JP2020529010A - ヒータシステムの性能を測定及び制御するためのセンサシステム及び一体型ヒータ−センサ - Google Patents

Abstract

流体センサシステムが、流体を加熱する加熱システムの１つ又はそれ以上の性能特性を検知する。センサシステムは、その一部分が流体に浸されることになる有限長さを有するプローブ、を含んでいる。プローブは１つ又はそれ以上の性能特性を測定するための抵抗加熱要素及び流体温度センサを備え、流体温度センサは流体温度を測定するように構成されており、抵抗加熱要素は、流体を検知するために流体と大気の間に温度差を作り出すためのヒータとして及び流体レベルを測定するためのセンサとして動作可能である。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１７年７月２７日出願の米国仮特許出願第６２／５３７，９２２号の恩典及び同仮出願に対する優先権を主張する。この出願の開示をここに参考文献として援用する。

本開示は、ヒータシステムの特性を測定するためのセンサに関する。

この項目の記述は、本開示に関係する背景情報を提供するだけであり、先行技術を構成するわけではない。

流体加熱システムの様な加熱システムは、概して、物体（例えば、ウェーハ、液、ガス、など）を加熱するように動作可能なヒータとヒータを制御するための制御システムを含んでいる。加熱システムの種々の性能特性を測定するのに複数の独立したセンサが使用されることはよくある。例えば、電気フライヤーの様な流体加熱システムが、流体温度、周囲温度、流体品質、流体レベル、など、を測定するための複数のセンサデバイスを使用していることもある。制御システムは、性能特性を取得するために、及び最終的にはヒータに印加する適切な電力量を求めるために、センサデバイスからのデータを受信する。

複数のセンサデバイスを用いることでヒータシステムはひどく複雑になり、大きな増分変化を検知することしかできないということもある。これら及び他の問題が本開示によって解決をめざし取り組まれる。

米国仮特許出願第６２／５３７，９２２号 米国特許第７，１９６，２９５号 米国特許出願第１４／７２５，５３７号 米国特許出願第１５／４４７，９４２号

この項目は、開示の全般的概要を提供しており、その完全範囲又はその特徴全てから成る包括的な開示ではない。

１つの形態では、本開示は、加熱システムのための流体センサシステムに着眼している。センサシステムは、その一部分が流体に浸されることになる有限長さを有するプローブ、を含んでいる。プローブは、１つ又はそれ以上の性能特性を測定するための抵抗加熱要素及び流体温度センサを備えている。流体温度センサは流体温度を測定するようにされており、抵抗加熱要素は、流体を検知するためにプローブの長さに沿って温度差を作り出すためのヒータとして動作可能であり、且つ流体レベルを測定するためのセンサとして動作可能である。

別の形態では、流体センサシステムは、更に、プローブを動作させ、センサとして動作している抵抗加熱要素の電気応答と流体温度センサの電気応答とのうちの少なくとも一方に基づいて加熱システムの１つ又はそれ以上の性能特性を求めるようにされた制御システム、を含んでいる。性能特性は、流体レベルと流体温度とのうちの少なくとも一方を含む。

更に別の形態では、制御システムは、流体レベルを、流体温度、抵抗加熱要素の抵抗、及び所与の抵抗と所与の温度を流体レベルに相関付ける所定の情報に基づいて求めるように構成されている。

１つの形態では、制御システムは、流体温度が周囲温度と実質的に同じであるときに温度差を生成するための抵抗加熱要素への第１の電力量、及び、流体温度が周囲温度と異なっているときに抵抗加熱要素の抵抗を測定するための第１の電力量より少ない第２の電力量、を印加するように構成されている。

別の形態では、プローブは、更に、周囲温度を測定するための周囲温度センサを備えており、周囲温度センサは、プローブの、流体から離れている部分に配置されている。

更に別の形態では、周囲温度センサは熱電対である。

１つの形態では、プローブは、更に、抵抗温度検知器ＲＴＤを備えており、抵抗加熱要素と流体温度センサとのうちの少なくとも一方はＲＴＤに接続されている。

別の形態では、プローブは、更に、四線式抵抗温度検知器ＲＴＤを備えている。高い抵抗温度係数ＴＣＲを有する第１のループワイヤが抵抗加熱要素を形成するようにＲＴＤに接続され、第２のループワイヤが流体温度センサを形成するようにＲＴＤに接続されている。

更に別の形態では、プローブは、更に、最大流体温度を検知するためのリミットセンサを備えている。

１つの形態では、流体温度センサは熱電対である。

１つの形態では、本開示は、流体を加熱するように動作可能である加熱システムのための流体センサシステムに着眼している。センサシステムは、その一部分が流体に浸されることになる有限長さを有するプローブと、制御システムと、を含んでいる。プローブは、流体を検知するための抵抗加熱要素、及び流体温度を測定するための流体温度センサを備えている。抵抗加熱要素は、流体を検知するためにプローブの長さに沿って温度差を作り出すようにヒータ、及び流体レベルを測定するためのセンサとして動作可能である。制御システムは、センサとして動作している抵抗加熱要素からの電気応答と流体温度センサの電気応答とのうちの少なくとも一方及び所定の情報に基づいて加熱システムの１つ又はそれ以上の性能特性を求めるように構成されている。制御システムは、流体温度が周囲温度と実質的に同じであることに応じて、抵抗加熱要素をヒータとして動作させるように構成されている。

別の形態では、制御システムは、流体温度が周囲温度と実質的に同じであるときに温度差を生成するための抵抗加熱要素への第１の電力量と、流体温度が周囲温度と異なっているときに抵抗加熱要素の抵抗を測定するための抵抗加熱要素への第１の電力量より少ない第２の電力量とのうちの少なくとも一方を印加するように構成されている。

更に別の形態では、制御システムは、性能特性としての流体レベルを、流体温度センサの電気応答に基づいて求められた流体温度、抵抗加熱要素の抵抗、及び所与の抵抗と所与の流体温度を流体レベルに相関付ける所定の情報に基づいて求めるように構成されている。

１つの形態では、プローブは、更に、周囲温度を測定するための周囲温度センサを備えている。

別の形態では、プローブは、更に、抵抗温度検知器ＲＴＤを含んでおり、抵抗加熱要素と流体温度センサとのうちの少なくとも一方はＲＴＤへ接続されている。

また別の形態では、プローブは、更に、最大流体温度を検知するためのリミットセンサを含んでおり、制御システムは、リミットセンサの電気応答に基づいて流体温度を測定し、流体温度が予め定義された限界より上であるかどうかを判定するように構成されている。

１つの形態では、本開示は、前記センサシステムと、流体を加熱するように動作可能なヒータと、センサシステムの制御システムと通信していて性能特性に基づいてヒータを制御するように構成されたヒータ制御システムと、を有するヒータシステムに着眼している。

１つの形態では、本開示は、１つ又はそれ以上の性能特性を測定するように構成された少なくとも１つの複数部分型抵抗性要素を含んでいる一体型ヒータデバイスに着眼している。少なくとも１つの複数部分型抵抗性要素は、第１の伝導性材料によって画定された第１の部分と、第１の伝導性材料の抵抗温度係数（ＴＣＲ）より低い抵抗温度係数を有する第２の伝導性材料によって画定された第２の部分と、を有している。複数部分型抵抗性要素は、熱を生成するヒータとして及びセンサとして動作可能であり、複数部分型抵抗性要素の第１の部分は、第１の性能特性を測定するために指定区域に沿って延びるように構成されている。

別の形態では、複数部分型抵抗性要素は、第１の部材と、第１の部材とは異なるゼーベック係数を有する第２の部材と、を含んでいる。第１の部材と第２の部材は、第２の性能特性としての第１の場所での温度を測定するために温度センシング接点を形成している。

更に別の形態では、本開示は、前記一体型ヒータデバイスと、ヒータデバイスを動作させるように構成された制御システム、より厳密には複数部分型抵抗性要素を、物体を加熱するためのヒータとして又は複数部分型抵抗性要素の電気応答を測定するためのセンサとして動作させるように構成された制御システムと、を含んでいるヒータシステムに着眼している。

適用可能性の更なる分野はここに提供される説明から明らかになるであろう。説明及び具体例は例示のみを目的とするものであり本開示の範囲を限定しようとするものではないことを理解されたい。

本開示が十分に理解されるようにするため、これより添付図面を参照しながら一例として与えられているその様々な形態を説明してゆく。

本開示の教示による流体センサシステムの回路図である。 本開示の教示に基づく、抵抗と温度と流体レベルの間の関数的関係を示している。 異なる入力での抵抗応答の一例を描いているグラフである。 本開示の教示による、流体センサシステムの制御システムのブロック線図である。 本開示の教示による、流体センサシステムによって遂行される流体モニタリングルーチンのフローチャートである。 本開示の教示による、流体センサシステムのためのプローブの変形型を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのためのプローブの変形型を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのためのプローブの変形型を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのためのプローブの変形型を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、流体センサシステムのプローブのための、抵抗加熱要素、流体温度センサ、及び／又は周囲温度センサのための追加の構成を示している。 本開示の教示による、一体型ヒータ−センサを有するヒータシステムを示している。 本開示の教示による、第１の形態の一体型ヒータ−センサの部分断面図である。 本開示の教示による、第２の形態の一体型ヒータ−センサの部分断面図である。 本開示の教示による、第３の形態の一体型ヒータ−センサの部分断面図である。 図８のヒータシステムのヒータ制御システムのブロック線図である。

