EP0349550A1

EP0349550A1 - Wärmestrahlungssensor

Info

Publication number: EP0349550A1
Application number: EP19880902101
Authority: EP
Inventors: Horst Fedter; Werner Grünwald; Peter Nolting; Claudio De La Prieta; Kurt Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1990-01-10
Also published as: WO1988007180A1; DE3709201A1; US5010315A; JPH02502753A

Description

Wärmestrahlungssensor

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wärmestrahlungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 35 36 133 ist eine Wärmestrahlungssensor bekannt, welcher zwei der Strahlung ausgesetzte Empfängerflächen aufweist, von denen die eine bezüglich der Wärmestrahlung ein hohes Absorptionsvermögen, zum Beispiel durch Schwarzfärbung, und die andere ein geringes Absorptionsvermögen, zum Beispiel durch eine die Wärmestrahlung reflektierende Abdeckung aufweist. Diese beiden Empfängerflächen bestehen aus einem NTC-Widerstandsmaterial und sind zusammen mit zwei temperaturunabhängigen Cermetwiderständen in einer Brückenschaltung zusammengefaßt. Die vier Widerstände sind auf ein Keramiksubstrat aufgebracht und mit Leiterbahnen verbunden, die ihrerseits in den notwendigen Anschlüssen enden. Bedingt durch den konvektiven Wärmeübergang an den Sensoroberflächen hat diese Anordnung jedoch den Nachteil, daß das Ausgangssignal stark von der Umgebungstemperatur abhängt. So erzielt man bei ein und demselben Wärmestrahlungssensor, wie er oben angegeben ist, bei einer Bestrahlungsstarke von 1000 W/m² bei -30 °C eine Ausgangsspannung von 900 mV, bei 0 °C 700 mV und bei 30 °C eine solche von 550 mV. Eine derartige Abhängigkeit der Meßergebnisse von der Umgebungstemperatur ist in vielen Fällen ungünstig. Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmestrahlungssensor mit den kennzeichnenden" Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Meßsignale keine Abhängigkeit mehr von der Umgebungstemperatur zeigen, so daß man bei gleicher Bestrahlungsstärke unabhängig von der Temperatur immer den gleichen Meßwert erhält.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Strahlungssensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizschichten aus einer Cermet-Dickschicht mit Platin bestehen und die Form eines Mäanders aufweisen, so daß sie sich leicht abgleichen lassen.

Es läßt sich physikalisch-mathematisch zeigen, daß bei einer Differenzbildung zwischen den beiden Sensoren, von denen der eine bezüglich der Wärmestrahlung eine hohes und der andere ein geringes Absorptionsvermögen aufweist, das Meßergebnis für die auftreffende Strahlungsleistung in der Tat von der Umgebungstemperatur unabhängig wird.

Für den ersten Sensor gilt (pro Flächeneinheit)

Q₁el + M = ε ₁ . δ . T₁ + r₁ . M + A (T₁ - T_u) (1)

Qe1 = el. zugeführte Leistung

M = auftreffende Strahlungsleistung ε = Emissionsgrad der Sensoroberfläche δ = Boltzmannkonstante

T = Sensortemperatur

A = Konstante des Wärmeübergangs an die umgebende Luft

T_u = Lufttemperatur r = Reflexionskoeffizient

Werte mit Indexziffer 1 beziehen sich auf den 1. Sensor. Analog gilt für den 2. Sensor:

Q₂el M = ε₂ . δ T₂ + r₂ . M + A (T₂ - T_u) (2)

Werte mit Indexziffer 2 beziehen sich auf den 2. Sensor.

Aus der Differenz von (1) und (2) folgt:

Q₁el - Q₂el = δ ( ε₁ T₁ - ε ₂T₂ ) + (r₁-r₂) M + A (T₁ - T₂) (3)

