaturüberwachung von elektrischen Bauteilen zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Baugruppe der eingangs genannten Art, wobei die Messwiderstände der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe über eine gemeinsame Messleitung elektrisch leitfähig mit dem Messkanal der Auswerteeinrichtung verbunden sind und die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, über eine Auswertung des Signals am Messkanal eine Temperatur und/oder eine Temperaturgrenzwertüberschreitung in zumindest einem der Temperaturmessbereiche zu ermitteln.
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Die erfindungsgemäße elektrische Baugruppe ermöglicht eine Temperaturregelung oder -begrenzung, bei welcher trotz der Überwachung mehrerer Temperaturmessbereiche lediglich eine Messleitung verwendet wird. Trotz der lediglich einen Messleitung ist es somit möglich, einen großflächigen Überwachungsbereich mittels mehrerer Messwiderstände zu überwachen. Somit kann mit einer vergleichsweise einfachen elektrischen Baugruppe eine Mehrzonentemperaturüberwachung realisiert werden, mittels welcher lokale Temperaturanstiege, sog. Hotspots, an wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtungen zuverlässig erfasst werden können.
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Die elektrische Baugruppe oder deren Messschaltung können beispielsweise als oberflächenmontierte Bausteine (SMD-Bausteine) realisiert sein. Insgesamt ergibt sich ein vergleichsweise geringer Materialbedarf. Hinsichtlich Verpackung und Bauraum weist die elektrische Baugruppe ferner einen vergleichsweise geringen Platzbedarf auf. Außerdem ist die Montage der elektrischen Baugruppe vergleichsweise einfach, da auf eine separate Verkabelung und auf separate Messkanäle für die jeweiligen elektrischen Messwiderstände verzichtet werden kann.
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Die elektrische Baugruppe kann beispielsweise im Zusammenhang mit Einwegartikeln, wie beispielsweise Patientenheizungen, eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung eine Heizfolie oder Heizdecke sein, in welche die Messschaltung integriert ist. Die Auswerteeinrichtung kann Bestandteil einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung sein. Die die Auswerteeinrichtung umfassende Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann beispielsweise zur Mehrfachverwendung vorgesehen und mit verschiedenen Heizfolien und/oder Heizdecken verbindbar sein. Die elektrische Baugruppe bietet generell überall dort Vorteile, wo hohe Integrations- oder Verpackungsanforderungen vorliegen und/oder eine hohe Anzahl ähnlicher Sensoren erforderlich ist. Somit kann die erfindungsgemäße elektrische Baugruppe beispielsweise auch in Zusammenhang mit Zellanschlussplatinen oder Zellsensorplatinen verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist der von der Auswerteeinrichtung erfassbare Messwert der durch den Messkanal fließende Strom und/oder die an dem Messkanal anliegende Spannung. Insofern ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, über eine Auswertung des durch den Messkanal fließenden Stroms und/oder die an dem Messkanal anliegende Spannung eine Temperatur und/oder eine Temperaturgrenzwertüberschreitung in zumindest einem der Temperaturmessbereiche zu ermitteln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe verändert sich der elektrische Widerstandswert der Messwiderstände zumindest in einem Temperaturbereich nichtlinear zu einer Temperaturveränderung in den jeweiligen Temperaturmessbereichen. Die Messwiderstände weisen im Bereich eines Temperaturgrenzwertes eine Leitfähigkeitsanomalie auf, welche zu einer sprunghaften Änderung der Leitfähigkeit der Messwiderstände in diesem Temperaturbereich führt. Wenn sich die Messwiderstände erwärmen, kann sich der elektrische Widerstandswert der Messwiderstände bei Überschreitung des Temperaturgrenzwertes sprunghaft verringern. Bei einer Abkühlung der Messwiderstände kann sich der elektrische Widerstandswert der Messwiderstände bei Unterschreitung des Temperaturgrenzwertes sprunghaft erhöhen.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe sind die Messwiderstände zumindest teilweise aus Vanadiumdioxid ausgebildet. Wenn Vanadiumdioxid einen Temperaturgrenzwert von ca. 68 Grad Celsius überschreitet, verändert sich die Kristallstruktur des Vanadiumdioxids. In der metallischen Phase für Temperaturen oberhalb des Temperaturgrenzwerts von 68 Grad Celsius liegt eine rutile Kristallstruktur vor, während die isolierende bzw. halbleitende Phase bei Temperaturen unterhalb des Temperaturgrenzwerts von 68 Grad Celsius eine monokline Struktur aufweist. Beim Phasenübergang verändert sich die elektrische Leitfähigkeit des Vanadiumdioxids um den Faktor 103 bis 105.