ここに説明されている図面は例示のみが目的であり本開示の範囲を如何様にも限定する意図はない。

次に続く説明は、本質的に例示にすぎず、本開示、適用、又は使用を限定しようとするものではない。図面全体を通して対応する符号は同様の又は対応する部分及び特徴を指すものと理解されたい。

例えば液体、を加熱するための加熱システムは、流体温度と周囲温度を測定するための複数の独立したセンサを含んでいるのが一般的である。１つの形態では、加熱システムは、オイルや排気ガスの様な流体を加熱するためのヒータと、センサからの測定値に基づいてヒータの動作を制御するヒータ制御システムと、を含んでいる。１つの形態では、本開示はヒータシステムの複数の性能特性を測定するための流体センサシステムに着眼している。性能特性は、例えば、流体レベル、流体温度、周囲温度、及び／又は他の適切な情報を含み得る。

図１及び図２を参照して、これより流体センサシステム１００の或る実施例を説明する。１つの形態では、デバイス１００は、有限長さのシース１０３を有するプローブ１０２と、プローブ１０２に電気的に接続された制御システム１０４と、を含んでいる。プローブ１０２はプローブ１０２の一部が流体１０６より下方になり一部が流体１０６より上方になるように流体１０６の中に設置され、制御システム１０４はプローブ１０２の動作を制御して性能特性を測定するように構成されている。

プローブ１０２は、シース１０３内に延びる１つ又はそれ以上のセンサを含んでいる。１つの形態では、シース１０３は腐食を防止するために保護的な金属系合金で作られており、一般的にはニッケル及びクロムが採用される（例えば、ステンレス鋼、インコロイ（ＩＮＣＯＬＯＹＳ）、及びインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬＳ）。別の形態では、大凡２６０℃より下の用途においては、センサ１２０及び１２４は、プラスチックで絶縁され性能改善のために熱的封入又は埋め込みを含んでいてもよい。大凡２６０℃より上の用途においては、センサ１２０及び１２４は、セラミック又はセラミック粉末、一般的には圧縮成形ＭｇＯ、によって所定位置に保持されて絶縁されていてもよい。センサ１２０及び１２４を保持するケーシング／シースのための他の適切な構築が使用されてもよく、それらは本開示の範囲内である。例えば、センシング要素１２０及び１２４は、ワイヤ、箔、又は薄膜から作られていて、ポリイミド、プラスチック、セラミック、ガラス、又は他の絶縁材料で絶縁されていてもよい。

プローブ１０２は、流体温度センサ１２０と、周囲温度センサ１２２と、性能特性、例えば流体温度（Ｔ_ＦＬ）、周囲温度（Ｔ_ＡＭＢ）、及び流体レベル（Ｌ）など、を測定するための抵抗加熱要素１２４と、を含んでいる。１つの形態では、流体温度センサ１２０及び周囲温度センサ１２２は、流体温度と周囲温度を個々に測定するための熱電対（即ち、第１熱電対１２０と第２熱電対１２２）として提供されている。熱電対として、熱電対１２０と１２２のそれぞれは、アルメル（ＡＬＵＭＥＬ）及びクロメル（ＣＨＲＯＭＥＬ）の様な異なる材料（図１のＭ_１及びＭ_２）で作られた２本のワイヤを含んでいる。ワイヤ同士は一端にて接合され、接点Ｊ_１及びＪ_２をそれぞれ形成している。流体温度を測定するため、接点Ｊ_１は流体１０６中に沈められるようにプローブ１０２に沿って位置決めされており、接点Ｊ_２は流体の外になるようにプローブ１０２に沿って位置決めされている。熱電対１２０及び１２２のワイヤの他端は、制御システム１０４に端子１２６_１、１２６_２（総称的には端子１２６）及び端子１２８_１及び１２８_２（総称的には端子１２８）においてそれぞれ電気的に接続されている。ワイヤは、様々な適切なやり方で制御システム１０４に電気的に接続されることができる。例えば、ワイヤは、パワーピンやリードワイヤを介して接続されてもよいし、制御システム１０４内の専用ポートに直接的に接続されてもよいし、及び／又は他の適切な方法でもよい。

熱電対１２０、１２２に使用される材料の種類について具体的な実例が提供されているが、異なるゼーベック係数を有する他の適切な異種材料が使用されてもよい。例えば、ニッケル合金、鉄、コンスタンタン、アルメル（Ａｌｕｍｅｌ）（登録商標）など、の様々な組合せが使用され得る。加えて、熱電対１２０に使用されるワイヤの種類は、熱電対１２２のそれとは異なっていてもよい。

動作時、熱電対１２０の接点Ｊ_１の温度が変化すると、端子１２６_１と１２６_２を横断して電圧変化が生じて制御システム１０４によって測定される。電圧及び既定データ（例えば参照表）に基づいて、制御システム１０４は接点Ｊ_１での温度を求める。熱電対１２２は熱電対１２０と同様に動作する。熱電対１２０の接点Ｊ_１は、流体１０６の温度を測定するために流体１０６中に沈められており、熱電対１２２の接点Ｊ_２は周囲温度を測定するために流体１０６より上方に位置を定められている。以下では、熱電対１２０は流体熱電対１２０と呼ばれ、熱電対１２２は周囲熱電対１２２と呼ばれる場合もある。

抵抗加熱要素１２４は、ニッケルの様な高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料で作られていて、プローブ１０２の長さに沿った平均温度を測定する。抵抗加熱要素は、ワイヤ、箔、及び／又は薄膜として提供されていてもよい。抵抗加熱要素１２４は周囲温度と流体温度の両方の影響を同時に受け、熱電対１２０及び１２２は周囲温度と流体温度の影響を独立して受ける。具体的には、抵抗加熱要素１２４は、ヒータ及び温度センサとして機能するように、「二線式」加熱要素として構成されることができる。抵抗加熱要素１２４は、制御システム１０２に端子１３０_１及び１３０_２（総称的には端子１３０）を介して接続されていて、制御システム１０２によって動作させることができる。その様な二線式の機能は、本願と同一出願人による米国特許第７，１９６，２９５号に開示されており、同特許をここに参考文献としてそっくりそのまま援用する。概して、電気特性又は電気応答（例えば電圧／電流）が、端子１３０_１及び１３０_２にて測定されて抵抗加熱要素１２４の抵抗を求めるのに使用される。次いで抵抗は、流体レベルを求めるのに使用される。厳密にいえば、抵抗加熱要素１２４の抵抗は温度と流体レベルの関数である。例えば、図２は、高ＴＣＲループによって検知される抵抗と流体（例えばオイル）のレベルとの間の一例としての相関を示しており、図３は、制御システムによって提供されるアクティブレベルセンシングの予想抵抗応答を示している。図３のグラフによれば、抵抗応答は、大気温度とオイル温度との関数であってそれぞれの温度にてセンシングループの長さに比例する。

１つの形態では、抵抗要素によって検知される総抵抗は、方程式１によって定義され、方程式では「Ｒ_１」は流体より上方の（例えば長さＬ_１に沿った）抵抗を表し、「Ｒ_２」は流体の表面付近の（例えば長さＬ_２に沿った）抵抗を表し、「Ｒ_３」は流体より下方の（例えば長さＬ_３に沿った）抵抗を表している。１つの形態では、流体レベル（即ちＬ２）は、センサの材料特質、センサの幾何学形状、流体特質、取り付け方法、及び更には容器の材料特質／幾何学形状、を含む事前に定義されたモデルを使用して求めることができる。抵抗Ｒ_１、Ｒ_２、及びＲ_３のそれぞれは、方程式２、３、及び４に個々に定義されている。以下に説明されている様にＲ_{Ｔｏｔａｌ}が制御システム１０４によって使用される。
方程式１.....Ｒ_{Ｔｏｔａｌ}＝Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３
方程式２.....Ｒ_１＝ｆ（Ｔ_ＡＭＢ，Ｌ_１）
方程式３.....Ｒ_２＝ｆ（Ｔ_ＡＭＢ，Ｔ_ＦＬ，Ｌ_２）
方程式４.....Ｒ_３＝ｆ（Ｔ_ＦＬ，Ｌ_３）