Für T₁ = T₂ = T vereinfacht sich die Beziehung

d. h. die Meßgröße M wird unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Sensors und Figur 2 eine elektrische Schaltung, die angibt, wie die einzelnen Schichten des Sensors elektrisch miteinander verknüpft sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Gemäß Figur 1 besteht der Sensor aus einem Keramiksubstrat in Form eines dünnen Plättchens 5, das vorzugsweise aus Aluminiumoxid besteht. Aüf dieses Substrat werden zunächst die Heizleiterschichten 6 und 7, die aus einer Platindickschicht, gegebenenfalls mit einem Anteil von 20 Vol.-% eines keramischen Stützgerüstmaterials wie Aluminiumoxid, in Form eines Mäanders aufgedruckt und bei etwa 1530 °C eingebrannt. Diese Heizwiderstände weisen im Fertigzustand einen Widerstand von etwa 30Ω auf. Auf die Heizschichten 6 und 7 werden sodann die Isolationsschichten 8 und 9, die aus einem kristallisierenden Glas, zum Beispiel der Type 9105HT der Firma Heraeus bestehen, aufgedruckt und bei 950 °C eingebrannt. Es folgt dann das Aufdrucken des für die Beschaltung der einzelnen Schichten notwendigen, nicht dargestellten Leiterbahnmusters mit anschließendem Einbrennen bei 850 °C. Danach werden die NTC-Widerstände 1 und 2 aufgedruckt, wobei ein Material in Form einer Paste verwendet wird, das Widerstände ergibt, die einen Quadratwiderstand von 5 kΩ uad eine Regelkonstante B von 2200 Kelvin ergeben. Hierzu eignet sich zum Beispiel die Widerstandspaste NTC 135 der Firma Heraeus. Dann folgt das Aufbringen der temperaturunabhängigen Widerstände 3 und 4 durch Aufdrucken eines Cermetmaterials, das einen Quadratwiderstand von 10 kΩ ergibt, zum Beispiel von der Firma Dupont das Material mit der Nummer 1441, und zwar in einer solchen Dicke, daß nach dem Einbrennen eine Schichtdicke von 8 um verbleibt. Die vier Widerstände 1, 2, 3 und 4 werden gemeinsam bei 850 °C an Luft eingebrannt. Schließlich werden noch die Leiterbahnanschlusse zu den beiden NTC-Widerständen aufgebracht, wobei bei dem Layout natürlich dafür Sorge getragen werden muß, daß die Leiterbahnen sich nur an solchen Stellen kreuzen, an denen dies aus elektrischen Gründen auch beabsichtigt ist. Zuletzt wird das Ganze bei etwa 850 °C nochmals gebrannt.

Der weitere Einbau in einen nicht dargestellten Rahmen sowie die Abdeckung der beiden NTC-Widerstände erfolgt in der gleichen Weise, wie dies in der DE-OS 35 36 133 beschrieben ist.

In Figur 2 ist die elektrische Schaltung zum Betreiben des erfindungsgemäßen Sensors dargestellt. Zwischen den Punkten 18 und 20 wird eine Spannung von beispielsweise 12 V angelegt, welche durch die Widerstände 10 und 11 so geteilt wird, daß an dem Kreuzungspunkt 12 ein Bezugspotential von beispielsweise 6 V auftritt. Der entsprechende Abgriff zwischen dem NTC-Widerstand 1 und dem Widerstand 3 wird auf einen Differenzverstärker 13 gegeben, während der Abgriff zwischen dem NTC-Widerstand 2 und dem Widerstand 4 auf einen weiteren Differenzverstärker 14 gegeben wird. Die Ausgänge der Differenzverstärker 13 und 14 führen zu Stromverstärkern 15 und 16, von denen aus die Heizungen 6 bzw. 7 so geregelt werden, daß sie. gleiche, konstante Temperatur aufweisen. Die Ausgänge der Stromverstärker 15 und 16 führen zu einem weiteren Differenzverstarker 17, der die ankommenden Signale analog so verarbeitet, daß zwischen den Punkten 18 und 19 eine der Bestrahlungsstärke proportionale Ausgangsspannung abgegriffen werden kann, die unabhängig von der Umgebungstemperatur ist und im Bereich zwischen 0 und etwa 600 mV liegt, wenn die Bestrahlungsstarke von 0 auf etwa 1000 W/m² steigt und die Widerstände 1, 2, 3 und 4 bei Raumtemperatur ca. 10 kΩ haben sowie die Regelkonstante B bei 2200 Kelvin liegt.

Claims

Ansprüche

1. Wärmestrahlungssensor mit zwei der Strahlung ausgesetzten Empfängerflächen, von denen die eine (1) bezüglich der Wärmestrahlung ein hohes Absorptionsvermögen, die andere (2) ein geringes Absorptionsvermögen aufweist, die beiden Empfängerflächen aus einem NTC-Widerstandsmaterial bestehen und zusammen mit zwei temperaturunabhängigen Widerständen (3 und 4) in einer Brückenschaltung zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die NTC-Widerstände (1) und (2) unterlegte Heizschichten (6) und (7) aufweisen, die die beiden NTC-Widerstände auf konstanter Temperatur halten.

2. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den NTC-Widerständen (1) und (2) und den Heizschichten (6) und (7) Isolationsschichten (8) und (9) vorgesehen sind.

3. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschichten (6) und (7) aus einer Cermet-Dickschicht mit Platin oder aus einer Platin-Dickschicht bestehen und die Form eines Mäanders aufweisen.

4. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschichten (8) und (9) aus einem kristallisierenden Glas bestehen.