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe sind die Messwiderstände und/oder die Messleitung in die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung integriert. Die Messwiderstände und/oder die Messleitung sind vorzugsweise elektrisch leitfähig mit einer Spannungs- und/oder Stromquelle der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung verbunden. Die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung kann beispielsweise eine Heizeinrichtung mit mehreren Heizleitern oder mehreren Heizleitersegmenten sein. Die Heizleiter oder Heizleitersegmente können Bahnen auf einer Heizfolie sein. Die Messwiderstände sind vorzugsweise elektrisch leitfähig mit den Heizleitern oder Heizleitersegmenten verbunden. Vorzugsweise sind die Messwiderstände parallel zu den Heizleitern bzw. Heizleitersegmenten geschaltet.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, die Temperatur oder die Temperaturgrenzwertüberschreitung in zumindest einem der Temperaturmessbereiche über die Erfassung einer Überschreitung oder Unterschreitung einer Messwertschwelle am Messkanal zu ermitteln. Bei einer erhöhten Temperatur in zumindest einem der Temperaturmessbereiche verringert sich der Widerstandswert des in diesem Temperaturmessbereich angeordneten Messwiderstands. Es wird ein höherer Strom von der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung über die Messwiderstände zu dem Messkanal fließen bzw. das Potential wird sich entsprechend verändern. Die Auswerteeinrichtung kann die Überschreitung eines Stromgrenzwertes überwachen, womit dann auch der Temperaturgrenzwert erfasst wird.
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Darüber hinaus ist eine erfindungsgemäße elektrische Baugruppe vorteilhaft, bei welcher die Messschaltung derart ausgelegt ist, dass die Messwertschwelle am Messkanal höher ist als der durch einen sich unterhalb des Temperaturgrenzwerts bewegenden Temperaturanstieg in sämtlichen Temperaturmessbereichen maximal verursachbare Messwert am Messkanal.
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Alternativ ist die Messschaltung derart ausgelegt, dass die Messwertschwelle am Messkanal niedriger ist als der durch einen sich unterhalb des Temperaturgrenzwertes bewegenden Temperaturanstieg in sämtlichen Temperaturmessbereichen minimal verursachbare Messwert am Messkanal. Somit ist die Auswerteeinrichtung in der Lage, zwischen einer hohen Messwertänderung am Messkanal aufgrund einer Temperaturgrenzwertüberschreitung in einem Messbereich einerseits und einer hohen Messwertänderung aufgrund eines flächigen Temperaturanstiegs in mehreren Temperaturmessbereichen unterhalb des Temperaturgrenzwerts zu unterscheiden.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, die Temperaturgrenzwertüberschreitung in zumindest einem der Temperaturmessbereiche über die Erfassung einer spezifischen zeitlichen Veränderung des Messwerts am Messkanal zu ermitteln. In diesem Fall können die Störeinflüsse durch die übrigen Messwiderstände, in deren Temperaturmessbereichen keine Temperaturgrenzwertüberschreitung erfolgt ist, auch größer sein als die Messwertveränderung, welche sich durch eine Temperaturgrenzwertüberschreitung in einem Temperaturmessbereich ergibt, da nun eine zeitliche Komponente berücksichtigt wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, anhand des Betrags der Messwertänderung am Messkanal den Temperaturmessbereich zu identifizieren, an welchem eine Temperaturgrenzwertüberschreitung erfolgt ist. Die Messwiderstände sind mit elektrischen Leitern unterschiedlicher Länge der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung verbunden. Die elektrischen Leiter der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung können beispielsweise Heizleiter oder Heizleitersegmente sein. Mit zunehmender Länge der elektrischen Leiter nimmt deren elektrischer Widerstand zu. Somit unterscheiden sich die Stromanstiege und die Spannungsabfälle über die verschiedenen Messwiderstände in ihrer Höhe, je nach dem wo diese Widerstände liegen bzw. wie lang der elektrische Leiter ist, mit welchem diese verbunden sind. Dieser Effekt tritt auf, da der Strom zu den verschiedenen Messwiderständen Strecken unterschiedlicher Länge durchfließen muss, bevor er vor dem jeweiligen Messwiderstand abzweigen kann.