図４を参照して、制御システム１０４は、ヒータシステムの流体を加熱するヒータを動作させるヒータ制御システム１５０に通信可能に接続されている。制御システム１０４は、測定された性能特性をヒータ制御システム１５０に送信し、ヒータ制御システム１５０は特性に基づいてヒータの動作を制御する。１つの形態では、制御システム１０４は、パワーモジュール１５２、プローブ制御モジュール１５４、温度モジュール１５６、流体レベルモジュール１５８、及び通信モジュール１６０を含んでいる。１つの形態では、制御システム１０４は、電子機器（例えば、マイクロプロセッサ、メモリ、通信インターフェース、電圧−電流変換器、電圧−電流測定回路、など）とメモリに記憶されていてマイクロプロセッサによってここに記載の動作を遂行するべく実行可能であるソフトウェアプログラム／アルゴリズムの組合せ、を含んでいる。

パワーモジュール１５２は、制御システム１０４内の電子機器に電力供給するように、及びプローブ１０２の所望動作状態に基づいてプローブ１０２に指定された電力制限を適用するように構成されている。例えば、電力モジュール１５２は、電源１６４からの電力を調節し、調節された電力をプローブ１０２に印加するための電力調整器回路（例えば、電圧分割器、電圧変換器、など）を含んでいてもよい。

プローブ制御モジュール１５４は、プローブ１０２の抵抗加熱要素の動作状態を選択するように構成されていて、電力モジュール１５２に指示して選択された状態のための割り当てられた指定電力制限を適用させる。より厳密には、二線式制御部として提供されている抵抗加熱要素１２４の場合、要素１２４はヒータ又はセンサとしての働きをする。センサとして動作させるには、電力モジュール１５２は抵抗加熱要素１２４に、抵抗加熱要素１２４の抵抗を測定するための少ない量の電力（例えば０．１ｍＡの電流）を印加する。ヒータとして動作させるには、電力モジュール１５２は、抵抗加熱要素１２４に熱生成刺激電力（例えば、７５Ｗ、１００Ｗ、及び／又はシステム特性に基づく他の適切な値）を印加するように構成される。ヒータ状態はヒータシステムの始動に際して選択され、その時点では流体温度と周囲温度は実質的に同じである。厳密には、流体１０６（α_１）は大気（α_２）とは異なる熱拡散率（α_１≠α_２）を有している。したがって、流体温度と周囲温度が等しいとき、抵抗加熱要素１２４は、流体の存在を検知するために、プローブ１０２の長さに沿って温度差を生成するべくヒータとして動作させられる。熱生成刺激電力は、事前に設定された持続時間に亘って及び／又は部分的に浸されたプローブ１０２を横断して温度差が生成されるまで、印加されることになる。流体が検知されたら、ヒータシステムのヒータが流体を加熱し始めても安全ということになる。より具体的には、流体が無い又は流体が少ない状態でヒータシステムのヒータを始動させるとヒータを損傷させかねない。プローブの長さに沿って適切な温度勾配が検知されたら、プローブ制御モジュール１５４は、今度は抵抗加熱要素１２４をセンサとして動作させる。

また、プローブ制御モジュール１５４は、以下に更に説明されている様に温度モジュール１５６及び／又は流体レベルモジュール１５８に指示して熱電対１２０及び１２２と抵抗加熱要素１２４からの電気応答を測定させてもよい。具体的には、抵抗加熱要素１２４がヒータとして動作している場合、プローブ制御モジュール１５４は、流体温度及び周囲温度を求めるために温度モジュール１５６に熱電対１２０及び１２２からの電気応答をモニターさせることができる。代わりに、抵抗加熱要素１２４がセンサとして動作している場合、プローブ制御モジュール１５４は、温度モジュール１５６及び／又は流体レベルモジュール１５８に、熱電対１２０及び１２２からの及び／又は抵抗加熱要素１２４からの電気応答をモニターさせることができる。つまり、１つの形態では、プローブ制御モジュール１５４は、プローブ１０２を制御して、熱電対１２０、１２２と抵抗加熱要素１２４のうちの１つ又はそれ以上の電気応答を検知させることができるのである。したがって、プローブ１０２は、ヒータ単独として（温度の測定なし）、ヒータ−センサとして（要素１２４による加熱と熱電対１２０及び１２２による温度測定）、又はセンサ単独として（抵抗加熱要素１２４による加熱なし）、動作可能ということになる。

温度モジュール１５６と流体レベルモジュール１５８は、熱電対１２０及び１２２と抵抗加熱要素１２４からの電気応答を測定していて、電気応答及び既定データに基づいて性能特性を判定するように構成されている。例えば、１つ又はそれ以上の電圧−電流測定回路が、端子１２６、１２８、及び１３０での電圧／電流を測定する。温度モジュール１５６は、端子１２６及び端子１２８それぞれを横断して測定される電圧と測定電圧を温度に相関付ける所定の情報とに基づいて、流体温度と周囲温度を計算する。流体レベルモジュール１５８は、端子１３０での抵抗加熱要素１２４の電気応答を測定して要素１２４の総抵抗を求める。抵抗、流体温度、周囲温度、及び所定の情報（例えば、温度と抵抗と流体レベルを相関付けているルックアップ表及び／又はアルゴリズム）を使用して、流体レベルモジュール１５８は流体レベルを求める。

通信モジュール１６０は、ヒータ制御システム１５０及び／又はユーザーインターフェース（例えば、ディスプレイ、キーボード、マウス）の様な外部デバイスと通信するように構成されている。１つの形態では、通信モジュール１６０は、ヒータシステムを制御するヒータ制御システム１５０に性能特性を送信する。通信モジュール１６０は、更に、性能特性を、ユーザーによって視認可能なディスプレイ（図示せず）に出力してもよい。１つの形態では、通信モジュール１６０は、ヒータ制御システム１５０との無線通信を確立するためのトランシーバーの様な電子機器又は有線通信を確立するための電子機器を含んでいる。

図５を参照すると、本開示の流体センサシステム１００を使用して１つ又はそれ以上の性能特性を測定するための流体モニタリングルーチン１７０の一例が提供されている。ルーチン１７０は、周期的に実行されるようになっていてもよいし、ヒータ制御システム１５０の様な外部デバイスによって又はセンサシステムに例えばコンピューティングデバイスを介して通信可能に接続されているユーザーによって要求されることもできる。

１７２において、センサシステム１００は、流体温度センサ１２０及び周囲温度センサ１２２を使用して流体温度（Ｔ_ＦＬ）と周囲温度（Ｔ_ＡＭＢ）を測定し、１７４において、センサシステム１００は流体温度が周囲温度と同じであるかどうかを判定する。つまり、センサシステム１００は、温度勾配が存在しているかどうかを判定するのである。差があれば、センサシステム１００は１８０へ進む。そうでなければ、センサシステム１００は、１７６においてて抵抗加熱要素１２４をヒータとして動作させ、１７８においてて流体が存在しているかどうかを判定する。より具体的には、１７６において、抵抗加熱要素１２４がヒータとしてプローブの長さ（即ち、プローブの流体中に浸されている区域と周囲雰囲気中に延びている区域）に沿って温度差を生成し、それがセンサシステム１００によって流体温度と周囲温度の測定時に検証されるのである。

流体が検知されたのち、センサシステム１００は、１８０において、抵抗加熱要素１２４をセンサとして動作させ、次いで、１８２において、上述の様に流体温度、周囲温度、及び抵抗加熱要素の抵抗を測定する。測定値と所定の情報を使用して、センサシステム１００は、１８４において、流体レベルを求め、性能特性（例えば、流体レベル、流体温度、及び／又は周囲温度）を外部デバイスに出力する。

センサシステム１００は、本開示の範囲内に留まる限りにおいて他の適したやり方で構成されることができ、図５のプロセスに限定されない。例えば、流体が存在していると判定した後、システム１００は、ヒータ制御システム１５０に流体が存在していることを知らせ、流体を加熱するよう通知してもよい。更に別の変形型では、温度勾配が存在する状態で、センサシステム１００は、抵抗加熱要素に低い刺激電力（例えば電流０．１ｍＡ）を印加することによって引き続き流体レベルをモニターしてもよい。更に別の実施例では、センサシステム１００は、抵抗加熱要素１２４をヒータとして動作させ続けることもでき、又は流体の検知後に要素１２４への電力を遮断することもできる。

流体センサシステムは、１つ又はそれ以上の性能特性を測定するための他の適切なやり方で構成されることもできる。例えば、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄは、１つ又はそれ以上の性能特性を測定するためのプローブの異なる型式を示している。図６Ａは、プローブ２０２と制御システム２０４を有する流体センサシステム２００を示している。プローブ２０２は、流体温度センサ２０６と、特定の場所の最大温度の様な上限（最大）を測定するためのリミットセンサ２０８と、抵抗加熱要素２１０と、を含んでいる。１つの形態では、流体温度センサ２０６は、流体温度を測定するために流体熱電対１２０と同様の様式に構成され同様の方式で動作する熱電対である。抵抗加熱要素２１０は、抵抗加熱要素１２４と同様の様式に構成され同様の方式で動作する。プローブ２０２は周囲熱電対１２２の代わりにリミットセンサ２０８を含んでいて、リミットセンサ２０８が異なるゼーベック係数を有する２つの異なる材料（例えばＭ_１とＭ_２）で作られた熱電対として提供されているのである。

