NL1015906C1 - Draadloze temperatuurmeting en meetelement daarvoor. - Google Patents

Description

DRAADLOZE TEMPERATUURMETING EN MEETELEMENT DAARVOOR

De uitvinding betreft een werkwijze voor het contactloos, op afstand meten van de temperatuur van een medium, met behulp van ten minste één meetelement dat een 5 resonantiekring omvat waarin ten minste één elektrische condensator met een temperatuursafhankelijke capaciteitswaarde is opgenomen, en waarbij gebruik wordt gemaakt van een meettoestel met een zender/ontvanger-gedeelte en een zoekspoel. De uitvinding betreft verder een werkwijze voor de vervaardiging van een meetelement voor gebruik bij de bovengenoemde werkwijze.

10 Bekend zijn de volgende basistypen van klassieke instrumenten voor temperatuurmeting: uitzettingsthermometers (gasthermometer, vloeistofthermometer, metasalthermometer); elektrische thermometers (weerstandsthermometer, thermo-element), en stralingsthermometers (pyrometer). In bepaalde gevallen voldoen deze klassieke thermometers niet of slecht, bijvoorbeeld bij de bepaling van het temperatuursverloop in 15 een medium zoals uithardende lijm of betonmortel, of bij de bepaling van de temperatuur op plaatsen die moeilijk of niet toegankelijk zijn zoals bij het meten van de temperatuursverdeling in isolatiemateriaal in bouwkundige constructies. Indien er geen fysiek contact met het te meten medium mogelijk is, zijn uitzettingsthermometers of elektrische thermometers niet bruikbaar. Als er geen zichtcontact is, kunnen ook geen 20 stralingsthermometers worden toegepast. In dergelijke gevallen kan men, in of op het te meten medium, een meetelement plaatsen met een temperatuursafhankelijke eigenschap en een daarmee samenhangende parameter op afstand ‘uitlezen’ met daarvoor geschikte apparatuur.

Bekend zijn elektronische meetelementen die een elektromagnetisch signaal, met 25 informatie over de plaatselijke temperatuur, uitzenden. Deze meetelementen bevatten een zender en een elektrische energiebron. Daarnaast zijn er zogenaamde ‘transponders’ die door een van buiten komend elektromagnetisch signaal worden geactiveerd en informatie uitwisselen met daartoe geschikte apparatuur.

‘Transponders’ en meetelementen met zenders zijn relatief duur, en daarom minder 30 geschikt voor toepassingen waarbij het meetelement ‘verloren’ is of in situaties waarbij een groot aantal meetelementen moet worden ingezet. Verder zijn ze niet bestand tegen temperaturen boven ongeveer 150°C, omdat ze actieve elektrische componenten bevatten

4 A

' ; 2 waarvan de gebruikte halfgeleidermaterialen bij hogere temperaturen degraderen, en zij kunnen derhalve niet gebruikt worden bij temperaturen boven ongeveer 150°C.

Met deze uitvinding wordt beoogd een werkwijze te verschaffen voor het contactloos, op afstand meten van temperatuur, gebruik makend van één of meerdere 5 meetelementen die goedkoop, klein en onderhoudsvrij zijn en geschikt zijn voor gebruik bij hogere temperaturen.

De uitvinding verschaft daartoe een werkwijze voor het contactloos, op afstand meten van de temperatuur van een medium, met behulp van ten minste één meetelement dat een resonantiekring omvat waarin ten minste één elektrische condensator met een 10 temperatuursafhankelijke capaciteitswaarde is opgenomen, en waarbij gebruik wordt gemaakt van een meettoestel met een zender/ontvanger-gedeelte en een zoekspoel, omvattende de stappen: A. het in thermisch contact brengen van de elektrische condensator met het medium; B. het inductief laten wisselwerken van de zoekspoel met de resonantiekring; 15 C. het bepalen van een waarde van de resonantiefrequentie van de resonantiekring, en D. het afleiden van een waarde voor de temperatuur uit de in stap C bepaalde waarde. Voordeel van een dergelijke werkwijze is de mogelijkheid de temperatuur van een medium te bepalen ook als er geen fysiek contact of zichtcontact mogelijk is. Met medium wordt hier bedoeld een, al dan niet homogeen, vast lichaam of een vloeibaar of gasvormig 20 materiaal.

In een voorkeurswerkwijze geschiedt in stap A het in thermisch contact brengen van de elektrische condensator met het medium door de elektrische condensator integraal op te nemen in het medium. Bij het opnemen van meerdere meetelementen verdeeld over het medium, is het mogelijk een ruimtelijke temperatuursverdeling te bepalen.

25 Daarbij kan de in stap D afgeleide waarde voor de temperatuur worden afgebeeld op een beeldscherm. Dit heeft als voordeel dat de temperatuur direct afgelezen kan worden.