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe sind die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung und die Messschaltung an dieselbe Masse angeschlossen. Alternativ sind die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung und die Messschaltung an unterschiedliche Massen angeschlossen. Beide Anschlussvarianten können messtechnische Vorteile bieten, sodass je nach Einsatzzweck der elektrischen Baugruppe ein geeigneter Masseanschluss auszuwählen ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe weisen die Zuleitungen der jeweiligen Messwiderstände voneinander abweichende kapazitive Eigenschaften und/oder voneinander abweichende induktive Eigenschaften auf. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, aufgrund der voneinander abweichenden kapazitiven Eigenschaften und/oder der voneinander abweichenden induktiven Eigenschaften der Zuleitungen der jeweiligen Messwiderstände zumindest eine ermittelte Temperatur und/oder zumindest eine ermittelte Temperaturgrenzwertüberschreitung einem Messwiderstand zuzuordnen. Die individuellen Eigenschaften der Zuleitungen verändern jeweils deren frequenzabhängigen komplexen Widerstand, also deren Impedanz, und auch das Schwingverhalten (RC, RCL). Der jeweilige Messwiderstand dient in diesem Fall zur Erfassung der Temperatur, wobei die Auswerteeinrichtung über die voneinander abweichenden kapazitiven Eigenschaften und/oder die voneinander abweichenden induktiven Eigenschaften der Zuleitungen der jeweiligen Messwiderstände erfassen kann, auf welchen Messwiderstand die Messwertänderung am Messkanal zurückgeht, sodass der dazugehörige Temperaturmessbereich bestimmt werden kann. In diesem Fall können die Messwiderstände auch Heißleiter oder Kaltleiter sein, deren elektrischer Widerstand sich linear zu einer Temperaturveränderung in den jeweiligen Temperaturmessbereichen verändert.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe weist die Auswerteeinrichtung einen integrierten Schaltkreis auf, welcher dazu eingerichtet ist, den frequenzabhängigen Gesamtwiderstand, das Schwingverhalten und/oder die Impulsantwort am Messkanal zu prüfen. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, nur einige festgelegte Frequenzbereiche zu prüfen. So werden die Kosten für die Schalttechnik gering gehalten. Der integrierte Schaltkreis kann dazu eingerichtet sein, eine Impedanzspektroskopie durchzuführen. Der integrierte Schaltkreis kann die Messung an einer parallelen Messleitung abnehmen. Alternativ kann für die Messung das Potential der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung umgeschaltet, isoliert oder auf ein definiertes Niveau gebracht werden. Es erfolgt also ein kurzzeitiges Abtrennen einer hohen Leistung von der Messschaltung.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe werden die kapazitiven Eigenschaften der jeweiligen Zuleitung durch kapazitive Bauteile in der Zuleitung oder durch die Struktur des Leitermaterials der jeweiligen Zuleitung verursacht. Alternativ oder zusätzlich werden die induktiven Eigenschaften der jeweiligen Zuleitung durch induktive Bauteile in der Zuleitung oder durch die Struktur des Leitermaterials der jeweiligen Zuleitung verursacht. Die Struktur des Leitermaterials kann zur Bereitstellung von kapazitiven Eigenschaften eine Folie mit leitfähigen Bahnen sein, wobei die Bahnen parallel ineinander greifen und somit viele kleine Kondensatoren bilden. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass diese sich leicht in der Fläche herstellen lässt. Die Struktur des Leitermaterials kann auch eine Umklappung oder Faltung umfassen, bei welcher zwei elektrisch leitfähige Flächen, zwischen welchen ein isolierendes Zwischenmaterials bzw. ein Dielektrikum vorhanden ist, derart beabstandet voneinander angeordnet sind, dass diese eine Art Plattenkondensator bilden. Bis zu einem gewissen Grad können die Basiskapazität und der Widerstand eines Schwingkreises durch das Design eines Folienkreises, beispielsweise der Länge des Kreises oder der Länge und/oder den Abstand von Parallelschaltungen eingestellt werden. Wenn eine zweite Folie oder Klappen mit Halbausschnitten verwendet werden, kann außerdem eine zweite Schicht auf die Basisfolie aufgebracht werden, um eine zweite Kondensatorplatte zu erzeugen. Über die Aufbringung von weiteren Schichten können weitere Kondensatorplatten erzeugt werden.