制御システム２０４は、流体温度センサ２０６、リミットセンサ２０８、及び抵抗加熱要素２１０に電気的に接続されている。制御システム２０４は、プローブ２０２を動作させ流体温度と流体レベルを測定するように、制御システム１０４と同様の様式に構成されている。より具体的には、１つの形態では、制御システム２０４は、周囲温度を、例えば、制御システム内に提供されている冷接点補償（ＣＪＣ）から得るか、又はヒータ制御システム１５０中に提供されている温度センサ（図示せず）から得る。周囲温度を得て、制御システム２０４はプローブ２０２を動作させて流体温度及び／又は流体レベルを測定させる。

また、制御システム２０４は、更に、リミットセンサ２０８の出力に基づいて、流体温度が事前に設定された閾値を外れているかどうかを判定するように構成されており、また高い流体温度であることに基づいて保護的アクションを遂行するように構成されている。例えば、熱電対としてのリミットセンサ２０８を使って、制御システム２０４の温度モジュールは、リミットセンサ２０８に接続された端子を横断する電圧変化を測定して、リミットセンサ２０８の接点の温度（即ち診断温度）を既定データに基づいて求めるように構成されている。制御システム２０４は、診断温度を事前に設定された温度限界と比較する診断モジュール（図示せず）を含んでいてもよい。診断温度が温度限界より上であれば、診断モジュールは、ヒータ制御システム１５０に通信モジュール１６０を介して高い流体温度であることを知らせること及び加熱要素への電力を遮断するよう勧告すること、を含み得る保護的アクションを遂行する。保護的アクションは、更に、電源とヒータシステム（図示せず）のヒータとの間に接続されている電力スイッチ（例えばリレー）を動作させてヒータへの電力を遮断させることであってもよい。本開示の範囲内に留まる限りにおいて、オペレータへの通知の様な他の適切な保護的アクションが実施されることもできる。

プローブ１０２、２０２の流体温度センサは、他の適切なセンサであってもよく、熱電対に限定されるものではない。例えば、図６Ｂは、リミットセンサ２０８と抵抗加熱要素２１０とを有しているプローブ２３０を示している。プローブ２３０は、熱電対の代わりに抵抗温度検知器（ＲＴＤ）２３２を流体温度センサとして含んでいる。ＲＴＤ２３２の場合、制御システム２０４の温度モジュールは、ＲＴＤ２３２によって検知される抵抗フィードバックと抵抗フィードバックを温度と相関付ける所定の情報とに基づいて、流体温度を求めるように構成される。

プローブ２０２又はプローブ２３０の場合、流体センサシステムは、流体温度、流体レベル、及び／又は診断温度の様な複数の性能特性を、１つのセンサデバイスで測定するように構成される。その結果、ヒータ制御システムへ情報を提供するセンサの数の複雑性が軽減される。

更に別の変形型として、図６Ｃは、リミットセンサ２０８と、１つのループ２５２が抵抗加熱要素を形成するように高ＴＣＲ材料で作られ第２のループ２５４が同じ材料で作られている四線式ＲＴＤと、を有するプローブ２５０を示している。ループ２０８は流体温度センサを形成する。高ＴＣＲループは、バルコ（Ｂａｌｃｏ）、ニッケル、銅、モリブデン、などであり得る。ループ２５２及び２５４は、流体レベル及び流体温度を求めるために使用されるより精度の高い抵抗測定値を提供するためにＲＴＤに接続されている。両ループ２５２及び２５４は、ＲＴＤを通して流体温度を検知するべく同時に使用される。制御システムは、ＲＴＤを通して温度を検知する段階と、２５２のループ抵抗、２５４のループ抵抗、又は２５２と２５４両方のループ抵抗を測定することによって流体の存在又は流体レベルを検知する段階との間で素早く切り替えるように構成されている。一方又は両方の高ＴＣＲループは、ヒータとして、又はセンサとして、又は同時にヒータ及びセンサとして、使用されることができるだろう。図６Ｄに示されている別の変形型では、プローブ２７０はリミットセンサを含んでいないが、図６Ｃと同様の四線式ＲＴＤを有している。

図７Ａから図７Ｊは、流体温度センサ、抵抗性加熱ヒータ、及び周囲温度センサの１つ又はそれ以上を形成するようにプローブ内で使用することのできる他のワイヤ構成を示している。図７Ａから図７Ｊでは、点線は第１の材料（例えばクロメル）を表し、実線は高ＴＣＲ材料（例えばニッケル）を表し、ノードは熱電対接点を示している。

１つの形態では、本開示は、プローブと制御システムを含んでいる流体センサシステムに着眼している。プローブの一部分は、加熱システムによって熱せられようとする流体に浸されている。プローブは、流体レベルを求めるのに使用され且つ流体と大気の間に温度勾配を作り出すために使用される抵抗加熱要素を含んでいる。

ここに説明されている様に、流体センサシステムのプローブは、少なくとも、流体温度、流体レベルを測定するように、及び流体温度が大気温度と同じである場合に加熱機能を提供するように、様々な適切なやり方で構成されることができる。例えば、プローブは、周囲を測定するべく一体化された標準的熱電対と共に流体温度と流体レベルを測定するニッケルリード付き四線式無機絶縁ＲＴＤとすることができる。その様な構成では、ＲＴＤは、流体温度測定のための熱電対よりも高い精度を有する。代わりに、プローブは無機絶縁ニッケル−クロメル熱電対を含むこともでき、その場合、周囲は制御システム内の冷接点補償（ＣＪＣ）であると想定され、ゼーベック効果は流体の温度を提供し、ニッケルの高ＴＣＲが流体レベルセンシングを提供する。この形態では、プローブ内に提供されるワイヤの数が低減される。

上記に基づき、本開示の流体センサシステムは、高い抵抗の熱係数を有する少なくとも１つの抵抗加熱要素（例えば、抵抗ワイヤ、箔、膜の様な抵抗回路）と、ＲＴＤ又は熱電対の様な、流体の温度を求めるための少なくとも１つの温度センサと、を含む有限長さのプローブを含んでいる。プローブは、更に、ＲＴＤ又は熱電対の様な、流体より上方の周囲温度を測定するための第２の温度センサを含んでいてもよい。

ここに説明されている様に、プローブは、少なくとも抵抗加熱要素と流体温度センサを含むように様々な適切なやり方で構成されることができる。例えば、少なくとも１本のワイヤがＲＴＤとゼーベック効果温度判定の両方に利用される；少なくとも１本のワイヤが流体温度検知と流体レベル検知（抵抗要素）の両方の目的に利用される；少なくとも１本のワイヤが流体温度と周囲温度の両方の検知に利用される；少なくとも１本のワイヤが周囲温度検知と流体レベル検知の両方に利用される；四線式ＲＴＤからのリードが流体レベルの測定に使用される。

流体センサシステムは、更に、抵抗加熱要素を加熱するのに印加される刺激電流、抵抗要素に印加される低い非加熱モニタリング電流、及び／又は、流体温度測定のためにＲＴＤが含まれている場合にはＲＴＤに印加される低いモニター電流の様な、既定量の電力を提供するべく電力を調整するように構成される制御システムを含んでいる。

制御システムは、抵抗要素を横断する電圧、熱電対からの電圧、及び／又はＲＴＤを横断する電圧の様な、電気応答を測定するように構成されている。制御システムは、更に、プローブの抵抗要素を：（１）部分的に浸されたプローブを横断して温度差を生成するために抵抗加熱要素に熱生成刺激電流を印加することによってヒータとして動作させるように、又は（２）流体と周囲の間に既に温度差がある場合には抵抗加熱要素にモニタリング電流（即ち刺激電流）を印加することによってセンサとして動作させるように、構成されている。刺激電流が抵抗要素に印加されて流体の存在がセンシングされ、モニタリング電流が印加されたときの抵抗要素の応答が流体温度と組み合わせて使用されて流体のレベルが求められる。

制御システムは、本開示の範囲内に留まる限りにおいて追加の動作を遂行するように構成されてもよい。例えば、制御システムは測定された性能特性を流体履歴として記憶し、それがプローブ又はヒータシステムの動作モデルを形成するのに使用されてもよい。