Ook kan de in stap D afgeleide waarde voor de temperatuur worden gebruikt als invoerparameter voor een meet- en regelsysteem. Zo kan, bijvoorbeeld, door koppeling 30 met een verwarmingssysteem de temperatuur in het medium worden geregeld, en is het mogelijk een thermische historie vast te leggen.

Bij voorkeur ligt de resonantiefrequentie van de resonantiekring tussen 5 en 10 MHz. Dit is meettechnisch een geschikt bereik, de resonantiefrequenties van de gebruikte *? 3 meetelementen kunnen in het algemeen goed daarbinnen gebracht worden, en dit bereik omvat wettelijk toegelaten frequenties.

De uitvinding verschaft tevens een werkwijze voor de vervaardiging van een meetelement voor het contactloos, op afstand meten van de temperatuur van een medium, 5 welk meetelement een resonantiekring omvat waarin ten minste één elektrische condensator met een temperatuursafhankelijke capaciteitswaarde is opgenomen, omvattende de stappen: X. het aanbrengen van de elektrische condensator op een substraat, en Y. het omhullen van het substraat met een beschermende laag.

10 Zo kan een relatief goedkoop meetelement worden gemaakt, wat vooral een voordeel is bij toepassingen waarbij grote aantallen ‘verloren’ meetelementen worden gebruikt. Tevens kan een meetelement worden gemaakt met uitsluitend passieve elektrische componenten zonder zender of energiebron, waardoor het mogelijk is uitsluitend materialen te gebruiken die bestand zijn tegen hoge temperaturen, bijvoorbeeld tot 500°C. De omhulling zorgt voor 15 elektrische isolatie en mechanische bescherming.

Bij voorkeur wordt in stap X de resonantiekring in zijn geheel aangebracht op het substraat. Dit is productietechnisch eenvoudiger en resulteert daardoor in een lagere kostprijs van het meetelement.

Daarbij kan in stap X het aanbrengen van de elektrische condensator op het 20 substraat geschieden middels dikke- of dunne-filmtechniek. Dit heeft als voordeel dat de afmetingen van het meetelement klein kunnen zijn. Dit is van belang bij toepassingen waarbij de ruimte beperkt is of in het geval dat een temperatuursverdeling met grote ruimtelijke resolutie moet worden bepaald.

Daarbij kan in stap X het aanbrengen van de resonantiekring op het substraat 25 geschieden middels dikke- of dunne-filmtechniek. Dit heeft als voordeel dat een verdere integratie bij de productie mogelijk is. Bij stijgende aantallen zal de kostprijs per meetelement relatief snel dalen.

Bij voorkeur wordt de beschermende laag in stap Y ten minste gedeeltelijk gevormd door siliconenrubber. Dit heeft als voordeel dat hiermee een goede elektrische 30 isolatie wordt verkregen.

Bij voorkeur wordt de beschermende laag in stap Y ten minste gedeeltelijk gevormd door polyurethaan. Dit heeft als voordeel dat hiermee een goede mechanische bescherming wordt verkregen.

*' w ~ * Ü 6 4

De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren.

Fig. 1 toont een blokschema van een meettoestel en een meetelement dat geheel is opgenomen in een medium.

5 Fig. 2 toont een meetelement waarbij alleen de condensator is opgenomen in een medium.

Fig. 1 toont een meetelement 1. Het meetelement 1 is in zijn geheel opgenomen in een medium 2, en neemt daarbij de plaatselijke temperatuur aan. Het meetelement 1 bevat een spoel 3 en een condensator 4 die samen een elektrische resonantiekring 5 vormen, 10 waarbinnen de spanning en stroom bij een bepaalde frequentie in resonantie komen. De condensator 4 heeft een temperatuursafhankelijke capaciteitswaarde, waardoor de resonantiefrequentie van de resonantiekring 5 varieert met de temperatuur.

Het meetelement 1 kan vervaardigd worden gebruik makend van commercieel verkrijgbare SMD-componenten. Als grotere aantallen nodig zijn is vervaardiging met 15 behulp van dikke-filmtechniek voordeliger. Bij nog grotere aantallen kan het gebruik van dunne-filmtechniek in combinatie met micromechanische etstechnieken de kostprijs nog verder verlagen.

Het meettoestel 6 omvat een zender 7, een ontvanger 8, en een zoekspoel 9 welke inductief kan wisselwerken met het meetelement 1. Een elektrisch signaal afkomstig van 20 een generator 10 gaat naar een elektronische verwerkingseenheid 11, en tevens via de zender 7 en een aanpassingsnetwerk 12 naar de zoekspoel 9. Er vindt een elektromagnetische wisselwerking tussen de zoekspoel 9 en het meetelement 1 plaats, en er gaat een signaal van de zoekspoel 9, via de ontvanger 8 naar de elektronische verwerkingseenheid 11. In de elektronische verwerkingseenheid 11 worden de signalen 25 afkomstig van de generator 10 en de ontvanger 8 verwerkt tot een waarde voor de resonantiefrequentie van de resonantiekring 5. Daaruit wordt een waarde voor de temperatuur afgeleid. Deze waarde voor de temperatuur kan afgebeeld worden op een beeldscherm 13 of gebruikt worden als invoerparameter voor een meet- en regelsysteem 14.