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Es ist darüber hinaus eine erfindungsgemäße elektrische Baugruppe vorteilhaft, bei welcher die Zuleitungen der jeweiligen Messwiderstände voneinander abweichende temperaturabhängige Kapazitäten und/oder voneinander abweichende temperaturabhängige Induktivitäten aufweisen. Auf diese Weise ist es für die Auswerteeinrichtung möglich, eine ermittelte Temperatur oder eine ermittelte Temperaturgrenzwertüberschreitung einem Temperaturmessbereich zuzuordnen. Vorzugsweise kommt es nicht zur Überschneidung von temperaturinduzierten Impedanzänderungen/-verstimmungen in der Messleitung.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung eine elektrische Heizdecke oder Heizfolie mit einer Mehrzahl von Heizleitern oder Heizleitersegmenten. Die Heizleiter oder Heizleitersegmente können Leiterbahnen der Heizdecke oder Heizfolie sein. Die Leiterbahnen können auf eine Trägerschicht der Heizdecke oder Heizfolie aufgebracht sein.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die elektrische Baugruppe der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen ausgebildet ist. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung wird zunächst auf die Vorteile und Modifikationen der elektrischen Baugruppe verwiesen.
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Die wärmeerzeugende Einrichtung der Heizeinrichtung ist vorzugsweise eine Heizdecke oder Heizfolie. Die Heizdecke kann eine Personenheizdecke sein, welche zum Zudecken einer Person von oben oder als Unterlage zum Heizen einer Person von unten verwendet werden kann. Entsprechende Heizdecken können beispielsweise auf Operationstischen eingesetzt werden. Ferner finden entsprechende Heizdecken auch bei Rettungseinsätzen im Freien Verwendung, um bewusstlose oder verletzte Personen vor einer Unterkühlung zu bewahren. Entsprechende Heizdecken können auch als sterile Trennschicht bei entsprechenden Rettungseinsätzen verwendet werden, um Personen vor einem Kontakt mit kontaminiertem Erdreich zu schützen. Die Heizdecke der Heizeinrichtung kann eine Folienheizung sein. In diesem Fall ist die Heizdecke beispielsweise als kostengünstiges Einwegprodukt gestaltet, um eine sterile Umgebung zu gewährleisten und Desinfektionen aufgrund eines Mehrfachgebrauchs vorzubeugen.
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Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise Bestandteil einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, mittels welcher eine Mehrzonentemperaturüberwachung und/oder eine Heizleistungsüberwachung sowie vorzugsweise eine Heizleistungssteuerung und/oder eine Heizleistungsregelung umgesetzt wird. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist üblicherweise ein aufwendigeres elektronisches Produkt, sodass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Mehrfachverwendung von der wärmeerzeugenden Einrichtung, insbesondere von der Einweg-Heizdecke, trennbar ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch einen Zellverbinder der eingangs genannten Art gelöst, wobei die elektrische Baugruppe des erfindungsgemäßen Zellverbinders nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Zellverbinders wird somit auf die Vorteile und Modifikationen der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe verwiesen.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in der schematischen Darstellung;
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in einer schematischen Darstellung;
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in einer schematischen Darstellung;
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in einer schematischen Darstellung;
- 5 ein nichtlineares temperaturabhängiges Leitfähigkeitsverhalten eines Widerstandes;
- 6 ein lineares temperaturabhängiges Leitfähigkeitsverhalten eines Widerstandes;
- 7 ein weiteres lineares temperaturabhängiges Leitfähigkeitsverhalten eines Widerstandes;
- 8 eine Leiterbahnstruktur einer wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung einer erfindungsgemäßen Baugruppe; und
- 9 eine Umklappung in der Leiterbahnstruktur einer wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung einer erfindungsgemäßen Baugruppe.
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Die 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Heizeinrichtungen 100, welche jeweils eine elektronische Baugruppe 10 mit Mehrzonentemperaturüberwachung aufweisen.
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Die elektrische Baugruppe 10 umfasst eine wärmeerzeugende elektrische Einrichtung 12, welche als Heizdecke ausgebildet ist. Die als Heizdecke ausgebildete wärmeerzeugende elektrische Einrichtung 12 umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Leitern 14, welche auf eine Trägerschicht 16 aufgebracht sind. Die elektrischen Leiter 14 sind Heizleiter, welche sich beim Anlegen einer Bestromung erwärmen.