別の形態では、本開示は、熱を生成するための且つヒータシステムの１つ又はそれ以上の性能特性を測定するための一体型ヒータ−センサに着眼している。したがって、１つの形態では、一体型ヒータ−センサは、熱を生成するための少なくとも１つの抵抗加熱要素と、指定場所の温度を測定するための温度センサと、を含んでいる。説明のために、一体型ヒータ−センサを有するヒータシステムはオイルの様な液体を加熱するための液体ヒータシステムとして記載されており、一体型ヒータ−センサは、性能特性として、流体レベルと流体温度とのうちの少なくとも一方を測定するように動作可能である。ただし、本開示の一体型ヒータ−センサは、他の用途（例えば、排気システム、可撓性管ヒータ、など）のために使用されることもでき、液体ヒータシステムに限定されるものではない。加えて、以下に更に説明されている様に、一体型ヒータ−センサは、システムのための予防的な保守スケジューリング又はより一般的にはシステムのための様々な補修パラメータを、システム特性及び所定の限界／アルゴリズムなどに基づいて判定するのに使用されることもできるだろう。

図８を参照して、ヒータシステム３００は、ヒータとして、センサとして、又はヒータとセンサの組合せとして動作可能な一体型ヒータ−センサデバイス３０２と、一体型ヒータデバイス３０２を当該デバイス３０２からのデータと所定の情報とに基づいて動作させるように構成されたヒータ制御システム３０４と、を含んでおり、前記所定の情報は、限定するわけではないが、アルゴリズム、システムモデル、所定の設定点、ルックアップ表、などを含む。ヒータシステム３００は、容器３０８内に提供されているオイルの様な液体３０６を加熱するように動作可能である。より具体的には、ヒータ制御システム３０４は、所望の電力をヒータデバイス３０２に印加するべく電源３１０からの電力を調整する。ヒータデバイス３０２に印加される電力の量は、ヒータデバイス３０２によって測定される１つ又はそれ以上の性能特性に基づいて決定される。

ここでは、ヒータデバイス３０２は、異なるＴＣＲを有する少なくとも２つの別々の材料によって画定される少なくとも１つの複数部分型抵抗要素を含んでいる。より具体的には、図９を参照して、１つの形態では、ヒータデバイス３０２は、シース３２１内に埋め込まれた複数部分型抵抗要素３２０を含むように構成されている。複数部分型抵抗要素３２０は、符号３２２で大まかに特定されている第１部分と、符号３２４で大まかに特定されている第２部分３２４と、を含んでいる。１つの形態では、第１部分３２２は第１電力ピン３２６に接続されており、第２部分３２２は第１部分３２２に接続されて、シース３２１に沿って延びている。

第１部分３２２は第１の伝導性材料（例えばニッケル）によって画定されており、第２部分３２４は第１の伝導性材料よりも低い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する第２の伝導性材料（例えばニクロム）によって画定されている。より具体的には、第１と第２の伝導性材料はどちらも熱を生成するが、第１の伝導性材料はその高いＴＣで以て、温度に因って変化する抵抗を示し、ゆえにここに更に説明されている様にセンサとしても活用される。第１及び第２の伝導性材料については具体例が提供されているが、本開示の範囲内に留まる限りにおいて他の適切な材料が使用されてもよい。

１つの形態では、第１部分３２２は、温度差が生じる指定区域に沿って延びるように構成されている。例えば、図９を参照して、部分３２２は、最大液体レベルと最小液体レベル（Ｌ_ＭａｘとＬ_Ｍｉｎ）によって画定される液体レベル範囲（Ｌ_Ｒ）の間を延びており、実際の液体レベルはＬ_ＭａｘとＬ_Ｍｉｎの間に提供されることになる。したがって、第１部分３２２は、液体３０６を加熱する働きをするだけでなく、上記プローブと同様の方式で流体の存在を検知し、以下に説明されているよう液体レベルを測定するという働きもする。

１つの形態では、第２部分３２４は、ヒータデバイス３０２が容器３０８内に配置されたときに液体３０６中に全体が沈むように構成されている。第１部分３２２の様に第２部分３２４は液体を加熱する働きをするが、抵抗の変化を受けない。ゆえに、加熱部分３２４の抵抗は実質的に一定しており、低温始動中でさえそうである。以下では、第１部分と第２部分は、それぞれ、レベルセンサ部分３２２及び加熱部分３２４と呼ばれる場合もある。

複数部分型抵抗要素を有することによって、ヒータデバイス３０２は次の特質を示し得る、つまり、（１）複数部分型抵抗要素の一区分が高ＴＣＲ材料で作られている場合には、当該要素全体が高ＴＣＲ材料である構築に比較して、高オイルレベル対低オイルレベルについて抵抗変化の比を測定する信号の強度が増す、（２）高ＴＣＲ材料の小区分が使用されている場合には、コイル全体がその様な材料で作られている場合に対比して、流体レベルの変化と関連付けられる信号が、液体温度の変動に因る抵抗変化とのあいまいさを除去され得る、及び（３）全体が高ＴＣＲのコイルの抵抗は室温では（例えば、ヒータデバイス３０２が遊休期間後に最初に始動されるときに）低くなり、これにより、設計電圧が印加されるときに及び抵抗要素が動作温度近くに温まるまでに、高電流が生じ得る、という特質を示すだろう。この高電流は電力供給回路にとって過負荷となりかねない。

１つの形態では、ヒータデバイス３０２の複数部分型抵抗要素３２０は、流体温度センサ及び／又は周囲温度センサを含んでいる。より具体的には、複数部分型抵抗要素３２０は、符号３２８で大まかに特定されていて高いＴＣＲを有する伝導性材料によって画定されている第３部分を含んでいる。例えば、第３部分３２８は、レベルセンサ部分３２２と同じ材料で作られていてもよい。第３部分３２８は、要素３２０がセンサとして動作するときには流体温度を測定するために液体３０６中に全体を沈められるように構成されている。流体温度は、第３部分３２８の抵抗の変化に基づいて求められ、複数部分型抵抗要素３２０の大部分は低ＴＣＲ材料で形成されているので、複数部分型抵抗要素３２０の全体長さに沿った温度分布と関連付けられる誤差又はあいまいさの量は、無視できるほどであるか又は少なくともかなり減少する。以下では、第３部分３２８は、流体温度センサ部分３２８と呼ばれる場合もある呼ばれる場合もある。

１つの形態では、複数部分型抵抗要素３２０は周囲温度を測定するために最大液体レベルより上方に位置決めされた熱電対接点３３０に接続されている。例えば、熱電対接点３３０は、第１ピン３３２と第１ピン３３２とは異なるゼーベック係数を有する材料で作られている第２ピン３３４とによって画定されている。ここでは、第２ピン３３４は、更に、ヒータ制御システム３０４に接続する他方の電力ピンとして動作する。１つの形態では、第１ピン３３２は、加熱部分３２４の低ＴＣＲ材料と同等か又は同じゼーベック係数を有する材料で作られている。

接点３３０は熱電対として、温度の関数である電気応答（例えばｍＶ信号）を生成し、ヒータ制御システム３０４は、電気応答と温度を相関付けるシステムモデル、所定の関数関係、及び／又はルックアップ表の様な既定データに基づいて温度を求める。その様な熱電対（ＴＣ）電力ピンは、本願と所有者が共通する２０１５年５月２９日出願の「温度センシング電力ピンを有する抵抗性ヒータ」（“ＲＥＳＩＳＴＩＶＥ ＨＥＡＴＥＲ ＷＩＴＨ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＳＥＮＳＩＮＧ ＰＯＷＥＲ ＰＩＮＳ”）と題された米国特許出願第１４／７２５，５３７号に開示されており、その内容をここに参考文献として援用する。接点３３０の温度は、周囲温度に加え、流体温度、流体レベル、そしてヒータ電力の関数である。周囲温度以外の値はここに説明されている様に求めることができる。

上記に基づき、ヒータデバイス３０２は、レベルセンサ部分３２２、流体温度センサ部分３２８、及び加熱部分３２４を有する複数部分型抵抗要素３２０を有するものとして提供され、周囲温度を測定するための熱電対接点３３０へ接続される。ヒータデバイス３０２は、本開示の範囲内に留まる限りにおいて他の適切なやり方で構成されてもよい。例えば、図１０を参照して、１つの形態では、ヒータデバイス３０２Ｂは、複数部分型抵抗要素３２０に加えて、複数部分型抵抗要素３２０と平行して延びていて加熱を生成するための低ＴＣＲ材料で作られている少なくとも１つの均一型抵抗要素３４０、を含んでいる。明確にいうと、抵抗要素３２０と抵抗要素３４０はどちらも熱を生成する抵抗加熱要素である。ただし、複数部分型抵抗要素３２０とは違い、均一型抵抗要素３４０は、低ＴＣＲ材料を有する１つの材料で作られていて、ヒータとしての働きしかしないのに対し、複数部分型抵抗要素３２０は、ヒータ及びセンサとして動作するように異なるＴＣＲの複数の材料で形成されている。均一型抵抗要素３４０は電力ピン３４２及び３４４を介してヒータ制御システム３０４に接続されており、したがって、それは、複数部分型抵抗要素３２０と平行して延びてはいても、複数部分型抵抗要素３２０の回路とは分離された電気回路である。抵抗加熱要素は、ワイヤ、箔、薄膜プロセス、又は他の適したプロセスを介して形成されることができる。