30 Het bepalen van de waarde van de resonantiefrequentie gebeurt volgens de zogenaamde scan-methode, waarbij het frequentiegebied waarin de resonantiefrequentie zich kan bevinden, periodiek wordt doorlopen. De generator 10 levert daartoe een, met een lage frequentie zwaaiend, hoogfrequent signaal. Wanneer de zoekspoel 9 in de buurt van 5 het meetelement 1 wordt gehouden, worden de zoekspoel 9 en de spoel 3 elektromagnetisch gekoppeld. Met behulp van het meettoestel 6 kan dan de impedantie van de resonantiekring 5 als functie van de frequentie worden bepaald, waarbij de resonantie zichtbaar is als piek. Uit de waarde van de resonantiefrequentie kan dan een waarde voor 5 de temperatuur worden afgeleid.

Door opnemen van een aantal meetelementen ruimtelijk verdeeld over een medium, kan de ruimtelijke temperatuursverdeling in dat medium worden bepaald. Door tijdsafhankelijk te meten, kan het temperatuursverloop worden bepaald en een thermische historie worden vastgelegd.

10 Fig. 2 toont een alternatief waarbij alleen de temperatuursafhankelijke condensator 4 is opgenomen in het medium 2. De condensator neemt daarbij de plaatselijke temperatuur aan.

Een werkwijze volgens uitvinding voor het contactloos, op afstand meten van de temperatuur van een medium, of een werkwijze volgens de uitvinding voor de 15 vervaardiging van een meetelement daarvoor, kan bijvoorbeeld toegepast worden voor het meten van de temperatuur in : - lucht in een thermisch-isolerende ruimte, bijvoorbeeld een spouw; - een thermisch-isolerend materiaal, bijvoorbeeld in een bouwkundige constructie; - een bouwmateriaal, bijvoorbeeld uithardende betonmortel; 20 - een chemische substantie, bijvoorbeeld uithardende lijm, of - een natuurlijk materiaal, bijvoorbeeld kweekgrond.

1 0 1 R o n «

Claims (13)

1. Werkwijze voor het contactloos, op afstand meten van de temperatuur van 5 een medium, met behulp van ten minste één meetelement dat een resonantiekring omvat waarin ten minste één elektrische condensator met een temperatuursafhankelijke capaciteitswaarde is opgenomen, en waarbij gebruik wordt gemaakt van een meettoestel met een zender/ontvanger-gedeelte en een zoekspoel, omvattende de stappen:

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in stap A het in 15 thermisch contact brengen van de elektrische condensator met het medium geschiedt door de elektrische condensator integraal op te nemen in het medium.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de in stap D afgeleide waarde voor de temperatuur wordt afgebeeld op een beeldscherm.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, 20 dat de in stap D afgeleide waarde voor de temperatuur wordt gebruikt als invoerparameter voor een meet- en regelsysteem.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de resonantiefrequentie van de resonantiekring ligt tussen 5 en 10 MHz.

6. Werkwijze voor de vervaardiging van een meetelement voor het 25 contactloos, op afstand meten van de temperatuur van een medium, welk meetelement een resonantiekring omvat waarin ten minste één elektrische condensator met een temperatuursafhankelijke capaciteitswaarde is opgenomen, omvattende de stappen: X. het aanbrengen van de elektrische condensator op een substraat, en 30 Y. het omhullen van het substraat met een beschermende laag.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat in stap X de resonantiekring in zijn geheel wordt aangebracht op het substraat. «f t

8. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat in stap X het aanbrengen van de elektrische condensator op het substraat geschiedt middels dikke-filmtechniek.

9. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat in stap X het 5 aanbrengen van de elektrische condensator op het substraat geschiedt middels dunne- filmtechniek.

10. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in stap X het aanbrengen van de resonantiekring op het substraat geschiedt middels dikke-filmtechniek.

10 A. het in thermisch contact brengen van de elektrische condensator met het medium; B. het inductief laten wisselwerken van de zoekspoel met de resonantiekring; C. het bepalen van een waarde van de resonantiefrequentie van de resonantiekring, en D. het afleiden van een waarde voor de temperatuur uit de in stap C bepaalde waarde.

11. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in stap X het aanbrengen van de resonantiekring op het substraat geschiedt middels dunne-filmtechniek.

12. Werkwijze volgens één der conclusies 6 tot en met 11, met het kenmerk, dat in stap Y de beschermende laag ten minste gedeeltelijk wordt gevormd 15 door siliconenrubber.

13. Werkwijze volgens één der conclusies 6 tot en met 12, met het kenmerk, dat in stap Y de beschermende laag ten minste gedeeltelijk wordt gevormd door polyurethaan.