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Darüber hinaus umfasst die Baugruppe 10 eine Messschaltung 18, welche in die Heizdecke 12 integriert ist. Die Messschaltung 18 umfasst mehrere temperaturabhängige elektrische Messwiderstände 20a-20h, wobei die Messwiderstände 20a-20h in voneinander beabstandeten Temperaturmessbereichen 22a-22h der Heizdecke 12 positioniert sind. Der elektrische Widerstandswert R der Messwiderstände 22a-22h verändert sich in einem Temperaturbereich nichtlinear zu der Temperaturveränderung in dem jeweiligen Temperaturmessbereich 22a-22h. Die Messwiderstände 22a-22h sind zumindest teilweise aus Vanadiumdioxid ausgebildet.
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Die Messwiderstände 22a-22h sind über eine gemeinsame Messleitung 24 elektrisch leitfähig mit einem Messkanal 26 einer Auswerteeinrichtung 28 verbunden.
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Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsform sind die Messwiderstände 22a-22h und die Messleitung 24 elektrisch leitfähig mit einer Spannungsquelle 30 verbunden, mit welcher auch die Heizleiter 14 der Heizdecke 12 verbunden sind. Die Messwiderstände 22a-22h sind parallel zu den Heizleitern 14 geschaltet. Die Heizdecke 12 und die Messschaltung 18 sind an dieselbe Masse 32 angeschlossen.
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Die Auswerteeinrichtung 28 ist dazu eingerichtet, über eine Auswertung des Signals am Messkanal 26 eine Temperaturgrenzwertüberschreitung in einem der Temperaturmessbereiche 22a-22h zu ermitteln. Der von der Auswerteeinrichtung 28 erfassbare Messwert kann dabei der durch den Messkanal 26 fließende Strom und/oder die an dem Messkanal 26 anliegende Spannung sein.
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Wenn das Vanadiumdioxid der Messwiderstände 20a-20h den Temperaturgrenzwert TG von ca. 68 Grad Celsius überschreitet, verändert sich die Kristallstruktur des Vanadiumdioxids. Beim Phasenübergang verändert sich die elektrische Leitfähigkeit des Vanadiumdioxids sprunghaft um den Faktor 103 bis 105, sodass die Auswerteeinrichtung 28 die Temperaturgrenzwertüberschreitung in einem Temperaturmessbereich 22a-22h über die Erfassung einer Überschreitung eines Stromschwellwerts am Messkanal 26 ermitteln kann. Bei einer Erhöhung der Temperatur T in einem der Temperaturmessbereiche 22a-22h über den Temperaturgrenzwert TG hinaus, verringert sich der Widerstandswert R des in diesem Temperaturbereich 22a-22h angeordneten Messwiderstands 20a-20h sprunghaft. Es wird ein höherer Strom von der wärmeerzeugenden elektrischen Einrichtung 12 über die Messwiderstände 20a-20h zu dem Messkanal 26 fließen, sodass die Auswerteeinrichtung 28 die Überschreitung eines Stromgrenzwerts zur Erfassung einer Temperaturgrenzwertüberschreitung überwachen kann.
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Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die wärmeerzeugende elektrische Einrichtung 12 und die Messschaltung 18 an unterschiedliche Massen 32, 34 angeschlossen. Dies kann, je nach Anwendungsfall, messtechnische Vorteile mit sich bringen.