複数部分型抵抗要素３２０に沿って提供されるセンサ部分は、複数の複数部分型抵抗要素の間で分散されていてもよい。例えば、図１１は、レベルセンサ部分３２０を有する第１の複数部分型抵抗要素３５０と、流体温度センサ部分３２８を有する第２の複数部分型抵抗要素３５２と、を含んでいるヒータデバイス３０２Ｃを示している。示されてはいないが、ヒータ３０２Ｃは、更に、１つ又はそれ以上の均一型抵抗要素を含んでいてもよい。別の変形型では、本開示の一体型ヒータ−センサは、ここに説明されているセンサ部分全てを含んでいるとは限らない。例えば、図１１のヒータデバイス３０２Ｃは、複数部分型抵抗要素３５０のみを含み、複数部分型抵抗要素３５２を含んでいなくてもよい。

本開示の範囲内に留まる限りにおいて一体型ヒータの他の適した構成も使用され得る。例えば、１つの形態では、熱電対接点は、複数部分型抵抗要素の代わりに均一型抵抗要素の電力ピンに配置されることもできる。別の実施例として、熱電対接点の代わりに、複数部分型抵抗要素は、周囲空気の温度を測定するために最大流体レベルより上方に位置決めされていて周囲センサ部分を形成している第１の伝導性材料（即ち高いＴＣＲを有する材料）で作られた部分、を含んでいてもよい。１つの形態では、第１の伝導性材料の抵抗は、最大デューティサイクル下でのヒータの当該区分の過熱、ヒータ動作から生じる電流に起因する最大局所生成電力、及び最大周囲温度条件、を回避するべく十分に低くなるように選択されている。

ヒータデバイス３０２の構成に基づき、ヒータ制御システム３０４はヒータデバイス３０２を、例えばヒータとして、ヒータ−センサとして、又はセンサとして動作させるように構成される。図１２を参照して、１つの形態では、ヒータ制御システム３０４は、ヒータ制御モジュール３８０と、性能特性モジュール３８２と、電力モジュール３８４と、を含んでいる。ヒータ制御モジュール３８０は、ヒータデバイス３０２の動作（例えば、ヒータとしての動作、センサとしての動作、ヒータ−センサとしての動作、又はオフ状態）を制御するように構成されている。例えば、ヒータデバイス３０２が、少なくとも１つの複数部分型抵抗要素３２０と、少なくとも１つの均一型抵抗要素か又は少なくとも２つの複数部分型抵抗要素３２０とを含んでいるなら、ヒータデバイス３０２は、ヒータとして、ヒータ−センサとして、及びセンサとして動作可能である。代わりに、ヒータデバイス３０２が１つの複数部分型抵抗要素を含んでいるなら、ヒータデバイスはヒータとしてか又はセンサとして動作可能である。

ヒータとしてなら、ヒータ制御モジュール３８０は、複数部分型抵抗要素３２０及び／又は均一型抵抗要素に、第１の電力レベル（例えば、７５ワット、１００＋ワット、又はシステム特性に基づく他の適切な電力）を印加させる。センサとしてなら、ヒータ制御モジュール３８０は、ヒータデバイスを動作させて、複数部分型抵抗要素３２０のうちの少なくとも１つの電気特性を、当該複数部分型抵抗要素３２０に少量の電力（即ち、刺激電力）（例えば、０．１ｍＡの電流）を印加することによって検知させる。１つの形態では、センサとしてなら、ヒータ制御モジュール３８０は、複数部分型抵抗要素のうちの少なくとも１つに刺激電力を印加し、（単数又は複数の）均一型適応性要素及び／又は（単数又は複数の）他の複数部分型抵抗要素には電力を印加しない。ヒータ−センサとしてなら、ヒータ制御モジュール３８０は、複数部分型抵抗要素のうちの１つに低い刺激電力を印加し、（単数又は複数の）均一型抵抗要素及び／又は（単数又は複数の）他の複数部分型抵抗要素に第１の電力レベルを印加するように構成される。

１つの形態では、ヒータ制御モジュール３８０は、所定のサイクルプログラムに基づいて様々な動作状態（例えば、ヒータ、センサ、ヒータ−センサ、オフ状態）の間で切り替えることができる（例えば、５分ごとにセンサ／ヒータ−センサとして動作させ、次いでヒータとして動作させる）。ヒータ制御モジュール３８０を異なる状態の間で切り替えさせるのに他の適切な制御方式が使用されてもよい。

センサシステムの電力モジュール１５２と同様に、電力モジュール３８４は、ヒータ制御システム３０４内の電子機器に電力供給するように、及びヒータ制御モジュール３８０によって判定される選択された動作に基づいてヒータデバイス３０２に指定電力制限を適用するように構成されている。例えば、電力モジュール１５２は、電源１６４からの電力を調節し、調節された電力をプローブ１０２に印加するための、電力調整器回路（例えば、電圧分割器、電圧変換器、など）を含んでいてもよい。

ヒータの電気応答を使用して、性能特性モジュール３８２はヒータデバイス３０２の１つ又はそれ以上の性能特性を計算し、計算された値を、ヒータデバイス３０２の制御のためにヒータ制御モジュール３８０へ提供する。例えば、流体レベルは、既知の又は所定の電力レベルに係る、抵抗の変化の大きさと抵抗の時間変化率との関数である。したがって、性能特性モジュール３８２は、抵抗変化と時間変化率の値とに基づいて流体レベルを抵抗変化に関連付けるシステムモデル、関数関係（例えば既定アルゴリズム）、又はルックアップ表を使用して、流体レベルを求める。電気応答は、システムによって定義される物理的特性（幾何学形状、材料、など）の関数である。

ヒータ制御システム３０４は、本開示の範囲内に留まる限りにおいて他の動作を遂行するように構成されてもよい。例えば、１つの形態では、ヒータ制御システム３０４は、ユーザーからのデータを受信するための及び／又はヒータシステムに関する情報を表示するための、コンピューティングデバイス、ディスプレイ、キーボード、ボタン、タッチスクリーン、などの様な外部デバイスと通信するようになっていてもよい。例えば、ヒータ制御システム３０４は、温度設定点、ヒータの動作状態を制御するためのコマンド、及び／又は他の情報を、外部デバイスを介して受信していてもよい。返信として、ヒータ制御システムは、例えば、選択可能なコマンド、ヒータの現在の動作状態、現在の流体温度、流体レベル、品質、及び／又は他の適切な情報、を示すグラフィカルユーザーインターフェースを表示するようになっていてもよい。

１つの形態では、センシング能力を有する一体型ヒータは、追加のセンサの使用なしに加熱システムのパラメータを求めるために仮想センシングシステムの一部として実施されることができる。例えば、本開示の一体型ヒータ−センサを有する仮想センシングシステムは、システム内で流体の温度、レベル、及び品質を維持するために、少なくとも１つのヒータに係る（１）流体貯留部温度、（２）流体貯留部レベル、及び（３）流体貯留部品質の様なパラメータを求めるのに使用されてもよい。１つのその様な仮想センシングシステムが、本願と所有者が共通する２０１７年３月２日出願の「仮想センシングシステム」（“ＶＩＲＴＵＡＬ ＳＥＮＳＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ”）と題された同時係属の米国特許出願第１５／４４７，９４２号に記載され提供されており、その内容をここに参考文献としてそっくりそのまま援用する。同出願は、排気システムに提供されている加熱システムのための仮想センシングシステムを記載している。概して、制御システムは、加熱システムのための１つ又はそれ以上の値を、既知の変数と事前に定義されたアルゴリズムのセットに基づいて計算するように構成されている。計算された値と加熱システムの物理的特性を用いて、制御システムはヒータを制御する。その様な制御システムが、オイルの様な液体が加熱される流体加熱システムのために実施されてもよい。

例えば、本開示の加熱システムのために、仮想センシングシステムは、流体温度、流体レベル、及び／又は流体品質の３つのパラメータのうち少なくとも２つが既知である場合に、残り１つを求めるのに使用されることができる。例えば、流体貯留部レベルと流体貯留部品質が既知であるなら流体貯留部温度を求めることができ、流体貯留部温度と流体貯留部品質が既知であるなら流体貯留部レベルを求めることができ、流体貯留部温度と流体貯留部レベルが既知なら流体品質を求めることができる。

仮想センシングシステムを実施する場合、１つの形態では、本開示のヒータ制御システムは、流体レベル、流体品質、ヒータシステムの物理的特性から導き出されたパラメータ、及びそれらの組合せ、の中からの少なくとも１つの入力を受信するように構成される。少なくとも１つの入力は、更に、ヒータシステムのヒータへの電力入力とシステム入力の少なくとも一方を含んでいる。物理的特性は、一例として、抵抗ワイヤ直径、ＭｇＯ（絶縁体）厚さ、シース厚さ、構築の材料の伝導性、比熱、及び密度、ヒータ及び流体導管の熱伝達率及び放射率、並びに他の幾何学的情報及び用途関連情報を含み得る。

１つの形態では、ヒータがシースを有している場合、制御システムは、加熱システムの物理的特性から導き出されるパラメータに基づいてヒータのシース温度（Ｔ_ｓ）を求めるように構成される。代わりに、ヒータはヒータ表面温度を有する層状ヒータであってもよく、そうすると、ヒータ制御システムは、ヒータ表面温度（Ｔ_ｓ）を、例えば、次の方程式によって求めるように構成される。

ｃ_ｓはヒータシース材料の比熱、
ｍ_ｓはシース材料の質量、
Ｔ_ｓはシース材料の温度、
Ｔ_ｖは流体（オイル槽）の温度、
Ｔ_１はＭｇＯ絶縁材料の温度、
Ｄ_１はＭｇＯ絶縁材料の厚さ、
Ｄ_Ｓはシース材料の厚さ、
ｋ_１はＭｇＯ材料の熱抵抗率、
Ａ_１はＭｇＯ材料の断面積、
ｋ_Ｓはシース材料の熱抵抗率、
Ａ_ｓはシースの断面積、
ｈ_Ｃ１はシースの対流係数、
Ａ_Ｖ１はシースに曝される流体（オイル槽）の断面積である。

ヒータ制御システムは、更に、加熱システムの物理的特性から流体温度（Ｔ_ｖ）を計算するように構成されることもでき、流体温度は、例えば、次の方程式によって求めることができる。

ｃ_ｖは流体貯留部の比熱、
ｍ_ｖは流体貯留部の質量、
Ｔ_ｓはシース材料の温度、
Ｔ_ｖは流体（オイル槽）の温度、
Ｔ_ａｂは周囲環境の温度、
Ｄ_Ｓはシース材料の厚さ、
ｋ_１はＭｇＯ材料の熱抵抗率、
Ａ_１はＭｇＯ材料の断面積、
ｋ_Ｓはシース材料の熱抵抗率、
Ａ_ｓはシースの断面積、
ｈ_Ｃ１はシースの対流係数、
Ａ_Ｖ１はシースに曝される流体（オイル槽）の断面積、
ｈ_ｅｎｖは環境に対する流体貯留部の対流係数、
Ａ_ｅｎｖは環境に曝される流体貯留部の断面積である。

したがって、加熱システムの物理的特性から導き出されるパラメータは、シース温度（Ｔ_ｓ）と流体の温度（Ｔ_ｖ）のうちの少なくとも一方を求めることができる。流体温度（Ｔ_ｖ）は、本開示の一体型ヒータ及び／又は本開示の流体センサシステムから、ここに説明されている様に得ることができる。仮想センシングシステムの場合、本開示のヒータ制御システムは、ヒータと関連付けられる温度及び流体と関連付けられる温度を個別のセンサなしに予測するように動作可能である。他の方程式が仮想センシングシステムの一部として使用されてもよく、提示されている方程式に限定されるものではないことに留意されたい。

ヒータ制御システムは、ヒータシース温度を、ヒータ幾何学形状、入力電力、高ＴＣＲ要素の抵抗、システム特質を有する熱電対電力ピン、オイル温度、及びシステムモデル、のうちの少なくとも１つに基づいて求めてもよい。代わりに、ＴＣＲ並びに電力マップが、シース温度を計算するのに使用されてもよい。これらの方法は、他にもあるが中でも特に、液体を素早く短時間で焦がすことなく加熱する、安全性が強化される、センサが付着されている場合よりも温度センシングの精度を向上させる、液体の寿命を延ばす、液体の過熱を低減する、といったような恩恵を提供する。

本開示の１つの形態では、ヒータ制御システムは、加熱システムを較正するための自己較正を遂行するように構成される。自己較正は、室温での定常状態を得るためにクールダウン後の流体温度を、例えばＴＣ電力ピンシステムのための冷接点補償センサ、狭面取付ＲＴＤ、又は印刷回路板（ＰＣＢ）上のサーミスタを使用して測定することを含む。定常状態室温の測定後、制御システムは、精密に測定された電力のパルスをヒータに印加する。測定された電力のパルスは、温度応答が流体貯留部内の流体量とは独立であるように十分に短くなくてはならない。次いで、観察された時間−温度応答を、工場較正時又は流体加熱システムの設置時といった様な流体加熱システムが形成されたときに測定されている事前に定義された時間−温度応答に比較する。時間−温度応答を比較することによって、例えばピーク温度時又は既定時間後や温度上昇時の様な、第２の較正点が（室温点に加えて）得られる。１つの形態では、更に、抵抗傾きの応答が第２の較正点に代えて又は加えて使用されてもよい。

自己較正プロセスについては、室温での定常状態を待つ代わりに、ヒータからの温度信号の変化率（即ち、抵抗又はｍＶｏｌｔａｇｅの変化率）が測定され、信号が定常状態となる落ち着きどころを推定するべくシステムモデルが使用される。次いで、変化率が、例えばＰＣＢでの室温測定に対して較正される。

別の形態では、自己較正は、貯留部が空になるまで待つ段階、ワイヤをキューリー点より上に加熱する段階、最大ＴＣＲ傾きの点（ＴＣＲ曲線の導関数）での抵抗を測定する段階、を含む。１つの実施例では、高ＴＣＲ材料としてニッケルが使用されている場合、最大ＴＣＲ傾きの点は３８５．２℃である。較正は、更に、見込まれる第２の較正点用に電力バーストからの抵抗を使用する段階を含む。

別の自己較正では、較正点は、較正点のためのニッケル-クロム抵抗についての局所最大値（例えば、ニクロム８０については５５０℃）として提供される。較正は、例えばろ過又は洗浄後に、ワイヤを５５０℃に加熱するために貯留部が空になるまで待つ段階を含む。次に、ヒータを高電流で刺激してワイヤを５５０℃に到達させ、シースはより低温に留まる。シースは、ワイヤへの高応力を阻止しヒータ寿命を延ばすために液体の引火点より下でなくてはならない。

自己較正には、更に、別々の液体温度センサが使用されてもよい。具体的には、較正は、ヒータ温度が液体との平衡温度に達するのを待つ段階と、別の液体温度センサを使用して、幾つかの温度で較正する段階と、先験的情報を使用して、液体温度より上を上限について外挿する段階と、を含む。

本開示の範囲内に留まる限りにおいて他の機構／段階が自己較正に使用されてもよい。例えば、次のものが自己較正に使用されてもよく、即ち、変曲又はピーク傾きの様な固有の調節可能な特質を有するニッケル−鉄合金；及び、始動又は制御冷却中の様な電力対抵抗応答履歴入力が使用されてもよく、少なくとも１つのヒータ回路の既定及び予測可能なドリフト特性を使用すればフィールド較正の必要性を排除することもできるだろう。自己較正調節は加熱システムの寿命に亘って周期的に起こるようになっていてもよい。

１つの形態では、制御システムは、更に、ヒータシステムへの物理的損傷又は他の予見し得ない影響を未然に防止するためにシステムモデルを含むように構成されることができる。例えば、システムモデルは、様々な動作条件と関連付けられる温度での変化率を予測するように構成されていてもよいし、又は試験エネルギーパルス向けに構成されていてもよい（例えば、ヒータは測定されたエネルギーのパルスが印加されて応答が観察されるより前に目標設定点より数度下に冷却される）。抵抗又はｍＶの変化が予測範囲を外れているということは問題があることを示唆し、すると、警報又はエラーコードが生成されるなり又は継続運転を許容するべきかどうかについての決定を急がせるために何か他のやり方で用いられるなりすることもできるだろう。

自己較正及び仮想センシング機構に関して、システムモデルを使用することによって流体温度をＣＪＣに整合させることができ、システムモデルは指数関数的な減衰方程式とすることができ、パラメータは冷却速度の経時的変化から求められ、最終的な定常状態温度を推定するのに使用されることになる。室温が一定でなければ、より複雑なモデルが必要になるだろう。例えば、ＣＪＣ又は小型で安価なＰＣＢ搭載型センサを使用して室温が測定され、次いでシステムモデルが冷却速度に基づいて流体と部屋の間の温度差を求めるようにすれば、流体温度又はヒータ温度センシング機構を較正するための温度を提供することができるだろう。

本開示の流体センサシステム及び一体型ヒータ−センサ付きヒータシステムは、ヒータシステムのために使用される独立したセンサの数を減らすことができる。ここに説明されている仮想センシング機構は、流体センサシステム及び／又は一体型ヒータ−センサ付きヒータシステムを有するヒータシステムの一部として実施されることができる。

開示は、例として説明され示されている実施形態に限定されないことに留意されたい。広範に様々な修正型が説明されており、それより多くの修正型が当業者の知識の一部である。これら及び更なる修正型並びに技術的等価物による何らかの置換が、開示及び本特許の保護の範囲を脱することなく、説明及び図へ加えられる余地がある。