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Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Zuleitungen 36a-36h der jeweiligen Messwiderstände 20a-20h voneinander abweichende kapazitive Eigenschaften auf. Die Auswerteeinrichtung 28 ist dazu eingerichtet, aufgrund der voneinander abweichenden kapazitiven Eigenschaften der Zuleitungen 36a-36h der jeweiligen Messwiderstände 20a-20h eine ermittelte Temperatur oder eine ermittelte Temperaturgrenzwertüberschreitung einem Messwiderstand 20a-20h und somit auch einem Temperaturmessbereich 22a-22h zuzuordnen. Die kapazitiven Eigenschaften der jeweiligen Zuleitung 36a-36h werden durch kapazitive Bauteile 38a-381 in der Zuleitung 36a-36h verursacht. Die individuellen kapazitiven Eigenschaften der Zuleitungen 36a-36h verändern jeweils deren frequenzabhängigen komplexen Widerstand und somit auch das Schwingverhalten. Der jeweilige Messwiderstand 20a-20h dient in diesem Fall zur Erfassung der Temperatur T in dem dem jeweiligen Messwiderstand 20a-20h zugeordneten Temperaturmessbereich 22a-22h. Über die voneinander abweichenden kapazitiven Eigenschaften der Zuleitungen 36a-36h kann die Auswerteeinrichtung 28 dann erfassen, auf welchen Messwiderstand 20a-20h die Messwertänderung am Messkanal 26 zurückgeht, sodass der zugehörige Temperaturmessbereich 22a-22h bestimmt werden kann. Die Auswerteeinrichtung 28 weist hierzu einen integrierten Schaltkreis 40 auf, mittels welchem der frequenzabhängige Gesamtwiderstand, das Schwingverhalten und die Impulsantwort am Messkanal 26 geprüft werden kann.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der integrierte Schaltkreis 40 die Messung über einen schaltbaren Messkanal 26 vornimmt.
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Die 5 zeigt die Abhängigkeit des Widerstandswertes R eines Vanadiumdioxids-Messwiderstands 20 von der Temperatur T. Im Bereich eines Temperaturgrenzwertes TG tritt eine sprunghafte Leitfähigkeitsänderung auf. Der Temperaturgrenzwert TG liegt bei Vanadiumdioxid-Widerständen 20 bei ca. 68 Grad C. Bei dieser Temperatur erfolgt ein Phasenübergang von einer monoklinen in eine rutile Kristallstruktur. Entsprechende Vanadiumdioxid-Messwiderstände 20 mit einer Leitfähigkeitsanomalie im Bereich von 68 Grad Celsius können beispielsweise bei den Messschaltungen 18 der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen eingesetzt werden.
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Die 6 und 7 zeigen zum Vergleich das Leitfähigkeitsverhalten von Messwiderständen 20', 20", wobei die Kennlinien dieser Messwiderstände 20', 20" keine sprunghaften Leitfähigkeitsänderungen ausweisen. Die 6 bezieht sich auf einen Heißleiter, welcher bei hohen Temperaturen besser leitet als bei niedrigen Temperaturen. Die 7 bezieht sich auf einen Kaltleiter, welcher bei niedrigen Temperaturen besser leitet als bei hohen Temperaturen.
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Die 8 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit kapazitive Eigenschaften durch eine Struktur 42a des Leitermaterials einzubringen. In diesem Fall bilden leitfähige Bahnen einer Heizfolie das Leitermaterial, wobei mehrere leitfähige Bahnen 44 parallel ineinander greifen, sodass durch die Leiterstruktur 42a mehrere kleine Kondensatoren erzeugt werden. Eine derartige Struktur 42a kann beispielsweise in einer Zuleitung 36a-36h zu einem Messwiderstand 20a-20h eingesetzt werden (vgl. 4).
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Die 9 zeigt die Herstellung einer Leiterbahnstruktur 42b, welche durch eine Umklappung bzw. Faltung von elektrisch leitfähigen Flächen 46a, 46b einen Plattenkondensator bereitstellt. Zwischen den Flächen 46a, 46b befindet sich isolierendes Zwischenmaterial bzw. ein Dielektrikum. Die Flächen 46a, 46b sind nach dem Umklappen bzw. Falten beabstandet voneinander, sodass ein Luftspalt zwischen den Flächen 46a, 46b vorhanden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Baugruppe
- 12
- wärmeerzeugende elektrische Einrichtung
- 14
- elektrische Leiter
- 16
- Trägerschicht
- 18
- Messschaltung
- 20, 20', 20", 20a-20h
- Messwiderstände
- 22a-22h
- Temperaturmessbereiche
- 24
- Messleitung
- 26
- Messkanal
- 28
- Auswerteeinrichtung
- 30
- Spannungsquelle
- 32
- Masse
- 34
- Masse
- 36a-36h
- Zuleitungen
- 38a-38l
- kapazitive Bauteile
- 40
- integrierter Schaltkreis
- 42a, 42b
- Leiterstruktur
- 44
- Leiterbahnen
- 46a, 46b
- Flächen
- 100
- Heizeinrichtung
- R
- Widerstandswert
- T
- Temperatur
- TG
- Temperaturgrenzwert