１００ 流体センサシステム
１０２ プローブ
１０３ シース
１０４ 制御システム
１０６ 流体
１２０ 流体温度センサ
１２２ 周囲温度センサ
１２４ 抵抗加熱要素
１２６、１２６_１、１２６_２ 端子
１２８、１２８_１、１２８_２ 端子
１３０、１３０_１、１３０_２ 端子
１５０ ヒータ制御システム
１５２ 電力モジュール
１５４ プローブ制御モジュール
１５６ 温度モジュール
１５８ 流体レベルモジュール
１６０ 通信モジュール
１６４ 電源
２００ 流体センサシステム
２０２ プローブ
２０４ 制御システム
２０６ 流体温度センサ
２０８ リミットセンサ
２１０ 抵抗加熱要素
２３０ プローブ
２３２ 抵抗温度検知器（ＲＴＤ）
２５０ プローブ
２５２、２５４ ループ
２５６ ＲＴＤ
２７０ プローブ
３００ ヒータシステム
３０２ 一体型ヒータ−センサデバイス
３０２Ｂ、３０２Ｃ ヒータデバイス
３０４ ヒータ制御システム
３０６ 液体
３０８ 容器
３１０ 電源
３２０ 複数部分型抵抗要素
３２１ シース
３２２ 複数部分型抵抗要素の第１部分
３２４ 複数部分型抵抗要素の第２部分
３２６ 第１電力ピン
３２８ 複数部分型抵抗要素の第３部分
３３０ 熱電対接点
３３２ 第１ピン
３３４ 第２ピン
３４０ 均一型抵抗要素
３４２、３４４ 電力ピン
３５０ 第１の複数部分型抵抗要素
３５２ 第２の複数部分型抵抗要素
３８０ ヒータ制御モジュール
３８２ 性能特性モジュール
３８４ 電力モジュール
Ｍ_１、Ｍ_２ 材料
Ｊ_１、Ｊ_２ 接点
Ｌ_１ 流体より上方の長さ
Ｌ_２ 流体の表面付近の長さ
Ｌ_３ 流体より下方の長さ
Ｔ_ＦＬ 流体温度
Ｔ_ＡＭＢ 周囲温度
Ｌ 流体レベル
Ｌ_Ｍａｘ 最大液体レベル
Ｌ_Ｍｉｎ 最小液体レベル
Ｌ_Ｒ 液体レベル範囲

Claims (20)

1. 加熱システムのための流体センサシステムであって、
   有限長さを有し、前記有限長さの一部分が流体に浸されることになるプローブであって、１つ又はそれ以上の性能特性を測定するための抵抗加熱要素及び流体温度センサを備え、前記流体温度センサは流体温度を測定するようにされ、前記抵抗加熱要素は前記流体を検知するために前記長さに沿って温度差を作り出すためのヒータとして及び流体レベルを測定するためのセンサとして動作可能である、プローブ、
   を備えている、流体センサシステム。
2. 前記プローブを動作させ、前記センサとして動作している前記抵抗加熱要素の電気応答と前記流体温度センサの電気応答とのうちの少なくとも一方に基づいて、前記加熱システムの前記１つ又はそれ以上の性能特性を求めるようにされた制御システム、を更に備えており、前記性能特性は前記流体レベルと前記流体温度とのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の流体センサシステム。
3. 前記制御システムは、前記流体レベルを、前記流体温度、前記抵抗加熱要素の抵抗、及び所与の抵抗と所与の温度を流体レベルに相関付ける所定の情報に基づいて求めるようにされている、請求項２に記載の流体センサシステム。
4. 前記制御システムは、
   前記流体温度が周囲温度と実質的に同じであるときに前記温度差を生成するための前記抵抗加熱要素への第１の電力量、及び、
   前記流体温度が前記周囲温度と異なっているときに前記抵抗加熱要素の抵抗を測定するための、前記第１の電力量より少ない第２の電力量、
   を印加するようにされている、請求項２に記載の流体センサシステム。
5. 前記プローブは周囲温度を測定するための周囲温度センサを更に備え、前記周囲温度センサは、前記プローブの、前記流体から離れている部分に配置されている、請求項１に記載の流体センサシステム。
6. 前記周囲温度センサは熱電対である、請求項５に記載の流体センサシステム。
7. 前記プローブは抵抗温度検知器ＲＴＤを更に備えており、前記抵抗加熱要素と前記流体温度センサとのうちの少なくとも一方が前記ＲＴＤに接続されている、請求項１に記載の流体センサシステム。
8. 前記プローブは四線式抵抗温度検知器ＲＴＤを更に備えており、高い抵抗温度係数ＴＣＲを有する第１のループワイヤが前記抵抗加熱要素を形成するように前記ＲＴＤに接続され、第２のループワイヤが前記流体温度センサを形成するように前記ＲＴＤに接続されている、請求項１に記載の流体センサシステム。
9. 前記プローブは、最大流体温度を検知するためのリミットセンサを更に備えている、請求項１に記載の流体センサシステム。
10. 前記流体温度センサは熱電対である、請求項１に記載の流体センサシステム。
11. 加熱システムのための流体センサシステムであって、
    有限長さを有し前記有限長さの一部分が流体に浸されることになるプローブであって、流体を検知するための抵抗加熱要素、及び流体温度を測定するための流体温度センサを備え、前記抵抗加熱要素は、前記流体を検知するために前記長さに沿って温度差を作り出すためのヒータとして及び流体レベルを測定するためのセンサとして動作可能である、プローブと、
    センサとして動作している前記抵抗加熱要素からの電気応答と前記流体温度センサの電気応答とのうちの少なくとも一方及び所定の情報に基づいて、前記加熱システムの１つ又はそれ以上の性能特性を求めるようにされている制御システムであって、前記流体温度が周囲温度と実質的に同じであることに応じて前記抵抗加熱要素をヒータとして動作させるようにされている制御システムと、
    を備えている、流体センサシステム。
12. 前記制御システムは、
    前記流体温度が前記周囲温度と実質的に同じであるときに前記温度差を生成するための前記抵抗加熱要素への第１の電力量と、
    前記流体温度が前記周囲温度と異なっているときに前記抵抗加熱要素の抵抗を測定するための、前記抵抗加熱要素への前記第１の電力量より少ない第２の電力量と、
    のうちの少なくとも一方を印加するようにされている、請求項１１に記載の流体センサシステム。
13. 前記制御システムは、性能特性としての前記流体レベルを、前記流体温度センサの前記電気応答に基づいて求められた前記流体温度、前記抵抗加熱要素の前記抵抗、及び所与の抵抗と所与の流体温度を流体レベルに相関付ける所定の情報に基づいて求めるようにされている、請求項１２に記載の流体センサシステム。
14. 前記プローブは、前記周囲温度を測定するための周囲温度センサを更に備えている、請求項１１に記載の流体センサシステム。
15. 前記プローブは抵抗温度検知器ＲＴＤを更に備えており、前記抵抗加熱要素と前記流体温度センサとのうちの少なくとも一方が前記ＲＴＤに接続されている、請求項１に記載の流体センサシステム。
16. 前記プローブは、最大流体温度を検知するためのリミットセンサを更に備えており、前記制御システムは、前記リミットセンサの電気応答に基づいて前記流体温度を測定し、前記流体温度が予め定義された限界より上であるかどうかを判定するようにされている、請求項１に記載の流体センサシステム。
17. 請求項１１に記載の前記センサシステムと、
    前記流体を加熱するように動作可能なヒータと、
    前記センサシステムの前記制御システムと通信していて前記性能特性に基づいて前記ヒータを制御するようにされているヒータ制御システムと、
    を備えているヒータシステム。
18. １つ又はそれ以上の性能特性を測定するように構成された少なくとも１つの複数部分型抵抗要素であって、第１の伝導性材料によって画定された第１の部分と、前記第１の伝導性材料の抵抗温度係数（ＴＣＲ）より低い抵抗温度係数を有する第２の伝導性材料によって画定された第２の部分と、を有し、当該複数部分型抵抗要素は熱を生成するヒータとして及びセンサとして動作可能であり、当該複数部分型抵抗要素の前記第１の部分は第１の性能特性を測定するために指定区域に沿って延びるようにされている、少なくとも１つの複数部分型抵抗要素、
    を備えている一体型ヒータデバイス。
19. 第１の部材と、前記第１の部材とは異なるゼーベック係数を有する第２の部材と、を更に備えており、前記第１の部材と前記第２の部材は、第２の性能特性としての第１の場所での温度を測定するために温度センシング接点を形成している、請求項１８に記載の一体型ヒータデバイス。
20. 請求項１８に記載の前記一体型ヒータデバイスと、
    前記ヒータデバイスの前記複数部分型抵抗要素を、物体を加熱するためのヒータとして、又は前記複数部分型抵抗要素の電気応答を測定するためのセンサとして、動作させるようにされた制御システムと、
    を備えているヒータシステム。

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